Кислотность почвы
ВВЕДЕНИЕ
Всякая почва обладает определенной реакцией, которая проявляется при взаимодействии с водой или растворами солей и может быть кислой, щелочной и нейтральной.
Кислотность и щелочность почвы характеризуются соотношением ионов Н+ и ОН – в почвенном растворе. Произведение этих ионов для воды является постоянной величиной и равно 1-10-1" . Абсолютные концентрации ионов водорода очень малы и неудобны для обозначения. Поэтому концентрацию ионов водорода почвенного раствора принято выражать в виде отрицательного логарифма числа 10, обозначаемого символом рН. Теоретически рН изменяется от 1 до 14. Реакция же почвенного раствора колеблется обычно в пределах рН 4-8. Почвы, характеризующиеся рН 4,5 и меньше, считаются сильнокислыми, рН 4,6-5 - среднекислымн, рН 5,1 - 5,5 - слабокислыми, рН 5,6-6 - близкими к нейтральным, рН 6-7 - нейтральными и рН выше 7 - щелочными.
ГЛАВА 1. КИСЛОТНОСТЬ ПОЧВЫ
Кислотность - важнейшая агрономическая характеристика почвы. При повышенной актуальной кислотности угнетается рост и развитие растений, замедляя рост корневой системы, ухудшая проницаемость через корневую систему питательных веществ, смещая правильное соотношение в поглощении растением катионов и анионов.
Почвы, не насыщенные основаниями, обладают кислотностью, которая вызывается ионами водорода. В зависимости от того, в каком состоянии они находятся в почве, кислотность может быть активной, или актуальной, и потенциальной.
- Актуальная кислотность
Представляет собой кислотность почвенного раствора. Важнейшую роль в формировании актуальной кислотности в большинстве ночи играет угольная кислота. В зависимости от термодинамических условий и биологической активности почв она поддерживает рН почвы в пределах от 3,9 до 5,7. Режим углекислоты в почвах тесно связан с суточно-сезонными ритмами погоды и активностью микроорганизмов.
Свободные минеральные кислоты, такие, как серная, азотная и другие, в больших количествах редко присутствуют в почвах. В то же время активная деятельность нитрифицирующих микроорганизмов способствует появлению на короткое время в почвенном растворе азотной и азотистой кислот, что вызывает снижение рН на 0,5-2,0. При разложении белковых соединений под воздействием микроорганизмов в почвенный раствор в небольшом количестве поступает серная кислота.
Кислотность почвенных растворов может быть обусловлена наличием в них свободных органических кислот, в том числе и гумусовых, а также различных компонентов, проявляющих кислотные свойства. В числе последних заметную роль играют аквакомплексы двух- и особенно трехвалентных катионов.
Растения также могут служить источником ионов водорода, так как в процессе жизнедеятельности они потребляют различные катионы а продуцируют в почву эквивалентное количество Н+-ионов.
- Потенциальная кислотность
Эта форма кислотности имеет сложную природу. Ее носителями являются обменные катионы Н+ и А13+. Потенциальная кислотность проявляется при взаимодействии почвы с растворами солей, когда катион соли вытесняет ноны Н+ и А13+ из обменно-поглощенного состояния в почвенный раствор. Потенциальная кислотность дает представление о всей совокупности компонентов с кислотными свойствами, находящихся в почвенном растворе и в твердой фазе почвы. Разделение потенциальной кислотности на обменную и гидролитическую в общих чертах характеризует последовательные этапы выделения в раствор дополнительных количеств протонов, связанных с твердой фазой почвы.
Обменная кислотность проявляется при обработке почвы раствором нейтральной соли, обычно 1 н. КСI, при этом происходит эквивалентный обмен катионов нейтральной соли на катионы водорода и алюминия, находящиеся в компенсирующем слое коллоидов.
