Глава 6. ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ

 

Большинство процессов, протекающих в почве, связаны с перераспределением веществ между твердой, жидкой и газообразной фазами, составляющими почву. Главным процессом взаимодействия между фазами является сорбция – поглощение твердой фазой газов, паров и растворенных веществ из жидкой фазы. Способность почвы поглощать различные веществ была известна давно, но только в начале XX века К.К.Гедройц разработал учение о поглотительной способности почв. Поглотительные процессы в почве обусловлены преимущественно ее тонкодисперсной частью и особенно коллоидами.

 

§1. Почвенные коллоиды, происхождение, строение и классификация

 

К почвенным коллоидам относятся частицы диаметром < 0,0001 мм, хотя явно выраженные свойства коллоидов имеют частицы менее 0,001 мм. Содержание коллоидных частиц колеблется от 1 до 40 % массы почвы в различных подтипах почв. Однако даже при небольшом содержании они играют очень важную роль в сорбционных процессах. Причины этого в том, что у почвенных коллоидов из-за малого размера частиц огромная суммарная поверхность и она имеет своеобразную природу, способствующую протеканию сорбционных процессов. Почвенные раздробленные частицы, как и любое раздробленное тело, обладают свободной поверхностной энергией, так как молекулы и атомы, расположенные на поверхности какого-либо вещества, находятся в иных условиях, чем атомы и молекулы внутри него. Молекулы внутри вещества испытывают одинаковое притяжение со всех сторон, поскольку окружены такими же молекулами. Находящиеся на поверхности молекулы имеют различное притяжение снаружи и изнутри, так как соприкасаются с газообразной или жидкой средой. Поэтому они имеют некоторое количество свободной энергии, которая вызывает поверхностное натяжение на границе соприкосновения коллоидных частиц с внешней средой. Чем больше удельная поверхность вещества, тем больше  поверхностная энергия, которая и вызывает различные почвенные процессы и в значительной мере обусловливает поглотительные свойства почв. Следовательно, чем больше коллоидов в составе почвы, тем сильнее выражена ее поглотительная способность (в почвах более тяжелого механического состава).

Коллоиды различаются по происхождению, способу образования, заряду, составу.

Существуют два способа образования почвенных коллоидов: 1) диспергирование – измельчение в процессе выветривания крупных частиц (главным образом минеральные коллоиды); 2) конденсация – физическое или химическое соединение молекулярно раздробленных частиц (главным образом органические).

По составу или происхождению коллоиды делятся на:

1) минеральные – представлены частицами вторичных минералов, прежде всего глинистыми (монтмориллонит, каолинит, галуазит и др.), гидрооксидами Fe, Al, коллоидными формами кремнезема. Могут быть кристаллическими (глинистые минералы) или аморфными (полуторные гидроксиды). Составляют 80 – 90 % почвенного поглотительного комплекса (ППК);

2) органические – накапливаются в почве в результате разложения растительных остатков (различные гумусовые вещества). Обычно аморфные, составляют 5 – 10 % ППК.

3) органо-минеральные образуются при взаимодействии органического вещества почвы с глинистыми минералами и гидроксидами элементов с переменной валентностью (Fe, Mn), составляют около 5 % от ППК.

Коллоидная частица имеет сложное строение и называется мицеллой. В центре находится ядро, состоящее из недиссоциированных молекул аморфного или кристаллического вещества (рис.8). На поверхности ядра располагается слой молекул, способных к диссоциации, который называется двойным электрическим слоем ионов. Внутренний – потенциалопределяющий – слой состоит из неподвижных ионов, прочно связанных с ядром. Ядро мицеллы вместе с потенциалопределяющим слоем ионов образует гранулу. Вокруг гранулы расположен внешний двойной слой ионов с противоположным зарядом – компенсирующий. Часть ионов неподвижна и прочно связанна с потенциалопределяющим слоем, часть – подвижна и способна обмениваться на ионы почвенного раствора – это диффузный слой мицеллы.

