Состав и поглотительная способность почвы

Глава 3. СВОЙСТВА ПОЧВЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ И ПРИМЕНЕНИЕ УДОБРЕНИЙ

Состав и поглотительная способность почвы

Почва состоит из твердой, жидкой (почвенный раствор) и газообразной (почвенный воздух) фракций.

Почвенный воздух отличается от атмосферного повышенным содержанием углекислого газа (1, иногда 2 – 3 % и более) и меньшим – кислорода. Состав почвенного воздуха зависит от интенсивности газообмена между почвой и атмосферой. Образование углекислого газа в почве происходит в основном в результате разложения органического вещества микроорганизмами и дыхания корней. Образующаяся в почве углекислота частично выделяется в атмосферу, улучшая воздушное питание растений, а частично растворяется в почвенной влаге, образуя угольную кислоту (H₂CO₃), которая диссоциирует на ионы Н⁺ и , вызывая подкисление почвенного раствора. В результате усиливается растворение минеральных элементов в почве, переход их в усвояемые для растений формы. При избыточном увлажнении и плохой аэрации почвы в почвенном воздухе содержание углекислоты повышается до 2 – 3 %, а кислорода – снижается, что отрицательно сказывается на развитии растений и микроорганизмов. При содержании кислорода в почвенном воздухе менее 8 – 12 % растения угнетаются, а при содержании меньше 5 % они погибают, в почве начинают преобладать анаэробные восстановительные процессы.

Почвенный раствор – это фракция почвы, из которой происходит поглощение растениями питательных элементов. Обычно содержание водорастворимых солей в почве составляет 0,05 %, а их концентрация 0,3 – 0,5 % может быть губительной для растений. В почвенном растворе содержатся минеральные и органические вещества, органоминеральные соединения, а также растворенные газы (СО₂, NH₃, О₂ и др.).

Из минеральных соединений в почвенном растворе могут быть анионы , , , , Cl^-, и катионы Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, , K⁺, H⁺. Железо и алюминий содержатся в почвенном растворе в виде устойчивых комплексов с органическими веществами, а в кислых почвах – в виде катионов и гидратов полуторных окислов.

Из органических соединений в почвенном растворе могут быть водорастворимые вещества органических остатков и продукты их разложения, продукты жизнедеятельности растений и микроорганизмов (органические кислоты, сахара, аминокислоты, спирты, ферменты и др.).

Органоминеральные соединения представлены в основном комплексными соединениями, например гумусовых кислот, полифенолов с поливалентными катионами.

Состав и концентрация солей в почвенном растворе зависят от влажности почвы, интенсивности минерализации органического вещества, внесения удобрений, от взаимодействия раствора с твердой фазой почвы.

Твердая фракция почвы состоит из минеральной и органической частей, которые и являются основными источниками питания для растений. Около половины химического состава твердой фракции приходится на кислород, одна треть – на кремний, свыше 10 % – на алюминий и железо, лишь 7 % составляют остальные химические элементы. Азот практически полностью (95 – 97 %) содержится в органической части почвы; углерод, фосфор, сера, кислород и водород – как в минеральной, так и в органической части, калий – только в минеральной части почвы.

Минеральная часть составляет 90 – 99 % массы почвы и имеет сложный минералогический и химический состав. По химическому составу минералы подразделяются на кремнекислородные и алюмокремнекислородные соединения (силикаты и алюмосиликаты). Кроме того, в ее состав входят аморфные и кристаллические гидроокиси алюминия, железа, кремния, а также различные минеральные соли.

Наиболее распространен в почве первичный минерал кварц, который содержится в ней преимущественно в виде частиц песка (от 0,2 до 1 мм) и пыли (от 0,001 до 0,5 мм). Содержание его во всех почвах превышает 60 %, а в легких песчаных достигает 90 %.

Из первичных алюмосиликатных минералов в почве широко распространены полевые шпаты и слюды. Постепенно разрушаясь, эти минералы служат источником калия, кальция, магния и железа для растений. Полевые шпаты и слюды обычно присутствуют в почве в виде частиц пыли и реже – в виде илистых (меньше 0,001 мм) частиц.

Вторичные минералы образуются в процессе выветривания и почвообразования при изменении полевых шпатов и слюд. По своей химической природе они относятся к гидроалюмосиликатам и состоят главным образом из кремния, алюминия, кислорода и водорода. Кроме этого, они в небольшом количестве содержат также кальций, магний, калий, железо. Они находятся в почве преимущественно в виде мелкодисперсных илистых и коллоидных частиц и обладают большой суммарной поверхностью и высокой поглотительной способностью. В составе твердой фазы почвы всегда присутствуют в небольшом количестве труднорастворимые соли фосфорной кислоты (фосфаты кальция, магния, железа, алюминия), карбонаты кальция, магния, сульфата кальция.

Различные фракции почвы различаются не только по размеру частиц, но имеют неодинаковый минералогический и химический состав, содержание элементов питания.

В более крупных частицах почвы – песке и крупной пыли – преобладают кварц и полевые шпаты, поэтому такие частицы характеризуются высоким содержанием кремния, но меньшим – других элементов.

В состав мелкодисперсной коллоидной и илистой фракции входят преимущественно вторичные алюмосиликатные минералы, поэтому в ней больше содержится алюминия и железа, а также кальция, магния, калия, фосфора и других элементов питания растений. В связи с этим суглинистые почвы, в которых больше илистых и коллоидных частиц, богаче элементами питания, чем песчаные и супесчаные.

Мелкодисперсные минеральные частицы почвы (глинистые минералы) вместе с органическим веществом обусловливают адсорбционные процессы в почве, ее поглотительную способность, которая играет важную роль при взаимодействии удобрений с почвой. Следовательно, от гранулометрического состава почвы зависят многие важные ее свойства – содержание элементов питания, поглотительная способность и буферность, а также физические свойства (пористость, влагоемкость, водопроницаемость, воздушный и тепловой режимы).

Органическое вещество почвы составляет по массе небольшую часть твердой фазы почвы, но имеет важное значение для плодородия почвы и питания растений. Содержание органического вещества в дерново-подзолистых почвах колеблется от 0,5 до 3 %. Оно представлено в основном (85 – 90 %) гумусовыми веществами: гуминовыми и фульвокислотами — высокомолекулярными азотсодержащими соединениями специфической природы, и лишь небольшая часть – негумифицированными остатками растительного, микробного и животного происхождения.

Значение органического вещества почвы очень многообразно. Оно является важным источником элементов питания для растений. Известно, что в почве в органической форме содержится 98 % запасов азота, до 60 – фосфора, 80 % серы, а также большое количество других питательных элементов, необходимых для нормального роста и развития растений. При его минерализации азот, фосфор, сера и другие элементы питания растений переходят в усвояемую минеральную форму. Содержащиеся в почве гуминовые кислоты и фульвокислоты, а также углекислота, образующаяся при разложении органических веществ, оказывает растворяющее действие на труднорастворимые минеральные соединения фосфора, кальция, магния, в результате чего они переходят в доступную для растений форму.

Органическое вещество почвы положительно влияет на структуру почвы, ее влагоемкость, водо- и воздухопроницаемость, тепловой режим. Вместе с наиболее мелкодисперсной частью минеральных веществ твердой фазы почвы органическое вещество участвует в процессах поглощения и обмена, имеющих большое значение при взаимодействии удобрений с почвой. Даже невысокое содержание гумуса в почве повышает ее поглотительную способность, буферность, благоприятно влияет на реакцию среды.

Органическое вещество служит источником питания и энергетическим материалом для большинства почвенных микроорганизмов, которые, разлагая его, обеспечивают растение необходимыми водорастворимыми питательными элементами. Учитывая значительную минерализацию органического вещества почвы, для поддержания его положительного баланса в почве в Беларуси необходимо вносить ежегодно на пахотных суглинистых почвах не менее 12 – 13, а на супесчаных и песчаных – не менее 15 – 18 т/га органических удобрений.