В результате обменных реакций образуется соль АIСI3, которая затем гидролитически расщепляется в водном растворе:
Таким образом, после обработки почвы,
содержащей в обменно поглощенном состоянии
Н и А1, раствором нейтральной соли к ионам
водорода почвенного раствора добавляются
ионы, вытесненные из ППК и образовавшиеся
в результате гидролитического расщепления
АIС13. Следовательно,
в кислых почвах рН солевого раствора
всегда будет меньше, чем рН водного раствора.
Это общая схема проявления обменной кислотности,
реально же она имеет довольно сложную
природу.
Важную роль в раскрытии природы обменной кислотности сыграло установление способности самопроизвольного перехода (превращения) почв, насыщенных ионом Н, в почвы, насыщенные А13, т. е. осуществление самопроиз-вольной реакции: Н-почвы → А13-почвы.
Эту особенность можно объяснить на примере трансформации поверхностных слоев кристаллической решетки каолинита (рис. 29). На сколе кристалла образуются избыточные отрицательные заряды, удерживающие обменные катионы (а). При действии на почву кислых водных растворов основания вытесняются и замещаются на ионы Н (б). Однако вследствие того что ионы Н имеют небольшой радиус, они легко мигрируют во внутренние слои решетки, где реагируют с группами ОН,образуя молекулы Н20, или с кислородом, что приводит к появлению устойчивой группы ОН-. В Результате этого нон А13+, занимавший центральное место в алюмогидроксильном октаэдре, превращается в ион А1(ОН)2+ или А1(ОН)2+, который связан с решеткой только электростатическими силами, т. е. уже не ковалентной а ионной связью, хотя пространствен и занимает еще прежнее положение (в). При последующем воздействии на почву оснований алюминий вытесняется в раствор (г).
Развитие процесса подзолообразования и разрушение алюмосиликатов даже при слабокислой реакции среды происходит вследствие самопроизвольного перехода Н+ -почвы А13+ -почвы, поскольку в ППК постоянно внедряется некоторое количество ионов Н. Однако Н-почвы неустойчивы и переходят в А13-почвы, из которых ион А13 вновь вытесняется катионами щелочных и щелочноземельных оснований, поступающих в почвенный раствор при разложении растительного опада. Часть кристаллической решетки алюмосиликатов при этом разрушается Такие циклы превращений (почва-Ме → почва-Н → почва- А13 → почва-Ме) периодически повторяются, что и влечет за собой прогрессирующее разложение алюмосиликатной части почвы и проявление подзолистого процесса.
Таким образом, ППК кислых почв
всегда содержит небольшое количество
обменных Н и А1. Как правило, в малогумусных
горизонтах (А2, А2/В, В1, В2) кислых почв (подзолистых,
дерново-подзолистых, серых лесных) обменная
кислотность в основном обусловлена обменными
нонами А13 нежели Н+. Наоборот,
в гумусовых горизонтах обменный Н преобладает
над обменным А13,
причем обменный А13 может вообще отсутствовать,
т. е. обменная кислотность будет полностью
обусловлена нонами Н .
Гидролитическая
кислотность, как правило, больше обменной.
Более полное вытеснение иовов водорода
и других кислотных ионов проявляется
при взаимодействии почвы с раствором
гидролитически щелочной соли, например
СН3СООНа:
В данном случае более полное
протекание реакции обусловлено связыванием
водорода в слабодиссоциированную уксусную
кислоту и большей степенью гидролиза
солей алюминия с образованием А1(ОН)3 и
иона Н. Гидролитическую кислотность рассматривают
как суммарную кислотность почвы, состоящую
из актуальной и потенциальной кислотности,
и выражают в мг-экв/100 г почвы.
В некоторых случаях гидролитическая
кислотность бывает меньше обменной. Это
характерно для почв, богатых положительно
заряженными коллоидами. В этом случае
наблюдается поглощение коллоидами анионов
уксусной кислоты и замещение их на ион
ОН, что уменьшает кислотность почвенных
вытяжек.
Величину гидролитической кислотности используют для нахождения дозы извести, необходимой для устранения кислотности, и расчета степени насыщенности почвы основаниями.