 

 

 

В зависимости от того, какие ионы – анионы или катионы – находятся в потенциалопределяющем слое, заряд мицеллы будет «+» или «–». С этой точки зрения все коллоидные частицы делятся на:

1) ацитоиды – коллоиды, несущие отрицательный заряд (в потенциалопределяющем слое анионы) и имеющие в диффузном слое катионы (Н⁺). К ним относятся глинистые минералы, гумусовые кислоты, органо-минеральные коллоиды, кремниевая кислота. Ацитоиды обладают способностью к поглощению и обмену катионов.

2) базоиды – коллоиды, несущие положительный заряд (в потенциалопределяющем слое катионы) и имеющие в диффузном слое анионы (ОН^–). К ним относятся гидраты окисей железа и алюминия. Базоиды способны к обмену анионов.

3) амфолитоиды – коллоиды, имеющие переменный знак, зависящий от реакции среды: в кислой – «+» заряд, в щелочной – «–» заряд. К ним относятся белковые органические вещества.

Большая часть почвенных коллоидов имеет отрицательный заряд, и, следовательно, способность почвы к поглощению и обмену катионов значительно больше, чем к анионам. Поэтому, говоря о поглотительной способности почв, имеют в виду именно поглощение катионов.

Поскольку почвенные частицы имеют заряд, они способны притягивать дипольные молекулы воды из окружающего раствора, образуя гидратные пленки. Толщина этой пленки зависит от величины заряда и состава поглощенных катионов. В связи с этим различают гидрофильные коллоиды (кремнекислота, глинистые минералы, органические коллоиды и коллоиды, насыщенные К, Na, Li), удерживающие многослойные пленки воды, и гидрофобные – слабогидратированные коллоиды (гидрооксид железа, коллоиды, насыщенные двух- и трехвалентными катионами). Гидрофильные коллоиды имеют сродство к воде, способны сильно набухать и оставаться устойчивыми в коллоидном растворе. Гидрофобные набухают незначительно, сворачиваются и выпадают в осадок.

Почвенные коллоиды могут находиться в двух разных физических состояниях: 1) в состоянии коллоидного раствора, или золя; 2) в состоянии студенистого, аморфного или хлопьевидного осадка, или геля. Переход коллоидов из состояния золя в состояние геля  называется коагуляцией, или слипанием (свертыванием) коллоидов. Причиной данного перехода является потеря гидратной оболочки и заряда в результате следующих процессов: замораживания, высушивания, действия электролитов, взаимной коагуляции и тиксотропии.

Коагуляция коллоидов происходит главным образом при их взаимодействии с электролитами (растворами солей, кислот и щелочей), которые в растворе распадаются на ионы с «+» или «–» зарядом. Коллоиды с «+» зарядом коагулируются анионами, с  «–» зарядом – катионами. Коагулирующая способность катионов различна и зависит от их валентности и атомной массы. Одновалентные катионы коагулируют слабее двухвалентных, а двухвалентные – слабее трехвалентных.

По степени коагулирующей способности К.К.Гедройц расположил все катионы в следующем порядке:

Li⁺< Na⁺ < NH⁺< K⁺< Mg²⁺ < H⁺<  Ca²⁺< Ba²⁺< Al³⁺< Fe³⁺

Коагуляция может быть обратимой и необратимой, т.е. золь, перешедший в гель, снова может перейти в раствор либо его обратный переход затруднен или невозможен. Обратимая коагуляция вызывается одновалентными, необратимая – двух- и трехвалентными катионами. Под действием двух- и трехвалентных катионов почвенные частицы склеиваются в комочки, имеющие большую устойчивость и водопрочность, почва становится более структурной, улучшается ее физическое состояние.

Особым явлением представляется процесс тиксотропии коллоидов, чаще всего встречается в криогенных почвах и вызывает их плывунность. Коллоиды находятся в таких почвах в скоагулированном состоянии геля благодаря их своеобразной гексагональной ориентации. Гель не отделяется от дисперсной среды, а застудневает вместе с ней. Полученный гель может быть переведен в золь путем механического воздействия (встряхивания и др.), по прекращении которого с течением времени золь опять переходит в гель.

