Состав, свойства и динамика почвенных растворов

Поступающая в почвы атмосферная влага обычно содержит не­которое количество растворенных веществ. Это простые соли (гид­рокарбонаты, сульфаты, хлориды) и растворенные газы (прежде всего кислород и углекислота, а в областях активного современного вул­канизма и вблизи промышленных центров — оксиды азота и серы), сообщающие осадкам кислую реакцию. В нормальных геохимичес­ких условиях реакция атмосферных осадков близка к нейтральной.

При просачивании в почву влага атмосферных осадков взаимо­действует с твердыми частицами почв, почвенным воздухом, обога­щается продуктами метаболизма, выделяемыми корнями растений и микроорганизмами. Минерализация воды и химический состав растворенных веществ существенно изменяются, и она становится почвенным раствором.

Почвенные растворы представляют весьма подвижную систему: состав их изменяется по мере того, как они перемещаются из одно­го почвенного горизонта в другой, испарение воды или новое ее поступление влияет на концентрацию растворенных веществ, вы­зывает их выпадение или растворение. Состав растворов в значи­тельной степени изменяется по сезонам года, что связано с режи­мом осадков и температур, с поступлением органических остатков и темпами их минерализации и гумификации.

Состав почвенного раствора и его концентрация определяются всей совокупностью происходящих в почве процессов и зависят как от источника поступления воды, так и водного и окислительно- восстановительного режимов почв. Если почвенный раствор обра­зован влагой, попадающей в почву с атмосферными осадками, его минерализация обычно невелика — около 0,1—0,3 и редко достига­ет 1 г/л. Состав почвенного раствора в случае формирования его за счет просачивающихся атмосферных вод определяется в первую очередь подвижными продуктами минерализации и гумификации растительных остатков, имеет тесную связь с составом золы населя­ющих данную почву растений и составом почвенного гумуса. Новое поступление органических остатков и усиление микробиологичес­кой деятельности в теплые периоды года повышают концентрацию почвенных растворов. Однако в почвах гумидных областей с про­мывным или периодически промывным водным режимом концент­рация почвенных растворов остается невысокой.

Если в образовании почвенного раствора участвуют минерали­зованные фунтовые воды, поднимающиеся по капиллярам внутри почвенной толщи и испаряющиеся у ее поверхности, концентрация солей может составлять несколько десятков и даже сотен граммов на литр и достигать предельного насыщения. В засоленных почвах аридных областей, по данным В.А. Ковды, концентрация солей в растворах в верхних горизонтах почв доходит до 300—400 г/л. При формировании растворов за счет грунтовых вод химизм их не имеет столь тесной связи с процессами минерализации и гумификации населяющих данную почву растений. Он представляет собой в не­котором роде итог процессов выветривания и почвообразования всей водосборной (или солесборной) площади.

Состав веществ в почвенных растворах весьма разнообразен: в него входят минеральные, органоминеральные и органические со­единения, находящиеся в состоянии молекулярных (или истинных) _{и к}оллоидальных растворов.

Органические соединения в почвенных растворах представлены водорастворимыми органическими кислотами и их солями. В по­чвенных растворах обнаруживают гуматы натрия, фульваты каль­ция, магния, а в условиях сильнокислой среды — фульваты железа и алюминия. В верхних горизонтах почв водорастворимые органи­ческие соединения обычно составляют основную массу веществ почвенного раствора.

Из минеральных веществ наиболее обычны простые соли следу­ющих катионов и анионов: Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺, NH₄⁺ (в некоторых почвах Fe²⁺), НСО", С0₃", С S0₄^2-, Si0₄²~ и коллоидно-раствори­мые гидроксиды Si, Fe, Al, Mn.

Между общей концентрацией солей в растворах и соотноше­нием отдельных ионов наблюдается определенная зависимость. В слабо концентрированных растворах преобладают двууглекислые соли кальция. По мере повышения концентрации растворов про­исходит накопление сернокислых и хлористых солей магния и натрия.

Такое изменение состава растворов связано с различной степе­нью растворимости солей: при увеличении концентрации в первую очередь начинает выпадать углекислый кальций, затем гипс, в то время как хорошо растворимые сернокислый магний, сернокислый натрий и в особенности хлористый магний и хлористый натрий в растворе относительно и абсолютно накапливаются.

