Кислотность и буферность почвы

Кислотность почвы создается ионами Н⁺ в почвенном растворе и в поглощающем комплексе. Различают актуальную (активную) и потенциальную (скрытую) кислотность почвы.

Актуальная кислотность обусловлена повышенной концентрацией ионов Н⁺ в почвенном растворе. Она определяется в водной вытяжке из почвы и измеряется величиной рН, которая обозначает отрицательный логарифм концентрации ионов Н⁺ в растворе. При нейтральной реакции концентрация ионов Н⁺ и гидроокисла (ОН^-) одинаковая: 10^-7 мг на 1 л раствора, то есть рН раствора равен 7. Если рН больше 7 – реакция щелочная, если рН меньше 7 – реакция кислая.

Актуальная кислотность создается при недостатке в почве нейтрализующих веществ за счет диссоциации Н⁺ от угольной, других водорастворимых кислот и гидролитически кислых солей. В насыщенных основаниями (Са, Mg и Na) и карбонатных почвах происходит нейтрализация кислот, реакция их раствора нейтральная или щелочная.

Потенциальная (скрытая) кислотность обусловлена ионами Н⁺, А1³⁺ и Fe³⁺, поглощенными ППК с отрицательным зарядом. Часть поглощенных ионов водорода и алюминия может быть вытеснена в раствор катионами нейтральных солей (1 н. КС1):

К⁺

(ППК) + 4KCl (ППК) + HCl +AlCl₃.

К⁺

AlCl₃ +3Н₂О = 3НСl + Al(OH)₃.

В растворе образуется соляная кислота и хлористый алюминий – гидролитически кислая соль, в результате чего почвенный раствор подкисляется. Это обменная потенциальная кислотность почвы, которая измеряется величиной рН в КС1. В солевой вытяжке определяется суммарная величина актуальной и обменной кислотности. Поэтому при внесении в кислые почвы извести необходимо добиваться нейтрализации и актуальной, и обменной кислотности. По степени кислотности почвы Беларуси распределены на семь групп (табл. 3.1).

3.1. Группировка почв Беларуси по степени кислотности рН (в КС1)

Группы	Степень кислотности	рН (в KCl)
минеральные почвы	торфяные почвы
I	Сильнокислые	Менее 4,50	Менее 4,00
II	Среднекислые	4,51 – 5,00	4,01 – 4,50
III	Кислые	5,01 – 5,50	4,51 – 5,00
IV	Слабокислые	5,51 – 6,00	5,01 – 5,50
V	Близкие к нейтральным	6,01 – 6,50	5,51 – 6,00
VI	Близкие к нейтральным и нейтральные	6,51 – 7,00	6,01 – 6,50
VII	Нейтральные и слабощелочные	Более 7,00	Более 6,50

При обработке почвы 1 н. КС1 из почвенного поглощающего комплекса вытесняется не весь водород, часть его ионов более прочно поглощена коллоидами почвы и нейтральными солями не вытесняется. Их можно вытеснить, действуя на почву раствором гидролитически щелочной соли, например уксуснокислого натрия:

(ППК) +2СН₃СООNa → (ППК) + 2CH₃CООН.

Кислотность почвы, обусловленная менее подвижными ионами водорода, вытесняемыми при обработке почвы гидролитически щелочной солью, называется гидролитической. Она включает актуальную и потенциальную кислотность – как обменную, так и собственно гидролитическую – и выражается в мэкв на 100 г почвы.

Свойства почвы характеризуются также степенью насыщенности основаниями – суммой поглощенных оснований, выраженной в процентах от емкости поглощения:

(мэкв),

где v – степень насыщенности почвы основаниями, %; S – сумма поглощенных оснований (кроме Н⁺), мэкв на 100 г почвы; Т – емкость поглощения, мэкв на 100 г почвы; Н_г – гидролитическая кислотность; 100 – коэффициент перевода в проценты.

