Вальков - Почвоведение. Издательский центр МарТ
 Скачать 19.72 Mb.
|
|
1.12. ПОЧВЕННЫЙ раствор bПочвенный раствор можно определить как жидкую фазу почв, включающую почвенную воду, содержащую растворенные соли, ор ганоминеральные и органические соединения, газы и тончайшие коллоидные золи. В.И. Вернадский считал почвенные растворы одной из важнейших категорий природных вод, основным субстратом жизни, основным элементом механизма биосферы. Очень примечательно следующее высказывание академика Вернадского: «Любое проявление природной воды — глетчерный лед, почвенный раствор, гейзер, минеральный источник — составляют единое целое, прямо или косвенно, но глубоко связанные между собой». К.К. Гедройц, А.Г. Дояренко, А.А. Шмук, С.А. Захаров, А.А. Роде, ПА. Крюков, НА. Комарова, Е. И. Шилова внесли существенный вклад в разработку методов выделения, изучения состава и динамики почвенных растворов. Почвенный раствор — это вода свободная и рыхлосвязанная, наполняющая капиллярные промежутки и пространства между агрегатами, содержащая в растворенном и коллоидном состоянии некоторые газы, минеральные, органоминеральные и органические вещества. Объем почвенного раствора равен объему почвенной влаги за исключением воды на уровне максимально гигроскопической влажности. Физически прочносвязанная вода не входит в состав почвенного раствора. Проблематично к почвенному раствору отнести гравитаци онно просачивающуюся воду, проходящую почвенные горизонты по крупным трещинами и ходам корней и животных. Методы bbв ы деления bbп о ч вен ног о р ас т вора bДля выделения почвенного раствора используют методы выжимание раствора под давлением на специальных прессах, центрифугирования и замещения (вытеснения) другой жидкостью. Количество выделяющегося почвенного раствора зависит от водоудерживающих свойств почвы и степени ее увлажнения. Получение почвенных растворов центрифугированием возможно лишь в почвах с влажностью Часть. Состав и с вой ст в а почв 157близкой к полной влагоемкости. Выделение почвенного раствора замещением его другой жидкостью заключается в том, что через колонку, заполненную исследуемой почвой с естественной влажностью, сверху просачивается вытесняющая жидкость. Наиболее удобен для этой цели этиловый спирт. Почвенный раствор собирается в приемник. Для улучшения фильтрационных свойств тяжелых почв их рекомендуется смешивать с хорошо отмытым кварцевым песком. При использовании указанных методов после выделения раствора в почве остается еще некоторое количество влаги. Преимущество указанных методов — возможность получения растворов при влажности, характерной для почв в вегетационный период, поэтому практически динамику почвенного раствора можно изучить лишь этими методами. Состав жидкой фазы почвы в почвоведении также изучают лизиметрическим методом. Этот метод основан на исследовании просачивающихся через определенную толщу почвы дождевых или талых вод, которые собирают в специальный приемник. Недостаток всех лизиметрических установок — возможность получения растворов лишь в периоды сильного увлажнения почв. Все методы выделения почвенных растворов трудоемки и не получили широкого распространения в практике научных исследований, кроме лизиметрических стационаров. Некоторое приближение к познанию состава почвенных растворов дает метод извлечения солей из почвы водной вытяжкой в соотношении почва:вода = 1:5. Простота и доступность метода водной вытяжки сделала его массовым при определении засоленности почв и содержания водорастворимых элементов питания растений. Сравнительное представление о составе почвенного раствора и водной вытяжки из солончака дают следующие данные в м.-экв. наг почвы. Вытяжка Раствор С1- 39,4 42,4 S0,2- 14,1 7,0 Na* 37,0 36,4 Mg2* 12,0 12,6 Са2+ 4,6 0,6 Почвоведение 2 .2 . Состав, свойства bbиbbэ коло г и ческа я ЗНАЧИМОСТЬ ПОЧВЕННЫХ РАСТВОРОВ Наиболее существенным источником почвенных растворов являются атмосферные осадки. Грунтовые воды также могут участвовать в их формировании при близком их залегании от поверхности. При орошении дополнительным резервом влаги для почвенных растворов становятся поливные воды. Атмосферные осадки, поверхностные воды, росы, грунтовые воды, попадая в почву и переходя в категорию жидкой ее фазы, изменяют свой состав при взаимодействии с твердой и газообразной фазами почвы, с корневыми системами растений и живыми организмами, населяющими почву. В почвенном растворе содержатся минеральные, органические и органо-минеральные вещества, представленные в виде ионных, молекулярных и коллоидных форм. Кроме того, в почвенном растворе присутствуют растворенные газы Си др. Из минеральных соединений в составе почвенного раствора