Химический состав почвенных растворов различных типов почв

 

Формирование состава почвенных растворов - сложный процесс, который обусловливается 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[2].

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 органоминеральными соединениями. По данным К. К. Гедройца, коллоиды составляют от 1/10 до 1/4 от общего количества веществ, находящихся в почвенном растворе.

К важнейшим катионам почвенного раствора относятся: Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺, NH⁴⁺, Н⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Fe²⁺. Среди анионов преобладают HCO₃^-; СО₃^2-, NO₃^-, N0₂^-, Cl^-, SO₄^2-, Н₂РО₄^-, НРО₄^2-.

Железо, алюминий и многие микроэлементы (Сu, Ni, V, Сг и др.) в почвенных растворах содержатся главным образом в виде комплексных органоминеральных соединений, где органическая часть комплексов представлена гумусовыми и низкомолекулярными органическими кислотами, полифенолами и другими 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 pH - отрицательным логарифмом активности водородных ионов. pH 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)[2].

Подзолистые почвы

 

Концентрация почвенного раствора подзолистой почвы мала, как и в красноземах, и желтоземах. Во влажные сезоны концентрация составляет 0,3-1г/л, в сухие 2-4г/л, отношение органических веществ к минеральным составляет 1:5 - 1:15. Реакция почвенного раствора часто бывает кислой. Соединения железа, кремния, алюминия и легкорастворимые углекислые, сернокислые и хлористые соли в растворах подзолистых и красноземных почв представлены сотыми и тысячными долями грамма на литр. Почвенные растворы подзолистых почв Московской области характеризуются низкими концентрациями всех минеральных компонентов (сумма не более 1г/л). Во втором полуметре почвенного профиля наблюдается большое содержание органического вещества (0,1-0,5 г/л), представленного в основном фульвокислотами, кислая реакция среды (рН 4-5,5), присутствие аммиака и подвижных форм кремнезема и железа. С глубиной количество органического вещества в жидкой фазе почвы постепенно уменьшается, что говорит о закреплении мигрирующих воднорастворимых веществ в почвенном профиле. Содержание кальция низкое по сревнению с подстилкой (0,3-1,5 мг-экв/л). Лесная подстилка подзолистых почв характеризуется максимальным во всем профиле содержанием органического вещества (3-4 г/л), повышенными концентрациями кальция (до 7-15 мг-экв/л)[2][8].

Окультуренные подзолистые почвы отличаются от целинных тем, что имеют слабокислую реакцию среды - рН 5,5-6,5, более высокой концентрацией кальция - до 18 мг-экв/л и меньшим количеством растворенного органического вещества. И весной, и осенью в почвенных растворах подзолистой почвы явно доминирует железо, связанное с органическим веществом. Растворы содержат значительное количество Al и растворенных органических веществ. При переходе к минеральным горизонтам количество углерода в растворах резко снижается, а значения рН немного увеличиваются[2].

Болотные почвы

 

Болотные почвы формируются в разных почвенно-климатических зонах в условиях избыточного увлажнения. Они наиболее распространены в таежно-лесной и тундровой зонах.

В более южных зонах эти почвы представлены в основном болотными пойменными почвами степей, буроземно-лесными болотными почвами, болотными почвами сероземной зоны и субтропических областей[2].

Ничтожной концентрацией отличаются почвенные растворы, циркулирующие в сфагновых болотных почвах. По данным А. В. Пичугина, концентрация почвенных растворов сфагновых болот Белоруссии составляет около 80-90 мг/л, а pH составляет 5. В числе минеральных веществ преобладают бикарбонаты и сульфаты щелочных земель, содержание соединений железа, кремнезема, хлор-иона составляет 5-10 мг/л каждого.

Почвенные растворы осушенных и освоенных торфяных болотных почв севера Русской равнины также характеризуются небольшими концентрациями минеральных веществ и значительными органических соединений. Они содержат от 3,5 до 8,4 мг-экв/л кальция (иногда до 20- 80 мг-экв/л), от 2-3 до 12,9 мг-экв/л магния, небольшие количества железа, калия и натрия, очень немного соединений фосфора.

Иногда в них имеется заметное количество хлор-иона (30-60-80 мг-экв/л на участках, регулярно удобряемых хлористыми калийными солями) и сульфат-иона (2-1-15 мг-экв/л). Часто констатируется аммоний и всегда присутствует небольшое количество нитратов-2-б-9 мг-экв/л (особенно под пропашными культурами). Было обнаружено, что в пахотных горизонтах осушенных торфяных почв концентрации почти всех компонентов значительно выше, чем в глубоких подпахотных горизонтах. В сухое время года, т. е. летом, наблюдалось интенсивное сезонное накопление растворимых солей, особенно хлоридов, а также подвижного органического вещества. Интересно отметить, что подобные почвы обладают нейтральной или даже слабощелочной реакцией (pH почвенного раствора 6-8). Весной, после снеготаяния, и после летних или осенних дождей концентрация большинства соединений в растворах уменьшается. И. Н. Скрынникова обнаружила также, что концентрация кальция, магния, калия, нитратов может значительно уменьшаться летом вследствие биологического поглощения (микроорганизмы, корни растущих растений).

