Почвенный раствор в почве

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Почвенным раствором называется влага, находящаяся в почве и содержащая в растворенном состоянии органические и минеральные вещества, газы и тончайшие коллоидные золи. В.И.Вернадский считал почвенные растворы одной из важнейших категорий природных вод, «основным субстратом жизни», «основным элементом механизма биосферы». В изучение состава и динамики почвенных растворов, а также в разработку методов выделения внесли существенный вклад К. Гедройц, А. Дояренко, А. Шмук, С. Захаров, А. Роде, П. Крюков, Н. Комарова, Е. Шилова и другие.

Почвенный раствор образуется в результате взаимодействия воды, поступающей в почву, с ее твердой фазой и растворения некоторых органических и минеральных веществ и их производных. Наиболее существенным источником почвенных растворов являются атмосферные осадки. Дождевая вода, поступающая в почву, содержит некоторое количество растворенных веществ: газов атмосферного воздуха (кислород, углекислый газ, азот и др.), а также соединений, находящихся в воздухе в виде пыли. Грунтовые воды также могут участвовать в их формировании. В зависимости от типа водного режима почвы участие грунтовых вод может быть систематическим (выпотной или застойный водный режим) и периодическим (периодически выпотной водный режим). При орошении дополнительным источником влаги для почвенных растворов становятся поливные воды.

Почвенный раствор имеет огромное значение в генезисе почв и их плодородии. Он участвует в процессах преобразования (разрушение и синтез) минеральных и органических соединений, в составе почвенного раствора по профилю почв перемещаются разнообразные продукты почвообразования. Исключительно велика роль почвенного раствора в питании растений.

 

1. Методы выделения почвенного раствора

 

Для выделения и изучения почвенных растворов в зависимости от условий и задач исследования применяются различные методы.

1 группа методов: выделение и изучение почвенных растворов с помощью вытяжек, т.е. извлечение раствора добавлением в почву воды в количестве, значительно превышающем навеску почвы (наиболее часто применяемое соотношение почва:вода — 1:5).

Составы почвенных растворов и водных вытяжек весьма сильно различаются между собой. Поэтому в настоящее время водные вытяжки используются в основном для характеристики в почвах легкорастворимых солей и иногда для определения ряда легкодоступных растениям питательных элементов.

2 группа методов: выделение раствора из почвы в сравнительно неизменном виде. Для выделения почвенного раствора из образца почвы предварительно отобранного из почвы, необходимо преодолеть силу взаимодействия твердой и жидкой фаз почвы. Поэтому все методы основываются на применении внешней силы:

1.Давление, создаваемое прессом;

2.давление сжатого газа;

3.центробежная сила;

4.вытесняющая способность  различных жидкостей.

Количество выделяющегося почвенного раствора зависит от водоудерживающих свойств почвы и степени ее увлажнения.

Получить почвенные растворы центрифугованием возможно лишь в почвах с влажностью, близкой к полной влагоемкости.

Практически в современных почвенных исследованиях наиболее часто применяются первый и последний методы, т.е. отпрессовывание раствора или вытеснение замещающей жидкостью. Выделение почвенного раствора замещением его другой жидкостью заключается в том, что через колонку, заполненную исследуемой почвой с естественной влажностью, сверху просачивается вытесняющая жидкость. Наиболее удобен для этой цели этиловый спирт. Для улучшения фильтрационных свойств тяжелых почв их рекомендуется смешивать с хорошо отмытым кварцевым песком.

При использовании этих методов после выделения раствора в почве остается еще некоторое количество влаги. Преимущества данных методов — возможность получения растворов при влажности, характерной для почв в вегетационный период, поэтому практически динамику почвенного раствора можно изучить лишь этими методами. Недостаток их — некоторое нарушение карбонатного равновесия и окислительно-восстановительного состояния раствора при его отделении от почвы.

3 группа методов: т.н. лизиметрические методы, действующие по принципу замещения и вытеснения растворов почвенных растворов талыми и дождевыми водами. Для количественного учета и изучения состава просачивающихся сквозь почву растворов применяют лизиметры различного устройства: лизиметры-контейнеры с бетонированными стенками и дном, лизиметры-монолиты, лизиметры-воронки, плоские лизиметры закрытого типа, в наименьшей степени нарушающие естественное залегание почвы, лизиметрические хроматографические колонки.