Пептизация – процесс, обратный коагуляции, когда коллоиды переходят из состояния геля в состояние золя. Пептизация коллоидов отрицательно воздействует на почвообразовательные процессы, поскольку обусловливает разрушение структуры и вымывание коллоидов из верхних горизонтов, что резко снижает их поглотительную способность, ухудшаются физические и химические свойства почвы.

 

§2. Виды поглотительной способности почв

 

Поглотительной способностью почв называют способность почвы поглощать твердые взвешенные частицы, целые молекулы веществ или их часть и удерживать их в себе. Носителем поглотительной способности почв является почвенный поглощающий комплекс (ППК) – вся совокупность почвенных компонентов, способных участвовать в процессах поглощения и обмена. Главную часть его составляют почвенные коллоиды.

К.К.Гедройц выделил пять видов поглотительной способности почв, каждый из которых играет определенную роль в почвообразовании и формировании свойств почвы: механическая, биологическая, химическая, физическая и физико-химическая, из которых две последние связаны с ППК.

Механическая поглотительная способность – способность почвы как всякого пористого тела задерживать взвешенные твердые частицы из фильтрующихся суспензий крупнее почвенных пор. Механическое поглощение напрямую зависит от гранулометрического состава и сложения почвы. Так, глинистые и суглинистые почвы способны поглощать даже тонкодисперсные частицы, а песчаные, имеющие крупнопористое сложение, взвешенные частицы поглощают значительно хуже. Механическая поглотительная способность возрастает с увеличением количества гумуса в почве. Благодаря ей, в почве удерживаются от выноса наиболее ценные с точки зрения плодородия элементы. Большое значение это имеет в областях с искусственным орошением или обильными осадками. Почва может также удерживать и частицы меньше диаметра пор благодаря наличию замкнутых и извилистых пор.

Биологическая поглотительная способность почвы обусловлена жизнедеятельностью растений и микроорганизмов почвы, которые поглощают из нее необходимые для жизни элементы и переводят их в органические соединения своего тела. В таком виде элементы питания не вымываются из почвы. Особенностью этого вида поглотительной способности является избирательность – растения и микроорганизмы поглощают необходимые им вещества строго в соответствии со своими потребностями. Благодаря этой избирательности почва систематически обогащается биологически ценными элементами, которые извлекаются из глубоких слоев, после отмирания живых организмов накапливаются в верхних горизонтах и используются следующими поколениями организмов. В естественных условиях почва чем старше, тем плодороднее. Однако избирательность может иметь и отрицательные последствия: при внесении удобрений в результате поглощения только некоторых ионов в почве возникают физиологическая кислотность и щелочность.

Особенно большое значение этот вид поглотительной способности имеет в отношении нитратов, так как они поглощаются и закрепляются только биологическим путем.

Химическая поглотительная способность – это способность почвы закреплять нерастворимые соединения, образующиеся в результате химических обменных реакций в почвенном растворе или при взаимодействии с твердой частью почвы. При взаимодействии с катионами кальция, алюминия, железа и других элементов растворимые в воде сульфаты, карбонаты, фосфаты образуют нерастворимые соединения. В таком виде вещества закрепляются и не вымываются из почвы:

3 CaCl₂ + 2 Na₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂↓+ 6 NaCl,

Na₂SO₄ + CaCl₂  → 2 NaCl + CaSO₄↓.

Таким же образом могут закрепляться в почве и удобрения. Например, при внесении фосфатных удобрений (суперфосфат) в карбонатную почву он переходит в нерастворимый трифосфат кальция:

2 CaCО₃ +Ca(Н₂PO₄)₂ → Ca₃(PO₄)₂↓+ 2 Н₂СО₃.

Физическая поглотительная способность – это способность почвы поглощать и удерживать в себе целые молекулы веществ на поверхности своих частиц. Она обусловлена силами молекулярного притяжения (из-за наличия свободной энергии у поверхностных молекул), за счет которых на поверхности коллоидных частиц адсорбируются вещества из раствора или газы, причем изменяется только концентрация веществ, но качественный состав не изменяется (поглощенное вещество не внедряется в твердую фазу почвы и не вступает в химическую реакцию, а накапливается на границе раздела фаз).

Способность адсорбции присуща всем телам природы. Чем сильнее степень раздробленности частиц, тем больше их общая поверхность, где сорбируются молекулы многих веществ.

Различают положительную и отрицательную адсорбцию. При нормальной (положительной) адсорбции к поверхности почвенных частиц притягиваются молекулы растворенного вещества, и концентрация раствора уменьшается. Таким путем поглощаются органические соединения, газы, щелочи, некоторые токсины. При отрицательной адсорбции на поверхности частиц закрепляются молекулы растворителя, и концентрация раствора увеличивается. Такому явлению подвержены неорганические кислоты и некоторые другие минеральные соединения. Так, нитраты почвой не поглощаются ни физическим, ни химическим путем, а только биологическим, поэтому вносить азотные удобрения необходимо только в период интенсивного роста растений, когда они наиболее нуждаются в азоте. Это предотвратит загрязнение водоемов нитратами.

Физико-химическая (обменная) поглотительная способность почв – это способность почвы поглощать из раствора различные катионы или анионы, отдавая в обмен эквивалентное количество ионов твердой фазы (из диффузного слоя мицеллы). Так как большинство почвенных коллоидов заряжены отрицательно, то и поглощаться будут из почвенного раствора в основном катионы, которые называются обменными. Эта поглотительная способность напрямую связана с ППК. В общем виде процесс обмена катионов можно представить следующим образом: 

почва] Н⁺ + КСl ↔почва] К +  НСl.

К.К.Гедройц установил следующие законы обменной адсорбции:

● закон эквивалентности – процесс обмена катионов происходит  в эквивалентных отношениях  по законам химии;

● закон обратимости – реакция обмена катионов является обратимой, т.е. любой поглощенный катион при соответствующих условиях может снова перейти в раствор;

● закон концентрации – чем выше концентрация иона-вытеснителя в почвенном растворе, тем интенсивнее он будет поглощаться почвой и займет больший вес в составе поглощенных катионов (при постоянном объеме). В случае если концентрация раствора постоянна, количество катионов, вытесняемых из почвы в раствор, возрастает с увеличением объема последнего;

● закон скорости – реакции обменной адсорбции происходят быстро (равновесие устанавливается в течение нескольких минут);

● закон энергии – энергия адсорбционного поглощения почвой разных катионов неодинаковая и зависит от их валентности, а в пределах одной валентности – от атомной массы и ионного радиуса. Ряд энергии поглощения катионов в большинстве почв следующий (К.К.Гедройц):

Li⁺< Na⁺ < NH⁺< K⁺< Mg²⁺ < H⁺<  Ca²⁺< Ba²⁺< Al³⁺< Fe³⁺.

Поглощение анионов идет всегда в обмен на ОН-группы почвенных коллоидов и зависит от природы аниона, реакции среды и состава коллоидов. Обмен анионов происходит в том случае, если в почве есть «+» заряженные коллоиды (гидроксиды полуторных оксидов) или «+» заряженные участки отрицательных коллоидов (минералы группы каолинита, вещества белковой природы). Поэтому в тех почвах, где много базоидов (дерново-подзолистые, красноземы), при уменьшении рН почвы или увеличении в почве содержания Fe и Al обмен анионов возрастает. В почвах, имеющих нейтральную или щелочную реакцию, обмен анионов выражен очень слабо.

В почвенном растворе присутствуют две группы анионов, которые отличаются по характеру поглощения: 1) NO₃^–, NO₂^–, Cl^– – в пределах возможных в почвах реакций не поглощаются почвой, так как легкорастворимы, закрепляются только биологическим путем; 2) SO₄^2–, CO₃^2–, PO₄^3– – поглощаются химическим и физико-химическим путем. Особенно большое значение имеет поглощение фосфат-иона почвой, так как, с одной стороны, он становится недоступным для растений, с другой стороны, он извлекается из геологического круговорота и удерживается в почве. Поэтому фосфорные удобрения вносят в почву в гранулированном виде.