могут быть анионы НС, Си катионы Са2+, Mg2+, Na+, NH4+, K+, H+ и др. В сильнокислых почвах могут быть также Al3+, Fe3+, а в заболоченных Fe2+. Железо и алюминий в почвенных растворах содержатся в основном в виде устойчивых комплексов с органическими веществами. Из органических соединений в почвенном растворе могут присутствовать водорастворимые вещества органических остатков и продукты их разложения, продукты жизнедеятельности растений ими кроорганизмов (органические кислоты, сахара, аминокислоты, спирты, ферменты, дубильные вещества и др, а также гумусовые веще ства. Органоминеральные соединения представлены преимущественно комплексными соединениями различных органических веществ кислотной природы (гумусовые кислоты, полифенолы, низкомолекулярные органические кислоты) с поливалентными катионами. Соотношение минеральной и органической частей почвенного раствора неодинаково в разных почвах. Так, для болотных, подзолисто болотных и целинных дерново-подзолистых почв характерно преобладание в почвенном растворе органических веществ над минеральными в черноземах эти компоненты примерно равны, а в засоленных Часть. Сост а вис вой ст в а п о ч в 159 почвах минеральных соединений больше. Повышенное содержание органических веществ в почвенном растворе имеют также солонцо вые почвы благодаря его щелочной реакции к пептизирующему действию поглощенного Na+. Коллоидно-растворимые формы могут быть представлены органическими и органоминеральными веществами, золями кремнекислоты и полутораокисей железа и алюминия. Поданным К. К. Гедройца, коллоидная часть составляет обычно 1 /4 —1/10 и меньше общего количества веществ в растворе. Высокое содержание коллоидно-раство римых соединений наблюдается в почвенных растворах солонцов. Содержание отдельных компонентов почвенного раствора существенно изменяется также по генетическим горизонтам одного итого же типа почв. Максимум органических веществ находится в почвенном растворе органогенных и гумусовых горизонтов. Вниз по профилю почв количество органических веществ резко падает в результате их закрепления и минерализации в верхних горизонтах. В чернозе мах, каштановых почвах, сероземах и солонцах в составе почвенных растворов нижних горизонтов содержание минеральных солей уве личивается. Концентрация почвенного раствора невелика и обычно не превышает нескольких граммов вещества на литр раствора. Исключение составляют засоленные почвы, в которых содержание растворенных веществ может достигать десятков граммов на литр. Так, в подзолах концентрация почвенного раствора составляет 2—3, в чернозе мах — 4—6, в солончаках — 10—300 гл при оптимальной концентрации для большинства сельскохозяйственных растений 3—6 гл. Для сравнения концентрация солей вводе реки Дона в морской воде — 35 гл Почвенный раствор находится в постоянном и тесном взаимодействии с твердой и газовой фазами почвы и корнями растений, и поэтому состав и концентрация его являются результатом биологических, физико-химических и физических процессов, лежащих в основе этого взаимодействия. Темп и направление указанных процессов подвержены значительной сезонной изменчивости, поэтому и состав почвенного раствора чрезвычайно динамичен. Постоянно меняется концентрация почвенного раствора в зависимости от изменения влажности почвы и потребления питательных веществ корнями растений. Типичны сезонные Почвоведение bтесты агрохимиков на содержание в почвах доступных растениям азота и фосфора, так как растения потребляют эти элементы главным образом из почвенного раствора. К.К. Гедройц еще в 1906 г. писал, что дальнейшие успехи агрономии зависят от развития исследований почвенных растворов ввиду той важной роли, которую они играют ив почвообразовании, ив жизни растений. Изменение концентрации и состава растворов ведет к изменению режима водного и минерального питания растений, что, естественно, непосредственно отражается на их развитии и продуктивности. Поэтому человек своими разнообразными воздействиями на почву в процессе сельскохозяйственного производства по существу всегда стремился и стремится регулировать тем или иным способом состав почвенного раствора, сделать его состав оптимальным для получения наиболее высокой продуктивности агроценозов. В питании растений большую роль играет осмотическое давление почвенного раствора. Если осмотическое давление почвенного раствора равно осмотическому давлению клеточного сока растений или выше его, то поступление воды в растения прекращается, что характерно для засоленных почв. Важнейшими характеристиками почвенных растворов является их кислотность и щелочность, которая напрямую зависит от солевого состава растворов, поглотительной способности почв и присутствия в почвах свободных кислот. Почвенный раствор имеет огромное значение в генезисе почв и их плодородии. Он участвует в процессах преобразования (разрушение и синтез) минеральных и органических соединений в составе его по профилю почв перемещаются разнообразные продукты почвообразования. Элювиально-иллювиальная дифференциация почвенных горизонтов, состав грунтовых вод, вод родников и рек во многом обязан почвенным растворам тех территорий, где они формируются. Мягкие воды северных территорий нашей страны резко контрастны жестким водам южных регионов Часть I. С остав и свойства по чв 161 1.13. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ почв bНа рубеже II и III тысячелетий н. э. в мышлении человека и его практической деятельности происходит смена парадигмы — экономические приоритеты заменяются экологическими. Тоже происходит ив науке о почве. Господствовавшее все XX столетие сельскохозяйственное направление в почвоведении все больше заменяется экологическим. Сельскохозяйственное (экономическое) направление требует от почвоведения достижений, ведущих к росту сельскохозяйственной продукции, экологическое — направлено на сохранение способности почвы выполнять свои экологические функции, без чего невозможно стабильное существование биосферы и человека. Именно оттого, сможет ли человечество в ближайшее время добиться разумного сочетания экономических и экологических интересов, зависит его будущее. Такое же разумное сочетание приоритетов необходимо выработать почвоведам относительно использования почвы. Почва является неотъемлемой частью любого наземного биогеоценоза и биосферы в целом. При этом она выполняет ряд экологических функций, в том числе глобальных биосферных, обеспечивающих стабильность биосферы и саму возможность существования жизни на Земле. Кроме того, по отношению непосредственно к человеку почва осуществляет еще одну функцию — сельскохозяйственную. Она является главным средством сельскохозяйственного производства. В основе и экологических, и сельскохозяйственных функций почвы лежит ее важнейшее свойство — плодородие. По Г.В. Добровольскому и ЕД. Никитину (1986), экологические функции почвы можно разделить на две большие группы экосистем- ные (биогеоценотические) функции почвы и глобальные (биосферные) функции почвенного покрова. Экосистем н ы е (биогеоценотические) ФУНКЦИИ почвы bПочва, будучи составной частью любого наземного биогеоценоза, выполняет ряд биогеоценотических функций (рис. 3). 6. Почвоведение 162 __________________________________________Почвоведов»! Рис 3. Экосистемные (биогеоценотические) функции почвы (ЕД. Никитин, Рассмотрим основные экосистемные функции почвы, а также влияние на них различного рода деградационных процессов. Функции почвы, обусловленные физическими свойствами жизненное пространство жилище и убежище механическая опора депо семян и других зачатков. В рассматриваемом аспекте наиболее важными являются такие физические свойства почвы, как структура, плотность, влагоемкость, водопроницаемость, температура, теплопроводность и пр. При деградации почвы физические свойства почв в большинстве случаев изменяются в последнюю очередь Часть. Сост а вис вой ст в а почв b16*Многочисленные данные свидетельствуют, что при различного рода деградационных процессах ухудшается структура почвы, увеличивается плотность, уменьшается общая порозность, снижается водопроницаемость, ухудшается водно-воздушный режим почв. В результате девегетации усиливаются процессы эрозии и дефляции почвы. В последнем случае наблюдается разрушение почвы, которое делает невозможным выполнение ею не только группы функций, связанной с физическими свойствами, но и любых других ее функций. Функции почвы, связанные преимущественно с ее химическими, физико-химическими и биохимическими свойствами: источник элементов питания депо влаги, элементов питания и энергии сорбция веществ, поступающих из атмосферы и с грунтовыми водами сорбция микроорганизмов стимулятор и ингибитор биохимических и других процессов. Выполнение перечисленных функций зависит от таких свойств почвы как содержание и запасы гумуса и элементов минерального питания, влагоемкость, щелочно-кислотные и окислительно-восстано вительные условия, активность ферментов и т. д. Изменение указанных свойств происходит уже при менее значительном антропогенном воздействии на почву. Большинство деградационных процессов ведет к снижению содержания и запасов гумуса в почве. Возможны и изменения его качественного состава. Как правило, тормозятся процессы азотфик- сации, аммонификации, нитрификации и минерализации. Это приводит к снижению содержания в почве доступных растениям форм