Водный режим почвы, совокупность всех явлений, определяющих поступление, передвижение, расход и использование растениями почвенной влаги. В. р. п. — важнейший фактор почвообразования и почвенного плодородия. Главный источник почвенной влаги — атмосферные осадки; иногда значительную роль играют также близко расположенные грунтовые воды; в районах орошаемого земледелия большое значение имеют поливы. Воды атмосферных осадков и талые воды могут частично стекать, образуя поверхностный сток, а часть воды поступает в почву и расходуется растениями. Глубокая зяблевая пахота поперёк склонов затрудняет поверхностный сток и способствует задержанию и лучшему впитыванию талых вод. Атмосферные осадки, талые и поливные воды проникают в почву вследствие её водопроницаемости (способности почвы пропускать воду). Чем больше в почве крупных (некапиллярных) промежутков, тем выше водопроницаемость. Особое значение имеет водопроницаемость для впитывания талых вод. Если осенью почва замёрзла в сильно увлажнённом состоянии, то обычно её водопроницаемость крайне незначительна. Под лесной растительностью, предохраняющей почву от сильного промерзания, или на полях с рано проведённым снегозадержанием талая вода впитывается хорошо. Поступление в почву влаги из грунтовых вод зависит от глубины их залегания и водоподъёмной способности почв и грунта. Грунтовые воды в глинистых почвах по капиллярам поднимаются на большую высоту (до 4 м), но очень медленно; в почвах лёгкого механического состава — быстрее, но на меньшую высоту.

  Влажность почвы, т. е. содержание в ней влаги, обычно выражают в процентах от массы сухой почвы (весовая влажность) или от объёма почвы ненарушенного сложения (объёмная влажность); запас воды в почве — в кубических метрах на 1 га или в миллиметрах водного слоя. Почвенная влага может находиться в парообразном, жидком и твёрдом (лёд) состояниях. Обычно содержание водяных паров в почвенном воздухе близко к полному насыщению, а их перемещение в почве происходит под влиянием разности температур — от более тёплых слоев к более холодным. Подвижность и доступность влаги для растений зависят от связи с твёрдыми частицами почвы, величины и строения почвенных пор, степени и характера заполненности их водой. Различают воду связанную, удерживаемую сорбционными силами, и свободную, находящуюся в почвенных порах вне влияния сорбционных сил. Связанная (сорбированная) вода удерживается поверхностью почвенных частиц с очень большой силой; эта вода практически недоступна растениям. Свободная почвенная влага может быть гравитационной, передвигающейся под преимущественным влиянием силы тяжести и капиллярных сил. Над грунтовой водой залегает зона капиллярной каймы, влага которой легко перемещается под совокупным влиянием капиллярных сил и тяжести; эта влага легко доступна растениям. Содержание влаги в зоне соответствует капиллярной влагоёмкости почвы. При глубоком залегании грунтовых вод в верхней части почвы обособляется зона подвешенной влаги, максимальное содержание которой соответствует наименьшей влагоёмкости почвы. Часть влаги этой зоны также доступна растениям. Капиллярная и наименьшая влагоёмкость почвы имеют большое агропроизводственное значение, так как определяют максимальную величину прочного запаса почвенной влаги (полевая влагоёмкость).

  Растения могут иссушить почву до такого состояния, при котором начинается их завядание. Такую степень увлажнения принято называть почвенной влажностью устойчивого завядания растений, почвенную влагу сверх влажности завядания — продуктивной влагой. Вся влага сверх наименьшей влагоёмкости просачивается до верхней границы капиллярной каймы и далее до уровня грунтовых вод, отток которых происходит по водонепроницаемому ложу-водоупору. Разность в содержании влаги при полном насыщении и наименьшей влагоёмкости называется водоотдачей грунта. Величина водоотдачи колеблется от 5% (в суглинистых и глинистых грунтах) до 20—25% (в песках).

  От содержания воды в почве зависят технологические процессы при обработке почвы, снабжение растений водой, физико-химические и микробиологические процессы, обусловливающие превращение питательных веществ в почве и поступление их с водой в растение. Поэтому одной из основных задач земледелия является создание в почве водного режима, благоприятного для культурных растений, что достигается накоплением, сохранением, рациональным расходованием почвенной влаги, а в необходимых случаях орошением или осушением земель.

  В. р. п. зависит от свойств самой почвы, условий климата и погоды, характера природных растительных формаций; на обрабатываемых почвах — от особенностей выращиваемых культурных растений и техники их возделывания. В созданий благоприятного В. р. п. большую роль играет поддержание в почве прочной мелкокомковатой структуры. Рациональному использованию запасов почвенной влаги культурными растениями способствуют не только своевременные сроки сева, но и удобрения. Установлено, что при правильном применении удобрений растение расходует меньше воды на каждый центнер сухой массы урожая, т. е. с помощью удобрений можно понизить непроизводительную трату воды растениями. Полезащитные лесные полосы, умеряя силу ветра и повышая относительную влажность приземного слоя воздуха на окаймленных ими полях, также способствуют понижению непроизводительной траты почвенной влаги культурными растениями в засушливых районах.