Большую роль в питании растений и превращении удобрений в почве играет ее поглотительная способность. Основы современных представлений о поглотительной способности почвы были заложены работами академика К. К. Гедройца (1872 – 1932). Под поглотительной способностью понимают способность почвы поглощать различные вещества из раствора, проходящего через нее, и удерживать их. К. К. Гедройц выделял пять видов поглотительной способности почв: механическую, физическую, химическую, физико-химическую, или обменную, и биологическую.

Механическая поглотительная способность обусловлена свойством почвы как всякого пористого тела задерживать мелкие частицы из фильтрующихся суспензий. Механическим поглощением объясняется сохранение и характер распределения в почве илистых частиц и нерастворимых удобрений (фосфоритной муки, извести). Благодаря механической поглотительной способности эти удобрения не вымываются из верхнего слоя почвы, в ней сохраняется также наиболее ценная коллоидная фракция.

Физическая поглотительная способность почвы – это способность ее положительно или отрицательно адсорбировать газы, молекулы солей, спиртов, щелочей и других веществ. Интенсивность физического поглощения прямо зависит от количества мелкодисперсных частиц в почве и считается положительной, когда молекулы растворенного вещества притягиваются частицами почвы сильнее, чем молекулы воды, и отрицательной, если сильнее притягиваются молекулы воды. Положительное физическое поглощение аммиака почвой происходит при внесении безводного аммиака или аммиачной воды, отрицательное – растворов нитратов и хлоридов. Это обусловливает высокую подвижность последних в почве, что необходимо учитывать при внесении нитратных и хлорсодержащих минеральных удобрений. Нитратные и нитратсодержащие минеральные удобрения следует вносить ближе к севу или в подкормку, а содержащие много хлора – с осени, чтобы произошло хотя бы частичное вымывание хлора, так как большинство культур отрицательно реагируют на хлор.

Химическая поглотительная способность почвы – это способность почвы удерживать некоторые ионы путем образования труднорастворимых или нерастворимых в воде соединений в результате химических реакций, происходящих в почве. Так, ионы угольной и серной кислот с двухвалентными катионами кальция и магния дают труднорастворимые в воде соли: CaSО₄, СаСО₃ и MgCО₃, выпадающие в осадок.

Особое значение химическое поглощение имеет в превращении фосфорных удобрений в почве. При внесении водорастворимых фосфорных удобрений – суперфосфата Са(Н₂РО₄)₂, аммофоса NH₄H₂PО₄ и др. – в почвах происходит интенсивное химическое связывание фосфора.

Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность – это способность мелкодисперсных коллоидных частиц почвы (от 0,00025 мм до 0,001 мм) поглощать различные катионы из раствора, причем поглощение одних катионов сопровождается вытеснением в раствор эквивалентного количества других, ранее поглощенных твердой фазой почвы:

(почва)Са²⁺ + 2КС1 (почва) + CaCl₂

Совокупность мелкодисперсных частиц почвы, как органических (представленных гумусовыми веществами), так и минеральных (главным образом глинистые минералы), участвующих в обменном поглощении катионов, была названа К. К. Гедройцем почвенным поглощающим комплексом, или сокращенно ППК.

Способность органических и минеральных коллоидных частиц к обменному поглощению катионов обусловлена их отрицательным зарядом – поэтому поглощаются катионы солей (удобрений). Положительный заряд имеют коллоидные гидроокиси железа, алюминия, тогда обменно поглощаются анионы , , . Обменно поглощаются в почве калийные и многие азотные удобрения.

В естественном состоянии почвы всегда содержат определенное количество поглощенных катионов Са²⁺, Mg²⁺, H⁺, Аl³⁺, Na⁺, и др. Эти катионы могут обмениваться на другие катионы, находящиеся в растворе. Обмен катионами между раствором и почвенным поглощающим комплексом происходит в эквивалентных количествах.

