Биологическая поглотительная
способность почвы обусловлена жизнедеятельностью
растений и микроорганизмов почвы, которые
поглощают из нее необходимые для жизни
элементы и переводят их в органические
соединения своего тела. В таком виде элементы
питания не вымываются из почвы. Особенностью
этого вида поглотительной способности
является избирательность –
растения и микроорганизмы поглощают
необходимые им вещества строго в соответствии
со своими потребностями. Благодаря этой
избирательности почва систематически
обогащается биологически ценными элементами,
которые извлекаются из глубоких слоев,
после отмирания живых организмов накапливаются
в верхних горизонтах и используются следующими
поколениями организмов. В естественных
условиях почва чем старше, тем плодороднее.
Однако избирательность может иметь и
отрицательные последствия: при внесении
удобрений в результате поглощения только
некоторых ионов в почве возникают физиологическая
кислотность и щелочность.
Особенно большое значение
этот вид поглотительной способности
имеет в отношении нитратов, так как они
поглощаются и закрепляются только биологическим
путем.
Химическая поглотительная
способность – это способность почвы закреплять
нерастворимые соединения, образующиеся
в результате химических обменных реакций
в почвенном растворе или при взаимодействии
с твердой частью почвы. При взаимодействии
с катионами кальция, алюминия, железа
и других элементов растворимые в воде
сульфаты, карбонаты, фосфаты образуют
нерастворимые соединения. В таком виде
вещества закрепляются и не вымываются
из почвы:
3 CaCl2 + 2 Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓+ 6 NaCl,
Na2SO4 + CaCl2 → 2 NaCl + CaSO4↓.
Таким же образом могут закрепляться
в почве и удобрения. Например, при внесении
фосфатных удобрений (суперфосфат) в карбонатную
почву он переходит в нерастворимый трифосфат
кальция:
2 CaCО3 +Ca(Н2PO4)2 → Ca3(PO4)2↓+ 2 Н2СО3.
Вопрос 17 Физико-химическая
поглотительная способность почв. Состав
обменных катионов в различных почвах,
емкость катионного обмена, сумма поглощенных
оснований, степень насыщенности. Влияние
обменных катионов на свойства почвы.
Агрономическое и экологическое значение
коллоидов и поглотительной способности
почв.
Физико-химическая
(обменная) поглотительная способность
почв – это способность почвы поглощать
из раствора различные катионы или анионы,
отдавая в обмен эквивалентное количество
ионов твердой фазы (из диффузного слоя
мицеллы). Так как большинство почвенных
коллоидов заряжены отрицательно, то и
поглощаться будут из почвенного раствора
в основном катионы, которые называются
обменными. Эта поглотительная способность
напрямую связана с ППК. В общем виде процесс
обмена катионов можно представить следующим
образом:
почва] Н+ + КСl ↔почва]
К + НСl.
К.К.Гедройц установил следующие
законы обменной адсорбции:
● закон эквивалентности –
процесс обмена катионов происходит в
эквивалентных отношениях по законам
химии;
● закон обратимости –
реакция обмена катионов является обратимой,
т.е. любой поглощенный катион при соответствующих
условиях может снова перейти в раствор;
● закон концентрации –
чем выше концентрация иона-вытеснителя
в почвенном растворе, тем интенсивнее
он будет поглощаться почвой и займет
больший вес в составе поглощенных катионов
(при постоянном объеме). В случае если
концентрация раствора постоянна, количество
катионов, вытесняемых из почвы в раствор,
возрастает с увеличением объема последнего;
● закон скорости – реакции
обменной адсорбции происходят быстро
(равновесие устанавливается в течение
нескольких минут);
● закон энергии – энергия
адсорбционного поглощения почвой разных
катионов неодинаковая и зависит от их
валентности, а в пределах одной валентности
– от атомной массы и ионного радиуса.
Ряд энергии поглощения катионов в большинстве
почв следующий (К.К.Гедройц):
Li+< Na+ < NH+< K+< Mg2+ < H+< Ca2+< Ba2+< Al3+< Fe3+.
Поглощение анионов идет
всегда в обмен на ОН-группы почвенных
коллоидов и зависит от природы аниона,
реакции среды и состава коллоидов. Обмен
анионов происходит в том случае, если
в почве есть «+» заряженные коллоиды (гидроксиды
полуторных оксидов) или «+» заряженные
участки отрицательных коллоидов (минералы
группы каолинита, вещества белковой природы).
Поэтому в тех почвах, где много базоидов
(дерново-подзолистые, красноземы), при
уменьшении рН почвы или увеличении в
почве содержания Fe и Al обмен анионов возрастает.
В почвах, имеющих нейтральную или щелочную
реакцию, обмен анионов выражен очень
слабо.
