СОСТАВ ПОЧВЕННОГО РАСТВОРА (1968 год)

СОСТАВ ПОЧВЕННОГО РАСТВОРА (1968 год)

Состав и концентрация почвенного раствора являются результатом целого ряда процессов: биологических, физико-химических, химических и физических, которые протекают в почве в тесной зависимости от ее температуры, влажности и аэрации. Между жидкой и твердой фазами почвы постоянно существует динамическое адсорбционное равновесие. Все это делает состав и концентрацию почвенного раствора весьма подвижными и приводит к необходимости изучения их в динамике. Анализ, относящийся к одному какому-то моменту, не дает представления о тех изменениях, которые претерпевает почвенный раствор под влиянием метеорологических условий, развития растений, культурных воздействий (обработка, удобрения и т. д.).

В незасоленных почвах концентрация почвенного раствора невелика и не превышает одного или нескольких граммов на литр. В засоленных почвах концентрация почвенного раствора высока и достигает нескольких десятков и даже сотен граммов на литр.

Жидкая фаза почвы содержит в растворенном или коллоидно-растворенном состоянии ряд минеральных и органических веществ .

В почвенной воде имеются и растворенные газы (О, СО2 и др.)

Анионы почвенного раствора

а) НСО^-₃ вместе с анионом NО^-₃ составляет в незасолеиных почвах основную массу анионов почвенного раствора (до 90% и больше). Количество НСО^-₃ в почвенном растворе сильно варьирует в зависимости от интенсивности процессов окисления органического вещества и образования углекислоты (жизнедеятельность микроорганизмов, дыхание корневой системы растений). В почвах карбонатных или известкованных концентрация НСО^-₃ постоянно сохраняется па большой высоте благодаря растворению карбонатов:

Как мы увидим ниже, наличие бикарбонатов и угольной кислоты в растворе оказывает большое влияние на почвенную реакцию (pH).

б) NО^-₃ появляется в почве в результате биологического процесса нитрификации, связанного с жизнедеятельностью определенной группы микроорганизмов и заключающегося в окислении аммиака сначала до нитритов, а затем до нитратов.

Процесс нитрификации носит окислительный характер, и потому возможен лишь в аэробных условиях. В связи с этим избыток влаги в почве, затрудняющий аэрацию, неблагоприятен для нитрификации. Оптимальной влажностью является влажность, соответствующая 40—70% от полной влагоемкости. Оптимальная температура для процесса нитрификации находится в пределах от + 30 до + 37° С; максимальная: + 55° С, минимальная + 5° С. В почвенных условиях наших широт максимальное накопление нитратов в течение сезона обычно следует за максимумом температуры.

Важным фактором, влияющим на ход нитрификации, является реакция среды. Наиболее благоприятна реакция среды при pH 6—7,5. В кислых почвах процесс задерживается. Известкование, устраняя кислую реакцию, благоприятно действует па нитрификацию.

Развитие нитрификационного процесса зависит, таким образом, от богатства почвы азотистыми соединениями, при разложении которых освобождается аммиак — исходный материал для нитрификации, а также от целого ряда физических и химических свойств почвы: аэрации, влажности, температуры, реакции среды и т. д. Физические свойства почвы сильно варьируют в связи с метеорологическими условиями, поэтому и интенсивность процесса нитрификации значительно колеблется в течение года.

Кроме метеорологических условий, на физические свойства почвы резко влияет и культурное воздействие. Обработка почвы улучшает аэрацию, способствует сохранению влаги и, следовательно, влияет благоприятно на процесс нитрификации.

Наряду с процессом нитрификации, ведущим к накоплению нитратов, в почве имеет место и ряд процессов, уменьшающих их количество. К числу их относятся (как уже отмечалось выше) поглощение нитратов растениями; поглощение нитратов микроорганизмами; вымывание нитратов в нижние горизонты, идущее весьма легко благодаря высокой растворимости нитратов; денитрификация, имеющая место при наличии анаэробных условий.

То количество нитратов, которое в данный момент находится в почвенном растворе и может быть определено путем анализа, представляет собой суммарный результат всех этих процессов.

Разнообразие почвенных процессов, ведущих к появлению и исчезновению нитратов, и разнообразие влияний па эти процессы так велики, что приводят к чрезвычайной динамичности количества нитратов в почве и их распределения по почвенному профилю.

Благодаря важному значению, которое нитраты имеют в питании растений, изучению их динамики уделялось и уделяется очень большое внимание. Сельскохозяйственными опытными учреждениями накоплен огромный материал по динамике нитратов; при этом благодаря легкой растворимости всех солей азотной кислоты, метод водных вытяжек вполне пригоден для определения общего количества нитратов в почве. Мы видели выше (см. табл. 99), что количества NO^-₃ в пересчете на 1 кг почвы, полученные на основании анализов водной вытяжки и выделенного почвенного раствора, близки между собой. Несколько меньшее количество нитратов, извлеченных водной вытяжкой, объясняется отрицательной адсорбцией нитратов в водных пленках. Чем больше концентрации раствора, тем больше отрицательная адсорбция, т. е. тем больше превышает концентрация свободного раствора концентрацию водных пленок. Поэтому отрицательная адсорбция резче выражена в случае почвенного раствора, чем в случае водных вытяжек. В результате, при получении почвенного раствора, в почве остается меньше неизвлеченных нитратов, чем при водной вытяжке. В связи с этим общее количество нитратов в пересчете на 1 кг почвы несколько больше в случае почвенного раствора. Однако эта разница так невелика, что без большой ошибки можно считать, как уже было сказано выше, метод водных вытяжек вполне приемлемым для изучения нитратов.

углекислотой.