 

§3. Состав поглощенных катионов, емкость катионного обмена и степень насыщенности почв основаниями

 

Почвенный поглотительный комплекс всегда насыщен катионами, но их состав и количество неодинаковы в разных почвах. Важнейшей характеристикой ППК и почвы в целом является емкость катионного обмена (емкость поглощения) (ЕКО) – общее количество поглощенных катионов, находящихся в почве и способных к обмену. Выражается в мг·экв/100 г почвы и обозначается Т (Е), зависит от типа почвы, минералогического состава, гранулометрического состава, количества гумуса и реакции среды. Чем больше в почве глинистых минералов и гумуса, чем ближе к нейтральной реакция почвы, тем больше ЕКО. Песчаные малогумусные почвы имеют самую низкую емкость поглощения – 1 – 5, супесчаные – 7 – 8, суглинистые – 15 – 18, глинистые – 25 – 30 мг·экв/100 г. В гумусовых горизонтах ЕКО выше, чем в нижележащих горизонтах. В верхнем горизонте черноземов она достигает 50 – 60 мг·экв/100 г, так как здесь много гуминовых кислот, ЕКО которых в чистом виде – 350 – 400 мг·экв/100 г.

Емкость катионного обмена варьирует в широких пределах и ее величина в различных типах почв представлена в таблице 6.

Различные почвы существенно отличаются друг от друга по качественному составу поглощенных катионов, который обусловлен условиями почвообразования, водно-солевым режимом почв и хозяйственной деятельностью человека. В составе ППК находятся практически все катионы, необходимые для питания растений, но их доля от общего количества поглощенных катионов невелика – несколько процентов. Общее содержание всех обменных катионов, кроме Н⁺ и Al³⁺, называют суммой обменных оснований (S). В зависимости от наличия поглощенного водорода и алюминия почвы подразделяют на насыщенные и ненасыщенные основаниями.

Таблица 6

Емкость катионного обмена в различных типах почв

 

К почвам, насыщенным основаниями, относятся черноземы, сероземы, каштановые почвы, в их ППК нет этих катионов. Ненасыщенные основаниями – подзолистая, дерново-подзолистая, серая лесная, тундрово-глеевая и другие почвы таежно-лесной и лесостепной зон, в составе ППК которых есть Н⁺ и Al³⁺. Степенью насыщенности почв основаниями (V, %) называется отношение суммы обменных оснований к емкости поглощения почвы, выраженное в процентах:

 

где Н – гидролитическая кислотность в мг·экв/100 г. Чем больше емкость катионного обмена и степень насыщенности основаниями, тем лучше для почвы. В нейтральных и щелочных почвах V » 100 %, в сильнокислых – < 50 %, слабокислых около 80 %.

Состав поглощенных катионов в значительной степени определяет свойства почв. Почвы, насыщенные Са²⁺ и Мg²⁺, имеют нейтральную реакцию, благоприятные водно-физические свойства, так как хорошо структурированы, эти катионы способствуют сохранению коллоидов (в том числе и органических), закрепляют гумус, увеличивая тем самым емкость поглощения почвы и плодородие. К таким почвам относятся черноземы, пойменные дерновые и дерново-карбонатные.

В почвах, находящихся к северу от черноземов, кроме кальция и магния, в ППК присутствуют катионы Н⁺ и Al³⁺. Эти катионы обусловливают кислую реакцию среды, коллоиды находятся в состоянии непрочного геля, легко разрушаются в такой среде и вымываются. Почвы хуже структурированы, обладают менее благоприятным водно-воздушным режимом, емкость катионного обмена меньше, имеют невысокое естественное плодородие. К таким почвам относятся подзолистые, дерново-подзолистые, красноземы, серые лесные и др.

В почвах, находящихся к югу от черноземов, в ППК присутствует значительное количество Na⁺. Такие почвы имеют щелочную реакцию, наименее благоприятные водно-физические свойства, бесструктурные, коллоиды очень неустойчивые, легко пептизируются и вымываются. Во влажном состоянии они вязкие, при высыхании образуют очень плотные горизонты и растрескиваются. Типичным представителем являются солонцы.

