Какие вещества содержатся в почвенном растворе
Почвенный раствор, жидкая фаза почвы, вода с растворёнными газами, минеральными и органическими веществами, попавшими в неё при прохождении через атмосферу и просачивании через почвенные горизонты. В зависимости от влажности почвы находится в плёночной, капиллярной и гравитационной формах. П. р. динамичен, участвует в почвообразовательном процессе, физико-химических, биохимических реакциях, круговороте веществ в почве и питании растений. Состав его определяется процессами почвообразования, растительностью, общими особенностями климата, а также временем года, погодой, деятельностью человека (внесение удобрений и др.). В почвенной влаге растворены: газы — кислород, углекислый газ, азот, аммиак; минеральные вещества — соли кальция, магния, натрия, калия и др., соединения алюминия, железа, марганца, кремнезём (в форме иона SiO4-4 и в коллоидной форме); органические вещества — органические кислоты жирного ряда и их соли, гумусовые кислоты, сахара, аминокислоты и др. В незаселенных почвах концентрация веществ в П. р. невелика (обычно не превышает 0,1%), в солончаках и солонцах (см. Засоленные почвы) — резко увеличена (до целых и даже десятков процентов). Высокое содержание веществ в П. р. вредно для растений, т.к. затрудняет поступление в них воды и питательных веществ, вызывая физиологическую сухость. Реакция П. р. в почвах разных типов неодинакова: кислую реакцию имеют подзолистые, серые лесные, торфяные почвы, краснозёмы, желтозёмы; щелочную — содовые солонцы; нейтральную или слабощелочную — обыкновенные чернозёмы, луговые и коричневые почвы. Слишком кислый и слишком щелочной П. р. отрицательно влияет на рост и развитие растений. См. также Буферность почвы, Реакция почвы.
Состав почвенных растворов изменчив во времени и пространстве. В засушливых районах минерализация почвенных растворов выше и наоборот.
Почвенные растворы характеризуются множеством свойств:
Уравновешенность
Буферность.
Осмотические давление.
Кислотность.
1. Уравновешенность – это способность почв раствора поддерживать определенную свойственную ему концентрацию или минерализацию. При ↓ содержания элемента его место занимает другой.
2. Буферность – способность почвенного раствора поддерживать определенную величину кислотности соответствующую ему.
3. Осмотическое давление – это давление, которое обусловлено каким-то веществом, находящимся в почвенном покрове. Оно может быть в почвенном растворе и в растительных клетках.
4. Кислотность — свойство почвы, обусловленное наличием водородных ионов в почвенном растворе и обменных ионов водорода и алюминия в почвенном поглощающем комплексе.
Плодородие почв и меры его регулирования.
Плодородие – способность почв удовлетворять потребности растений в питательных элементах и воде (Вильямс).
На плодородие влияет:
1. Гумус. При длительном с/х использовании содержание гумуса ↓ т.к. с урожаем с полей отчуждается биомасса.
Гумус влияет на:
— Наличие азота и других питательных элементов. 60% азота входит в состав гумуса.
— Кислотность.
— Емкость поглощения (максимально – черноземы 50-60 мг/ экв.). Так как ёмкость поглощения связана с коллоидными частицами. А ядро коллоидных частиц образовано ионами.
— структура почв.
2.Емкость поглощения – она связана с коллоидными частицами. Оно влияет на наличие питательных элементов.
1) Минеральные коллоиды.
2) Органические коллоиды.
3) Органоминеральные коллоиды.
Чем выше емкость поглощения, тем лучше для земледелия.
На неё можно влиять → увеличить содержание гумуса. Можно добавить пылеватой глины → увеличить число коллоидов.
Кислотность почв.
(ППК) H+ K+ + CaCO3↔(ППК) Ca+ + H2CO3 → CO2 ↑
H2O
H2O↔ H+ + OH-
PH= 6
При известковании → углекислота, которая распадается на H+ и OH-
PH = 4
4. Оптимальный вводно-воздушный режим. Оптимальное сочетании H2O и O2
в тех регионах, где коэффициент увлажнения близок к 1. Осушительные работы производятся при избытке воды и при недостатке орошения.