Недостаток всех лизиметрических установок — возможность получения растворов лишь в периоды сильного увлажнения почв. Кроме того, в лизиметрических установках, особенно типа подставных воронок, нарушается в определенной мере естественный ход фильтрации, что не позволяет получать строго количественной характеристики выноса тех или иных компонентов почвы. Поэтому при изучении динамики состава почвенных растворов желательно сочетать лизиметрический метод с другими методами выделения почвенных растворов (отпрессовывание и др.).

4 группа методов: непосредственные исследования водной фазы почв в почве естественного залегания в полевых условиях. Первые методы с применением электродов, погружаемых в почву, для определения влажности и электропроводимости почв (учет запаса солей) были проведены еще в конце 19 века. Долгое время в почвах определяли лишь активность ионов водорода и окислительно-восстановительный потенциал. В последние годы развития потенциометрических и, в частности, ионометрических методов позволяет более широко проводить эти исследования, определять широкий набор ионов (Ca, Mg, K, Na, NO3, Cl), измеряя их активность в почве.

 

 

2. Химический состав почвенных растворов

 

Почвенный раствор находится в постоянном и тесном взаимодействии с твердой и газовой фазами почвы и корнями растений, поэтому состав и концентрация его - результаты биологических, физико-химических и физических процессов, лежащих в основе этого взаимодействия. Темп и направления указанных процессов подвержены значительной сезонной изменчивости, поэтому и состав почвенного раствора чрезвычайно динамичен.

Формирование состава почвенных растворов — сложный процесс, который обуславливается и регулируется как абиотическими, так и биотическими факторами и компонентами почвы и экосистемы в целом. Состав почвенных растворов зависит от количества и качества атмосферных осадков, от состава твердой фазы почвы, от количества и качественного состава живого и мертвого растительного материала в надземных и подземных ярусах биогеоценоза, от жизнедеятельности мезофауны и микроорганизмов. Состав почвенных растворов постоянно находится под влиянием жизнедеятельности высших растений — изъятие из него корнями определенных ионов и соединений, и наоборот, поступление веществ с корневыми выделениями.

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, дубильные вещества и др.), а также гумусовые вещества.

Содержание отдельных компонентов почвенного раствора существенно изменяется также по генетическим горизонтам одного и того же типа почв.

Максимум органических веществ находится в почвенном растворе органогенных и гумусовых горизонтов. Вниз по профилю почв количество органических веществ резко падает в результате из закрепления и минерализации в верхних горизонтах. В черноземах, каштановых почвах, сероземах и солонцах в составе почвенных растворов нижних горизонтов заметно возрастает содержание минеральных соединений — карбонатов, гипса и легкорастворимых солей.

Минеральные, органические и органоминеральные вещества, входящие в состав жидкой фазы почв, могут иметь форму истинно растворенных или коллоидно-растворимых соединений. Коллоидно-растворимые вещества представлены золями кремнекислоты и полутораоксидов железа и алюминия, органическими и органоми-неральными соединениями. По данным Гедройца, коллоиды составляют от 1/10 до ¼ от общего количества веществ, находящихся в почвенном растворе.

К важнейшим катионам почвенного раствора относятся Са2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+ , H+, Al3-, Fe3+ , Fe2+. Среди анионов преобладают HCO3-, CO32-, NO3-, NO2-, Cl-, SO42-, H2PO4-, HPO2-4. Наиболее важное значение для растений имеют NO2-, SO42-, фосфат-ионы.

Содержание нитратов определяется условиями нитрификации в почве (обогащенность органическими веществами, гидротермический режим почв и условия аэрации). В почвенных растворах незасоленных почв SO42- немного (обычно не более нескольких миллиграммов на литр). Еще меньше фосфат-ионов (1-2 мг/л), что объясняется энергичным их поглощением растениями, минеральными соединениями почвы и слабой растворимостью почвенных фосфатов.

Железо, алюминий и многие микроэлементы (Cu, Ni. V, Cr и другие) в почвенных растворах содержатся главным образом в виде комплексных органоминеральных соединений, где органическая часть комплексов представлена гумусовыми и низкомолекулярными органическими кислотами, полифенолами, и др. органическими веществами.

Концентрация почвенных растворов невелика, и в разных типах почв колеблется от десятков миллиграммов до нескольких граммов вещества на литр раствора. Только в засоленных почвах содержание растворенных веществ может достигать десятков и даже сотен граммов на литр.