Реакция почвенного раствора (его pH) и содержание в нем Са²⁺ оказывает значительное влияние на концентрацию фосфат-ионов в растворе. Чем кислее раствор и чем меньше в нем других соединений кальция, тем больше растворимость кальциевых фосфатов в почве. Наоборот, растворимость фосфатов полуторных окислов минимальна при слабокислой реакции. При наличии в почве главным образом, кальциевых фосфатов и преобладании кальция среди обменных катионов подкисление почвы способствует переходу фосфатов в раствор. При наличии же в почве фосфатов полуторных окислов подкисление почвы (до известного предела) вызывает уменьшение растворимости фосфатов. Как известно, физико-химическое поглощение фосфатов, которое в основном также связано с полуторными окислами, усиливается при кислой реакции и ослабляется при увеличении pH выше 7. Сказанное иллюстрируется данными опыта Д. Л. Аскинази, приведенными на рис. 49. Минимум растворимости фосфатов чернозема имел место при нейтральной реакции (pH 7). Подкисление черноземной почвы увеличивало содержание фосфора в растворе, тогда как в случае краснозема и подзолистой почвы количества фосфора в растворе были совершенно ничтожны в кислом интервале (pH 4—5).

Рис. 49. Кривые перехода в раствор фосфатов при pH от 1 до 9 (по Аскинази): 1 — краснозем, 2 — чернозем, 3 — подзолистая суглинистая почва, 4 — подзолистая супесчаная почва

Являясь насыщенным по отношению к фосфатам твердой фазы, почвенный раствор мало изменяет свою концентрацию по отношению к фосфат-ионам при изменении влажности. При высыхании некоторое количество фосфат-ионов осаждается, при увлажнении, наоборот, происходит переход в раствор дополнительных количеств фосфат-ионов, и равновесие восстанавливается. При этом общее количество растворенных фосфатов с увеличением влажности возрастает, и, следовательно, увеличивается обеспеченность растений фосфором. Отмечено, что во влажные годы растения обнаруживают меньшую потребность в фосфоре и слабее отзываются на внесение фосфорных удобрений, чем в сухие годы (А. В. Соколов, 1950).

Благодаря малой растворимости фосфатов и постоянному наличию в почве запаса нерастворенных солей большинство почв обладает в той или иной мере выраженной «буферностью по отношению к фосфорной кислоте», т. е. способностью восстанавливать концентрацию фосфатов после ее нарушения. Такое нарушение концентрации, помимо изменения влажности, может быть следствием поглощения Р из раствора растениями или микроорганизмами. Буферность почв по отношению к фосфору чрезвычайно важна с точки зрения снабжения растений: постоянное возобновление концентрации позволяет растениям мириться с очень малыми ее значениями для удовлетворения своих потребностей.

Как для всех труднорастворимых солей, изменение соотношения между почвой и водой не изменяет резко концентрации, но очень сильно отзывается на общем количестве переходящих в раствор фосфатов. Сравнительное изучение почвенного раствора и водной вытяжки (почва к воде, как 1 : 4), проведенное Драчевым и Соболевым (1926), показало, что концентрация фосфатов (в мг Р2О5 на 1 л) представлена цифрами одного порядка и в почвенном растворе, и в водной вытяжке, но вытяжка извлекает фосфора (в пересчете на 1 кг почвы) во много раз больше (табл. 100).

Эти данные согласуются с характером растворимости почвенных фосфатов. Изучение почвенного раствора, выделенного без разбавления, значительно больше приближает нас к познанию естественного почвенного раствора по сравнению с водной, вытяжкой.

Водная вытяжка имеет иное значение: она может быть использована для суждения о количествах фосфатов, легко переходящих в раствор; кроме того, она дает некоторое приближенное представление о концентрации фосфат-ионов в почвенном растворе.

Таблица 100 Содержание фосфатов в почвенном растворе и водной вытяжке из дерново-иодзолистой почвы (Драчев и Соболеву 1926)

Катионы почвенного раствора

В твердых фазах почвы катионы находятся в виде оснований силикатов, алюмо- и феррисиликатов, карбонатов, сульфатов и других солей, а также в поглощенном состоянии на поверхности коллоидальных частиц. Источником катионов в почвенном растворе могут служить все эти формы соединений. Но ближе всего определяет состав и количество катионов в почвенном растворе (в бескарбонатных и незасоленных почвах) адсорбционное равновесие, устанавливающееся между поглощенными основаниями и основаниями почвенного раствора. Поскольку поглощенный Са в незасоленных почвах количественно обычно преобладает над другими обменными катионами, постольку его больше других катионов и в почвенном растворе. В почвах, засоленных в той или иной мере, на первом месте в составе катионов почвенного раствора стоит Na. Сказанное иллюстрируется табл. 101, в которой приведены средние данные по относительному содержанию катионов воднорастворимых солей в метровом слое различных почв (по водным вытяжкам с соотношением почвы к воде, равным 1 : 5).

В течение вегетационного периода содержание в почвах воднорастворимых солей, а следовательно, и их катионов значительно варьирует.

При изучении почвенных растворов обнаружилось, что с изменением влажности изменяется соотношение между двухвалентными и одновалентными катионами: чем выше влажность почвы, тем относительно меньше двухвалентных и больше одновалентных катионов в почвенном растворе; отношение Са : К или Са : Na с увеличением влажности падает. Эта закономерность была отмечена еще Драчевым и Соболевым (1926): изучая динамику состава почвенного раствора дерново-подзолистой почвы в течение вегетационного периода они получили данные, помещенные в табл. 102.

Таблица 102 Соотношение Са и К в почвенном растворе дерново-подзолистой почвы при различной влажности (удобренная делянка) (Соболев и Драчев, 1926)

Таблица 103 Соотношение Са и Na в почвенном растворе среднестолбчатого солонца (гор. B1) при различной влажности (Н. А. Комарова, 1956)

Из этой таблицы, в которой сроки анализа расположены по возрастающей влажности почвы, видно, что отношение Са : К падает при увеличении влажности.