  Выделяют следующие семь типов водного режима почв: мерзлотный, промывной (пермацидный), периодически промывной, непромывной (импермацидный), десуктивно-выпотной, выпотной и ирригационный. Мерзлотный формируется на территории распространения многолетнемёрзлых горных пород. Особенность его — наличие на некоторой глубине постоянно мёрзлого слоя, над которым в тёплое время года образуется надмерзлотная верховодка. Промывной, при котором почва возвращает в атмосферу меньше влаги, чем её получает (избыток влаги просачивается в грунтовые воды); свойствен таёжной зоне с подзолистыми, дерново-подзолистыми и подзолисто-болотными почвами. При периодически промывном типе лишь в отдельные годы возврат влаги в атмосферу меньше её поступления; типичен для лесостепной зоны с серыми лесными почвами. Непромывной В. р. п. отличается тем, что количество возвращаемой в атмосферу влаги приблизительно равно поступлению её с осадками. Осадки промачивают почву не на всю глубину; причем между промоченным слоем почвы и зоной капиллярной каймы возникает горизонт с постоянной низкой влажностью (близкой к влажности завядания), называемый мёртвым горизонтом иссушения. Встречается в степной зоне (с чернозёмными и каштановыми почвами) и в полупустынях. Десуктивно-выпотной и выпотной водные режимы наблюдаются в условиях сухого климата; в почвах, которые питаются не только атмосферными осадками, но и влагой неглубоко расположенных грунтовых вод. Десуктивно-выпотной В. р. п. возникает в тех случаях, когда поднимающаяся грунтовая влага почти целиком перехватывается корнями растений. При выпотном режиме грунтовые воды достигают поверхности почвы и испаряются, что часто приводит к засолению земель. Ирригационный режим создаётся в условиях поливного земледелия; многократные поливы промачивают почву на всю глубину проникновения корней, а иногда (при необходимости промывки почвы от избытка солей) и глубже.

  Регулирование В. р. п. преследует цель — поддерживать в корнеобитаемом слое в течение всего вегетационного периода достаточное количество продуктивной влаги. При этом очень важно, чтобы часть почвенных пор оставалась занятой воздухом, необходимым для жизни растений и нормальной деятельности микроорганизмов. Достигается это системой агротехнических и агромелиоративных мероприятий.

  Лит.: Долгов С. И.. Основные закономерности поведения почвенной влаги и их значение в жизни растений, в сб.: Биологические основы орошаемого земледелия, М., 1957; Роде А. А., Основы учения о почвенной влаге, т. 1, Л., 1965.

  С. И. Долгов.

Образование гумуса - сложный процесс биологических и биохимических превращений остатков растительных и животных организмов в результате главным образом деятельности бактерий и грибов. В составе гумуса выделяют гуминовые и фульвокислоты.

Основное отличие фульвокислот от гуминовых - резко выраженная кислая их реакция (рН 2,6-2,8). При такой реакции фульвокислоты растворяют большинство минералов, выносят питательные вещества в нижележащие слои, чем снижают почвенное плодородие.

Значение гумуса в почве огромно. Он увеличивает поглотительную способность почвы, улучшает её химические и биологические свойства, способствует образованию прочной структуры, при минерализации обеспечивает растения в доступной форме азотом и зольными элементами. Чем больше гумуса в почве, тем лучше её тепловые (тёмная окраска почвы способствует поглощению тепловой энергии солнца) и водные свойства; богатые перегноем почвы обладают большей влагоёмкостью. Гумус в почве служит также источником энергии для развития полезной почвенной микрофлоры.

От количества гумуса в определённой степени зависит и плодородие почвы. Содержание его в почвах колеблется в широких пределах: от 1,8 до 3% в дерново-подзолистых почвах, до 10% и выше в чернозёмах. Промежуточное положение занимают серые лесные и каштановые почвы (3-3.5%). Мало гумуса и в серозёмах (0,5-2,0%).

Запасы органического вещества в пахотном слое на 1 га колеблются от 56 т (дерново-подзолистые почвы) до 224 т (мощные чернозёмы). Непрерывное возделывание большинства сельскохозяйственных культур ведёт к минерализации, к потере части гумуса. Внесение в почву органических удобрений (навоз, торф, сидераты), возделывание сельскохозяйственных растений с мощной корневой системой в пахотном слое, поддержание в почве благоприятного воздушно-водного режима и реакции среды, способствующей микробиологической деятельности, позволяют увеличивать содержание гумуса в почве.

СВОЙСТВА ПОЧВЫ

Поглотительная способность. Во всех почвах содержатся коллоидные частицы (< 0,0001 мм). Они обладают многими специфическими свойствами. Поэтому от их количества зависит плодородие почвы. Содержанием коллоидных частиц прежде всего определяется поглотительная способность почвы - способность поглощать из окружающей среды и удерживать растворимые и взмученные в воде твёрдые вещества, пары воды и газа. Коллоидные и близкие к ним частицы почвы, обладающие способностью поглощения, называют почвенными поглощающим комплексом (ППК).

Учение о поглотительной способности почв разработано русским учёным К. К. Гедройцем (1872-1932). Различают несколько видов поглощения: механическое, физическое (молекулярное), химическое, физико-химическое и биологическое.

Механическое поглощение - способность почвы задерживать при фильтрации частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, превышающее по диаметру почвенные поры. Механически задерживаются также частицы почвы, попадающие в трещины, образующиеся на поверхности почвы. Чем больше в почве тонких фракций механического состава, тем выше механическое поглощение.

Физическое поглощение (или молекулярная адсорбция) основано на способности коллоидов почвы притягивать к поверхности и удерживать на ней молекулы вещества (воды, растворов, газов, например аммиака), не изменяя их свойств.

Химическое поглощение. Вещества, входящие в почвенный раствор и твёрдую фазу почвы, вступают в химическое взаимодействие с находящимися в почве солями с образованием слаборастворимых или нерастворимых в воде соединений.

Физико-химическое поглощение, или обменная адсорбция (обменная поглотительная способность). Она основана на способности почвенных коллоидов поглощать из почвенного раствора и удерживать на поверхности катионы в обмен на другие катионы в ППК.

Энергия поглощения разных катионов зависит от их валентности и атомной массы: чем выше валентность, а в пределах одной валентности чем выше атомная масса, тем выше и энергия поглощения. Исключением является водород (Н). В порядке возрастающей энергии поглощения катионы располагаются в следующей последовательности:

Na < NH < K < Mg < H < Ca < Al < Fe

Количество катионов, которое способна поглотить почва, называется ёмкостью катионного поглощения, или ёмкостью обмена и выражается в миллиграмм-эквивалентах (мг-экв.) на 100 г почвы. Величина ёмкости поглощения (Т) у разных почв неодинакова и зависит от наличия минеральных и органических коллоидов почвы. Так, у супесчаных почв она составляет всего 5-10 мг-экв., у суглинистых малогумусных - 15-20, а у суглинистых чернозёмов - 40-50 мг-экв. и выше.