5. Структура почв. Способность почв образовывать отдельные комки, глыбы.
Структура состоит из 3х фракций: Песчаная, пылеватая и илистая фракции – структурные отдельности или агрегаты. Структура (комковатость) препятствует эрозии и ветровой дефляции и плотностной (водной) эрозии. Почвенная структура способствует накоплению или удержанию влаги в почвах. Если почва комковата, вода легко просачивается, и трудно испаряется. В бесструктурной почве вода глубоко не просачивается и легко испаряется. Высокая капиллярность.
6. Использование гумуса, травопольных культур (клевер).Отсутствие токсичных соединений в почвах.
NaHCO3
Na2CO3
Fe(II) (закисное железо).
Таксономия почв.
Таксономия (от греч. taxis — расположение, строй, порядок и nomos — закон), теория классификации и систематизации сложноорганизованных областей действительности, имеющих обычно иерархическое строение. Термин (предложен в 1813 швейцарским ботаником О. Декандолем), длительное время употреблялся как синоним систематики.
Глазовская: “Таксоны объединяются в 37 семейств. Эти семейства объединяются в генерации – их 27, а они в ассоциации – их 11”.
Фридланд объединяет все типы в порядки – их 53, порядки в отделы – их 28, а отделы в стволы – их 4. Систематика – раздел таксонометрии.
Тип → подтип → роды → вид → разновидность → разряд (Таксоны в порядке понижения).
Пример: Подзолы.
1) Тип — Подзолы. Наличие горизонтов Aov, А2 → В, С – почвы аллювиального типа. Происходит разрушение илистой фракции в А2.
2) Подтип – типичные (Ао, А2, Bf,al, С), торфянистые (Aov, Ат, А2, В, С), контактово-глеевые (Aov, Ат, А2, ВСq, Сq).
3) Роды – в основе подразделения подтипов на роды – минералогический состав почвообразовательных пород.
Типичные подзолы:
а) Род обыкновенные (на песках кремнезёмистых) – Aov, A2, B, C.
б) Род оруденелые (на полимиктовых песках – с примесью Fe) — Aov, A2, Bf,al, C. Bf,al – очень крепкий, толщиной до 40 см. Он является водоупорным → будет заболачивание.
4) Виды – в основе положена мощность горизонтов А2, Мощность А2 – от 2 до 70 см.
а) Поверхностные – менее 10 см.
б) Маломощные.
в) Среднемощные.
г) Злостные > 70 см.
5)Разновидности – в основе подразделения на разновидности положен механический состав. Песчаный/супесчаный. Механический состав даётся по верхнему горизонту.
6) Разряд – даётся по генезису материнской породы. Озёрные, морские, эоловые, Флювиальные.
Полное название.
Тип – Подзол.
Род – обыкновенный.
Вид – Злостный.
Разновидность – супесчаный.
Разряд – озёрный.
07.07.2020 07.07.2020 28.06.2020 27.06.2020 27.06.2020 26.06.2020 18.06.2020 12.06.2020 11.06.2020 11.06.2020 |
Почвенный раствор представляет собой очень динамическую и наиболее активную часть почвы. В нем происходят различные химические и биологические процессы. Состав почвенного раствора является важным фактором в питании, росте и размножении организмов. Он же определяет в значительной мере общую продуктивность почвы. Г.Н. Высоцкий сравнивал почвенный раствор с кровью животных организмов.
На растворимость солей большое влияние оказывает также наличие в растворе газов. Например, углекислота повышает растворимость карбоната кальция, превращая его в бикарбонат, а растворимость последнего во много раз выше растворимости карбоната. Хлористый натрий в растворе повышает растворимость гипса, а сернокислый натрий, наоборот, понижает.
Как видно из этих данных, почвы огородные и особенно черноземные более питательны для бактерий, чем почвы полевые малогумусированные. Сероземы значительно выше по питательности, чем дерново-подзолистые, полевые почвы.