Аналогичные соотношения получены Н. А. Комаровой (1956) при изучении в лабораторных условиях почвенного раствора солонца (табл. 103).

Эти изменения соотношений Са : К и Са : Na объясняются нарушением равновесий между поглощенными ионами и ионами почвенного раствора при изменении объема раствора (разбавление). Выше рассматривались условия этого равновесия для выяснения состояния обменных катионов в зависимости от разбавления раствора. Теперь мы этот же вопрос рассматриваем с точки зрения жидкой фазы. В случае разновалентных ионов (например, Са²⁺, Na⁺)

Рис. 50. Влияние разбавления на равновесие между NH4 — монтмориллонитом и раствором СаС12 (по Шеффер и Шахтшабель)

момент равновесия определяется уравнением (стр. 152)

из которого следует, что при обмене разновалентных ионов увеличение объема жидкой фазы (равное увеличению влажности почвы), изменяя концентрацию катионов, приводит к усиленному поглощению двухвалентных катионов и вытеснению одновалентных. Это положение хорошо иллюстрируется рис. 50.

Из сказанного ясно, что в водных вытяжках, где количество воды на единицу веса почвы особенно велико, соотношение двухвалентных и одновалентных катионов значительно отличается от почвенного раствора в сторону уменьшения. Это можно видеть из табл. 104.

Таким образом, по отношению к катионам водная вытяжка не только изменяет истинную концентрацию почвенного раствора, но и соотношение двухвалентных и одновалентных катионов, что необходимо учитывать при оценке данных анализа.

Шеффер и Шахтшабель (1952), отмечая изменение состава почвенного раствора при изменении влажности, указывают, что колебания влажности почвы в течение вегетационного периода должны способствовать попеременно усилению питания растений то одновалентными, то двухвалентными катионами.

А1³⁺ и Fe³⁺ в почвенном растворе встречаются в ничтожных количествах благодаря нерастворимости их соединений при обычных величинах рН почвенного раствора. Только в сильнокислых почвах полуторные окислы делаются более подвижными. Наличие ионов Fe³⁺ и особенно А1³⁺ во -многом определяет токсическое действие кислых почв на растения. С другой стороны, полное отсутствие Fe³⁺, необходимого питательного вещества, в почвенном растворе вызывает страдание растений — хлороз.

Ниже мы еще остановимся на зависимости содержания железа в жидкой фазе почвы от окислительно-восстановительных условий.

Таблица 104 Отношение Са: К или Са : Na в почвенных растворах и водных вытяжках (мг-экв на 1 л)

Органическое вещество почвенного раствора

Наряду с минеральными соединениями в почвенном растворе находится некоторое количество органических веществ (истинно — или коллоидно-растворенных). В состав водно-растворимых органических веществ входят: а) индивидуальные органические вещества, являющиеся продуктами метаболизма животных, растений и микроорганизмов, а также продуктами их разложения и б) специфические высокомолекулярные предгумусовые и гумусовые вещества, всегда в той или иной мере окрашенные.

В течение вегетационного периода содержание органических веществ в почвенном растворе меняется (и по количеству, и по качественному составу) довольно резко, находясь в зависимости от соотношения скоростей процессов первоначального распада, дающего воднорастворимые органические продукты, и дальнейшей их минерализации, а также от интенсивности процессов синтеза.

Из индивидуальных органических веществ в почвенном растворе могут присутствовать: сахара, органические кислоты, спирты, эфиры, аминокислоты, ферменты, витамины, антибиотики, токсины и т. д.

Детальный анализ состава органических веществ почвенного раствора очень затруднен чрезвычайно малыми концентрациями отдельных компонентов. Использование метода хромаографии позволило в последние годы ослабить это затруднение и получить интересные данные.

Особое значение имеют воднорастворимые органические кислоты, активно воздействующие на минеральные соединения почвы. Недавние исследования воднорастворимых веществ подзолистых, дерново-подзолистых и торфянисто-подзолистых почв средней и южной тайги, проведенные хроматографическим методом па колонках из силикагеля (Кауричев, Иванова и Ноздрунова, 1963), показали постоянное присутствие в этих почвах низкомолекулярных органических кислот; количество их углерода составляет 3—6% от общего количества углерода воднорастворимого органического вещества. Из нелетучих кислот в наибольшем количестве обнаружена щавелевая кислота; кроме того, найдены лимонная, фумаровая и гликолевая кислоты. Из летучих кислот обнаружена муравьиная. Этим органическим кислотам, очевидно, принадлежит значительная роль в выносе компонентов минеральной части почв (в частности, полуторных окислов), которая определяется не только силой этих кислот, но и их способностью комплексообразования (образования внутри-комплексных хелатных соединений с металлами, входящими в состав твердых фаз почвы).

Низкомолекулярные органические кислоты входят в состав воднорастворимого органического вещества и почв лесостепной зоны в случаях их избыточного увлажнения (почвы западин, солонцы, солоди), но в значительно меньших количествах, чем в почвах таежной зоны.

В некоторых случаях отмечается наличие в почвах вредных для растений и микроорганизмов органических веществ — промежуточных продуктов распада. В достаточно аэрируемых почвах эти вещества не накапливаются, а, окисляясь подвергаются дальнейшим превращениям. Только в тех случаях, когда процессы разложения в почве замедлены (лесные, болотные почвы), может сказаться вредное действие промежуточных продуктов на рост растений.

Основная масса воднорастворимых органических соединений в почвах представлена высокомолекулярными специфическими — гумусовыми веществами. Мы видели выше, что ни свободные гуми-новые кислоты, ни большинство их солей в воде не растворимы;

известной растворимостью (способностью давать устойчивые золи) обладают лишь соли гуминовых кислот с одновалентными катионами. В связи с этим гуминовые кислоты в заметных количествах могут присутствовать в почвенных растворах лишь таких почв, которые содержат относительно много обменного натра. Что касается фульвокислот, то они растворимы как в свободном виде, так и в виде солей одно- и двухвалентных катионов: очевидно, поэтому фульвокислоты всегда в том или ином количестве присутствуют в почвенном растворе.

