Почвенный раствор и его значение в жизни растений и плодородии почв
ВВЕДЕНИЕ
Что такое почвенный раствор?
Дождевая вода, поступающая в почву, содержит некоторое количество растворенных веществ (кислород, углекислый газ, азот, аммиак) и соединений, находящихся в воздухе в виде пыли. В почве она активно взаимодействует с твердой фазой, переводя в раствор отдельные ее компоненты. Следовательно, вода (свободная и рыхлосвязанная) в почве представляет собой почвенный раствор. Прочносвязанная вода не входит в состав почвенного раствора. Жидкая фаза, или почвенный раствор, представляет собой наиболее подвижную, изменчивую и активную часть почвы.
Почвенный раствор играет большую роль в почвообразовательных процессах, биохимических и физико-химических реакциях почвы, круговороте и обмене веществ и питании растений. Поэтому Г.Н. Высоцкий сравнивал почвенный раствор с кровью организмов. В почвенном растворе (или с его участием) происходят процессы разрушения и синтеза органических веществ, вторичных минералов и органоминеральных соединений. С передвижением жидкой фазы связано перемещение по почвенному профилю продуктов выветривания и почвообразования.
Почвенный раствор является непосредственным источником воды и питательных веществ, которые растения извлекают из почвы. Этим и определяется важнейшая роль жидкой фазы в питании растений.
Большой вклад в изучение состава, динамики почвенного раствора, в разработку методов выделения почвенного раствора внесли Гедройц К.К., Дояренко А.Г., Шмук А.А., Захаров С.А., Роде А.А., Крюков П.А., Комарова Н.А., Шилова Е.И.
1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЧВЕННОГО РАСТВОРА
Какие методы существуют для изучения почвенного раствора
Изучение почвенного раствора осуществляется тремя путями:
1) Изучение почвенного раствора без предварительного его выделения, т. е. непосредственно в почве.
Это дает возможность составить представление лишь о некоторых его свойствах - это концентрация почвенного раствора по его электропроводности или по точке замерзания, определение активности ионов водорода (рН), ионов хлора и натрия, определение ОВП. В большинстве случаев эти определения проводятся в почвах, предварительно увлажненных до состояния пасты.
2) Изучение почвенного раствора, выделенного из почвы тем или иным способом.
Для выделения почвенного раствора используются различные методы:
а) выжимание (отпрессовывание) почвенного раствора. Осуществляется при помощи прессов, сложность конструкций которых увеличивается по мере увеличения заданной величины производимого ими давления; последнее достигает 20000 кг/см2. Чем меньше влажность почвы и чем больше ее водоудерживающая сила, тем большее давление приходится применять для выделения почвенного раствора и наоборот.
б) центрифугирование (для почв с высокой влажностью, приближающейся к полной влагоемкости). Используются специальные стаканчики из плексиглаза в центрифуге, дающей 600 оборотов в минуту; почвенный раствор собирается в поддонник, отделенный от почвы решеткой с фильтром.
в) замещение (вытеснение) другой жидкостью. Для замещения используют этиловый спирт. Узкие высокие трубки из стекла или пластмассы наполняют на 1/8 часть длины почвой; сверху в трубку наливается вытесняющая жидкость. Просачиваясь под влиянием силы тяжести в почву эта жидкость вытесняет почвенный раствор, который собирается в приемник у нижнего конца трубки. Различные жидкости обладают различной вытесняющей способностью в зависимости от их физических свойств: удельного веса, вязкости, диэлектрической постоянной, поверхностного натяжения. Этиловый спирт обладает высокой вытесняющей способностью. Скорость вытеснения почвенного раствора зависит от гранулометрического состава почвы, ее пористости и влажности. Чем тяжелее и влажнее почва, тем медленнее вытесняется почвенный раствор.
г) лизиметрический метод. Его сущность заключается в получении из того или иного горизонта почвы почвенного раствора, вытесняемого в естественных условиях дождевой или талой водой, и собирающегося широкими плоскими воронками (лизиметрами), заложенными на определенной глубине. Недостаток этого метода является то, что с помощью его можно извлекать раствор только при большой влажности почвы, когда через нее фильтруется избыток воды и концентрация почвенного раствора понижена.