Кислую реакцию имеют подзолистые почвы, болотные, серо-лесные; щелочную или нейтральную — сероземы; сильно щелочную — солонцы.
|
Почвенный раствор представляет собой жидкую фазу почвы, содержащую растворенные соли, органические и органо-минеральные соединения, газы и коллоидные золи. Формирование почвенного раствора происходит в результате взаимодействия влаги, поступающей в почву, с ее твердой, газообразной и живой фазами. В образовании почвенного раствора принимает участие свободная и рыхлосвязанная вода. Прочносвязанная вода представляет собой так называемый нерастворяющий объем почвенной влаги и не входит в состав почвенного раствора.
Содержание влаги в почвах может колебаться в очень широких пределах, соответственно этому изменяется и количество почвенного раствора — от десятков процентов, когда почвенная влага заполняет практически все поры почвы, до единиц или долей процентов при ее сильном иссушении.
Происхождение, состав и свойства почвенных растворов
Растворы, циркулирующие в почвенных горизонтах, генетически связаны с тремя основными источниками воды: конденсированными парами, атмосферными осадками и грунтовыми водами. При орошении важную роль играет поливная вода.
В автоморфных почвах при глубоком залегании уровня грунтовых вод питание почвенных растворов осуществляется за счет дождей, тающего снега и конденсации паров воды. В почвах грунтового увлажнения (полугидроморфных и гидроморфных) дополнительным источником является влага, поступающая в форме капиллярных растворов от зеркала грунтовых вод. Степень участия грунтовых вод в питании почвенных растворов зависит от глубины их залегания и водоподъемной способности почвы. Например, по данным В.А. Ковды, в жарком климате при залегании грунтовых вод на глубине 0,5—1 м в почвенные горизонты из них в течение вегетационного периода может поступить
1000—2000 мм влаги (10 000—20 000 м3/га), а при залегании грунтовых вод на глубине 2—5 м — 200—400 мм (2000—4000 м3/га).
Вещественный состав почвенных растворов в основном формируется за счет продуктов выветривания и почвообразования. В почвах грунтового увлажнения значительная часть растворенных веществ поступает с капиллярным током из грунтовых вод. Какое-то количество соединений и элементов поступает в почву с атмосферными осадками, удобрениями, мелиорантами и пестицидами. Источником газообразных компонентов (С02, 02 и др.), поглощенных почвенным раствором, является почвенный воздух и приземный слой атмосферы.
Состав почвенных растворов различных типов почв и отдельных генетических горизонтов довольно специфичен. Он отражает историю развития и свойства почвы, динамику почвенных процессов, особенности сельскохозяйственного использования почв.
Вещества почвенного раствора могут находиться в виде ионов, молекул или коллоидов. Из катионов это ионы Са2+, Mg2+, Na+, К+, NH4, Н+. В сильнокислых почвах в почвенном растворе обнаруживаются ионы Al3+, Fe3+ и Мп2+, в переувлажненных — Fe2+ и Мп2+. Железо и алюминий, а также многие микроэлементы (Си, Zn, Мп и др.) в почвенных растворах находятся преимущественно в виде устойчивых комплексных соединений с органическими веществами (табл. 11.1). Какая-то часть металлов представлена гидролизованными формами типа Ме(ОН)2 и Ме(ОН)2+.
Таблица 11.1
Состав компонентов почвенного раствора, удерживаемых сорбентами хроматографических колонок (по И.С. Кауричеву, Е.М. Ноздруновой)
Горизонт, глубина закладки колонки | С, мг/м2 | А1 | Fe | ||||
всего, мг/м2 | связано с органическим веществом | всего, мг/м2 | связано с органическим веществом | ||||
мг/м2 | % | мг/м2 | % | ||||
Подзол иллювиально-гумусово-железистый | |||||||
А (7 см) | 680,0 | 1735 | 1 570,0 | 90,5 | 660,0 | 604,2 | 91,5 |
А (12 см) | 682,5 | 935 | 755,0 | 80,7 | 525,0 | 508,5 | 96,9 |
В (40 см) | 627,5 | 540 | 427,5 | 79,2 | 312,5 | 304,5 | 97,4 |
Подзол иллювиально-гумусовый | |||||||
А0 (6 см) | 668,0 | 1040 | 815,0 | 78,4 | 825,1 | 768,7 | 93,2 |
Ai (10 см) | 615,0 | 1090 | 952,0 | 87,3 | 760,5 | 711,0 | 93,5 |
В (30 см) | 735,0 | 805 | 684,0 | 85,0 | 494,0 | 438,5 | 88,7 |
Среди анионов в почвенном растворе присутствуют ионы НСО-, С03~, NOJ, Cl-, SOf, Н2РС>4, НРО4′ и анионы кремниевой кислоты.