Наличие в почвенном растворе свободных кислот и оснований, кислых и основных солей определяют одно из важнейших для жизнедеятельности растений и процессов почвообразования его свойство — актуальную реакцию почвенного раствора. Реакция почвенного раствора определяется активностью свободных водородных (Н+) и гидроксильных ионов (ОН-) и измеряется рН - отрицательным логарифмом активности свободных ионов. РН почвенного раствора разных типов почв колеблется от 2,5 (кислые сульфатные почвы) до 8-9 и выше (карбонатные и засоленные почвы), достигая максимума в щелочных солонцах и содовых солончаках (10-11).

Наиболее низкими концентрациями и кислой реакцией характеризуются почвенные растворы подзолистых и болотных почв таежной зоны. Концентрация их составляет несколько десятков миллиграммов на один литр раствора при рН от 5 до 6. Содержание основных катионов и анионов измеряется единицами или десятками мг / литр. Примерно такие же количества главных компонентов почвенного раствора характерны и для сильно выщелоченных почв влажных тропиков и субтропиков. Содержание органического углерода в почвенных растворах таежной зоны достигает нескольких десятков миллиграммов на один литр; под хвойными лесами это рапстворенное6 органическое вещество в основном представлено фульвокислотами. С глубиной количество органического вещества в жидкой фазы почвы постепенно уменьшается, что говорит о закреплении мигрирующих воднорастворимых веществ в почвенном профиле. Вместе с органическим веществом мигрирует и железо (в двух- и трехвалентной форме). Железоорганические комплексы присутствуют в почвенных растворах в широком диапазоне рН. В почвенных растворах примерно 80-95% железа и прочно связано в органоминеральные комплексы.

В степных почвах (черноземах, солонцах и др.) концентрация почвенных растворов существенно выше, чем в подзолистых и болотных почвах (не десятки, а сотни миллиграммов 1-3 грамм на литр). В связи с более высокой биологической активностью этих почв, в них существенно повышается содержание гидрокарбонатного иона, реакция становится нейтральной или слабощелочной. Более высокое поступление химических элементов с высокозольным опадом травянистых степных растений обеспечивает повышение концентрации и других катионов и анионов (кальция, магния, хлора, сульфат-иона). В солодях и особенно солонцах резко возрастает количество ионов натрия, появляется ион CO32- , что обеспечивает в солонцах, в частности, щелочную реакцию почвенных растворов. Максимальное содержание солей (до десятков и сотен грамм на один литр) наблюдается в почвенных растворах солончаков. Концентрация солей в почвенных растворах солончаков в несколько раз превышает их содержание в морской воде.

Если для большинства почв характерен гидрокарбонатнокаль-циевый состав почвенных растворов (преобладание этих двух ионов), то в почвенных растворах засоленных почв преобладающая доля принадлежит хлоридам и сульфатам магния и натрия. Для характеристики степени и характера засоления почв широко применяется анализ водной вытяжки. Этот вид анализа дает возможность проводить массовые определения и в то же время позволяет выделять из почвы максимальные количества солей, находящихся в том числе и в виде осадка в твердой фазе почвы. Водная вытяжка (отношение воды к почве 5:1) растворяет все легкорастворимые соли, часть труднорастворимых солей и часть солей, образовавшихся в результате обмена катионов труднорастворимых солей с натрием и магнием поглощающего комплекса.

Весьма тщательное исследование соотношения солей, извлекаемых водными вытяжками и находящихся в водных растворах, были проведены П. Шаврыгиным. Из исследований вытекает, что общая сумма воднорастворимых веществ в водных вытяжках выше, чем в почвенных растворах; эти различия тем выше, чем меньше растворимость солей. Так, например, содержание сульфата кальция в почвенных растворах не превышает 8-12% от его количества в водной вытяжке. Различия в составе солей почвенных растворов и водных вытяжек больше всего относится к кальциевым солям и в малой мере к хлорид- иону.

Метод водных вытяжек, оставаясь основным для контроля солевого состояния почв, одновременно позволяет также путем расчетов получить и данные по концентрации почвенных растворов, характеризующие истинные условия существования растения в данной почве. Расчет концентрации солей по данным анализа водной вытяжки удобно производить относительно влажности почвы, соответствующей наименьшей влагоемкости (НВ). Н. Г. Минашиной предложена следующая формула расчета концентрации почвенного раствора по данным анализа водной вытяжки: