Кислотность. Щелочность. Буферность почв

Тема: Состав обменных катионов

Различные почвы существенно отличаются друг от друга по составу обменных катионов.

Катионы, или анионы, поглощенные почвенными коллоидами (ППК) и способные к обменным реакциям, называют обменными катионами или обменными основаниями.__

Общее содержащие всех обменных катионов, кроме водорода (Н⁺) и алюминия (Al³⁺) называют суммой обменных оснований. Различают почвы насыщенные и ненасыщенные основаниями.

Состав обменных катионов зависит от:

- типа почвообразования,

- состава материнской породы,

- состава грунтовых вод (если они залегают близко к поверхности).

Значение:

Состав обменных катионов определяет устойчивость ППК к действию воды

Na⁺ < NH₄⁺ < K⁺ < H⁺ < Mg²⁺ < Ca²⁺ < Ba²⁺ < Al³⁺ < Fe³⁺

(в порядке возрастания влияния)

Наилучшие условия для питания растений создаются при преобладании в ППК Ca²⁺ и катионов, необходимых для питания растений. Такие почвы обладают устойчивым ППК. Коллоиды находятся в форме водоустойчивого геля. Они способны склеивать другие частицы. В связи с этим обладают хорошей структурой. Почвы, насыщенные однозарядными катионами (и особенно Na⁺), легко подвергаются расплывающему действию воды. Коллоиды при увлажнении переходят в состояние золя. Такие почвы набухают, заплывают, подвержены слабой аэрируемости и водопроницаемости. При высыхании они резко уменьшаются в объеме, из-за этого разбиваются вертикальными трещинами на отдельные блоки. Это приводит к разрыву корневой системы растений. Биологические функции таких почв существенно нарушаются.

Задания: Самостоятельно по методичке (учебнику) изучить:

- ППК, насыщенные и ненасыщенные основаниями;

- сумма поглощенных оснований, емкость поглощения, степень насыщенности почв основаниями;

- роль однозарядных, двух- и трехзарядных катионов в ППК.

Состав и концентрация почвенного раствора

Почвенный раствор (жидкая фаза почвы) – активный компонент почвы, который осуществляет перенос веществ внутри нее, вынос их из почвы и снабжает растения водой и растворенными элементами питания.

Основные показатели почвенного раствора:

1. Состав и концентрация

2. Осмотическое давление

3. Реакция почвенного раствора

Состав и концентрация почвенного раствора

Концентрация почвенного раствора невелика. Обычно не превышает нескольких граммов вещества на литр раствора. Исключение составляют засоленные почвы, в которых содержится растворимых веществ десятки и даже сотни граммов на литр.

В почвенном растворе содержатся:

- минеральные вещества,

- органические вещества,

- органо-минеральные вещества

они представлены в ионной, молекулярной и коллоидной формах

- растворенные газы (СО₂, О₂ и др.).

Минеральные соединения в составе почвенного раствора могут быть представлены анионами (НСО₃^-, СО₃^2-, NO₂^-, SO₄^2-, Cl^-, H₂PO₄^-, HPO₄^2-) и катионами (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, NH₄⁺, K⁺, H⁺). В сильнокислых почвах могут быть также Al³⁺, Fe³⁺, а в заболоченных – Fe²⁺. В почвенном растворе засоленных почв содержится много Cl^-, SO₄^2-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺.

Из органических веществ в почвенном растворе присутствуют гумусовые кислоты, водорастворимые вещества органических остатков, продукты жизнедеятельности растений и микроорганизмов (органические кислоты, сахара, аминокислоты, ферменты, спирты и др.).

Органо-минеральные соединения представляют собой комплексы соединений органических веществ кислотной природы (гумусовые кислоты, низкомолекулярные органические кислоты) с катионами.

Почвенный раствор представляет собой подвижную систему. Химический состав почвенного раствора существенно изменяется по генетическим горизонтам одного и того же типа почвы. Максимум органических веществ находится в почвенном растворе гумусовых горизонтов. Вниз по профилю почвы их количество резко уменьшается. В почвенных растворах нижних горизонтов черноземов, каштановых почв, сероземов и солонцов возрастает количество минеральных соединений – карбонатов, гипса, легкорастворимых солей.

Соотношение минеральной и органической частей почвенного раствора неодинаково в разных почвах.

Примеры:

1) Для болотных, подзолисто-болотных и целинных дерново-подзолистых почв характерно преобладание в почвенном растворе органических веществ.

2) В черноземах отмечено равное количество органических и минеральных частей в почвенном растворе.

3) В заселенных почвах больше минеральных соединений.

2. Осмотическое давление почвенного раствора

Имеет важное значение для растений. Влияет на поступление воды в растительные клетки.

Если оно равно или выше осмотического давления клеточного сока растений, то поступление воды в клетки растений прекращается, и оно погибает.