Наряду со свободными ионами некоторое их количество может находиться в связанном состоянии — в виде комплексных ионов или ассо- циатов. Процесс ассоциации не аналогичен процессу образования молекул и осуществляется за счет электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов, что приводит к образованию нейтральных или несущих заряд ионных пар (комплексов).
Нейтральные ионные пары представлены NaHC03, NaCl°, СаС03, CaS04, MgS04 и MgC03. Заряженные ионные пары существуют как в виде комплексных катионов — СаОН+, СаС1+, СаНС03, MgCl+ и MgHC03, так и в виде комплексных анионов — NaCOj и NaSC>4. По расчетам М.Б. Минкина, в почвенных растворах в ионные пары может быть связано 15—50% Са2+ и Mg2+; 17—60% SO^-; 1-18% Na+и НС03; 70-90% СО^.
Связывание ионов в ассоциаты усиливается по мере увеличения ионной силы почвенных растворов вплоть до значений 0,4—0,5 и играет большую роль в их химизме. В частности, образованием ас- социатов можно объяснить часто наблюдаемое в почвенных растворах существенное превышение концентрации ионов над величиной произведения растворимости соответствующей труднорастворимой соли, т.е. явление пересыщенности почвенного раствора по отношению к СаС03 или CaS04.
Коллоиды, присутствующие в почвенных растворах, представлены органическими и органо-минеральными веществами, золями кремне- кислоты и гидроксидов железа и алюминия. По данным К.К. Гедрой- ца, на коллоиды приходится ‘/ю—’А от общего количества веществ, находящихся в почвенном растворе. Особенно много коллоидов находится в почвенном растворе солонцов.
Из органических соединений в почвенном растворе могут находиться водорастворимые продукты трансформации органических остатков и жизнедеятельности живых организмов (органические кислоты, спирты, сахара, аминокислоты и др.) и гумусовые кислоты, а также их органо-минеральные производные.
Концентрация и состав почвенных растворов заметно отличаются в почвах различных природных зон (табл. 11.2).
Химический состав почвенных растворов некоторых типов почв, мг/л (по В.В. Волковой, И.Н. Скрынниковой, У.М. Абдуллину и др.)
Тип почвы | Органическое вещество | Si4+ | А13+ | Fe3+ | Са2+ | Mg2+ | Na+ | к+ | HCOJ | SO^ | а- | NOJ |
Подзолистая | 20-760 | 3-20 | 6-12 | 3-10 | 5-25 | 5-15 | 1-3 | 2-5 | 10-60 | 8-20 | 4-10 | 10-60 |
Чернозем | 10-50 | 1-5 | 0,1-2,0 | 0,1-2,0 | 200 | 30-60 | 5-20 | 8-30 | 500 | 80 | 100 | 170 |
Солонец | 65 | 18 | 5 | 15 | 450 | 230 | 4 400 | — | 720 | 7 400 | 1 800 | — |
Солончак | 3-5 | 1-2,8 | — | 0,7-1,4 | 920 | 2,3×10» | чо u> X о | 0,7×10» | 915 | — | 1,46 х 105 | 190 |
В подзолистых и дерново-подзолистых почвах таежно-лесной зоны, сформировавшихся в условиях промывного типа водного режима, содержание минеральных компонентов в почвенном растворе, как правило, низкое и колеблется от нескольких десятков мг до 0,1— 0,3 г/л. В верхней части профиля растворы обогащены органическим веществом, количество которого варьирует в пределах 0,1—0,7 г/л, а в лесных подстилках достигает 3—4 г/л. Наряду с неспецифическими органическими соединениями в составе водорастворимого органического вещества заметную роль играют фульвокислоты. Растворы характеризуются кислой реакцией (pH 4,0—5,0), низким содержанием щелочных и щелочноземельных оснований (2—5 мг/л К+, 10—30 мг/л Са2+, 5—10 мг/л Mg2+), постоянным присутствием подвижных форм кремния (10—20 мг/л Si02), железа (1—10 мг/л Fe203) и алюминия (5—25 мг/л А1203).