В почвенном растворе присутствуют
две группы анионов, которые отличаются
по характеру поглощения: 1) NO3–, NO2–, Cl– – в пределах
возможных в почвах реакций не поглощаются
почвой, так как легкорастворимы, закрепляются
только биологическим путем; 2) SO42–, CO32–, PO43–
– поглощаются химическим и
физико-химическим путем. Особенно большое
значение имеет поглощение фосфат-иона
почвой, так как, с одной стороны, он становится
недоступным для растений, с другой стороны,
он извлекается из геологического круговорота
и удерживается в почве. Поэтому фосфорные
удобрения вносят в почву в гранулированном
виде.
Физическая поглотительная
способность – это способность почвы поглощать
и удерживать в себе целые молекулы веществ
на поверхности своих частиц. Она обусловлена
силами молекулярного притяжения (из-за
наличия свободной энергии у поверхностных
молекул), за счет которых на поверхности
коллоидных частиц адсорбируются вещества
из раствора или газы, причем изменяется
только концентрация веществ, но качественный
состав не изменяется (поглощенное вещество
не внедряется в твердую фазу почвы и не
вступает в химическую реакцию, а накапливается
на границе раздела фаз).
Способность адсорбции присуща
всем телам природы. Чем сильнее степень
раздробленности частиц, тем больше их
общая поверхность, где сорбируются молекулы
многих веществ.
Различают положительную и
отрицательную адсорбцию. При нормальной
(положительной) адсорбции к поверхности
почвенных частиц притягиваются молекулы
растворенного вещества, и концентрация
раствора уменьшается. Таким путем поглощаются
органические соединения, газы, щелочи,
некоторые токсины. При отрицательной
адсорбции на поверхности частиц закрепляются
молекулы растворителя, и концентрация
раствора увеличивается. Такому явлению
подвержены неорганические кислоты и
некоторые другие минеральные соединения.
Так, нитраты почвой не поглощаются ни
физическим, ни химическим путем, а только
биологическим, поэтому вносить азотные
удобрения необходимо только в период
интенсивного роста растений, когда они
наиболее нуждаются в азоте. Это предотвратит
загрязнение водоемов нитратами.
Состав поглощенных
катионов, емкость катионного обмена и
степень насыщенности почв основаниями
Почвенный поглотительный комплекс
всегда насыщен катионами, но их состав
и количество неодинаковы в разных почвах.
Важнейшей характеристикой ППК и почвы
в целом является емкость катионного
обмена (емкость поглощения) (ЕКО) –
общее количество поглощенных катионов,
находящихся в почве и способных к обмену.
Выражается в мг·экв/100 г почвы и обозначается
Т (Е), зависит от типа почвы, минералогического
состава, гранулометрического состава,
количества гумуса и реакции среды. Чем
больше в почве глинистых минералов и
гумуса, чем ближе к нейтральной реакция
почвы, тем больше ЕКО. Песчаные малогумусные
почвы имеют самую низкую емкость поглощения
– 1 – 5, супесчаные – 7 – 8, суглинистые
– 15 – 18, глинистые – 25 – 30 мг·экв/100 г.
В гумусовых горизонтах ЕКО выше, чем в
нижележащих горизонтах. В верхнем горизонте
черноземов она достигает 50 – 60 мг·экв/100
г, так как здесь много гуминовых кислот,
ЕКО которых в чистом виде – 350 – 400 мг·экв/100
г.
Емкость катионного обмена
варьирует в широких пределах и ее величина
в различных типах почв представлена в
таблице 6.
Различные почвы существенно
отличаются друг от друга по качественному
составу поглощенных катионов, который
обусловлен условиями почвообразования,
водно-солевым режимом почв и хозяйственной
деятельностью человека. В составе ППК
находятся практически все катионы, необходимые
для питания растений, но их доля от общего
количества поглощенных катионов невелика
– несколько процентов. Общее содержание
всех обменных катионов, кроме Н+ и Al3+, называют суммой обменных
оснований (S). В зависимости от наличия
поглощенного водорода и алюминия почвы
подразделяют на насыщенные и ненасыщенныеоснованиями.
Таблица 6
Емкость катионного обмена
в различных типах почв
Почва |
мг● экв/100 г |
Дерново-подзолистая песчаная |
3 – 6 |
Дерново-подзолистая среднесуглинистая |
10 – 20 |
Дерново-подзолистая глинистая |
15 – 25 |
Лесная серая среднесуглинистая |
15 – 30 |
Чернозем типичный тяжелосуглинистый |
30 – 70 |
Чернозем южный суглинистый |
30 – 50 |
Светло-каштановая суглинистая |
20 – 40 |
Серозем типичный суглинистый |
8 – 20 |
Краснозем суглинистый |
13 – 25 |
К почвам, насыщенным основаниями,
относятся черноземы, сероземы, каштановые
почвы, в их ППК нет этих катионов. Ненасыщенные
основаниями – подзолистая, дерново-подзолистая,
серая лесная, тундрово-глеевая и другие
почвы таежно-лесной и лесостепной зон,
в составе ППК которых есть Н+ и Al3+. Степенью насыщенностипочв
основаниями (V, %) называется отношение
суммы обменных оснований к емкости поглощения
почвы, выраженное в процентах:
где Н – гидролитическая кислотность
в мг·экв/100 г. Чем больше емкость катионного
обмена и степень насыщенности основаниями,
тем лучше для почвы. В нейтральных и щелочных
почвах V » 100 %, в сильнокислых – < 50 %,
слабокислых около 80 %.