Чем больше в ночве глинистых частиц и гумуса, тем больше емкость поглощения.

Очень большое значение для плодородия почв имеет и состав поглощенных оснований. В нем могут быть кальций, магний, во­дород, калий, натрии, аммоний, железо и алюминий. Двухвалент­ные катионы (Са^, Mg^+) хорошо коагулируют коллоиды, способствуют 1от_(х)1)1^ом^1ию_с11^'кту11ь1, создают нр.йтря.цБную или близкую к ней реакцию почвы. В агрономическом отношении это наиболее ценные катионы.

Одновалентные катионы (К+, _Ма+) диспергир_уют_. цочведные коллоиды, разрушают лочвр'нные. яг.рега_ц)и-.-а_с_ними и структуру, при большом количестве вызывают щелочную реакцию. .

Поглощенный водород разрушает почвенные коллоттТГы и под­кисляет почву. Подкисляющее действие может оказывать на поч­ву II алюминий. Будучи вытесненным:.; из поглощенного состояния, он в почвенном растворе переходит в соединение АlСlз, которое !! результате взаимодействия с водой образует соляную кис­лоту.

В зависимости от наличия в поглощенном состоянии, с одной стороны, водорода (II) и алюминия (Аl), а с другой—двухва­лентных катионов (Са и Mg) различают почвы, насыщенные. осно­ваниями и не насыщенные ими. К первым относятся ночвы, в по­глощающем комплексе которых ; '.находятся

только катионы каль­ция, магния, калия и отсутствует водород; ко вторым - почвы, в поглощающий комплекс которых наряду с другими катионами входят водород, алюминий. Насыщены основаниями черноземы, каштановые почвы, сероземы, а не насыщены дерново-подзолистые почвы, красноземы, болотные. Почвами с высокой насыщенностью натрием являются солонцы. Они бесструктурны, расплываются от дождя, а при высыхании сплываются в плотную массу.

Подтип объединяет различные почвы в пределах одного типа, несколько отличающиеся по почвообразованию, внешнему виду и свойствам. Например, среди серых лесных почв выделяются светло-серые, серые, темно-серые; в черноземах—черноземы оподзоленные, выщелоченные, типичные, обыкновенные, южные.

Род почв отражает особенности свойств в пределах подтипа, связанные главным образом с химизмом почвообразующих пород или грунтовых вод, например черноземы солонцеватые, осолоделые.

Вид почвы отражает степень выраженности почвообразовательного процесса, например слабоподзолистые, среднеподзолистые, сильноподзолистые почвы.

Разновидность почвы отражает ее механический состав— песчаная, супесчаная, суглинистая и т. д.

Для обозначения разрядов почв используют признаки почвообразующей породы.

Полное название почвы складывается, начиная с типа, и заканчивается разрядом. Например, чернозем (тип) обыкновенный (подтип) солонцеватый (род) тучный среднемощный (вид) тяжелосуглинистый (разновидность) на лессовидном тяжелом суглин­ке (разряд). Для более краткого названия почвы используют тип, подтип, вид и разновидность.

Почвы образовались на земной поверхности в определенной географической последовательности в соответствии с природно-климатическими особенностями. Основными климатическими фак­торами почвообразования служат температура и влага, которые, в свою очередь, определяли и тип почвообразующей растительности.

В соответствии с указанной закономерностью расположения почв выделяют почвенные зоны, представляющие собой крупные территории однородных почв, сложившихся в сходных условиях почвообразования. Некоторые почвенные зоны простираются поясами вокруг всего земного шара. Помимо повсеместно наблюдаемой горизонтальной зональности, в горных условиях отмечают вертикальную зональность.

На территории России выделяют семь основных почвенных зон: 1) тундровую (почвы тундрово-глеевые); 2) таежно-лесную (поч­вы дерново-подзолистые и подзолистые); 3) лесостепную (серые лесные почвы); 4) степную, или черноземную (черноземы, встре­чаются солонцы); 5) сухих и полупустынных степей (каштановые и бурые почвы): 6) пустынь (серо-бурые почвы); 7) влажных суб­тропиков (красноземы). Кроме того, выделяют горные почвы, пес­ки сухих степей и некоторые другие.

Есть почвы, которые встречаются в нескольких зонах. Их на­зывают интразональными

Почвы тундровой зоны. Расположены на Крайнем Севере стра­ны и тянутся по побережью Ледовитого океана от Мурманска до Берингова пролива.

В зоне тундровых почв, особенно в северной и восточной ча­стях, господствует вечная мерзлота. За 2—3 летних месяца почва оттаивает всего на 30—40 см. Средняя температура самого теп­лого месяца не превышает 10° С. В этих условиях почвы покрываются лишайниками и мхами. Они бедны травянистой раститель­ностью. Карликовые деревья достигают в высоту 100—125 см.

В тундре много болот, мелких озер. Почвы этой зоны формируются в условиях перенасыщения влагой, медленного испарения, низкой активности почвенной микрофлоры. Переувлажненность, недостаток кислорода в почвах приводят к образованию в них закисных соединений. Поэтому преобладает тип тундрово-глеевых почв. Только в южной части тундры (в лесотундре), особенно на песчаных буграх, формируются подзолы и сильноподзолистые почвы. Сельскохозяйственное значение почв тундровой зоны незначительно. Почвы тундры почти не распаханы. Скудная расти­тельность ее лишь обеспечивает кормовую базу для развития оленеводства. В южной части тундры можно выращивать овощные и кормовые сельскохозяйственные растения.

Травопольная система хоть и лучше обеспечивала нужды животноводства, но не давала нужного объема производства зер­на, а урожаи зерна не увеличивались. Роль многолетних трав в повышении плодородия почвы в этой системе явно переоценива­лась. В целом травопольная система земледелия была экстенсив­ной, она не могла обеспечить успешное решение задач подъема сельскохозяйственного производства.