Степень насыщенности основаниями показывает, какая часть общей емкости приходится на поглощенные основания и какая – на ионы водорода. Например, v = 70 % означает, что 70 % от общей емкости (Т) занимают основания и 30 % – ионы водорода.

Величина степени насыщенности основаниями – важный показатель для характеристики степени кислотности почвы, ее учитывают при определении, насколько нуждаются почвы в известковании. Чем меньше степень насыщенности почвы основаниями, тем сильнее она нуждается в известковании.

Буферность почвы. Почвенный раствор подкисляется в результате выделения углекислоты при дыхании корней, образования HNО₃ при нитрификации и от жизнедеятельности микроорганизмов. Реакция почвы изменяется также от удобрений. Изменение реакции разных почв под действием этих факторов неодинаково. Способность почвы противостоять изменению реакции почвенного раствора в кислую или щелочную сторону называется буферной способностью почвы. Она зависит в основном от содержания и состава обменных катионов в ППК, то есть от емкости поглощения и степени насыщенности почвы основаниями. Чем больше емкость поглощения почвы, тем выше ее буферная способность. Богатые гумусом и более тяжелые по гранулометрическому составу глинистые и суглинистые почвы обладают более высокой буферностью, чем супесчаные и песчаные. Поглощенные основания (кальций, магний и др.) оказывают буферное действие против подкисления, а поглощенный водород – против подщелачивания реакции почвенного раствора.

На почвах с низкой буферной способностью (песчаных, супесчаных, бедных гумусом) при внесении физиологически кислых удобрений возможны резкие сдвиги реакции в кислую сторону. На таких почвах вносят также меньшие дозы извести, чем на суглинистых, так как они слабо противостоят подще-лачиванию. Это нужно учитывать при внесении минеральных удобрений и извести.

Содержание питательных элементов в почве и их доступность

Растениям

В большинстве почв общий запас азота, фосфора и калия составляет значительные величины, в десятки и сотни раз превышающие вынос их урожаем одной культуры. Однако основная масса питательных элементов находится в почве в виде соединений, недоступных растениям. Азот содержится главным образом в форме гумусовых веществ, фосфор – в виде труднорастворимых минеральных солей и органических веществ, а калий – в нерастворимых алю-мосиликатных минералах. Поэтому валовой запас питательных элементов в почве характеризует лишь ее потенциальное плодородие. Эффективное (актуальное) плодородие почвы, действительная способность ее давать высокие урожаи сельскохозяйственных культур зависит от содержания в ней питательных элементов в доступных для растений формах. Растениям доступны только те питательные элементы, которые находятся в почве в форме соединений, растворимых в воде и слабых кислотах, а также в обменнопоглощенном состоянии. Мобилизация питательных элементов (переход труднорастворимых соединений в усвояемую форму) постоянно происходит в почве под влиянием биологических, физико-химических и химических процессов.

Содержание и формы азота в почве и их превращение

Основная часть азота (94 – 95 %) находится в почве в виде сложных органических соединений. В пахотном слое (25 см) почв разных видов количество его колеблется в широких пределах: от 0,05 до 0,07 % в дерново-подзолистых супесчаных, от 0,1 до 0,2 % – в суглинистых и от 0,6 до 1 % в торфяных почвах. Общие запасы азота в пахотном слое 1 га могут колебаться от 0,6 – 1,5 (супесчаная, дерново-подзолистая) до 4 т (суглинистая почва) и зависят от степени обеспеченности почв гумусом (табл. 3.2).