1.3.Агрономическая оценка кислых почв и их мелиорация
Кислые почвы широко распространены во многих регионах земного шара. Они являются основным компонентом почвенного покрова в бореальном (умеренно-холодном) поясе, влажных тропиках и субтропиках. Кислые почвы формируются в условиях водного режима промывного типа, который способствует выносу из почвы щелочных и щелочно-земельных оснований и насыщению ППК водородом.
Почвы с кислой реакцией среды занимают значительные площади на территории Российской Федерации. В Смоленской, Ивановской, Костромской, Тверской и других областях на их долю приходится до 80…90% площади всех сельскохозяйственных угодий. В последнее время наблюдается закисление пахотных почв, т. е. снижается доля слабокислых почв и увеличиваются площади, занятые средне- и сильнокислыми почвами. Главная причина этого резкое сокращение объемов мелиоративных работ (в первую очередь известкования). Кислотность почв постепенно развивается в результате выщелачивания Кальция атмосферными осадками, составляющего в 1-Гечерноземяой зоне 400...450 кг/га СаСО3 в год, и выноса оснований с товарной продукцией.
Подкисление почв происходит при применении физиологически кислых удобрений без последующего известкования.
В последние десятилетия во многих, особенно промышленных, районах выпадают кислые и даже сильнокислые дождевые осадки с рН 4-4,5, содержащие серную и частично азотную кислоты. Это также способствует выносу кальция и подкислению почв.
Реакция почвы играет важную роль в агрономической
практике, поскольку многие сельскохозяйственные
культуры предъявляют вполне определенные
требования к этому параметру и чутко
реагируют на его изменение.
В кислых почвах создаются неблагоприятные условия для роста и развития большинства сельскохозяйственных культур, что ведет к снижению их урожайности. Негативное влияние повышенной кислотности на растения обусловлено различными причинами.
Кислые почвы характеризуются недостатком
Са2 и частично -
элементов, необходимых
для нормального развития растений. В
то же время содержание А13+, Мg2+, Н+ часто достигает токсичных для сельскохозяйственных
культур концентраций. Особенно велика
негативная роль алюминия. При повышенном
количестве подвижного алюминия в почве
у растений нарушаются обмен веществ и
соответственно формирование генеративных
органов.
Токсичное действие алюминия сказывается
в первую очередь на корневой системе
растений. В результате накопления в корнях
алюминия замедляется поглощение и передвижение
в растении кальция и фосфора. Корни, испытывающие
воздействие токсичных концентраций алюминия,
утолщаются и укорачиваются, их рост замедляется,
появляются отмирающие участки. При содержании
подвижного алюминия 8...10 мг/100 г почвы
урожай кукурузы, ячменя, яровой пшеницы,
льна-долгунца может погибнуть полностью.
Похожий эффект при низких значениях рН
оказывает на растения и марганец.
В кислой среде угнетаются аммонификация, нитрификация, замедляется фиксация азота из воздуха, ухудшается азотный режим почвы, поскольку оптимум рН для развития микрофлоры, определяющей эти процессы, находится в пределах 6,5-8,0.
В кислых почвах складывается неблагоприятный фосфатный режим, что обусловлено связыванием фосфора соединениями железа и алюминия, в результате чего он переходит в труднодоступное для растений состояние.
При подкислении почв существенно возрастает растворимость и подвижность бора, меди, цинка, кобальта и других микроэлементов. Повышенное содержание их в подвижных формах в почве часто оказывает токсичное действие на растения. Из-за высокой кислотности снижается доступность растениям такого важного микроэлемента, как молибден.
В кислой среде ухудшаются условия гумусообразования, что ведет к преимущественному накоплению фульвокислот и низкомолекулярных органических соединений, менее ценных с агрономической точки зрения, чем гуминовые кислоты. Кислые почвы имеют неудовлетворительные физические свойства из-за низкого содержания и неблагоприятного состава гумуса, а также дефицита кальция. Они часто переуплотнены, плохо оструктурены, склонны к коркообразованию, что неблагоприятно отражается па их водно-воздушном режиме.