В настоящее время в различных природно-экономических зо­нах введено несколько типов систем земледелия. Безуслов­но, На огромной территории нашей страны с различными природ­но-климатическими условиями не может быть введена какая-то единая универсальная система земледелия.

В условиях Нечерноземной зоны дальнейшее развитие полу­чила улучшенная зерновая система земледелия. В настоящее вре­мя она получила название зернотравяной. В степной зоне в ее засушливых районах зернопаровая система сейчас получила новое качество за счет сведения в севооборот пропашных культур и получила название зернопаропропашной, а в районах умеренногоувлажнения и при орошении — зернопропашной. Это весьма ин­тенсивная система земледелия, в которой посевная площадь часто превышает площадь пашни за счет посевов промежуточных куль­тур. Активное воздействие человека на почву средствами химиза­ции, обработкой почвы и другими приемами, особенно при воз­делывании пропашных культур, повышает ее эффективное плодо­родие.

В засушливых районах Зауралья, Северного Казахстана и За­падной Сибири введена сейчас зернопаровая система земледелия которая коренным образом отличается по содержанию от анало­гичной по названию системы, имевшей место в прошлом. В этих районах сейчас внедряется система почвозащитных мероприятий,. разработанная Всесоюзным научно-исследовательским институтом зернового хозяйства. Здесь вводятся почвозащитные севообороты применяется современная техника по обработке почвы, уменьшающая отрицательное действие ветровой эрозии почвы; с каждым го­дом увеличивается применение минеральных удобрений и других активных средств повышения эффективного плодородия почвы.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ (АГРОХИМИЯ)

Кислотность и буферная способность почвы

Кислотность почвы создается наличием ионов Н⁺ в почвенном растворе и поглощающем комплексе. Различают актуальную и потенциальную кислотность почвы. Актуальная кислотность обусловлена повышенной концентрацией ионов Н⁺ в почвенном растворе. Определяется она 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 гидроксила (ОН)^- одинакова — 10^-7 г-ион на 1 л раствора, т. е. рН раствора 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.

Реакция водной вытяжки разных почв колеблется от рН 3—3,5 (в сфагновых торфах) до рН 9—10 (в солонцовых почвах). Щелочную реакцию имеют южные черноземы и каштановые почвы (рН 7,5), сероземы (рН до 8,5) и солонцы (рН до 9 и более). Реакция раствора, близкая к нейтральной (рН 6,5—7), у обыкновенного и мощного черноземов, слабокислая реакция (рН 5,5—6,5) у выщелоченных черноземов и серых лесных почв, а подзолистые и дерново-подзолистые почвы имеют кислую или сильнокислую реакцию (рН 4—5 и ниже).

Актуальная кислотность находится в тесной связи с потенциальной (скрытой кислотностью), которая, в свою очередь, подразделяется на обменную и гидролитическую.

Ионы Н⁺ и Аl³⁺находящиеся в почвенном поглощающем комплексе, при взаимодействии с растворами солей вытесняются из поглощенного состояния и подкисляют почвенный раствор. В растворе образуется соляная кислота и хлористый алюминий — гидролитически кислая соль: АlCl₂ + З H₂3 .

Кислотность, обусловленная ионами водорода и алюминия, находящимися в поглощенном состоянии и способными вытесняться в раствор при действии на почву какой-либо нейтральной соли, называется обменной кислотностью. Определяется она обработкой почвы раствором 1 и. КСl (солевая вытяжка) и выражается в мэкв на 100 г почвы, или величиной рН. В солевой вытяжке определяются актуальная и обменная кислотность, поэтому рН солевой вытяжки обычно - ниже, чем рН водной вытяжки.

Обменная кислотность характерна для дерново-подзолистых и серых лесных почв, оподзоленных и выщелоченных черноземов, а также красноземов. Это скрытая кислотность, но при действии на почву нейтральных солей она переходит в актуальную и оказывает отрицательное влияние на развитие растений. Особенно вредно действует переходящий в раствор алюминий. Результаты определения рН солевой вытяжки служат для характеристики степени кислотности почвы. При рН до 4,5 кислотность сильная, рН 4,6—5 — средняя, рН 5,1—5,5 — слабая, рН 5,6— 6,0 — реакция, близкая к нейтральной, >6,0 — нейтральная. На основании определения рН солевой вытяжки в образцах почвы, взятых с различных частей поля (или разных полей), оформляются картограммы кислотности. Для обозначения контуров почв с различными величинами рН используют следующие цвета: <4,5— красный, 4,6—5 — желтый, 5,1—5,5 — зеленый, 5,6—6,О—голубой, >6,0 — синий. По величине рН солевой вытяжки устанавливают степень нуждаемости почв в известковании и ориентировочную норму извести.

При обработке почвы 1 н. КСl из почвенного поглощающего комплекса переходят не все ионы водорода, часть их более прочно поглощена коллоидами почвы и нейтральными солями не вытесняется. Их можно вытеснить при действии на почву раствором гидролитически щелочной соли, например уксуснокислого натрия — СН₃СООNa

Кислотность почвы, обусловленная менее подвижными ионами водорода, которые вытесняются при обработке почвы гидролитически щелочной солью, называется гидролитической кислотностью. С ней приходится встречаться чаще, чем с обменной, она свойственна большинству почв, даже черноземам. Эта кислотность включает менее подвижную часть поглощенных ионов Н+, труднее обменивающихся на катионы почвенного раствора. Определять ее необходимо для решения ряда практических вопросов применения удобрений — установления норм извести и возможности эффективного применения фосфоритной муки. При обработке почвы раствором уксуснокислого натрия в раствор переходят все содержащиеся в почве ионы водорода (и алюминия), т. е. определяется сумма всех видов кислотности (актуальная, обменная и гидролитическая). Чтобы определить величину собственно гидролитической кислотности, необходимо из общего показателя вычесть величину обменной кислотности. Обычно этого не делают и термином «гидролитическая кислотность» обозначают общую кислотность почвы, выражая ее в мэкв на 100 г почвы.