 

§4. Реакция почв. Кислотность почв, ее виды

 

Всякая почва обладает определенной реакцией, которая проявляется при взаимодействии с водой или растворами солей и может быть кислой, нейтральной или щелочной. Реакция почвы оказывает большое влияние на развитие растений и усвоение ими элементов питания, жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, скорость и направленность химических и биохимических процессов: разрушение почвенных минералов, растворение труднорастворимых соединений, минерализацию органических остатков и гумификацию, коагуляцию и пептизацию коллоидов, на эффективность вносимых в почву удобрений.

Реакция почвы зависит от соотношения в ней свободных ионов Н⁺ и ОН^–. Если в почвенном растворе концентрации этих ионов одинаковы, то реакция будет нейтральной, при Н⁺>ОН^– реакция кислая, при Н⁺<ОН^– щелочная. Для обозначения реакции почвы введен показатель рН – десятичный отрицательный логарифм концентрации ионов водорода в граммах на 1 л раствора, взятый с обратным знаком (если концентрация иона Н+ в 1 л равна 0,001 г, то рН = 3). Реакцию почв определяют с помощью приборов рН-метров или колориметрически по изменению окраски индикатора и сравнению ее со шкалой.

Реакция почвы может колебаться в пределах от рН 3,5 до 8 – 9 и для различных почв представлена в таблице 7 (для кислых почв – вытяжка 1н KCl, для щелочных – водная).

Почвы, не насыщенные основаниями, обладают кислотностью, которая вызывается ионами водорода. Различают реакцию почвенного раствора и реакцию твердой фазы почвы, соответственно, существуют и два вида кислотности – актуальная и потенциальная (рис. 9).

Таблица 7

 

 

Актуальная кислотность зависит от концентрации свободных ионов водорода в почвенном растворе. Их источником являются органические кислоты, образующиеся при разложении растительных остатков, угольная кислота, появляющаяся в почве при растворении диоксида углерода в воде, гидролитически кислые соли Al³⁺  и Fe³⁺, которые в водных растворах расщепляются и освобождают кислоту:

AlCl₃  + 3 H₂O = Al (OH)₃ + 3 HCl→ Al (OH)₃ + 3 H⁺ + 3 Cl^–_.

Эти явления наблюдаются только в почвах, не насыщенных основаниями. В почвах, где ППК содержит много Ca²⁺ и Mg²⁺, актуальной кислотности практически нет, так как ионы водорода обмениваются на катионы твердой фазы.

 

 

Рис. 9. Виды почвенной кислотности

 

Для определения этой кислотности используют водную вытяжку из почвы (соотношение почва : вода = 1:5), при этом в раствор переходят свободные ионы водорода, не связанные почвой. Обозначают рН_вод или рН. Ионы водорода, извлекаемые водной вытяжкой, составляют небольшую часть всего количества ионов водорода в почве, поэтому ее величина небольшая (рН = 5 – 6) и ее редко используют в агрохимических исследованиях.

Кислотность твердой фазы называется потенциальной и обусловлена наличием ионов Н⁺ и Al³⁺ в обменно-поглощенном состоянии в ППК, которые подкисляют почвенный раствор в результате обменных реакций между почвенными коллоидами и почвенным раствором. В зависимости от способа вытеснения этих ионов из ППК выделяют обменную и гидролитическую.

Обменная кислотность обусловлена содержанием обменно-поглощенных ионов H⁺и Al³⁺, которые вытесняются из ППК раствором нейтральной соли (образованы сильной кислотой и сильным основанием). Выявляется с помощью 1н раствора KCl или NaCl и обозначается рН_сол или рН _KCl. При этом ионы калия вытесняют ионы водорода или алюминия из ППК и занимают их место, а вышедшие в раствор ионы образуют соляную кислоту, которую определяют рН-метром:

ППК]Н⁺ + КСl ↔ ППК]К⁺+ НСl,

ППК]Al³⁺ + 3 КСl ↔ ППК]3 К⁺+ AlСl₃,

AlСl₃ + 3 H₂О ↔ Al(ОН)₃ + 3 НСl.