3) Изучение почвенного раствора при помощи водных вытяжек - взаимодействие почвы и воды.
К основным видам воздействия воды на почвенные соединения при получении водных вытяжек относятся:
а) растворение. Вода растворяет простые соли (легко-, средне- и труднорастворимые), сложные соли (алюмо- и феррисиликаты), органические соединения почвы.
б) гидролиз. Вода гидролизует находящиеся в почве соли сильных кислот и слабых оснований или слабых кислот и сильных оснований, придавая раствору в первом случае кислую, а во втором - щелочную реакцию. Сода при гидролизе дает щелочную реакцию среды:
Na2CO3 + 2H2O > 2NaOH + H2CO3.
Хлорное железо, гидролизуясь, подкисляет реакцию среды:
FeCl3 + 3H2O > Fe(OH)3 + 3HCl.
Важным вопросом для методики водных вытяжек является вопрос о соотношении между почвой и водой. Этим вопросом занимался Гедройц К.К., который пришел к выводу, что с увеличением объема воды количество извлекаемых веществ растет для большинства почв.
2. СОСТАВ, КОНЦЕНТРАЦИЯ И СВОЙСТВА ПОЧВЕННОГО РАСТВОРА
Состав и концентрация почвенного раствора являются результатом целого ряда процессов: биологических, физико-химических и физических, которые протекают в почве в тесной зависимости от ее температуры, влажности и аэрации. Темп и направление указанных процессов подвержены значительной сезонной изменчивости и поэтому состав и концентрация почвенного раствора очень динамичны.
Какова концентрация почвенных растворов различных типов почв?
Концентрация почвенного раствора невелика и не превышает нескольких граммов вещества на литр раствора. Исключением являются засоленные почвы, в которых содержание растворенных веществ достигает десятков и даже сотен граммов на литр. В подзолистых почвах концентрация почвенного раствора составляет 2-3 г/л, в черноземах - 4-6, в солончаках - от 10 до 300 г/л. Оптимальная концентрация для большинства с/х культур 3-6 г/л. (Для сравнения - концентрация солей в воде реки Дон - 0,5, а в морской воде - 35 г/л).
Какие вещества содержатся в почвенном растворе?
В почвенном растворе содержатся минеральные, органические и органо-минеральные вещества, представленные в виде ионных, молекулярных и коллоидных форм, а также присутствуют растворенные газы: углекислый газ, кислород и другие.
Минеральная часть представлена анионами и катионами.
Анионы - это HCO3-, NO3-, NO2-, Cl-, SO42-, H2PO4-, HPO42-, PO43-. Большинство из них играют роль в питании растений.
Катионы (все те, которые входят в ППК) - это Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+, H+, Al3+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Zn2+, Cu2+, Co2+ и другие.
Анионы почвенного раствора
а) HCO3- и NO3- составляют в незасоленных почвах основную массу анионов почвенного раствора (до 90 % и больше). Количество HCO3- сильно варьирует в зависимости от интенсивности процессов окисления органического вещества и образования углекислоты, т. е. за счет жизнедеятельности микроорганизмов, дыхания корневой системы растений. HCO3- оказывает влияние на рН среды - вызывает щелочность.
б) NO3- появляется в почве в результате биологического процесса нитрификации, связанного с жизнедеятельностью определенной группы микроорганизмов и заключающегося в окислении аммиака до нитритов, а затем до нитратов.
Нитрификация - окислительный процесс, протекает только в аэробных условиях. Оптимальная влажность для образования NO3- 40-70 % от полной влагоемкости, оптимальная температура 30-37 0, благоприятная реакция среды при рН = 6,0-7,5 (в кислых почвах этот процесс замедляется).
в) NO2- - это продукт жизнедеятельности нитритных бактерий, редко встречается в почве в заметных количествах, т. к. быстро окисляется нитратными бактериями до NO3-. Накопление NO2- в почве говорит о неблагополучии в отношении реакции среды и аэрации.
