Состав обменных катионов и кислотно-основные свойства почв

Применение минеральных удобрений связано с такими видами химической деградации, как выщелачивание оснований из почвенно-поглощающего комплекса, подкисление почвенного раствора и др. Степень кислотности почв является главным и ведущим показателем этого неблагоприятного свойства почв. Но за показателем рН стоит ряд других важных свойств почвы, находящихся в тесной взаимосвязи с величиной рН. Эти свойства почвы отражают ее физико-химический режим и, в первую очередь, состояние почвенного поглощающего комплекса (ППК).

Основой плодородия любой почвы, а для черноземов еще больше, является наличие в поглощенном состоянии кальция. Состав поглощающего комплекса почв характеризует такой показатель как ёмкость катионного обмена (ЕКО). С ней связана способность почвы удерживать в обменном состоянии катионы, в том числе и важные элементы питания (К⁺, NН₄⁺, Са²⁺, Мg²⁺ и др.). Ёмкостью катионного обмена обусловлена буферность почвы к изменению реакции среды. Состав поглощенных оснований определяет многие физико-химические и физические свойства почв. С ней также связывают устойчивость почв к антропогенным воздействиям, в частности к химическому загрязнению.

По емкости катионного обмена черноземы Белгородской области в целом устойчивы к антропогенному воздействию, так как только сумма кальция и магния в пахотном слое изменяется в пределах 33,2-41,1 ммоль на 100 г почвы. Немного отстают по этому показателю темно-серые лесные почвы. Однако следует знать, что ЕКО - величина переменная и при внесении в почву высоких норм физиологически кислых минеральных удобрений она сдвигается в неблагоприятную для культурных растений и полезных почвенных микроорганизмов сторону. Кроме того, в области имеются почвы с выраженной по своей химической природе кислой или щелочной реакциями среды. К числу первых относятся темно-серые, серые и светло-серые почвы и черноземы оподзоленные Лесостепи, ко вторым - солонцы и солонцеватые почвы Степи. Особыми свойствами обладают солоди и осолоделые почвы.

Анализируя состав поглощающего комплекса чернозема целины "Ямская степь") и пашни, можно заметить, что сельскохозяйственное использование приводит к появлению нежелательных физико-химических свойств. В черноземе целины все показатели поглощающего комплекса (сумма обменных оснований, содержание поглощенных кальция, магния и водорода, степень насыщенности основаниями) более предпочтительны, чем в пашне. Эта особенность химического состава почв прослеживается не только в верхнем слое 20-30 см, но и ниже по профилю.

Одним из основных факторов, влияющих на плодородие почв, является кислотность. Кислыми почвами считаются те, у которых обменная кислотность (рН_сол) меньше 5,5 единиц, гидролитическая кислотность свыше 3 ммоль на 100 г почвы, а степень насыщенности основаниями менее 90 %. Кислотность почв связана с ненасыщенностью их кальцием и повышенным содержанием иона водорода в почвенном растворе и почвенно-поглощающем комплексе.

У кислых почв заметно снижается плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур. Особенно чувствительны к кислой реакции почвенной среды сахарная свёкла, люцерна. В сильной степени страдает от почвенной кислотности полезная микрофлора. К примеру, клубеньковые бактерии, поселяющиеся на корнях бобовых растений, в кислой среде теряют способность к фиксации азота атмосферы.

В кислых почвах снижается содержание гумуса и кальция, как основных факторов структурообразования. Это приводит к снижению водопроницаемости, влагоёмкости, т.е. ухудшению влагообеспеченности растений. Кроме того, в почвах с кислой реакцией чётко прослеживается разрушение структуры пахотного слоя. Она становится пылеватой с плотным сложением. На поверхности почвы после выпадения атмосферных осадков в виде дождей и подсыхания влаги образуется почвенная корка, мелкие трещины. Как следствие, усиливаются потери влаги из почвы, нарушается газообмен, требуются дополнительные затраты на её обработку. Все это, в конечном счете, приводит к снижению урожайности культур, не менее чем на 15-25 %.