Р осмотическое почвенного раствора ≥ Р осмотического клетки – прекращается поступление воды в растение.

Осмотическое давление зависит от:

1. концентрации почвенного раствора (содержания веществ и влажности почвы);

2. степени диссоциации растворенных веществ;

3. интенсивности биологических процессов.

Его величина достаточно динамична. Она изменяется в зависимости от конкретных условий. Наиболее высокое Р осмотическое почвенного раствора у засоленных почв с высокой поглотительной способностью.

3. Реакция почвенного раствора

Она обусловлена концентрацией и составом растворимых соединений. Определяется соотношением свободных ионов водорода (Н⁺) и гидроксила (ОН^-) в почвенном растворе.

Кислотность почвы

Большинство растений требуют для нормального развития нейтральную, слабокислую или слабощелочную реакцию среды. Поэтому необходимо знать формы почвенной кислотности, щелочности, источники их образования и уметь регулировать реакцию почвенного раствора.

Кислотность почвы – это способность почвы подкислять почвенный раствор или растворы нейтральных солей.

Реакция почвенного раствора определяется концентрацией в нем ионов водорода (Н⁺) и гидроксила (ОН^-). При электрохимической диссоциации воды образуется равное количество Н⁺ и ОН^-. При этом концентрация Н⁺ в чистой Н₂О, имеющей нейтральную реакцию равна 10^-7 г/л. Для простоты обозначения концентрацию свободных ионов Н⁺ выражают единицами рН. рН – это отрицательный логарифм концентрации ионов Н⁺. Связь между концентрацией Н⁺ и рН следующая:

Н+, г/л	10-2	10-3	10-4	10-5	10-6	10-7	10-8	10-9	…	10-14
рН									…

Различают две формы кислотности – актуальную (активную) и потенциальную.

Потенциальная кислотность может быть обменной и гидролитической.

Актуальную и обменную кислотность выражают в единицах рН, но при записи растворов отражают, что это рН водной, рН солевой вытяжки.

Гидролитическая кислотность больше обменной. Это происходит потому, что при обработке почвы гидролитически щелочной солью происходит вытеснение практически всех обменных Н⁺ и Al³⁺, а не только наиболее активных. Значит, гидролитическая кислотность может представлять собой сумму всех форм кислотности. Определяют ее на рН-метре и с помощью переводных таблиц выражают в мг-экв/100г почвы.

мг • экв

Н г. = 100г почвы

Задание: Самостоятельно по методичке (учебнику) изучить виды кислотности.

Источники кислотности почвенного раствора

Это, прежде всего, органические и минеральные кислоты. Они образуются в результате жизнедеятельности микроорганизмов и растений, их разложения после отмирания. Это: щавелевая, молочная, яблочная, азотная, серная и другие кислоты.

При обмене с катионами почвенных коллоидов эти кислоты быстро нейтрализуются и образуют соли Са, Мg и других катионов. Поэтому сильные кислоты в почве встречаются редко. Слабые органические кислоты мало диссоциируют и остаются свободными. В почве в большом количестве можно обнаружить угольную кислоту. Она является продуктом дыхания и многих окислительных процессов живых организмов почвы. Поэтому от количества угольной кислоты в значительной степени зависит кислотность почвенного раствора.

Пример: При взаимодействии с почвой, которая насыщена основаниями Н⁺ угольной кислоты внедряется в диффузный слой коллоидов по схеме:

[ППК^-] Са²⁺ + Н₂СО₃ D [ППК^-]2Н⁺ + СаСО₃

2. Увеличивать кислотность почвы могут любые условия, которые способствуют образованию и накоплению фульвокислот. Особенно большое количество фульвокислот образуется при разложении хвойных и моховых растительных остатков.

В пахотных землях большое количество фульвокислот образуется, когда растительные остатки и органические удобрения разлагаются в условиях периодического избыточного увлажнения и обедненности почв Са²⁺ и Мg²⁺_.

3. Источником кислотности являются физиологически кислые минеральные удобрения – (NH₄)₂SO₄. Это связано с тем, что анионная группа не усваивается растениями, связывается с Н⁺ диссоциированной воды и образует свободную минеральную кислоту.

4. Источником обменного алюминия является Al³⁺ глинистых минералов и несиликатных форм оксида алюминия Al³⁺.

По результатам многолетней практики лабораторных исследований почв приняты следующие значения рН для определения кислотности почвы:

3.0 – 4.5 – сильнокислые;

4.6 – 5.0 – кислые;

5,1 – 5.5 – слабокислые;

5.6 – 6.0 – близкие к нейтральной;

6.1 – 7.0 – нейтральные.

Влияние кислотности на свойства почвы

и режим роста и развития растений

• При кислой реакции происходят процессы подзолообразования с резким снижением почвенного плодородия. В почвенном растворе накапливается избыток ионов Al³⁺. Они токсично действуют на растения.

