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.

1. 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.

2. 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.