Своеобразные данные получены К. В. Дьяконовой (1964), изучавшей при помощи электрофореза на бумаге желто-окрашенные воднорастворимые органические вещества дерново-подзолистой почвы. Была обнаружена значительная изменчивость этих веществ: в течение вегетационного периода преобладало положительно заряженное органическое вещество (катионная форма), углерод которого составлял до 80% всего углерода органического вещества. К осенне-зимнему периоду часть органического вещества (до 50% по углероду) приобретает отрицательный заряд (анионная форма типа фульвокислот). Переход катионной формы в анионную происходит в условиях высокой влажности и низких температур. Предполагается, что положительный заряд органического вещества связан с группой оксониевого (или карбониевого) основания, образующего соли с анионом NO^-₃. Если эти данные подтвердятся, они внесут новую страницу в исследования почвенного гумуса.

Некоторые общие свойства почвенного раствора

Из общих свойств почвенного раствора мы остановимся на следующих: 1) осмотическом давлении, 2) реакции (pH) и буферности и 3) окислительно-восстановительном потенциале.

Осмотическое давление

Осмотическое давление почвенного раствора играет большую роль в развитии растений. При повышении осмотического давления почвенного раствора до величины, превышающей осмотическое давление клеточного сока растений, прекращается поступление воды и растение гибнет. Главным образом, благодаря излишне высокому осмотическому давлению, солончаковые почвы непригодны для жизни большинства растении.

Та или иная величина осмотического давления раствора определяется числом частиц (мицелл, молекул и ионов), находящихся в растворе. Следовательно, осмотическое давление почвенного раствора зависит от его частичной концентрации и степени диссоциации растворенных веществ.

Таблица 105 Осмотическое давление почвенного раствора в атмосферах (А. Г. Гебгардт, 1928)

Весовая концентрация почвенного раствора, определяемая по сухому остатку после выпаривания, не дает представления об осмотическом давлении, так как при одном и том же весе растворенных веществ количество частиц может быть очень разнообразно (сравним гумусовые вещества с огромным молекулярным весом и электролиты).

Почвы, содержащие легкорастворимые соли, отличаются большой концентрацией жидкой фазы и высоким осмотическим давлением. В незасоленных почвах количество легкорастворимых соединений обычно мало, и концентрация почвенного раствора определяется, главным образом, взаимодействием воды с труднорастворимыми соединениями. При этом чем выше степень дисперсности почвенных частичек, тем активнее они вступают в реакции обмена и гидролиза с почвенным раствором. Поэтому концентрация почвенного раствора и его осмотическое давление выше в почвах, богатых коллоидальными частицами, чем в легких песчаных почвах.

Величины осмотического давления некоторых почв приведены в табл. 105.

Из табл. 105 видна значительная разница в величинах осмотического давления как между почвенными типами, так и между отдельными горизонтами почв.

Для пахотного горизонта дерново-подзолистой почвы А. В. Трофимовым (1924) получен ряд определений осмотического давления в течение вегетационного периода. Для делянки черного пара данные колеблются по срокам определения от 0,35 до 1,15 атм.

Осмотическое давление почвенного раствора той или иной почвы в данный момент зависит от влажности, непрерывно меняющейся в естественных условиях. При увеличении влажности осмотическое давление понижается, при уменьшении влажности растет. Однако такие изменения отчетливо выражены лишь в почвах, содержащих много легкорастворимых соединений, в которых при разной влажности происходит лишь разбавление или сгущение (увеличение концентрации) раствора. В таких почвах в период летнего пересыхания вода может сделаться недоступной растениям благодаря слишком высокому ее осмотическому давлению. Если же почвы содержат, главным образом, труднорастворимые соединения, то увеличение влажности приводит к дополнительному переходу в раствор некоторого количества солей, а уменьшение влажности -к их осаждению. При этом концентрация и, следовательно, осмотическое давление изменяются сравнительно мало.

Влажность почвы, помимо своего непосредственного влияния на концентрацию почвенного раствора, действует также на интенсивность биологических процессов в почве, что в свою очередь отражается на концентрации. Все это приводит к значительной динамичности величины осмотического давления почвенного раствора.

Л. С. Литвиновым (1926) и А. Г. Гебгардт (1928) установлена зависимость между осмотическим давлением почвенного раствора и силой осмотического сосания корневой системы. Одна и та же культура на различных почвах имеет различную величину осмотического давления пасоки (1) в зависимости от осмотического давления почвенного раствора и, наоборот, различные культуры на одной и той же почве имеют близкие значения осмотического сосания. Таким образом, растения обнаруживают известную способность приспособления к осмотическому давлению почвенного раствора однако только в ограниченных пределах, за которыми начинается страдание растений.

1) Если срезать растение, то из пенька его начинает выделяться сок (сок «плача» или «пасока») благодаря продолжающейся сосущей работе корневой системы. При резком уменьшении влажности водоудерживающая сила почвы, в которой большую роль играет осмотическое давление почвенного раствора, возрастает и явление плача прекращается, сменяясь на обратное: отток воды из тканей растения в почву (отрицательный плач). Влажность почвы в этот момент является показателем водоудерживающей силы почвы (Литвинов, 1951). Под водоудерживающей силой почвы с биологической точки зрения понимается та сила, с которой почва сопротивляется высасыванию из нее воды корневыми системами растений.

Следует отметить, что пределы вредных концентраций почвенного раствора зависят и от уравновешенности раствора. Уравновешенным считается раствор, в котором ни один из элементов не содержится в относительно больших, избыточных количествах. В случае уравновешенных растворов растения хорошо мирятся с разными концентрациями, в том числе и высокими. Напротив, при одностороннем засолении почвы каким-нибудь одним электролитом (например, NaCl) страдание растений наблюдается уже при сравнительно низких концентрациях. Эти соотношения связаны с явлением антагонизма солей, которое заключается в том, что соли, действующие в отдельности ядовито, не оказывают это ядовитое действие, если находятся в смеси с другими солями. Большую роль,

как уже отмечалось выше, в антагонистическом действии и уравновешивании растворов играет Са. Его присутствие понижает резкую ядовитость высоких концентраций Н⁺, Mg²⁺, NH⁺₄, Na⁺, встречающихся в некоторых почвах.

Изучение роли осмотического давления в развитии культурных растений, которым в нашей стране особенно много занимались Саратовская и Безенчукская сельскохозяйственные опытные станции, показало, что при повышенном осмотическом давлении сокращается вегетационный период пшеницы, задерживается кущение, ускоряются колошение, цветение, созревание. Растения потребляют меньшее количество воды на единицу своего сухого веса, т. е. транс-пирационный коэффициент уменьшается. Кроме того, многочисленные опыты показали, что повышенное осмотическое давление влечет за собой увеличение содержания белка в зерне пшеницы.

Осмотическое давление определяется криоскопическим методом по точке замерзания почвенного раствора, что может быть сделано и без выделения почвенного раствора из почвы. Чем выше величина осмотического давления, тем ниже точка замерзания раствора.

Другим методом определения величины осмотического давления служит метод Барджера (Barger), для которого требуется небольшое количество почвенного раствора. Для изучаемого почвенного раствора подбирается изотоничная концентрация хлористого натра; при этом используется диффузия водяных паров через воздушную прослойку, играющую роль полупроницаемой мембраны (Филиппова и Мысина, 1964).

Засоленные почвы

Изучение почвенного раствора имеет особенно важное значение при исследованиях засоленных почв. Засоленные почвы обогащены легкорастворимымн солями: карбонатами Na, сульфатами Na и Mg, хлоридами Са, Mg, Na. Состав и концентрация этих солей могут здесь быть ограничивающим фактором, делающим невозможным произрастание культурных растений.

Среди источников засоления наибольшее значение имеют засоленные грунтовые воды, если они подходят близко к поверхности и принимают участие в увлажнении почв. Сами же грунтовые воды обогащаются солями при просачивании сквозь толщу соленосных осадочных пород или изверженных пород, при выветривании которых образуются растворимые соли.

Источником засоления может быть и материнская порода, в которой соли скопились при ее отложении на дне моря или соленого озера (остаточное засоление).

Засоление почвы может произойти также за счет солей, приносимых из атмосферы с пылью осадками (импульверизация солей), что имеет место, главным образом, тогда, когда ветер уносит с морских побережий в глубь страны соли, выпадающие в осадок при испарении морской воды.

И, наконец, источником засоления могут быть оросительные воды в тех местностях, где они содержат много минеральных солей.

Судьба солей, поступивших в почву, зависит от характера ее водного режима. Явления засоления наиболее резко выражены при водном режиме выпотного типа, для которого характерно превышение величины испарения над суммой атмосферных осадков. Разность между этими двумя величинами при выпотном режиме покрывается за счет капиллярного поднятия грунтовых вод, залегающих близко от поверхности. Засоленные почвы расположены обычно в пониженных местах рельефа, занимая впадины, являющиеся водосборами.

Образование засоленных почв возможно в разных природных зонах, но в южных районах оно развито сильнее.

По составу солей различают: сульфатно-содовое, хлоридно-сульфатное (с преобладанием сульфатов), сульфатно-хлоридное (с преобладанием хлоридов) и хлоридное засоление. В северных районах преобладают почвы сульфатно-содового засоления; в наиболее засушливых районах — хлоридного засоления.

В процессе выветривания сода может образоваться лишь в незначительных количествах; наличие ее в высоких концентрациях в грунтовых водах, очевидно, связано с вторичными процессами. Выше указывалось, что сода может образоваться в результате восстановления сульфатов, происходящем при участии сульфатредуцирующих бактерий. Этот процесс протекает в анаэробных условиях при наличии органического вещества. Сульфатредуцирующие бактерии при этом используют сульфаты как источник кислорода.

Таким образом, для образования соды необходимо одновременное присутствие сульфатов и органического вещества, что чаще всего встречается под луговыми и луговочерноземными почвами с большим содержанием гумуса.

Степень засоления почв определяется содержанием легкорастворимых солей и глубиной залегания соленосных горизонтов, как это видно из следующих данных:

В солончаках содержание солей может колебаться от одного до десятков процентов. Следует отметить, что концентрация солей и близость соленосного горизонта к поверхности значительно колеблется в течение года в зависимости от осадков и температуры.

При сильном засолении растительность представлена в основном солянками, приспособленными к высоким концентрациям солей. Благоприятные условия для культурной растительности могут быть созданы путем уменьшения концентрации солей при помощи промывок. Правильная система орошения должна предотвращать возможность вторичного засоления.

В природе наблюдаются случаи, когда рассоление идет естественным путем; оно приводит к образованию солонцов.

Реакция почвенного раствора

Реакция почвенного раствора, или иначе актуальная реакция почвы, представляет собой чрезвычайно важный фактор развития растений.

Следует сказать, что данные табл. 106 имеют сравнительное, а не абсолютное значение. Дело в том, что отношение растений к pH почвы зависит от ряда сопутствующих условий. Так, в растворе, богатом катионами, та же степень кислотности переносится растениями лучше, чем в растворе, бедном катионами (антагонистическое действие); наличие аммонийных солей усугубляет вредность щелочной реакции. В ряде случаев отрицательное действие кислой реакции связано с большой подвижностью А1, действующего токсически на растения, особенно при низких pH. Поэтому на разных почвах одна и та же величина pH может по-разному отразиться на развитии растений в зависимости от содержания подвижного А1 в почве 1.