Эффективное использование сильнокислых и кислых почв возможно только после проведения химической мелиорации. При внесении в почву извести (СаСО3) она реагирует с углекислотой почвенного раствора и переходит в гидрокарбонат кальция, который взаимодействует с почвой:
В зависимости от того, какой из катионов
(Н или А1) в большей степени определяет
кислотность почвы, существенно различаются
и конечные продукты взаимодействия извести
с почвой.
В случае доминирования Н преимущественно образуется угольная кислота, которая затем распадается поставляя в приземный слой воздуха СО2, необходимый для фотосинтеза:
Аморфный осадок А1(ОН)3, образовавшийся в результате реакции, играет тройную роль. С одной стороны, он способствует формированию структурных агрегатов за счет склеивания индивидуальных механических элементов и микроагрегатов в структурные отдельности, что имеет положительное значение. С другой стороны, свежеосажденный АI(ОН)3 отрицательно влияет на растения, поскольку из аморфного осадка алюминий поступает в растение при прямом контакте с корневой системой. Кроме того, аморфный А1(ОН)3 активно связывает фосфат-ионы в процессе осадочной сорбции и переводит их в труднодоступное для растений состояние.
1.4. Известкование почв
Наиболее широко применяемый в земледелии прием устранения кислотности - известкование почвы. Известь, взаимодействуя с ионами водорода почвенного раствора, нейтрализует актуальную кислотность, а катионы кальция замещают в почвенном поглощающем комплексе ноны водорода и алюминия. При насыщении почвенных коллоидов кальцием происходит их коагуляция, в результате чего почва приобретает прочную структуру, улучшаются ее биологические и водно-воздушные свойства.
Известкование позволяет
устранить избыточную
Известкование (внесение и почву извести и других известковых удобрений) – основной способ борьбы с повышенной кислотностью почв, вредной для многих сельскохозяйственных растений. Различают основное н повторное известкование.
Основное (мелиоративное) известкование проводят на почвах с повышенной кислотностью (рН 5,5 и менее), с целью обеспечения заданной или оптимальном реакции среды в почве. При основном известковании применяются полные дозы материалов.
Повторное (поддерживающее) известкование применяют, чтобы сохранить созданный мелиоративным известкованием оптимальный для растений уровень реакции среды в почве. Оно должно компенсировать ежегодные потери извести из почвы вследствие вымывания с атмосферными осадками и выноса с отчуждаемой растительной продукцией.
При известковании в результате нейтрализации кислотности почвы и увеличения содержания кальция усиливается жизнедеятельность полезных микроорганизмов (например, клубеньковых бактерий, микроорганизмов, минерализующих органические остатки и перегной), почва обогащается доступными для растений элементами питания, улучшаются ее физические свойства (структура, водопроницаемость и др.). Кроме того, известкование повышает эффективность органических и минеральных удобрений (так, на почвах с оптимальной реакцией среды эффективность минеральных удобрений повышается на 30-40%).
Известкование необходимо в зонах с промывным режимом увлажнения (дерново-подзолистые серые лесные почвы, ненасыщенные основаниями черноземы), где постоянно происходит процесс подкисления среды, связанный с потерями оснований (главным образом, кальция и в меньшей степени – магния) из поглощающего комплекса и образования вследствие биологических процессов органических кислот. Повышают кислотность почвы и азотные удобрения. Кроме того, известкование является обязательным условием выращивания экологически чистой продукции. Большие массивы почв вокруг промышленных центров загрязнены тяжелыми металлами. Известкование этих почв – главное мероприятие по их детоксикации. В этом случае применяют высокие дозы известковых материалов, в 2,5-3,0 раза превышающие нормальные, с целью создания слабощелочной реакции среды. Па почвах с рН 6,3-6,5 поступление в растения токсичных элементов (радионуклидов и тяжелых металлов) снижается в 3-8 раз.