При окультуривании подзолистых и дерново-подзолистых почв в почвенных растворах снижается содержание органического вещества, существенно возрастает количество кальция и фосфатов, а реакция сдвигается в слабокислую область (pH 5,5—6,5).
В черноземах, имеющих непромывной тип водного режима, концентрация почвенных растворов выше, чем в почвах таежно-лесной зоны, и в среднем составляет около 1 г/л. Почвенные растворы содержат незначительное количество ионов калия, натрия, хлора и органических соединений. Так, в целинных обыкновенных черноземах количество водорастворимого органического вещества в верхнем десятисантиметровом слое почвы составляет около 200 мг/л, на глубине 40—50 см — 20—90 мг/л. Для почвенных растворов черноземов характерна нейтральная или слабощелочная реакция и резкое доминирование среди минеральных компонентов гидрокарбоната кальция, на долю которого приходится до 60% и более от суммы всех водорастворимых веществ. Такой состав почвенных растворов обеспечивает им высокую буферность, стабильность ППК и его насыщенность кальцием, необратимую коагуляцию почвенных коллоидов.
В сухостепной зоне в незасоленных темно-каштановых и каштановых почвах концентрация почвенных растворов возрастает до 1,5— 3,0 г/л. Наряду с гидрокарбонатом кальция в их составе заметную роль играют сульфаты кальция и магния и отчасти натрия.
В полупустынной и пустынной зонах формируются преимущественно засоленные почвы. Почвенные растворы их имеют повышенную концентрацию, часто на уровне 10—20 г/л. Очень высокая концентрация почвенных растворов, достигающая 200—400 г/л, отмечается в солончаках. В составе почвенных растворов сильнозасоленных почв и солончаков главную роль играют хлориды и сульфаты натрия и магния, причем содержание хлор-иона может доходить до 100—150 г/л.
Почвенные растворы солонцов, особенно содовых, имеют щелочную реакцию, причем концентрация их сильно изменяется в пределах почвенного профиля. В верхней его части она находится на уровне 2—9 г/л, в средней возрастает до 50—60 г/л, а в полугидроморфных солонцах нередко достигает 100—120 г/л. В составе почвенных растворов солонцов в основном присутствуют хлориды и сульфаты натрия и магния. Наряду с этим они содержат карбонаты, гидрокарбонаты, алюминаты и силикаты натрия, растворенное органическое вещество и связанные с ним ионы железа и алюминия и обогащены коллоидами.
Оптимальные для сельскохозяйственных культур химические показатели почвенных растворов присущи большинству черноземов, серых и темно-серых лесных, каштановых и темно-каштановых почв. При низкой концентрации почвенных растворов (менее 1 г/л) для растений складываются неблагоприятные условия вследствие дефицита биофильных элементов.
Увеличение концентрации почвенного раствора более 5—6 г/л также оказывает негативное влияние на сельскохозяйственные культуры, поскольку обычно обусловлено аккумуляцией в почве легкорастворимых солей — гидрокарбонатов, хлоридов и сульфатов натрия и магния.
Угнетение растений под влиянием солей может быть вызвано следующими причинами:
- 1) увеличением осмотического давления почвенного раствора сверх критических значений;
- 2) токсичным действием отдельных ионов на растения;
- 3) нарушением условий питания растений.
Осмотические эффекты, проявляющиеся в результате повышения концентрации почвенного раствора, являются основным фактором угнетения растений на засоленных почвах. Если сосущая сила корней равна или меньше осмотического давления почвенного раствора, то растения не могут поглощать почвенную влагу с растворенными в ней питательными веществами и погибают.