г) Cl- в почвенном растворе незасоленных почв содержится незначительно из-за хорошей его растворимости и вымывания в нижние горизонты за счет отрицательной адсорбции.
д) SO42- появляется в растворе благодаря растворению гипса, в незасоленных почвах его количество не более 20-40 мг-экв/100 г почвы.
е) Фосфат-ионы - концентрация их в растворе невелика 1-2 мг-экв/л, т. к. они труднорастворимы. При этом реакция среды оказывает влияние на содержание фосфатов. Чем кислее раствор и чем меньше в нем других соединений кальция, тем больше растворимость кальциевых фосфатов в почве и наоборот.
Катионы почвенного раствора
Поглощенный кальций в незасоленных почвах преобладает над другими катионами в почвенном растворе. При этом чем больше в почве образуется угольной и азотной кислот, тем большее количество кальция вытесняется водородом из поглощенного состояния в раствор.
Количество одновалентных калия и натрия в растворе невелико по сравнению с двухвалентными.
Аммоний содержится в растворе в малом количестве, т. к. быстро потребляется нитрифицирующими бактериями.
В засоленных почвах наблюдается высокое содержание натрия и магния.
При изучении почвенных растворов обнаружилось, что с изменением влажности изменяется соотношение между двух- и одновалентными катионами: чем выше влажность почвы, тем меньше двухвалентных и больше одновалентных катионов в растворе.
Алюминий и железо в растворе встречаются в ничтожных количествах благодаря нерастворимости их соединений. Только в сильнокислых почвах полуторные окислы делаются более подвижными. Высокое содержание алюминия и железа определяют токсичное действие кислых почв на растения. Но недостаток железа приводит к хлорозу.
Все эти катионы и анионы в почвенном растворе находятся в виде солей. Растворимость минеральных веществ почвы увеличивается с повышением температуры. Углекислота увеличивает растворимость карбоната кальция, а содержание в растворе хлорида натрия повышает растворимость сульфата кальция.
Органическое вещество почвенного раствора
В почвенном растворе содержатся водорастворимые гумусовые кислоты (ФК), водорастворимые вещества органических остатков и промежуточных продуктов их разложения: сахара, органические кислоты, спирты, эфиры, аминокислоты, ферменты, витамины и другие.
В течение вегетационного периода содержание органических веществ в растворе меняется и зависит от соотношения скорости процессов: минерализации и синтеза органического вещества. В почвах, богатых кальцием, где коллоиды коагулированы, количество водорастворимых органических веществ ничтожно, а почвы, богатые водородом или натрием содержат много таких веществ.
Какие свойства характерны для почвенного раствора?
1) Осмотическое давление почвенного раствора. Имеет важное значение для растений. Если оно равно или выше осмотического давления клеточного сока растений, то поступление воды в растения прекращается и оно погибает. Осмотическое давление зависит от концентрации почвенного раствора и степени диссоциации растворенных веществ, а также от влажности почвы и интенсивности биологических процессов. Поэтому его величина очень динамична. Наиболее высокое осмотическое давление почвенного раствора у засоленных почв, особенно тяжелых по гранулометрическому составу с высокой поглотительной способностью.
2) Реакция среды (рН).
3) Буферность почвенного раствора.
4) Окислительно-восстановительный потенциал.
3. РОЛЬ ПОЧВЕННОГО РАСТВОРА В ЖИЗНИ РАСТЕНИЙ И ПЛОДОРОДИИ ПОЧВ
Какова цель исследования почвенного раствора?
Изучение почвенного раствора имеет важное значение при исследовании засоленных почв. Засоленные почвы обогащены карбонатом натрия, сульфатами натрия, магния, хлоридами кальция, магния, натрия. Источники засоления почв - это близкое залегание засоленных грунтовых вод; засоленные материнские породы; соли, приносимые с осадками и пылью; оросительная вода и другие.
При сильном засолении растительность представлена солянками, полынями, приспособленными к высокой концентрации почвенного раствора. Благоприятные условия для культурных растений создают путем снижения концентрации солей при помощи промывок. В природе наблюдаются случаи, когда рассоление идет естественным путем, оно приводит к образованию солонцов.