ГЛАВА 2. ЩЕЛОЧНОСТЬ ПОЧВЫ
Щёлочность почв – способность почв нейтрализовать компоненты кислой природы и подщелачивать воду. Различают актуальную и потенциальную формы шелочности.
2.1.Актуальная щелочность
Актуальная щелочность связана с наличием в почвенном растворе гидролитически щелочных солей, при диссоциации которых образуется гидроксильный нон:
Na2CO3 + 2HOH ↔ H2CO3 + 2 Na+ + 2OH-
Определенное значение в формировании щелочности почв имеют анионы слабых кислот. Практически все анионы слабых кислот, присутствующие в почвенном растворе, могут участвовать в формировании щёлочности почвы, образуя сопряженные кислотно-основные пары.
Реальный вклад того или иного соединения в щёлочность почвы определяется не только величиной константы основности, но и концентрацией ионов в почвенных растворах. Обычно при характеристике актуальной щёлочности природных вод, водных вытяжек и почвенных растворов выделяют общую щелочность, щёлочность от нормальных карбонатов и щелочность от гидрокарбонатов, которые отличаются по граничным значениям рН. Их определяют путем титрования вытяжки кислотой в присутствии различных индикаторов. Результаты выражают в мг-экв/100 г почвы. Щёлочность от нормальных карбонатов обусловлена присутствием Na2CO3, СаСО3, МgСОз. Щёлочность от гидрокарбонатов связана с NaНСО3 и Са(НСО3)2. В большинстве почв с щелочной реакцией преобладают карбонаты, которые и обусловливают соответствующую реакцию среды. В связи с этим выделяют карбонатно—кальциевую систему и карбонатно-кальциевое равновесие. Карбонатно-кальциевая система включает СаС03 твердой фазы, ионы в ППК, ноны почвенного раствора: Са2+, Са НСО3+, CO32- ОН-, Н+, Н2С03, а также СО2 почвенного раствора, находящегося в равновесии с СО2 почвенного воздуха. Эта система очень подвижная и включает несколько равновесий:
При уменьшении парциального
давления СО2 равновесие сдвигается в
сторону образования СО-групп. В этом случае
образуется труднорастворимое соединение
СаСО3, выпадающее в осадок, и увеличивается
рН почвенного раствора, так как СО является
более сильным акцептором протонов, чем
НСО3-, и в большей степени подщелачивает
среду. В итоге на фоне увеличения рН величина
карбонатной щелочности снижается. Увеличение
парциального давления СО2 приводит к
уменьшению рН и росту карбонатной щелочности
в результате увеличения раствори-
мости СаСО3.
Расчеты показывают, что рН раствора, находящегося в равновесии с СаС03 твердой фазы и СО2 атмосферы, имеет значение 8,2-8,3. Когда же свободный доступ СО2 затруднен, значения рН достигают 9,8-10,0.
2.2.Потенциальная щелочность
Она обусловлена наличием в ППК обменно-поглощённого иона натрия, который при определенных условиях может переходить в почвенный раствор с образованием карбонатов и гидрокарбонатов, вызывая его подщелачивание. Например, при образовании угольной кислоты вследствие дыхания растений и разложения органических остатков происходит переход карбоната кальция в более растворимый гидрокарбонат с последующим ионном обменом:
Угольная кислота может непосредственно взаимодействовать с поглощающим комплексом почв, содержащих обменный натрий, с образованием соды (карбоната натрия):
Почвы с щелочной реакцией среды формируются в регионах с дефицитом атмосферных осадков, где ограничен вынос из почв и почвообразующих пород продуктов выветривания и почвообразования. Щелочная реакция среды типична для каштановых и светло-каштановых, бурых полупустынных и серо-бурых пустынных почв, сероземов карбонатных разностей черноземов и темно-каштановых почв, особенно высокой щёлочностью отличаются содовые солонцы и солончаки.