Для характеристики почвы важно знать не только общее количество поглощенных ионов водорода, но и соотношение между ними и другими поглощенными катионами — Са²⁺, Mg²⁺ , Na⁺ , К⁺ и др. Количество всех поглощенных катионов, кроме водорода и алюминия, в мэкв на 100 г почвы (сумма поглощенных оснований) обозначается буквой S, а общее количество поглощенного водорода — знаком Нг. Сложение их дает общую емкость поглощения почвы (Т) в мэкв на 100 г почвы: S+Hr=T. Сумма поглощенных оснований (5), выраженная в процентах от емкости поглощения (Т), называется степенью насыщенности почв основаниями и обозначается буквой V.

V,%= S/T*100 , или V,%=S/(S+Hr)*100

Степень насыщенности основаниями — важный показатель для характеристики степени кислотности почвы, она учитывается при определении нуждаемости почв в известковании. Чем меньше степень насыщенности основаниями (при одинаковой абсолютной величине кислотности), тем сильнее потребность почв в известковании.

Емкость поглощения и степень насыщенности почв основаниями определяют ее буферную способность, т. е. способность почвы сопротивляться изменению реакции почвенного раствора в сторону подкисления или подщелачивания при внесении физиологически кислых или физиологически щелочных удобрений. Чем выше емкость поглощения почвы, тем сильнее ее буферная способность. Поглощенные основания (кальций, магний и др.) оказывают буферное действие против подкисления, а поглощенный водород — против подщелачивания реакции почвенного раствора:

(ППК)Са + 2Н NO₃ « (ППК) ^H_H +Ca(NO₃)₂ (ППК) ^H_H + Ca(OH)₂2O

В почвах, насыщенных основаниями, свободные кислоты (например, H NO₃) нейтрализуются вследствие поглощения почвой ионов Н⁺ кислоты в обмен на катионы Са²⁺ , которые из поглощенного состояния вытесняются в раствор, и в нем вместо кислоты образуется нейтральная соль. В почвах, не насыщенных основаниями, имеющих обменную или гидролитическую кислотность, нейтрализация щелочи Са(ОН) ₂+, которые вытесняются в раствор и связывают ионы ОН^- с образованием воды.

Чем больше гидролитическая кислотность почвы, тем выше буферность ее против подщелачивания. Почвы, имеющие высокую степень насыщенности основаниями (черноземы, сероземы), имеют высокую буферность против подкисления Внесение высоких доз органических удобрений и известкование повышают буферность почвы против подкисления.

Факторы формирования кислотно-основных свойств природной среды (Латыпова В.З. , 2000), НАУКИ О ЗЕМЛЕ

С позиций химических представлений рассмотрены общая характеристика и факторы формирования кислотно-основных свойств конденсированных природных сред (водных сред, иловых отложений, почв); естественные процессы, определяющие изменчивость реакции среды в широких пределах; экологические последствия этих процессов и механизм ответной реакции среды на их воздействие, эволюционно отработанный на планете за многие миллиарды лет.

ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ

КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

В. З. ЛАТЫПОВА

Казанский государственный университет

Для решения волнующих все мировое сообщество экологических проблем и выработки стратегии жизнедеятельности человечества необходимо формирование у подрастающего поколения нового мировоззрения, основанного на представлении единой картины мира. Нужны не фрагментарные, а системные знания с учетом взаимосвязанности, вечности и бесконечности материи. Особую роль на этом пути должны играть химические знания, дающие основу для понимания сути природных явлений, их систематизации.

Единство биосферы как особой оболочки Земли воспринимается не сразу: она многообразна и содержит систему противоречий. Что же позволяет рассматривать различные геосферы как части единого целого? Существуют ли единые природные процессы, которые определяют все многообразие явлений, наблюдаемых в окружающем нас мире? К числу таких важнейших процессов, пронизывающих всю биосферу, относятся процессы формирования кислотно-основных свойств природной среды, тесно связанные с окислительно-восстановительными процессами. Именно они в значительной степени определяют биологическую доступность элементов питания, миграционную способность некоторых токсичных для биоты элементов, видовое разнообразие экосистемы, типы процессов жизнедеятельности организмов, приобретая ведущее значение во многих экосистемах.

Цель статьи - показать общность и своеобразие процессов, формирующих кислотно-основные свойства конденсированных природных сред (водных сред, иловых отложений, почв) в естественных условиях и изменяющих реакцию среды в широких пределах, кратко рассмотреть экологические последствия этих процессов и механизм ответной реакции природной среды на изменение ее кислотности с позиций химических представлений. За пределами рассмотрения остаются важные вопросы, связанные с факторами загрязнения окружающей среды и глобальной проблемой кислотных дождей, которые широко обсуждаются в научно-популярной литературе.

Какими параметрами характеризуются кислотно-основные свойства природной среды и чем определяется степень кислотности либо щелочности природных водных сред. Кислотно-основные свойства (реакцию среды) природных вод, а также почвенных паст, суспензий, вытяжек характеризуют степенью кислотности, определяемой величиной рН, а также общим уровнем кислотности (щелочности), определяемым титриметрически.

В почве ионы водорода могут находиться не только в свободном состоянии в почвенном растворе, но также и в поглощенном (обменном) состоянии в почвенном поглощающем комплексе (ППК) твердой фазы почв, обладающем ионообменной способностью. Носителями обменных позиций ППК являются органическое вещество почв и глинистые минералы - тонкодисперсные слоистые силикаты. Процесс поглощения может быть электростатическим взаимодействием между отрицательными зарядами поверхности ППК и катионами, либо адсорбцией катионов в межпакетных промежутках глинистых минералов, либо взаимодействием катионов с кислыми функциональными группами (-СООН, -NH2 , -SH) органической части ППК, зависящим от местоположения этих групп в молекуле, их кислотности и рН среды. Отметим, что емкость катионного обмена органических кислот почвы в 10-30 раз выше характерной для ее минеральной части. Энергия поглощения почвами различных катионов в общем случае возрастает с увеличением их атомной массы и заряда в ряду Na+, NH4+,K+, Mg2 +, Ca2 +, H+, Al3 +, Fe3 +. Ионы Н+ обладают, таким образом, аномально высокой способностью к поглощению ППК.