3.2. Градация почв Беларуси по содержанию и запасам гумуса

Группы почв по содержанию гумуса	Содержание гумуса, %	Запасы гумуса в перегнойном горизонте, т/га
1. Очень низкое	< 1,0	< 30
2. Низкое	1,01 – 1,50	31 – 50
3. Недостаточное	1,51 – 2,00	51 – 70
4. Среднее	2,01 – 3,00	71 – 90
5. Повышенное	2,51 – 3,00	91 – 110
6. Высокое	> 3,00	> 110

Снабжение сельскохозяйственных растений азотом зависит не от общего его количества в почве, а от содержания усвояемых растениями минеральных соединений. Только около 1 % азота почвы находится в легкоусвояемых минеральных формах: нитратной и обменного аммония.

Наряду с обменным аммонием в почве присутствует фиксированный аммоний, который не извлекается из почвы 1 М раствором КС1. На его долю приходится 2 – 5 % общего азота почвы. Часть фиксированного аммония может быть доступна растениям: та его фракция, которая не является структурным элементом кристаллической решетки почвенных глинистых минералов.

Таким образом, так как только 1 % азота содержится в легкоусвояемых формах, а остальная часть минерального азота (3 – 5 % общего) находится в фиксированной (недоступной) форме, то нормальное снабжение растений азотом зависит от скорости минерализации азотистых органических веществ. В общем виде разложение органических азотистых веществ в почве может быть представлено следующей схемой: гуминовые вещества, белки → аминокислоты, амиды → аммиак → нитриты → нитраты → молекулярный азот.

Разложение органических азотсодержащих веществ почвы до аммиака называется аммонификацией. Аммонификацию выполняют разнообразные аэробные и анаэробные почвенные микроорганизмы. Выделившийся аммиак (NH₃) образует соли с органическими и минеральными кислотами (угольной, азотной, муравьиной, уксусной и др.), которые также получаются при минерализации органического вещества почвы:

2NH₃ + Н₂СО₃ = (NH₄)₂CО₃,

NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃.

Аммоний поглощается почвенными коллоидами:

(ППК) + (NH₄)₂CO₃ (ППК) + CaCO₃.

Са²⁺

Аммонификация происходит во всех почвах, при разной реакции среды, но замедляется в анаэробных условиях и в сильнокислых и щелочных почвах. В анаэробных условиях азотистые органические вещества разлагаются до аммиака. В аэробных условиях соли аммония подвергаются нитрификации – окислению до HNО₃, которая с находящимися в почве катионами Са²⁺ и другими дает соли азотной кислоты – нитраты [Ca(NО₃) ]. Окисление до идет через образование азотистой кислоты HNO₂.

Нитрификация происходит в результате деятельности группы специфических аэробных бактерий, для которых окисление аммиака служит источником энергии. Одни из них (Nitrosamonos) окисляют до , другие (Nitrobacter) окисляют до . Оптимальные условия для нитрификации: хорошая аэрация, влажность почвы 60 – 70 % капиллярной влагоемкости, температура 25 – 32°С, близкая к нейтральной реакция почвенного раствора. Ранней весной из-за низких температур и переувлажнения почвы нитрификация протекает медленно. По мере прогревания почвы количество нитратов увеличивается, летом оно бывает максимальным, а осенью снова убывает. Известкование кислых почв, систематическое внесение органических и минеральных удобрений способствует активизации деятельности микроорганизмов и тем самым большей минерализации органического вещества с образованием усвояемых соединений азота.

Однако образующиеся в процессе нитрификации нитраты, будучи подвижными соединениями, могут вымываться из почвы, а также подвергаться денитрификации – образованию газообразных форм азота (NO, N₂О и N₂), в результате чего также теряется азот почвы. В денитрификации участвует обширная группа бактерий-денитрификаторов (Bact. denitrificas, Bact. Stutzer, Bact. fluoroscens). Этот процесс идет особенно интенсивно в анаэробных условиях, при щелочной реакции почвы и при избытке органического вещества с высоким содержанием клетчатки. Восстановление нитратов денитрифицирующими бактериями происходит в несколько этапов:

HNО₃ → HNО₂ → (HNO)₂ → N₂О → N₂.

нитрат нитрит гипонитрит закись азота молекулярный азот