Имеет значение и сорт культурного растения. Как показали исследования М. Ф. Корнилова и др. (1955), сорта, выведенные в условиях кислых почв, более выносливы по отношению к кислой реакции, чем сорта, своим происхождением связанные с нейтральными почвами. Так, сорт пшеницы Диамант, выведенный на кислых почвах Швеции, менее страдает от кислотности и менее отзывчив на известкование, чем пшеница сорта ЛютесЦенс, выведенная на черноземах.

Значение pH почвенного раствора отнюдь не ограничивается непосредственным действием на растения. Существует тесная зависимость хода биологических процессов в почве от активности водородных ионов в почвенном растворе. В почвах с нейтральной и слабощелочной реакцией преобладают бактерии, в почвах с кислой реакцией — грибы. Оптимальные интервалы pH для некоторых групп почвенных микроорганизмов приведены в табл. 107.

Таблица 107 Отношение микроорганизмов к реакции среды (по Мишустину, 1956)

Следует, однако, отметить, что измеренная величина pH почвы при определении обычными методами является лишь каким-то средним показателем реакции среды. В действительности же значение pH в отдельных точках одной и той же почвы неодинаково, и микробы, находящиеся в этих точках (микрозонах), находят разные условия для своей жизнедеятельности. Допустимо полагать, что в кислых почвах могут существовать такие микрозоны, где бактерии, непереносящие низких значений pH, имеют возможность развиваться.

В главе о почвенных коллоидах мы видели, что электрокинетические свойства коллоидов, а отсюда и характер адсорбционных явлений в почве тесно связаны с реакцией среды. Всякое изменение актуальной реакции почвы влечет за собой целый ряд изменений, которые иногда резко меняют характер почвы.

Реакция почвенного раствора различных почв колеблется в широких пределах: от pH 3,5 до 8—9 и выше. Особенно низкие величины pH (до 3,5) встречаются в кислых болотных почвах. Подзолистые и дерново-подзолистые почвы имеют реакцию почвенного раствора в пределах pH от 4,0 до 6,0. Актуальная реакция черноземов колеблется от 5,8 до 7,5 pH. Почвы, содержащие карбонаты Mg и Na, могут иметь рH 8,0—9,0 и выше.

Для сельскохозяйственной культуры без предварительной мелиорации используются почвы с pH в интервале 4—8. Требования к определенной реакции почвенного раствора, связанные с подбором культур в хозяйстве, можно удовлетворять активным вмешательством: известкованием, гипсованием, применением органических удобрений, применением минеральных физиологически кислых или щелочных удобрений и т. д.

Для того чтобы выяснить причины различий величины pH в отдельных почвах, остановимся на факторах, которые определяют реакцию почвенного раствора. Основные из них: а) наличие в почвенном растворе свободных кислот и оснований, а также кислых и основных солей и степень их диссоциации и б) состав обменных ионов почвенных коллоидов.

а) В результате жизнедеятельности микроорганизмов и высших растений в почве образуется ряд минеральных и органических кислот: угольная, азотная, азотистая, серная, щавелевая, молочная, яблочная и др. Благодаря обмену с катионами почвенных коллоидов кислоты быстро нейтрализуются, переходя в соответствующие соли Са, Mg и других катионов. Поэтому сильные кислоты в почве обычно не встречаются (в болотах можно найти следы H2S04). Слабые органические кислоты могут в какой-то части оставаться свободными, но количество их в большинстве почв незначительно. Как уже указывалось выше, в сравнительно больших количествах в почвах всегда присутствует угольная кислота, являясь продуктом дыхания и других окислительных процессов почвенного населения. Концентрация СО2 в почвенном воздухе в несколько раз превышает концентрацию СО2 в свободной атмосфере, в среднем составляя около 0,3%. От угольной кислоты — основной свободной кислоты почвенного раствора—в большой мере зависит степень кислотности последнего.

Свободные основания, появляющиеся в почве в результате химического или биологического выветривания, также не сохраняются в почвенном растворе, быстро связываясь с кислотами, главным образом, с угольной кислотой.

Таким образом, актуальная реакция почвенного раствора определяется в основном наличием угольной кислоты, а также ее кислых солей и мерой их диссоциации.

Буферные свойства почвенного раствора. Для нормального развития растений существенное значение имеет не только величина pH почвенного раствора в тот или иной момент, но и подвижность этой величины, ее динамика. Биологические процессы, протекающие в почве и связанные с образованием и исчезновением кислот, химические, физико-химические процессы, а также изменения влажности почвы приводили бы к постоянным и резким сдвигам реакции (pH), если бы почвенный раствор не обладал буферностью, т. е. способностью противостоять изменению реакции. Некоторые почвы обладают этим свойством в большей, другие — в меньшей мере.

Вопрос о буферности мы уже рассматривали в связи с твердой фазой почвы. Мы видели, что буферность почвы в основном определяется количеством и составом ее обменных ионов. Так, если почва содержит много обменного Са, то HNО3, образующаяся в результате процесса нитрификации, будет немедленно нейтрализована путем обмена с Са диффузного слоя:

В то же время в почве с малым количеством обменных оснований и содержащей Н-ионы в диффузном слое, появляющаяся в ней кислота останется в некоторой части в почвенном растворе и приведет к снижению pH.

Кроме буферного действия твердой фазы почвы, почвенный раствор сам по себе также может обладать буферными свойствами за счет наличия в нем буферных систем или смесей. Буферной смесью является смесь слабой кислоты (или основания) и ее соли.

В почвенном растворе в качестве буферной смеси присутствует чаще всего смесь: H2CО3 + Са(НСО3)2, о которой уже говорилось выше. Кроме того, известное буферное действие могут оказывать фосфаты, если они находятся в растворе в нескольких степенях замещения (дифосфат и монофосфат). Буферное действие фосфатов объясняется различной степенью диссоциации трех водородов фосфорной кислоты (см. табл. 76, стр. 183).