В зависимости от состояния ионов Н+ в почве различают два вида почвенной кислотности: актуальную, обусловленную растворенными в почвенном растворе кислыми компонентами, действующими непосредственно на корневую систему растений и почвенные процессы (свободные минеральные кислоты, главным образом угольная), свободные низкомолекулярные органические кислоты, растворимые высокомолекулярные гумусовые вещества с кислыми функциональными группами, гидролитически кислые соли (особенно железа, алюминия)), и потенциальную (резервную), обусловленную обменными катионами (чаще Н+, Аl3 +) ППК и проявляющуюся при взаимодействии почв с растворами солей или оснований. Актуальная кислотность оценивается по величине рН водных вытяжек, водных суспензий почв, а потенциальная - по величине рН солевой вытяжки.

По способу проявления и аналогии с формами кислотности различают также актуальную щелочность, связанную с присутствующими в почвенном растворе гидролитически щелочными солями слабых кислот (карбонатами, фосфатами, боратами), и потенциальную, обусловленную обменными ионами Na+ в ППК.

В каких пределах изменяется степень кислотности природных водных сред. Реакция природной водной среды в естественных условиях изменяется в широком диапазоне значений рН, причем показатели реакции среды являются важнейшими классификационными признаками природных вод и почв. Большинство природных вод имеет величину рН 6-8,5; для подземных вод эта величина может колебаться в широком интервале - от 0,45-1,0 до 8-11,5 (табл. 1).

Степень кислотности атмосферных осадков также изменяется в широком диапазоне от слабощелочных и нейтральных (рН 9,8-7) до кислых (рН 6-4,5) и очень кислых (рН < 4,5). Столь же широк и диапазон кислотно-основных условий почвенного покрова: выделено множество классов почв от сильнокислых (рН 3-4) до сильнощелочных (рН 8-9). Более 50% почв России отличается повышенной кислотностью. Кислая реакция в некоторых случаях встречается в подзолистых, серых лесных почвах, красноземах, желтоземах, торфяно-болотных почвах. Щелочная реакция обычна для почв сухих степей, полупустынь и пустынь (каштановые, солонцеватые, сероземы, серо-бурые). Нейтральная и щелочная реакции характерны для черноземов, почв на известняках.

Какие естественные процессы ответственны за столь широкую изменчивость кислотно-основных свойств природных сред. Для ответа на этот вопрос рассмотрим прежде всего процесс растворения в воде повсеместно присутствующего природного компонента СО2 на границе раздела фаз (атмосферный воздух - капля воды в атмосфере, атмосферный воздух - поверхностные воды, почвенный воздух - почвенный раствор, поверхностные воды - породы) и обратимся к рис. 1.

Химику известно, что при рН 7 среда нейтральна, при рН < 7 кислая, а при рН > 7 щелочная. Однако этот критерий не вполне пригоден в качестве отправной точки при рассмотрении кислотно-основных свойств природных водных сред, граничащих с атмосферным воздухом. Величина рН в этом случае определяется образованием угольной кислоты и существенно зависит от соотношения концентраций ее форм (Н2СО3 , СО2 , НСО3-,СО32 -),образующих вместе карбонатную систему (см. рис. 1).

Для чистой природной воды, находящейся в равновесии лишь с СО2 атмосферного воздуха (парциальное давление = 3,4 " 10- 4 атм, или 0,034%; константа Генри, равная отношению содержания газа в воде к , КГ = 0,045 при 25?С; константы диссоциации угольной кислоты: К д'= 3,8 " 10- 7, Кд"пренебрежем), можно записать:

Решение этого уравнения дает величину рН 5,63 (рН "чистого" дождя), которую обычно и берут за отправную точку при оценке кислотности природных вод. В средах, не контактирующих с атмосферным воздухом (почве, донных отложениях), содержание СО2 существенно выше, нежели в атмосферном воздухе, в результате разложения остатков живых организмов и может достигать от n " 0,1% в дерновом слое до 15-20% во влажных почвах с высоким содержанием органического вещества, поэтому почвенные воды и глубинные слои воды обогащаются СО2 и величина рН может снижаться до 4.

Однако абсолютное содержание форм угольной кислоты зависит не только от количества растворенного диоксида углерода, но и от концентрации ионов кальция, которые, лимитируя растворимость карбоната кальция в составе твердой фазы, контактирующей с водной средой и почвенной влагой, влияют на содержание карбонат-ионов. Следовательно, рассмотренная карбонатная система является лишь частью более сложной системы равновесий в природных водах - карбонатно-кальциевой системы. Расчет реакции среды для системы Н2О-СО2 (0,034%) - СаСО3 дает значение рН 8,4 (см. рис. 1). Следовательно, лишь за счет одного природного компонента - СО2 степень кислотности атмосферных осадков, вод и актуальная кислотность почвенного раствора могут варьировать в широком диапазоне.

К числу некоторых других процессов, приводящих к подкислению природных сред в естественных условиях, следует отнести следующие:

J растворение в воде, почвенном растворе гуминовых, фульвокислот, других органических кислот с константами диссоциации, соизмеримыми с константой диссоциации угольной кислоты. Например, гумусовые кислоты (рК < 5) в перегное лесной подстилки обогащают грунтовые воды лесной зоны ионами водорода и определяют слабокислую реакцию среды;

J гидролиз природных солей (FeSO4 , Fe2(SO4)3 , Al2(SO4)3), которые образуются при бактериальном окислении сульфидов и гидролитически расщепляются при взаимодействии с водной средой и почвенной влагой:

FeSO4 + 2H2O Fe(OH)2 + 2H+ + SO42 -

Подобные процессы характерны, например, для областей вулканической активности, рудничных, шахтных вод. Выделяющиеся в результате реакции ионы водорода обусловливают подкисление водной среды и сопряженное растворение карбонатных пород (сернокислотное выщелачивание) (СаСО3 + H2SO4 CaSO4 + + CO2 + H2O), что усугубляет ситуацию;

J естественное подкисление атмосферных осадков под воздействием биогенных оксидов серы, оксидов азота, а также летучих органических соединений в концентрациях, характерных для континентальных воздушных масс. Расчет реакции среды для системы Н2О-СО2(0,034%)-SO2(5 " 10- 7 %) дает значение рН 4,6. Как видим, SO2 существенно влияет на степень кислотности выпадений, это связано с его большей по сравнению с СО2 растворимостью (КГ = 5,4) и большей силой соответствующей кислоты (H2SO3 , К д"= 2,7 " 10- 2, Кд= 10- 7). Действие оксидов серы может быть еще сильнее в результате более глубокого их окисления в капле до H2SO4 в присутствии катализаторов (Fe, Mn).