Обменная кислотность колеблется от 3 до 6, всегда меньше актуальной и наиболее ярко выражена в почвах подзолистых, красноземах. В почвах, имеющих слабокислую, нейтральную или щелочную реакцию, эта кислотность не проявляется. Обменную кислотность используют для массовых анализов реакции почвы.

Гидролитическая кислотность обусловлена как обменными, так и прочносвязанными ионами H⁺ и Al³⁺, которые можно вытеснить из ППК с помощью гидролитически щелочной соли (образована сильным основанием и слабой кислотой). Такие соли имеют повышенную активность катиона и при их гидролизе образуется щелочная среда, что способствует полному вытеснению прочносвязанных ионов водорода и алюминия из твердой фазы почвы. Для определения этой кислотности используют 1 н раствор уксуснокислого натрия (или кальция) с рН = 8,2. В водной среде эта соль распадается с образованием щелочи и слабой уксусной кислоты. При взаимодействии с почвой натрий щелочи вытесняет поглощенный ион водорода или алюминия из твердой фазы и вступает в ППК:

ППК] Н⁺ + СН₃СООNa ↔ ППК] Na⁺+ СН₃СООH,

ППК] Al³⁺ + 3 СН₃СООNa + 3 H₂О ↔ ППК] 3 Na⁺+ 3 СН₃СООH + Al(ОН)₃.

Вытесненные ионы связываются в уксусную кислоту, количество которой определяется титрованием и характеризует гидролитическую кислотность. Она выражается в мг • экв/100 г почвы и обозначается Н_Г (или Н). При обработке почвы гидролитически щелочными солями из ППК вытесняется больше ионов водорода, чем при обработке нейтральной солью. Катионы этих солей вытесняют из твердой фазы почвы ионы H⁺, которые способны к обмену при кислой и нейтральной реакции, а также те, которые дополнительно диссоциируют при щелочной реакции. Поэтому гидролитическая кислотность является полной, или суммарной, включающей актуальную и обменную формы. Иногда Н_Г оказывается меньше обменной за счет поглощения почвой анионов уксусной кислоты и вытеснения ионов ОН^–, в результате чего уменьшается кислотность вытяжек.

Гидролитическая кислотность характерна для почв в самом начале обедненения их основаниями, при дальнейшей их потере появляются обменная и актуальная кислотности. Поэтому в черноземах ее практически нет, в дерново-подзолистых – она значительна.

Гидролитическая кислотность вместе с суммой обменных оснований составляют емкость поглощения (ЕКО) почвы: Н + S = Т.

Почвенная кислотность неблагоприятна для развития растений и микроорганизмов, плодородия почв, что обусловлено недостатком кальция, повышением концентрации в почвенном растворе токсичных элементов (Al, Мn), изменением доступности для растений элементов питания, ухудшением физических свойств. Чтобы сменить состав поглощенных катионов и избавиться от повышенной кислотности, применяют такой вид химической мелиорации, как известкование (внесение известковых удобрений – мел, доломитовая мука, известняк). По нуждаемости в известковании почвы разделяют на: сильно нуждающиеся – рН < 4,5; средне нуждающиеся – рН 4,5 – 5,0; слабо нуждающиеся – рН 5,1 – 5,5; не нуждающиеся – рН > 5,5.

При известковании кислых почв катионы кальция или магния замещают катион водорода (алюминия) и нейтрализуют его:

ППК] 2 Н⁺ + СаСО₃ ↔ ППК] Са ²⁺+ Н₂О + СО₂↑.

Дозы необходимой извести рассчитывают по величине гидролитической кислотности, т.е. вносимая доза должна полностью нейтрализовать поглощенные H⁺ и Al³⁺. Ее определяют по формуле:

 

Поскольку между рН_сол и гидролитической кислотностью почвы определенного механического состава существуют четкие корреляционные зависимости, разработаны специальные таблицы, позволяющие определить дозы извести (в т/га) по рН_сол (табл. 8).

 

Таблица 8.

Дозы извести в зависимости и рН и гранулометрического состава

 

Чем тяжелее механический состав почв, тем больше необходимо извести, чтобы нейтрализовать кислотность (имеют высокую буферность). Известкуют почвы для улучшения их свойств и получения более высоких урожаев сельскохозяйственных культур.