Осмотическое давление почвенных растворов варьирует в широких пределах от 0,03—0,05 до 0,1—0,2 МПа в незасоленных черноземах и каштановых почвах и до 10,0—30,0 МПа в солончаках.
Водоудерживающая способность незасоленных почв возрастает по мере их иссушения и при достижении ею 1—2 МПа наблюдается устойчивое завядание большинства сельскохозяйственных культур. Накопление солей, увеличивающих осмотическое давление почвенного раствора, приводит к «физиологической сухости» почвы. В таких условиях растения, несмотря на достаточную влажность почвы, не могут получить необходимое количество воды (табл. 11.3).
Таблица 11.3
Зависимость между влажностью, степенью засоления и водоудерживающей способностью почв (по В.С. Шардакову)
Незасоленные почвы | Почвы, содержащие 0,55% солей | Почвы, содержащие 2,13% солей | |||
влажность, % | водоудерживающая способность, МПа | влажность, % | водоудерживающая способность, МПа | влажность, % | водоудерживающая способность, МПа |
9,4 | 2,02 | 9,3 | 3,54 | 9,9 | 14,40 |
12,2 | 1,01 | 12,4 | 2,63 | 13,3 | 5,96 |
18,3 | 0,20 | 18,6 | 1,82 | 19,6 | 3,03 |
— | — | 24,8 | U1 | 25,8 | 1,72 |
Под влиянием высоких концентраций солей в почве изменяется и отношение растений к внешним условиям. Такие, например, факторы, как температура и свет, положительно влияющие на развитие растений в нормальных условиях, при засолении могут действовать отрицательно.
Токсичность ионов. Токсичное действие солей на растения проявляется в нарушении их нормальных физиологических функций.
Согласно исследованиям Б.П. Строганова, под влиянием солей у растений может измениться азотный обмен в сторону накопления такого промежуточного продукта, как путресцин. Путресцин — ядовитое органическое вещество, его токсичность в 5—10 раз превышает токсичность хлористого натрия.
При солевом стрессе у растений снижается интенсивность дыхания, фотосинтеза, деятельности ряда ферментов и подавляется биосинтез белка, а также замедляются поглощение и расход воды в процессе транспирации.
Когда листья древесных растений накапливают более 0,5% С1_ или 0,2% Na+ (в процентах от сухой массы), обычно происходит характерное обгорание края листа или образуются некрозы. Наиболее чувствительные к хлору растения могут повреждаться, если содержание С1_ в почвенном растворе превышает 5—10 мг-экв./л, в то время как наиболее устойчивые к действию хлора растения получают повреждения лишь при концентрации его выше 30 мг-экв./л.
Очень токсична для растений сода. При ее появлении в почвенном растворе происходит резкое подщелачивание среды, что негативно сказывается на корневой системе растений. Корни испытывают своеобразный «щелочной ожог», в результате которого корневые волоски теряют тургор, сморщиваются и отмирают. Это нарушает нормальное функционирование корневых систем в целом.
Нарушение условий питания. Для нормального роста и развития растений требуется, чтобы в почве имелись все необходимые питательные вещества в оптимальных для конкретной культуры соотношениях. Нарушение этого условия устраняется за счет внесения удобрений. Однако при засолении почвы не всегда удается достичь требуемого результата, поскольку водорастворимые соли вносят существенные коррективы в закономерности поступления химических элементов в растения.
По данным В. А. Ковды, в растениях, угнетенных под влиянием засоления, по сравнению с нормально развитыми значительно возрастает содержание ряда веществ — Si02 в 4—5 раз, А1203 и Р205 в 3—5 раз, С1 в 2—3 раза, Mg и Na в 2—6 раз. При этом наблюдается недостаточное поступление таких важных элементов минерального питания, как Са, Fe, К, Mn, S.
Нарушение условий питания сельскохозяйственных растений при аккумуляции в почве легкорастворимых солей может быть обусловлено различными причинами.
Например, при аккумуляции в почвах свободных карбонатов будет существенно ограничиваться подвижность Fe и многих микроэлементов вследствие перехода их в соответствующие карбонаты.
При засолении почв резче проявляется антагонизм ионов, что затрудняет поступление в растения необходимых элементов.