Важнейшим, повсеместно присутствующим в атмосфере минорным основным газом является аммиак, эффективно нейтрализующий растворенные в каплях влаги кислоты, особенно серную. Так, расчет реакции среды для системы Н2О-СО2(0,034%)-SO2(5 " 10- 7 %)-NH3(10- 7 %) дает уже значение рН 5,8.

Существует гипотеза, что кислотные дожди были причинами экологических катастроф в прошлые геологические эпохи, то есть еще в доиндустриальный период. Однако одними лишь природными факторами вряд ли можно объяснить величины рН < 3 для туманов и дождей, порой фиксируемые в наши дни. Как правило, из антропогенных источников выделяется значительно больше серо-, азотсодержащих и других соединений, чем из природных, поэтому существующая в мире тенденция к возрастанию их содержания в атмосферном воздухе объясняет пристальное внимание общества к проблеме кислотных дождей.

К числу процессов, приводящих к увеличению значения рН природных сред в естественных условиях, кроме отмеченных выше, следует отнести следующие:

J гидролиз природных солей, составленных из слабых кислот и сильных оснований. Все главные катионы природных вод являются сильными основаниями (К+, Na+, Ca2 +, Mg2 +), их соли со слабыми кислотами (например, карбонаты - известняки, доломиты) гидролизуются с образованием слабых кислот и сильных оснований. Поэтому Мировой Океан и подавляющее большинство природных вод имеют слабощелочную реакцию. Повышение величины рН до 8,5-10,5 чаще всего связано с присутствием соды (см. рис. 1);

J при наличии ионов натрия в поглощенном состоянии потенциальная щелочность почвенного раствора проявляется как результат взаимодействия твердых фаз почвы с водой:

[ППК]Na + H2O [ППК]H + NaOH;

J процессы фотосинтеза в эвфотических (сверхосвещенных) водоемах. Организмы, существующие при рН > 8, для получения углерода в виде СО2 должны расщеплять другие компоненты карбонатной системы (НСО3- (CО2)раств + ОН-). Трансформация связанной формы СО2 в органическое соединение в процессе фотосинтеза приводит к синтезу гидроксильных ионов. На величину рН оказывают также влияние и некоторые другие биохимические процессы.

Каковы последствия подкисления природных водных сред. С точки зрения воздействия кислотных выпадений на фито- и агроценозы различают первичные факторы (SO2 , NOx) и индуцируемые ими вторичные факторы (озон в тропосфере, образуемый по реакции NO2 + hn NO + O; O + O2 + M O3 + M*, где М - молекула, запасающая энергию; повышение подвижности токсичных для биоты металлов в кислых почвах). Воздействие на растительные сообщества, почвенно-химические процессы и почвенную биоту выражается, например, в нарушении фотосинтеза лиственной кроной, деградации органелл, нарушении липидного синтеза, нарушении корневого транспорта питательных элементов из-за повреждения корневых волосков, углекислотном выщелачивании почв, пород и выносе Са2 +, в снижении биодоступности элементов питания в катионной форме за счет конкурирующего влияния ионов водорода, снижении биодоступности фосфора за счет образования нерастворимых фосфатов алюминия, повышении стабильности фосфорорганических пестицидов.

Наиболее последовательно изучено воздействие подкисления на поверхностные воды. Величина рН контролирует форму существования биогенных элементов. В кислых водах присутствуют токсичные для гидробионтов недиссоциированные формы Н2S, в щелочных - NH3 . Большие концентрации СО2 , преобладающего в кислой среде, вредны для растительных (угнетение фотосинтеза из-за блокировки ферментных процессов) и животных организмов (снижение эффективности потребления кислорода, растворенного в воде). Усвоение преобладающего в кислой среде иона Н2РО4- энергетически затруднено, поэтому в кислых болотистых водоемах жизнь развивается слабо, гидробионты представлены специфическими адаптированными видами. К числу других последствий снижения величины рН для абиотических и биотических компонентов водных систем следует отнести повышение степени миграции большинства металлов, возрастание содержания токсичных форм Al, Cd, Hg, Pb, снижение содержания фосфора и общих показателей биомассы, нарушение процесса самоочищения вод (понижение скорости разложения некоторых органических веществ, осложнение процессов сорбции и седиментации), изменение видового состава (выпадение сине-зеленых, усиление развития ацидофилов), алюмотоксикоз организмов, биоаккумуляция тяжелых металлов и радионуклидов в количествах, превышающих уровень токсичности для живых организмов, сокращение числа видов, изменение численности и скорости роста. Сильное воздействие испытывают, безусловно, здоровье человека как высшего звена трофической цепи и, кроме того, инженерно-технические сооружения, памятники архитектуры.

Это далеко не полный перечень последствий подкисления среды, механизм которых может стать предметом отдельного обсуждения, в том числе и с химических позиций.

Каков механизм противостояния изменению реакции среды. Способность противостоять изменению реакции среды при внесении в водную систему сильной кислоты либо щелочи определяется кислотно-основной буферностью природных сред. В поддержании постоянной реакции среды природных вод важную роль играют компоненты кислотности и щелочности, принцип действия которых определяется наличием двух взаимосвязанных равновесных систем: диссоциации и гидролиза (на примере карбонатных равновесий):

СО2 + Н2О Н2СО3 НСО3-+ Н+,

НСО3-+ Н2О СО2 + Н2О + ОН-

В маломинерализованных природных водах буферность в основном создается карбонатным равновесием, в морских водах в образовании буферности участвует и боратный буфер. Буферность вод противостоит резким суточным и сезонным колебаниям рН за счет изменения интенсивности биохимических процессов, воздействия кислых дождей.