Убыль кальция из почвы происходит не столько вследствие выноса его с урожаем, сколько в результате процесса выщелачивания. В почве постоянно присутствует углекислый газ (СО₂), который поступает из атмосферы в результате газообмена и при разложении органических веществ. При взаимодействии углекислого газа с почвенной влагой образуется углекислота (Н₂СО₃), которая легко диссоциирует на ионы Н⁺ и НСО₃^-. В результате повышается концентрация ионов водорода в растворе, почва подкисляется, происходит насыщение почвенно-поглощающего комплекса водородом с эквивалентным вытеснением кальция, т.е. уменьшением содержания его в почве.

Величина кислотности зависит от содержания в почве минеральных и органических кислот, растворимых в воде и в солевых растворах. Эту особенность используют для диагностики видов кислотности. В первом случае получаем актуальную кислотность, а во втором - обменную или ее составную часть - гидролитическую.

Почвами с повышенной кислотностью на территории области являются в первую очередь серые и темно-серые лесостепные почвы, чернозёмы оподзоленные, чернозёмы выщелоченные и меньше чернозёмы типичные. Чернозёмы обыкновенные, карбонатные, солонцеватые, остаточно-карбонатные меловые (юго-восточная часть области) имеют близкую к нейтральной, нейтральную или даже слабощелочную реакцию почвенной среды (рН_сол ~ 7,0).

Существует градация почв по реакции почвенной среды. При величине обменной кислотности, равной 4-4,5 реакция почвенной среды считается сильнокислой, 4,6-5,0 - среднекислой, 5,1-5,5 - слабокислой, 5,6-6,0 - близкой к нейтральной, 6,1-7,0 - нейтральной и 7,1-8,0 - слабощелочной.

Рост интенсификации земледелия, а в частном случае это применение физиологически кислых минеральных удобрений, а также природно-антропогенные факторы (кислотные дожди и пр.) приводят к подкислению почвенного раствора чернозёмов, нейтральных по природе. Но даже там, где не вносятся минеральные удобрения, или вносятся, но в малых дозах, также происходит подкисление почв. В данном случае проявляет скрытое действие усиливающийся процесс минерализации (разложения) органического вещества почвы. Высвобождающиеся при этом органические кислоты, особенно фульвокислоты, имеют явно выраженную кислотность (рН_сол= 2-3).

Результаты регулярных агрохимических обследований почв области свидетельствуют об увеличении их кислотности со временем (табл.5.10).

 

Таблица 5.10. Распределение почв пашни Белгородской области по степени кислотности, % (Лукин и др., 2006)

Циклы и годы агрохимического обследования	Группировка почв по степени обменной кислотности, рНсол						Всего кислых почв
	Очень сильно кислые (<4,0)	Сильнокислые (4,1-4,5)	Среднекислые (4,6-5,0)	Слабо-кислые (5,1-5,5)	Близ- кие к нейт-ральной (5,6-6,0)	Ней-траль-ные (>6,0)
ΙΙΙ. 1976-1983	-	0,1	1,5	21,2	33,2	44,0	22,8
ΙV. 1984-1989	-	0,3	3,8	22,8	31,2	41,9	26,9
V. 1990-1994	-	0,5	7,1	28,3	23,6	40,5	35,9
VΙ. 1995-1999	-	0,2	6,1	27,2	23,8	42,7	33,5
VII. 2000-2004	-	0,3	8,2	27,9	23,1	40,5	36,4

 

Из таблицы следует, что площади кислых почв пашни области за 25-летний период возросли на 13,6 % и занимают в настоящее время около 600 тыс. га. Среди них преобладают почвы, обладающие слабокислой реакцией (27,9 %). Это означает, что каждый третий гектар пашни имеет кислую реакцию почвенной среды и требует проведения химической мелиорации - известкования. Почв со среднекислой реакцией среды мало, всего 8,2 %. Кроме всего материалы свидетельствуют, что в сложившейся ситуации с кислотностью почв можно с уверенностью предположить отрицательную величину баланса кальция в земледелии области.

Основные площади кислых почв расположены в западных, реже центральных районах области. Практически отсутствуют почвы с кислой реакцией почвенной среды в юго-восточных районах, где залегают чернозёмы обыкновенные, карбонатные и меловые с высоким насыщением почвенно-поглощающего комплекса кальцием.