Следует отметить, что буферность почвенного раствора, взятого отдельно, обычно очень невелика по сравнению с буферностью почвы в целом; главная роль здесь принадлежит твердым фазам.

Определение реакции почвенного раствора. Определения pH жидкой фазы почвы могут быть сделаны: а) в почвенном растворе без выделения его из почвы; б) в почвенной суспензии; в) в почвенном растворе, выделенном из почвы тем или иным способом и г) в водной вытяжке. Не требует особых доказательств, что pH водной вытяжки наименее отвечает истинной реакции жидкой фазы почвы, особенно в почвах с малой буферностью. Принципиальное значение имеет вопрос о влиянии твердых фаз почвы на измеряемую величину pH. Многочисленными исследованиями, проведенными в нашей стране и за рубежом, выяснено, что присутствие твердых фаз, как это имеет место при определении pH при естественной влажности или в суспензиях, оказывает влияние на измеряемую величину pH. Б. П. Никольским (1939) показано на основе термодинамической теории, что в случае отрицательных коллоидов pH золя (суспензии) ниже, чем pH ультрафильтрата, т. е. имеет место «кислый суспензионный эффект»; в случае положительных коллоидов pH в присутствии твердых фаз выше, чем в их отсутствие («щелочной суспензионный эффект») (1).

1 Явление суспензионного эффекта было обнаружено Г. Вигнером более 30 лет назад (Вигнер, 1941). По данным Вигнера и Пальмана, кислый суспензионный эффект дают почвы кислого интервала, pH которых ниже 7; щелочной эффект наблюдается в случае почв со щелочной реакцией. Как видим, эти представления отличаются весьма существенно от теории Никольского, обоснованность которой подкрепляется исследованиями с чистыми золями (Кзргин, Рабинович). Иеини (1961) также отмечает несовместимость суспензионного эффекта Вигнера с термодинамическими представлениями.

Разница величины pH золя (суспензии) и ультрафильтрата (или центрифугата) по Никольскому получается вследствие установления Доннановского равновесия при фильтрации (или центрифугировании), так как ультрафильтр представляет собой мембрану, проницаемую для ионов и непроницаемую для коллоидных частиц.

В связи со сказанным определение реакции почвенного раствора (pH) целесообразнее всего вести в почве (без выделения почвенного раствора), и притом при естественной влажности. Однако такие определения делаются не так часто; обычно pH определяется в суспензиях при отношении почвы к воде, как 1 : 2,5 и даже в водных вытяжках. Полученные в этих условиях величины pH, конечно, наименее соответствуют истинным их значениям в почве.

Определение реакции почвенного раствора (активности Н+-ионов) осуществляется двумя группами методов: а) потенциометрическими и б) колориметрическими (1 Подробно о методах определения pH см. 3ырин Н. Г. и Орлов Д. С. «Физико-химические методы исследования почв», 1964.).

Потенциометрические методы определения реакции раствора основаны на измерении электродвижущей силы элемента, один электрод которого (электрод сравнения) имеет известный потенциал постоянной величины, а потенциал второго (индикаторного) электрода, опущенного в испытуемый раствор, зависит от активности в нем Н⁺-ионов.

Уравнение Нериста связывает потенциал е электрода, находящегося в растворе своих ионов, с их активностью а:

Потенциал электродов сравнения (стандартных), необходимых при потенциометрических определениях, должен быть точно известен и постоянен во времени. В практике применяются разнообразные электроды: водородный, коломельный, хингидронный, стеклянный. В качестве стандарта принят водородный электрод, нормальный потенциал которого условно считается равным нулю; в практике определения pH почвенного раствора он применяется редко. Ряд преимуществ имеет стеклянный электрод: на него не влияет присутствие окислителей и восстановителей; он позволяет определять реакцию в широком диапазоне pH: от 1 до 10, а иногда до 11 —12; в связи с этим стеклянный электрод постепенно вытесняет из лабораторной практики другие электроды.

Точное измерение электродвижущей силы испытуемого элемента в потенциометрических измерениях производится компенсационным методом в цепи, в которой кроме испытуемого элемента включается другой источник тока (аккумулятор, сухой элемент) с противоположно направленной электродвижущей силой. Момент отсутствия тока регистрируется высокочувствительным гальванометром или другим нуль-инструментом.

Для проверки недостаточно устойчивой во времени электродвижущей силы аккумулятора используется обычно нормальный элемент Вестона с э. д. с., равной 1,018 в.

В настоящее время существует целый ряд потенциометров, отличающихся между собой по конструкции. Потенциометрические методы позволяют определять pH с точностью до 0,01 при большой быстроте анализа. Преимуществом их является также возможность определения pH в присутствии твердой фазы почвы (в суспензиях или в почвах при естественной влажности).

Колориметрические методы определения pH основаны на применении индикаторов. Индикаторы представляют собой слабые кислоты или слабые основания, которые отличаются тем, что у них ионогенная и молекулярная формы имеют разную окраску. Если обозначить индикатор (слабую кислоту) через НА, то по закону действующих масс:

Шкалы буферных растворов составляются с интервалами 0,2 pH и окрашиваются индикаторами; сравнение их окраски с окраской испытуемых растворов при добавлении к ним индикаторов позволяет определять величину pH. Точность колориметрических определений ниже точности потенциометрических и обычно не превышает 0,1 pH; мутность вытяжек (растворов) осложняет анализ и уменьшает его точность. Вместо шкалы буферных растворов в настоящее время широко применяют цветные стеклянные шкалы, окрашенные невыцветающими красками (1).
1) Подробно о колориметрических методах определения pH см. Сердобольский, 1965.