Реакция обмена катионов проходит очень быстро. При внесении в почву легкорастворимых удобрений (КС1, NH₄NО₃ и др.) они сразу вступают во взаимодействие с ППК, катионы их поглощаются из раствора почвой в обмен на катионы, ранее находившиеся в ней в поглощенном состоянии.

Реакция обмена катионами обратима, так как поглощенный почвой катион может быть снова вытеснен в раствор:

(ППК)Са²⁺ + 2NH₄NO₃ (ППК) + Са(NО₃)₂.

В зависимости от концентрации раствора, его объема и природы обменивающихся катионов между катионами раствора и катионами ППК устанавливается некоторое подвижное равновесие. При изменении состава и концентрации почвенного раствора это равновесие смещается, в результате чего одни катионы переходят из раствора в поглощенное состояние, а другие – из поглощенного состояния в почвенный раствор. При усвоении какого-либо катиона растениями концентрация его в растворе уменьшается, этот катион из поглощенного состояния переходит в раствор в обмен на другие катионы, содержащиеся в почвенном растворе. Чем выше степень насыщенности поглощающего комплекса данным катионом, тем легче и быстрее он вытесняется в раствор, и наоборот. Количество катионов, вытесняемых из поглощенного состояния в раствор, увеличивается с увеличением концентрации раствора, а при одинаковой концентрации – с увеличением объема раствора вытесняющей соли.

Разные катионы обладают неодинаковой способностью к поглощению. Чем больше атомная масса и заряд катиона, тем сильнее он поглощается и труднее вытесняется из поглощенного состояния другими катионами. В порядке возрастающей способности к поглощению катионы располагаются в такой последовательности: одновалентные: Li⁺ < Na⁺ < < К⁺; двухвалентные: Mg²⁺< Са²⁺; трехвалентные: Аl³⁺ < Fe³⁺. Исключение составляет катион , который по своей массе среди одновалентных катионов занимает второе место, а по энергии поглощения – третье, а также ионы Н⁺, которые имеют наименьшую атомную массу, но обладают высокой энергией поглощения и способностью вытеснять другие катионы из поглощенного состояния.

Биологическая поглотительная способность связана с жизнедеятельностью растений и микроорганизмов, которые избирательно поглощают из почвенного раствора необходимые элементы минерального питания, переводят их в органические соединения своих тел и тем самым предохраняют от вымывания из почвы. Биологическое поглощение играет большую роль в превращении азотных удобрений в почве. Исследованиями установлено, что в результате биологического поглощения в почве закрепляется в органической форме 20 – 40 % азота аммонийных и 10 – 20 % азота нитратных удобрений. Особенно важное значение биологическое поглощение имеет для нитратного азота, поскольку он никаким другим способом в почве не удерживается. Не усвоенный растениями и микроорганизмами нитратный азот может вымываться или под действием микроорганизмов подвергаться денитрификации и теряться из почвы в газообразной форме. После отмирания растений и микроорганизмов закрепленные в органическую форму элементы питания в результате минерализации органического вещества вновь становятся доступными для растений. В среднем на площади 1 га микроорганизмы могут удерживать до 125 кг азота, 40 – фосфора и 25 кг калия.

Интенсивность биологического поглощения зависит от аэрации, влажности и других свойств почвы, от количества и состава органического вещества. Если в почву вносится много богатого клетчаткой, но бедного азотом органического вещества (солома, соломистый плохо разложившийся навоз), то, как отмечалось, микроорганизмы, будучи конкурентами растений, используя клетчатку в качестве энергетического материала, будут интенсивно размножаться и потреблять много азота, а также фосфора из почвы, что приведет к ухудшению питания растений и снижению урожая. Поэтому при запашке соломы на удобрение в почву необходимо вносить бесподстилочный навоз или на каждую тонну навоза 10 – 12 кг минерального азота.

Известкование кислых почв, совместное внесение органических и минеральных удобрений позволяют регулировать интенсивность микробиологических процессов.