В Центрально-Черноземном регионе, в том числе и Белгородской области, чернозёмы (оподзоленные, выщелоченные и типичные) в отличие от серых лесных почв длительное время относили к почвам, не нуждающимся в известковании. Обосновывалось это наличием в черноземах высокой суммы обменных оснований. В чернозёмах оподзоленных сумма обменных оснований (с некоторым допуском можно приравнять к ЕКО) составляет 30 ммоль на 100 г почвы. Далее по возрастающей величине данного показателя стоят чернозёмы выщелоченные (30-35 ммоль) и чернозёмы типичные (до 40 и более ммоль на 100 г почвы). Однако, в настоящее время практически все черноземы лесостепи области нуждаются во внесении извести. Учитывая, что мелиорация почв практически прекращена, а доля применения минеральных удобрений заметно набирает темпы, то в дальнейшем можно предположить прогрессирующее подкисление типичных черноземов.

Устранение кислотности почв

Каждая сельскохозяйственная культура предъявляет определённые требования к реакции почвы. Оптимальные значения обменной кислотности, например, для свёклы составляют 7,0-7,5; пшеницы озимой - 6,3-7,5; кукурузы и ячменя - 7,5; гороха - 6,0 - 7,0; люцерны 7,2-8,0. Как видно, приведенные культурные растения не переносят кислой реакции и хорошо растут в основном только на почвах с нейтральной или близкой к ней по значению реакции почвенной среды.

В практике сельскохозяйственного производства реакция почвенного раствора изменяется отчасти внесением в почвы минеральных и органических удобрений. Для снижения повышенной кислотности почвы в основном применяют известкование - внесение кальцийсодержащих мелиорантов. В области для этой цели используют тонкомолотый мел, дефекат и известь.

Мел содержит до 55 % карбоната кальция (СаСО₃) и незначительное количество (0,02-0,6 %) карбоната магния (MgCO₃). Дефекат кроме карбоната кальция (в сухом состоянии до 60 %) содержит органического вещества до 10 %, азота 0,25-0,5 %, фосфора 0,2-0,6 % и калия 0,6-0,9 %. Кальцийсодержащие вещества (карбонаты) практически нерастворимы в чистой воде, но в воде, содержащей углекислый газ, растворимость их резко увеличивается (примерно в 60 раз). Карбонаты кальция, внесенные в почву под влиянием углекислоты, превращаются в бикарбонаты - Ca (HCO₃) ₂. Последние диссоциируют в воде с образованием свободных ионов кальция (Са²⁺) и бикарбонатов (НСО₃^-). В результате в почвенном растворе повышается содержание кальция, который внедряется в почвенно-поглощающий комплекс и вытесняет ионы водорода, что приводит к нейтрализации кислотности. В почве увеличивается степень насыщенности основаниями, что также свидетельствует о снижении кислотности.

Доза внесения мелиоранта (т/га) для нейтрализации кислотности определяется произведением величины гидролитической кислотности, выраженной в ммоль на 100 г почвы, на коэффициент 1,5 и 100. Полученную величину делят на процентное содержание карбоната кальция в конкретном мелиоранте. В условиях области доза колеблется в пределах 7-10 т/га.

Полная (расчетная) доза известковых материалов вносится в чистом пару или под пропашные и овощные культуры под основную зяблевую вспашку. Эффективность известкования в сильной степени зависит от тонкомолотости материала, равномерного рассева и тщательного перемешивания его с почвой. При внесении кальцийсодержащих веществ необходимо сочетать известкование с внесением в севообороте навоза и минеральных удобрений. Для предотвращения дальнейшего подкисления почвы и повышения эффективности минеральных удобрений целесообразно применять их совместно с известковыми материалами. Например, для нейтрализации кислотности 1 ц аммиачной селитры или азофоски требуется около 1 ц карбоната кальция.

Хорошо отзывается на внесение кальцийсодержащих удобрений сахарная свёкла, озимая пшеница, кукуруза.