Окислительно-восстановительные условия почвенного раствора

Большое значение в жизни почвы имеют реакции окисления и восстановления, в основном связанные с жизнедеятельностью почвенного населения. Окисляются разнообразные органические вещества, изменяются степени окисления железа

непосредственное определение Eh. Величина Eh при этом — некоторое среднее значение между Eh отдельных систем, причем она ближе к Eh системы, содержание которой в почвенном растворе больше; последняя носит название потенциал-определяющей системы.

Потенциал-определяющей системой в почвах в большинстве случаев является кислород, растворенный в почвенной влаге (он находится в равновесии с кислородом почвенного воздуха), и продукты выделения почвенных микроорганизмов. Таким образом, величина Eh в большинстве почв определяется условиями аэрации и интенсивности жизнедеятельности микроорганизмов.

При измерении ОВ-потенциалов растворов при помощи потенциометра (аналогично определению pH) измеряется электродвижущая сила элемента, состоящего из электрода, погруженного в испытуемый раствор, и электрода сравнения, в качестве которого обычно служит каломельный электрод, ОВ-потенциал (Eh) принято выражать в милливольтах.

Увлажнение почвы, ухудшение аэрации, внесение свежего органического вещества приводят к снижению потенциала; наоборот, высушивание, улучшение аэрации повышают ОВ-потенциал.

При снижении Eh до 200 мв и ниже в почве начинают развиваться резковосстановительные процессы, как, например, образование глея, зеленовато-голубая окраска которого связана с закис-ными соединениями железа. При Eh, равном 250 мв, в нейтральных почвах Мn восстанавливается в таких количествах, что его закис-ные соли могут оказаться в концентрациях, токсичных для растений.

Таким образом, если для жизни растений благоприятны некоторые средние окислительно-восстановительные условия (Eh от 200 до 700 мв), то по отношению к отдельным элементам питания растений эти границы еще уже.

Окислительно-восстановительные условия, по-разному складывающиеся под влиянием различных растительных формаций (лесной, луговой, степной), имеют большое значение в процессах почвообразования, регулируя разложение органических остатков, темпы накопления и характер образующихся гумусовых веществ, и тем самым влияя на формирование почв.

Окислительно-восстановительные условия имеют значение и для плодородия почв. Выше уже указывалось их влияние на подвижность Fe и Мn и на наличие нитратов. Существование в почве микрозон с различными величинами Eh приводит к одновременному протеканию аэробных и анаэробных процессов. При этом наряду с процессами минерализации, ведущими к образованию полностью окисленных соединений, служащих пищей для растений, протекают и анаэробные процессы, при которых разложение органических остатков замедлено (оно как бы консервируется).

Принималось, что такое благоприятное для плодородия почвы сочетание анаэробных и аэробных условий достигается в структурных почвах, где внутри агрегатов при достаточной влажности очень мало количество воздуха (кислорода) и преобладают анаэробные процессы, ведущие к гумификации органического вещества ( В настоящее время достаточно выяснено, что гумификация (образование гумусовых кислот) представляет собой процесс окислительный (Кононова, 1963).). Поверхность же агрегатов омывается воздухом, заполняющим крупные поры, и здесь интенсивно идет аэробное разложение органического вещества, обеспечивающее растения минеральной пищей. Однако четкая связь структуры почвы с окислительно-восстановительными условиями и через них с плодородием почвы далеко не всегда имеет место. И. П. Сердобольский и М. Г. Синягина (1953), используя тонкую технику экспериментирования, определили для черноземной почвы окислительно-восстановительный потенциал внутри и вне агрегатов. Лишь при влажности почвы, равной полевой (или наименьшей) влагоемкости (НВ), величины Eh внутри агрегатов оказались на 80—100 мв ниже, чем между агрегатами. В более сухой и более влажной почве эта разница сглаживалась.

Рис. 51. Профильные кривые Eh почв различного генезиса (Благовидов, Рабинович, Сель-Бекман, 1957):

Кислород атмосферы, проникая в почву, используется уже в верхних слоях, богатых органическим веществом, на процессы окисления, потребляется микроорганизмами и корнями растений. Чем глубже расположен слой почвы, тем меньше кислорода содержится в почвенном растворе. Однако было бы неправильно представлять себе, что величина Eh всегда убывает с глубиной. Профильные кривые имеют разнообразную форму, зависящую от целого ряда условий почвообразования данной почвенной разновидности. Для примера приведем профильные кривые окислительно-восстановительного потенциала для двух почв Ленинградской области (рис. 51). Обе почвы дерново-подзолистые на бескарбонатном моренном суглинке. Несмотря на колебания величин по срокам определения, общий характер кривых отчетливо различается для двух изучавшихся почв. Первая почва (а) нормального увлажнения характеризуется максимумом окислительно-восстановительного потенциала в нижней части гумусового горизонта, а для второй дерново-подзолисто-глееватой почвы (б) характерным является наличие здесь устойчивого минимума.

Величина Eh в почве непостоянна, изменчива. Правильное представление об окислительно-восстановительном режиме дает лишь изучение его в течение всего вегетационного периода.

Все факторы, изменяющие аэрацию почвы, влияют на величину окислительно-восстановительного потенциала. Важнейшим из них является влажность почвы: чем выше влажность, тем более снижается величина Eh. Колебания Eh в течение вегетационного периода в основном связаны с выпадением осадков. Чрезвычайно характерными в связи с этим являются колебания Eh в поливных почвах (рис. 52). Кривые Eh служат зеркальным отражением кривых влажности, особенно в горизонте 0—5 см (рис. 52).

Кроме орошения, и другие культурные воздействия на почву (обработка, внесение органических удобрений, произрастание культурных растений) также существенно влияют на окислительно-восстановительный потенциал почвы. В качестве иллюстрации приведем данные И. А. Геллера по динамике Eh чернозема на чистом пару и под травами (табл. 110).

Под травами в уплотненной почве, богатой органическими остатками, величины Eh значительно ниже, чем в рыхлой почве пара (табл. 110).

содержание .. 19 20 21 22 ..