Буферные свойства почвенного раствора также обусловлены карбонатным равновесием, однако значительно большую роль может играть почвенный поглощающий комплекс. Против смещения реакции среды в кислую сторону работают, например, поглощенные основания (Са2 +, Mg2 +, Na+ и др.):

[ППК]Ca + 2HCl [ППК]H2 + CaCl2

Буферное действие почв против повышения рН может быть связано с их потенциальной кислотностью:

[ППК]H2 + Ca(OH)2 [ППК]Ca + 2H2O

Ответным откликом подстилающей поверхности на атмосферные выпадения сульфатов может быть также сернокислотное выщелачивание почвообразующих пород. Считается, что именно процессы выщелачивания горных пород и гидролиз образующихся солей лежали в основе нейтрализации компонентов кислотности первичного кислого раствора Мирового океана в восстановительных условиях, пока над ним сохранялись кислые вулканические газы (HCl, HF, HBr, HI), и прокладывали путь к современной слабощелочной реакции среды. Состав Мирового океана был сформирован в основном ~ 200 млн лет назад и мало отличается от современного.

Таким образом, водные системы с их водосборными площадями действуют как некие буферные системы, обладающие способностью предотвращать существенные изменения реакции среды. Если почвы устойчивы к выветриванию, например в случае скального грунта, имеющего мало известняка, водные бассейны обладают низкой буферной способностью. Имеются подходы к количественному выражению этой способности (например, "закисляющий потенциал" осадка, "критическая нагрузка" для водосборной площади).

Заключение. Таким образом, общим в процессах, определяющих кислотно-основные свойства и буферность конденсированных природных сред (водных сред, иловых отложений, почв), является ведущая роль карбонатной и карбонатно-кальциевой систем, способных изменить степень кислотности вод и актуальную кислотность почв и илов в широких пределах. Своеобразием формирования кислотности почв и илов и их буферности является могущая играть значительно большую роль потенциальная кислотность как результат ионообменной способности почвенного поглощающего комплекса, представляющего собой совокупность органических кислот, минеральных и органоминеральных компонентов почв - носителей обменных позиций.

Подкисление природных сред существенно воздействует на экосистемы, нарушая биодоступность элементов питания, повышая миграционную способность токсичных для биоты элементов, тяжелых металлов, радионуклидов, изменяя видовое разнообразие системы. Механизм же ответной реакции конденсированных природных сред на повышение их кислотности представляет собой эволюционно отработанный за многие миллиарды лет процесс нейтрализации компонентов кислотности при обычном выщелачивании подстилающих пород и гидролизе образующихся солей, а способность противостоять изменению реакции среды в результате совокупности рассмотренных процессов определяется в целом гидрогеологической чувствительностью бассейна к изменению величины рН.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алекин О.А., Ляхин Ю.И. Химия океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 343 с.

2. Биологические процессы в загрязненных модельных водоемах / Ред. О.Ф. Филенко. М.: Изд-во МГУ, 1984. 192 с.

3. Дривер Дж. Геохимия природных вод. М.: Мир, 1985. 128 с.

4. Заиков Г.Е., Маслов С.А., Рубайло В.Л. Кислотные дожди и окружающая среда. М.: Химия, 1991. 123 с.

5. Орлов Д.С. Химия почв. М.: Изд-во МГУ, 1992. 400 с.

6. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высш. шк., 1989. 528 с.

7. Тарасова Н.П., Кузнецов В.А. Кислотно-основные равновесия и окислительно-восстановительные процессы в природных водоемах. М., 1988. 53 с.

8. Яковлева О.Г., Латыпова В.З. Практикум по химии окружающей среды. Ч. 1.: Физико-химические условия существования веществ в окружающей среде: Кислотно-основные свойства. Казань: Изд-во КГУ, 1995. 58 с.

Рецензенты статьи Д.С. Орлов, Г.В. Лисичкин

* * *

Венера Зиннатовна Латыпова, доктор химических наук, профессор, заслуженный деятель науки Республики Татарстан, член-корреспондент Международной академии педагогических наук, зав. кафедрой прикладной экологии Казанского государственного университета. Область научных интересов - электрохимия органических соединений, биогеохимия, экологический мониторинг, экологическая экспертиза, экологическое образование. Автор и соавтор более 250 научных публикаций, в том числе учебных пособий, монографий, изобретений и патентов РФ.

Большой Энциклопедический Словарь (ПОЧВОВЕДЕНИЕ)

Засоление почвы

Засоление почвы - процесс накопления в почве легкорастворимых в воде солей в кол-вах, токсичных для с.-х. культур. Развивается преим. в пустынной, полупустынной и сухостепной зонах на низменностях и в бессточных впадинах при близком залегании минерализованных грунтовых вод. Затопление суши морской солёной водой также приводит к 3. п.; наблюдается оно и при отступании береговой линии моря. На орошаемых землях часто наблюдается вторичное засоление, если в материнской породе или грунтовых водах (особенно при неглубоком их залегании) много солей, а также при подаче избыточной воды на поля или потерях ее из оросит, сети. Вторичное 3. п. может быть также при поливе минерализов. подземными и сбросными водами. Почвы с избыточным содержанием солей (0,15-0,25% и более) наз. засоленными. К ним относят солончаки, солончаковые почвы и солонцы.Правильным ведением х-ва можно устранить неблагоприятное течение процессов засоления, изменив его естеств. направленность. Достигается это сочетанием промывок почвы (см. Промывной полив) с искусств, отведением грунтовых и промывных вод с помощью дренажа.

ТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Идентификация аэрокосмической информации. Спектрозональная съемка лесных объектов в верховьях реки Уды (Юго-западное Приохотье)