Доза извести зависит и от степени насыщенности почв основаниями. Установлена следующая шкала доз извести в зависимости от степени насыщенности (табл.9).

Таблица 9.

Доза извести в зависимости от степени насыщенности почв основаниями

            

Известкование почв – процесс непрерывный (проводят каждые 5 – 6 лет), так как в почве всегда существуют процессы, приводящие к подкислению: 1) деятельность нитрифицирующих бактерий; 2) деятельность серобактерий; 3) выделение СО₂ в процессе дыхания корней растений и почвенных организмов; образование органических кислот при разложении органических остатков; 4) прижизненные кислотные выделения корней растений (овес, люпин, гречиха); 5) контактный обмен катионами между почвенными частицами и корнями растений; 6) физиологическая кислотность минеральных солей.

Различные растения имеют определенные благоприятные диапазоны кислотности. В таблице 10 представлены интервалы значений рН для различных растений.

Известкование почв – процесс непрерывный (проводят каждые 5 – 6 лет), так как в почве всегда существуют процессы, приводящие к подкислению: 1) деятельность нитрифицирующих бактерий; 2) деятельность серобактерий; 3) выделение СО₂ в процессе дыхания корней растений и почвенных организмов; 4) образование органических кислот при разложении органических остатков; 5) прижизненные кислотные выделения корней растений (овес, люпин, гречиха); 6) контактный обмен катионами между почвенными частицами и корнями растений; 7) физиологическая кислотность минеральных солей.

Таблица 10.

Отношение различных растений к кислотности почв

 

§5. Щелочность почв

 

Различают актуальную и потенциальную щелочность. Актуальная щелочность обусловлена наличием в почвенном растворе гидролитически щелочных солей (в основном карбонатов Na, K, гидрокарбонатов Na, K, гидрокарбонатов Ca, Mg), при диссоциации которых образуется в значительных количествах гидроксильный ион (ОН^–):

Na₂CO₃ + 2 HOH = 2Na⁺ + 2 OH^– + H₂CO₃.

Широко распространен и биологический путь образования соды из нейтральной соли в анаэробных условиях в результате деятельности сульфатредуцирующих бактерий, которые в присутствии органического вещества восстанавливают сернокислые соли натрия до сульфида, который затем превращается в соду:

Na₂SO₄ + 2 C = 2 CO₂ + Na₂S,

Na₂S + CO₂ + H₂O = Na₂CO₃ + H₂S.

Потенциальная щелочность обусловлена поглощенным натрием, который может выходить в раствор при взаимодействии с угольной кислотой или карбонатами:

ППК] 2 Na⁺ + Н₂CO₃ ↔ ППК] 2 Н⁺+ Na₂CO₃,

ППК] 2 Na⁺ + Са(НCO₃)₂ ↔ ППК] Са²⁺+ 2 NaНCO₃.

В результате таких реакций образуется сода, которая в водном растворе подвергается гидролизу и подщелачивает почвенный раствор. Щелочность почв принято оценивать только по значению актуальной щелочности. В зависимости от показателя рН почвенного раствора выделяют реакцию среды: ● слабощелочную – рН = 7,2 – 7,5; ● щелочную – рН = 7,6 – 8,5; ● сильнощелочную – рН > 8,5.

Высокая щелочность резко ухудшает водно-физические свойства почвы и усиливает пептизацию коллоидов, что обусловливает низкое плодородие почвы, угнетает рост большинства растений, нарушая ход физиологических процессов, снижает доступность многих элементов. Для устранения щелочности применяют также химическую мелиорацию – гипсование (внесение гипса, нитратов кальция или материалов, содержащих гипс, серную кислоту, сульфат железа, серу), в результате которой происходят замещение обменного натрия на кальций  и нейтрализация свободной соды:

ППК] 2 Na⁺ + Са SO₄ ↔ ППК] Са²⁺+ Na₂SO₄.

Образующиеся растворимые соли натрия удаляют путем промывки почв. Гипсование проводят один раз, так как действие проявляется медленно и долго, и явление щелочности – результат геологических процессов, а не почвенных, как кислотность.