Высокая щелочность почв неблагоприятна для большинства сельскохозяйственных культур. В условиях щелочной среды в растениях нарушается обмен веществ, снижается растворимость и доступность фосфатов, соединений железа, меди, марганца, бора и цинка. При щелочной реакции в почвенном растворе появляются токсичные для растений вещества, в частности сода и алюминаты натрия. В случае резкого повышения рН корневые волоски растений испытывают щелочной ожог, что негативно отражается на их дальнейшем развитии и может привести к отмиранию. сильнощелочные почвы характеризуются ярко выраженными отрицательными агрофизическими свойствами, что связано с сильной пептизацией почвенных коллоидов и растворением гумусовых веществ. Такие почвы оструктуриваются, приобретают высокую липкость во влажном состоянии и твердость в сухом, отличаются плохой фильтрацией и неудовлетворительным режимом. Сильнощелочные почвы малоплодородны.
Эффективный прием повышения плодородия почв с щелочной реакцией - химическая мелиорация. В качестве мелиоранта широко применяют гипс и различные вещества.
При внесении гипса в щелочные почвы происходит, с одной стороны, нейтрализация солью почвенного раствора, с другой — вытеснение обменного натрия из ППК:
После гипсования содовых почв, а также в натурных карбонатных почвах реакция среды будет находиться на уровне, определяемом наличием СаСОз и МgCОз (рН 8,2-8,6). При необходимости дальнейшего снижения рН применяют кислые мелиорирующие вещества, в частности серную кислоту. Кислование содовых почв высокоэффективный прием. При кисловании происходит не только полная нейтрализация щелочности, но и вытеснение натрия из ППК:
Важное условие эффективного проведения химической мелиорации щелочных почв - удаление продуктов нейтрализации и обменных реакций, чаще всего сернокислого натрия. Хотя сульфат натрия менее вреден для растений, чем, например, сода, его присутствие в почве все же нежелательно. Кроме того, возможно обратное поглощение натрия ППК почвы. Для удаления легкорастворимых солей натрия, образующихся при химической мелиорации, применяют промывки почв.
Заключение
Почва обладает определенной реакцией, которая проявляется при взаимодействии с водой или растворами солей. Реакция почвы может быть нейтральной, кислой или щелочной. Эти свойства почвы имеют чрезвычайно важное значение для роста и развития растений, так как каждый вид растений лучше всего развивается при определенной реакции почвы. Кислотность почвы - одно из важных ее свойств, обусловленное определенной концентрацией водородных ионов. Источник кислотности почвы — органические кислоты, образующиеся при распаде растительных остатков и вымывающиеся в нижние горизонты. Среди этих кислот наиболее распространены перегнойные кислоты и прежде всего креновые.
процессы образования белков и обмена.
Щелочность почвы обусловливается содержанием в почвенном поглощающем комплексе катионов натрия. В почвенном растворе щелочных почв находится углекислый натрий, двууглекислый натрий и др. Вследствие диссоциации этих солей в почвенном растворе преобладают ионы ОН-, поэтому рН>8. Такая реакция неблагоприятная для большинства сельскохозяйственных культур.Повышенная щелочность в почве не только вредна для развития растений, но и усиливает пептизацию коллоидов, вследствие чего резко ухудшаются физические свойства и водный режим почв.
Список литературы
- Ганжара Н.Ф., Почвоведение. – М.: Агроконсалт, 2001.
- Ковриго В.П., Кауричев И.С., Бурлакова Л.М. Почвоведение с основами геологии. – М.: Колос, 2000.
- Почвоведение / Под ред. И.С.Кауричева. – М.: Агропромиздат, 1989.
- Апарин Б.Ф., Почвоведение,2001.
- Ковда В.А.,Почвоведение. Учеб. для ун-тов. В 2 ч./Под ред. В. А. Ковды, Б. Г. Розанова,1988.
- Афанасьев Я.Н., Почвоведение и агрохимия. Минск: Наука и техника, 1977.