Состав поглощенных катионов
в значительной степени определяет свойства
почв. Почвы, насыщенные Са2+ и Мg2+, имеют нейтральную
реакцию, благоприятные водно-физические
свойства, так как хорошо структурированы,
эти катионы способствуют сохранению
коллоидов (в том числе и органических),
закрепляют гумус, увеличивая тем самым
емкость поглощения почвы и плодородие.
К таким почвам относятся черноземы, пойменные
дерновые и дерново-карбонатные.
В почвах, находящихся к северу
от черноземов, кроме кальция и магния,
в ППК присутствуют катионы Н+ и Al3+. Эти катионы
обусловливают кислую реакцию среды, коллоиды
находятся в состоянии непрочного геля,
легко разрушаются в такой среде и вымываются.
Почвы хуже структурированы, обладают
менее благоприятным водно-воздушным
режимом, емкость катионного обмена меньше,
имеют невысокое естественное плодородие.
К таким почвам относятся подзолистые,
дерново-подзолистые, красноземы, серые
лесные и др.
В почвах, находящихся к югу
от черноземов, в ППК присутствует значительное
количество Na+. Такие почвы
имеют щелочную реакцию, наименее благоприятные
водно-физические свойства, бесструктурные,
коллоиды очень неустойчивые, легко пептизируются
и вымываются. Во влажном состоянии они
вязкие, при высыхании образуют очень
плотные горизонты и растрескиваются.
Типичным представителем являются солонцы.
Вопрос 26 Состав почвенного
воздуха. Воздушные свойства почв. Воздушный
режим почвы и его регулирование
Воздушные свойства
и воздушный режим почв
В почвах – пористых системах
– в том или ином количестве присутствует
почвенный воздух (газовая среда). Это
важнейшая, наиболее динамичная составная
часть почвы находится в тесном взаимодействии
с твердой, жидкой и живой фазами почвы.
Почвенный воздух является источником
кислорода для дыхания корней растений,
аэробных микроорганизмов и почвенной
фауны.
Почвенный воздух – это смесь газов и
летучих органических соединений, заполняющих
поры почвы, свободные от воды. Кислород
почвенного воздуха активно участвует
в химических реакциях минеральных и органических
веществ. Одни химические элементы, окисляясь,
переходят в труднорастворимые формы
(железо, марганец), другие приобретают
большую растворимость (сера, хром, ванадий),
замедляя или ускоряя миграцию химических
элементов. Окисление органического вещества
почвы обусловливает круговорот углерода,
азота, фосфора, серы и других биологически
важных химических элементов. Почвенный
воздух является источником диоксида
углерода для растений, используемым в
фотосинтезе. От всего количества СО2,
идущего на создание урожая, от 38 до 72 %
поступает растению из почвы. Почвенный
воздух находится в почве в трех состояниях:
свободном, адсорбированном и растворимом.
Свободный почвенный воздух, находясь
в крупных некапиллярных и капиллярных
порах почвы, свободно перемещается в
ней, обеспечивает аэрацию почв и газообмен
между почвой и атмосферой. Защемленный
почвенный воздух – воздух, находящийся
в порах, со всех сторон изолированный
водными пробками. В глинистых почвах
содержание защемленного воздуха может
достигать 12 % и более, в среднем же 6-8 %
общего объема почвы. Защемленный воздух
неподвижен, практически не участвует
в газообмене, препятствует фильтрации
воды в почве. Вырываясь из пор при защемлении
водой, защемленный воздух может вызвать
разрушение почвенной структуры. Адсорбированный
почвенный воздух – газы и летучие органические
соединения, адсорбированные на поверхности
почвенных частиц. Чем более дисперсна
почва, тем больше содержит она адсорбированных
газов при данной температуре. Адсорбция
газов сильнее проявляется в почвах тяжелого
гранулометрического состава, богатых
органическим веществом. Газы в зависимости
от их свойств адсорбируются в такой последовательности:
N2 < О2 < СО2 < NH3. Более активно, чем газы,
частицы почвы поглощают пары воды. Растворенный
почвенный воздух – газы, растворенные
в почвенной воде. Растворимость газов
в почвенной воде возрастает с повышением
их концентрации в свободном почвенном
воздухе, а также с понижением температуры
почвы. Наиболее хорошо растворяются в
воде аммиак, сероводород, диоксид углерода.
Количество растворенных газов подчиняется
закону фазового равновесия Генри: В почве
в условиях изменяющихся концентраций
газов, температур, давлений, влажности
постоянно протекают процессы сорбции
— десорбции, растворения — дегазации.
Находясь в состоянии подвижного равновесия,
система почвенного воздуха связана с
изменчивостью термодинамических условий
и биологической активности. Потребность
в кислороде корней растений удовлетворяется
преимущественно за счет свободного почвенного
воздуха, участвующего постоянно в газообмене
между почвой и атмосферой.