Устраняя кислотность, известкование оказывает многостороннее положительное воздействие на свойства почвы, создаёт благоприятную среду для роста растений и жизнедеятельности полезных микроорганизмов. Основное действующее вещество известковых удобрений - кальций, который вызывает коагуляцию (укрупнение) почвенных коллоидов. Как следствие - улучшается структура почвы и повышается её водопрочность. Кроме того, возрастает водопроницаемость и аэрация почвы, уменьшается образование почвенной корки и значительно облегчается обработка почв. Повышается жизнедеятельность свободноживущих и клубеньковых азотфиксирующих бактерий, развивающихся в основном в ризосфере многолетних бобовых трав. Происходит обогащение почвы биологическим азотом за счёт азота воздуха. Создаются условия для жизнедеятельности бактерий, минерализующих органические фосфаты. Усиливается мобилизация фосфатов почвы и улучшается питание растений фосфором.

Научными учреждениями области и региона накоплен положительный опыт устранения повышенной кислотности не только серых лесостепных оподзоленных почв, но и черноземов. Установлены факторы и технологические приемы нейтрализации почвенной кислотности.

В Белгородском научно-исследовательском институте сельского хозяйства в 1987 году заложен полевой опыт, где изучалось влияние агротехнических приемов на изменение свойств почвы. Исходные величины гидролитической кислотности чернозёма типичного на опытном участке перед закладкой опыта составляли 2,5-3,5 ммоль/100 г почвы.

Результаты опытов свидетельствуют, что за 10-летний период в почве зернотравяного севооборота произошло снижение гидролитической кислотности. Однако, на варианте без внесения удобрений кислотность снизилась на 0,47-0,62 ммоль, а с их внесением лишь на 0,32-0,47 ммоль на 100 г почвы. Кислотность снизилась значительно в большей степени под влиянием навоза. Ее величина снизилась здесь за отмеченный промежуток времени на 0,56-1,05 ммоль/100 г почвы (табл.5.11).

Таблица 5.11. Изменение (+, -) гидролитической кислотности пахотного слоя чернозёма типичного под влиянием агротехнических приемов, ммоль/100 г почвы

Внесено на 1 га севооборот- ной площади		Зернотравянопропашной севооборот			Зернопропашной севооборот			Зернопаропропаш- ной севооборот
навоз, т	NPK, кг д. в.	В*	Б	М	В	Б	М	В	Б	М
0	0	-0,47	-0,57	-0,62	0,87	0,91	0,90	1,02	1,16	1, 20
	42-62, 62,62	-0,46	-0,52	-0,58	0,99	1,13	1,18	1,04	1, 19	1,29
	84-124,124,124	-0,32	-0,40	-0,47	1,06	1,25	1,32	1,23	1,29	1,36
8	0	-0,56	-0,74	-0,84	0,60	0,65	0,71	0,64	0,74	0,80
	42-62, 62,62	-0,51	-0,62	-0,75	0,78	0,81	0,86	0,90	0,85	0,96
	84-124,124,124	-0,40	-0,54	-0,56	0,93	0,98	1,07	1,08	1,12	1,15
16	0	-0,72	-0,90	-1,05	0,43	0,50	0,59	0,49	0,73	0,67
	42-62, 62,62	-0,56	-0,66	-0,80	0,56	0,63	0,79	0,66	0,84	0,81
	84-124,124,124	-0,30	-0,41	-0,65	0,71	0,75	0,88	0,78	1,13	1,24

 

*В - вспашка, Б - безотвальная обработка, М - минимальная обработка почвы.

 

В почве, занятой культурами пропашных севооборотов, особенно зернопаропропашного, на вариантах без внесения удобрений наблюдается увеличение гидролитической кислотности на 1,02-1,20 ммоль и еще больше с их внесением - на 1,23-1,35 ммоль/100 г почвы (в таблице эти показатели выделены цветом).

Глубокая заделка минеральных удобрений при вспашке подкисляет пахотный слой почвы меньше, чем поверхностная минимальная и безотвальная обработки. Внесение удобрений за две ротации пропашных севооборотов увеличивает кислотность по вспашке на 0,78 ммоль, а минимальной обработке - на 1,24 ммоль/100 г почвы.

В процессе опыта в пропашных севооборотах с отсутствием многолетних бобовых трав выявлена закономерность увеличения кислотности почвы, не зависимо от того, вносятся удобрения или нет. Внесение органических удобрений в этом случае снижает темпы роста кислотности примерно в 1,5-2,0 раза в сравнении с вариантами внесения только минеральных удобрений.

Таким образом, даже применение простых агротехнических приемов как травосеяние и органические удобрения способствует снижению кислотности почв.