В почвенной влаге присутствуют растворенные газы: кислород, углекислота и др. Дождевые и снеговые воды, просачивающиеся в почву, богаты кислородом. Если почва не переувлажнена и хорошо аэрируется, почвенный раствор содержит достаточно растворенно­го кислорода — более 50 % от полного насыщения влаги кислоро­дом при данной температуре. В переувлажненных почвах, особенно ^с водозастойным режимом, содержание кислорода в почвенной влаге понижается до 30—10 % и ниже. В этом случае кислорода не хватает. Для нормального развития растений.

В зависимости от состава растворенных веществ и характера вза­имодействия его с твердой фазой почв реакция может быть кислой, Щелочной или нейтральной.

Кислая реакция почвенного раствора обусловлена растворенной Угольной кислотой, водорастворимыми органическими кислотами, поступающими в раствор при разложении органических остатков (например, масляной, щавелевой и др.), а также водорастворимыми фракциями фульвокислот.

Щелочная реакция обусловлена присутствием в растворе солей сильных оснований и слабых кислот, которые подвергаются гидро­литическому расщеплению, — это углекислые соли щелочей и ще­лочных земель (NaHCО₃, Са(НСО_э)₂ и др.) и кремнекислоты.

Различают следующие виды кислотности и щелочности почвен­ных растворов.

1. Общая кислотность и общая щелочность — это все количество кислот или щелочей в растворе независимо от того, находятся ли они в виде недиссоциированных молекул или в ионном состоянии. Определяются общие кислотность и щелочность непосредственным титрованием почвенного раствора щелочью или кислотой.

2. Актуальная кислотность, или щелочность почв, связана с при­сутствием в растворе диссоциированных ионов Н⁺ и ОН". Она опре­деляется электрометрически или колориметрически и обозначается величиной рН (отрицательный логарифм концентрации водородных ионов). По закону действующих масс произведение концентра­ции диссоциированных ионов и недиссоциированной части воды, выраженное в грамм-молях на 1 л воды, представляет постоян­ную величину и называется константой диссоциации. Так как для воды степень диссоциации чрезвычайно мала, концентрацию не­диссоциированной части Н₂0 принимают за единицу. Поэтому [Н⁺] - [ОН^-] = К. При 22 ^оС для чистой воды К = 10^-14. Так как количество диссоциированных ионов [Н⁺] и [ОН^-] для воды оди­наково, то 10^-14 = [Н⁺]². Отсюда [Н⁺] равно корню квадратный из 10^-14 = 10^-7. Если прологарифмировать эту величину и взять ее с отрицательным знаком, значение рН для чистой воды равно семи, что говорит о нейтральной реакции, т. е. одинаковом содержании в растворе и водородных и гидроксильных ионов.

При увеличении концентрации водородных ионов значения рН понижаются, а при уменьшении концентрации — повышаются. Зна­чения рН ниже семи указывают на кислую реакцию почвенного раствора, а выше семи — на его щелочную реакцию. В почвах зна­чения рН колеблются в следующих пределах:

Сильнокислые почвы........................................ 3,0—4,5

Нейтральные почвы........................................... 6,5—7,0

Кислые почвы.................................................... 4,5—5,5

Щелочные почвы.............................................. 7,5—8,5

Слабокислые почвы 5,5—6,5

Сильнощелочные почвы ... 8,5 и выше

3. Кроме общей и актуальной кислотности почв различают еще обменную и гидролитическую кислотность почв (см. гл. 9).

Для развития микробиологических процессов и роста культур­ных растений реакция почвенных растворов имеет важное значе­ние. Многие микроорганизмы наиболее хорошо развиваются при реакции почвенного раствора, близкой к нейтральной. Большин­ство культурных растений также чувствуют себя лучше в нейтраль­ных почвах и лишь некоторые из них (например, чайный куст) пред­почитают кислые почвы.

Реакцию почвенного раствора можно изменить в наиболее благо­приятную сторону, внося различные минеральные вещества. Так, для уничтожения кислой реакции в почвы вносят известь, а для умень­шения щелочности — промышленные отходы, содержащие серу (под­вергаясь в почвах воздействию сульфуризирующих бактерий, она превращается в серную кислоту) или чаще физиологически кислые удобрения: суперфосфат, сернокислый аммоний и нитрат аммония.

Внесением различных минеральных и органоминеральных удоб­рений в почвенных растворах регулируется также состав веществ, в результате чего достигаются максимально благоприятные условия для роста и развития растений. Почвы с высокой концентрацией солей в почвенном растворе (солончаки и солончаковатые почвы) подвергаются промывкам с целью удаления вредного для растений избытка солей и понижения осмотического давления почвенного раствора.

Глава 11 ГАЗОВАЯ ФАЗА ПОЧВ.