азота, фосфора и других элементов питания растений. Происходит ухудшение питательного режима почвы. Очень часто изменяется реакция среды (pH). В одних случаях увеличивается кислотность почвы, например при вторичном подкислении, в других — происходит подщелачивание, к примеру при осолонцевании. Изменение окислительно-восстановительного потенциала почвы в основном зависит от степени изменения щелочно-кислотных условий. Деградация почв практически всегда ведет к снижению ее ферментативной активности I I . Информационная группа функций почвы сигнал для ряда сезонных и других биологических процессов регуляция Почвоведение, состава и структуры биоценозов; пусковой механизм некоторых сукцессий; память биогеоценоза. По сравнению с вещественной и энергетической сторонами природных процессов и явлений информационный аспект исследуется относительно недавно. Отчасти именно поэтому сведения о влиянии антропогенных воздействий на данную группу экологических функций почвы практически отсутствуют. Однако именно эти характеристики оказываются особенно чувствительными и первыми подвергаются изменению. Наиболее хорошо изучены здесь вопросы изменения численности, состава и структуры биоценозов. По имеющимся данным, любое антропогенное воздействие может оказать значительное влияние на общую численность, видовой состав и активность почвенной микробио ты. В зависимости от характера воздействия численность почвенных микроорганизмов может снижаться, не изменяться и даже увеличиваться. Более однозначными являются изменения состава и структуры комплекса почвенных микроорганизмов. В большинстве случаев наблюдается снижение видового разнообразия. Учитывая глобальный характер деградации почв, сужение видового разнообразия атропо- генноизмененных экосистем представляет собой очень опасную тенденцию, тем более, что проявляется она уже при незначительной степени воздействия V . Целостные биогеоценотические функции почвы аккумуляция и трансформация веществ и энергии, находящихся в биогеоценозе или поступающих в него санитарная функция буферный и защитный биогеоценотический экран условия существования и эволюции организмов. Выполнение почвой этой группы функций зависит от всех ее свойств. На примере данной группы функций наиболее отчетливо прослеживаются обратные связи между влиянием антропогенного фактора и способностью почвы выполнять свои экологические функции. С одной стороны, именно указанные функции призваны предотвращать негативные последствия, например загрязнение почв, с другой стороны, когда свойства почвы, определяющие эти функции, не выдерживают антропогенного пресса и происходит срыв в их работе, тогда и возникают нарушения в функционировании почвы и всей экосистемы. Именно под устойчивостью данных функций должна пониматься устойчивость почвы к деградационным процессам. Ухудшение Часть. Сост а вис вой ст в а почв b165целостных функций почвы, как правило, происходит одновременно с ухудшением группы химических, физико-химических и биохимических функций почвы. Об антропогенном влиянии на группу целостных вт Я Ш Я И Ш ческих свойств почвы можно судить по показателям фитотоксично сти почвы, урожайности и качеству урожая. Деградирующим почвам свойственно усиление фитотоксических свойств, снижение урожайности и качества сельскохозяйственной продукции. Глобальные биосферные) функции bbп о ч вен ног опок ров а Почвенный покров, являясь неотъемлемым компонентом биосферы, выполняет ряд биосферных функций (табл. 30). / . Среда обитания, аккумулятор и источник вещества и энергии для организмов суши. Деградировавшая по различного рода причинам почва малопригодна или вовсе непригодна для обитания большинства живых организмов. Даже если почва не становится безжизненной, то формирующиеся на ней биоценозы отличаются малым объемом биомассы, низкой скоростью биологических процессов, узким видовым составом (био разнообразием), слабой устойчивостью и т. д. Сопряжение большого геологического им алого биологического круговорот ов веществ наземной поверхности. Следствием снижения интенсивности биологических процессов является ослабление биологического круговорота веществ и усиление геологического. Это выражается в развитии эрозии почв, усилении процессов денудации суши, приводит к удалению с поверхности суши биофильных элементов. Регулирование химического состава атмосферы и гидросферы В деградирующей почве происходит изменение биогеохимических и геохимических процессов, что отражается на направленности трансформации и миграции веществ между почвой, атмосферой и гидросферой. Например, ослабление интенсивности почвенного дыхания снижает поглощение почвой кислорода и выделение в атмосферу углекислого газа |