• При кислой реакции происходит разрушение структуры почвы, ухудшается водно-воздушный и питательный режимы почвы.

Пример: Подвижные формы фосфора активно связываются с Al³⁺ и Fe³⁺, переходят в нерастворимые соединения и становятся недоступными для растений.

• Кислая среда угнетает полезную микрофлору почвы – азотофиксаторы, нитрификаторы.

Большинству растений требуется слабокислая или нейтральная среда, но есть культуры, которым не опасна значительная кислотность – это люпин. Некоторые культуры не выносят кислой среды – люцерна.

Устраняют избыточную кислотность известкованием:

н⁺ са²⁺

[ППК] н⁺ + Са(НСО₃)₂ ® [ППК] н⁺ + 2Н₂О + СО₂

н⁺

Доза извести рассчитывается по значению гидролитической кислотности

• Са(НСО₃)₂ = Н₂ • 1,5 (т\га)

2. Щелочность почвы – способность почвы подщелачивать воду и растворы солей.

Различают активную и потенциальную щелочность.

Активная щелочность обусловлена наличием в почвенном растворе гидролитически щелочных солей: Na₂CO₃, NaHCO₃, Ca(HCO₃)₂.

Щелочность потенциальная определяется содержанием в почвенном растворе или водной вытяжке гидролитически щелочных солей – карбонатов и гидрокарбонатов щелочных и щелочноземельных металлов. Они при диссоциации с водой гидролизуются и создают преобладающую концентрацию гидроксил-ионов:

ä H₂O

Na₂CO₃ + 2HOH D H₂CO₃ + 2Na⁺ + 2OH^-

æ CO₂á

Активная щелочность может определяться значением рН водной вытяжки, а также титрованием водной вытяжки кислотой и оцениваться в мг.-экв на 100 г почвы.

Потенциальная щелочность может быть обнаружена в почвах с обменным Na⁺. Потенциальная щелочность определяется содержанием обменного Na⁺. При взаимодействии с угольной кислотой происходит реакция замещения. В результате этого накапливается сода, а раствор подщелачивается:

Na⁺ Н⁺

[ППК^-] + H₂CO₃ D [ППК^-] + Na₂CO₃

Na⁺ Н⁺

Щелочность почв принято оценивать только по значению активной щелочности.

Если в почве есть углекислый Са²⁺, то при взаимодействии с Н₂О в присутствии СО₂ он образует бигидрокарбонат кальция.

Ca(CO₃) + Н₂О + СО₂ ® Ca(HCO₃)₂

В этом случае рН может достигать 8,0 – 8,5 единиц.

К почвам со щелочной реакцией относят те, у которых рН > 7,0.

Почвы с рН 7,1 – 7,5 – слабощелочные

7,6 – 8,5 – щелочные

> 8,5 - сильнощелочные

Влияние щелочности на свойства почвы:

В почве под влиянием обменного Na⁺ происходит сильная пептизация органических и минеральных коллоидов. Они переходят в подвижное состояние и передвигаются по профилю. Это приводит к разрушению коллоидной части почвы, ее структуры, резко ухудшает физические свойства почвы, водно-воздушный и питательный режим, подавляет деятельность микрофлоры.

Для нейтрализации щелочности почвы гипсуют в дозе 3.4 т/га. При этом обменный Na⁺ заменяется в ППК^- кальцием.

Na⁺

[ППК^-] + СаSO₄ D [ППК^-] Ca²⁺ + Na₂SO₄

Na⁺

Na₂SO₄ – физиологически нейтральная соль. Она достаточно безвредна для растений, растворима в воде и может быть вымыта за пределы пахотного горизонта почвы.

3. Буферность почвы – способность почвы противостоять резкому сдвигу (смещению) реакции почвенного раствора в ту или иную сторону.

Смещению реакции почвы в кислую сторону почва противостоит благодаря обменным катионам кальция и магния (Са²⁺, Mg²⁺). Смещение реакции почвы в щелочную сторону может быть ограничено обменным водородом и алюминием (Н⁺, Al³⁺), фульвокислотами и другими низкомолекулярными органическими кислотами. Поэтому характер буферности зависит от состава обменных катионов в ППК.

Величина буферности зависит от емкости поглощения почвы. Емкость поглощения определяется гранулометрическим составом почвы и содержанием в ней гумуса. Поэтому надо стремиться к увеличению буферности почвы за счет внесения органических удобрений.

Емкость поглощения – максимальное количество обменных катионов, удерживающееся в почве и способное к обмену.

Химическая мелиорация - система мероприятий химического воздействия на почву для улучшения ее свойств и повышения урожайности культурных растений.

Способы химической мелиорации:

- известкование на кислых почвах;

- гипсование солонцов и солонцовых почв для снижения щелочности;

- внесение органических удобрений для повышения буферности почв.