Главные источники минеральных соединений и азота в почвенных растворах торфяных почв - продукты минерализации торфа, грунтовые воды и вносимые удобрения [2].

 

Бурые лесные почвы (на примере почв восточного Сихоте-Алиня)

 

Бурые лесные почвы распространены в Карпатах, Кодрах, Крыму, на Кавказе и юге Дальнего Востока под широколиственными или хвойно-широколиственными лесами и развиваются в условиях влажного и теплого лета при промывном типе водного режима[1].

Региональный фактор обусловливает кальциевый химизм биологического круговорота и ферсиаллитный тип выветривания, что отражается в концентрациях и соотношениях ионов в составе почвенных вод вне зависимости от характера пород и местоположения разреза.

Влияние локального экзогенного фактора (близость моря) проявляется в повышении концентраций Сl^- и Na⁺, тогда как литогенный фактор (присутствие сульфидов) обусловливает специфику, выражающуюся в увеличении кислотности, концентраций SO₄^2-, Fe, Al, Mn и С_орг в растворах (особенно в нижней части профиля). В почвах, развитых на карбонатной породе, влияние литогенного фактора проявляется также в основном в нижней части профиля: почвенные растворы характеризуются близкими к нейтральным значениями рН, при переходе к гор. ВС реакция становится слабощелочной, увеличивается содержание Са²⁺ и НСО₃^-. Концентрации железа и Al напротив, понижены. Повышенная концентрация сульфатов обусловлена полиметаллической сульфидной минерализацией [8].

Серые лесные почвы

 

Серые лесные почвы распространены преимущественно в северной части лесостепной зоны.

Состав почвенных растворов серсерых лесных почв близок к растворам бурых лесных почв. Сравнительное изучение лизиметрических вод и почвенных растворов, вытесненных спиртом, показало, что лизиметрические воды из двух типов почв различаются статистически значимо по содержанию железа и алюминия; кремния (выше в серых лесных) и бикарбонат-ионов (выше в бурых лесных). Остальные показатели (рН, общая кислотность содержание Са, К и Mg) с учетом варьирования не различаются. Значения рН варьируют в интервале 6,9-7,5, общая кислотность составляет 0,14-0,36 ммоль-экв/л, суммарное содержание Са и Mg - 1,45-1,55, К - сотые доли ммоль-экв/л. Воды содержат 3-5 ммоль-экв/л кремнекислоты и 0,5-0,7 ммоль-экв/л бикарбонатов. Почвенные растворы различаются достоверно только по рН: 6,6 и 7,5 (серая и бурая лесная, соответственно); при этом концентрация всех элементов в 3-7 раз выше по сравнению с лизиметрическими водами[8].

Черноземные почвы

 

Черноземы сформировались под степной и разнотравно-степной растительностью и характеризуются большими запасами органического вещества[1].

Концентрация почвенных растворов выше, чем в подзолистых и болотных почвах и достигает 1-3 г/л. 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). Общая концентрация раствора, содержание растворенных органических веществ, бикарбонат-ионов, ионов К и Cl вниз по профилю снижается, а SO₄^2- - увеличивается[2].

Сероземы

почва раствор подзолистый болотный

Почвенные растворы незаселенных сероземов Средней Азии также имеют невысокую концентрацию - 0,5-1,5 г/л; в составе растворенных солей в них преобладают бикарбонаты щелочных земель, содержится некоторое количество сульфатов, хлоридов и нитратов.

Орошаемые незасоленные сероземы имеют более высокую концентрацию почвенного раствора, составляющую 2-7 г/л. Увеличение концентрации почвенных растворов в орошаемых сероземах происходит за счет сернокислых и хлористых солей, поступающих с поливными водами[2].

Засоленные почвы

 

К засоленным почвам относят солончаки, солончаковатые почвы и солонцы, которые широко распространены в зоне сухих и пустынных степей, встречаются они в степной, лесостепной и таежнолесной зонах[1].

Солончаки - почвы, содержащие большое количество водорастворимых солей с самой поверхности. В зависимости от химизма засоления количество солей в верхнем горизонте солончаков колеблется от 0,6-0,7 до 2-3% и более.

Солончаки гидроморфные (Ск^г) развиваются в условиях близкого залегания минерализованных грунтовых вод. Солончаки автоморфные (Ск^а) формируются на засоленных почвообразующих породах при глубоком залегании грунтовых вод.

Солонцами называют почвы, содержащие в поглощенном состоянии большое количество обменного натрия, а в ряде случаев и магния. Профиль их резко дифференцирован и характеризуется неблагоприятными агрономическими свойствами. В отличие от солончаков солонцы содержат водорастворимые соли не в самом верхнем горизонте, а на некоторой глубине.

Солоди распространены в лесостепной и степной зонах, они встречаются также среди почв сухих и полупустынных степей. Повсеместно приурочены к понижениям, испытывающим временное избыточное увлажнение[1].

В солодях и особенно в солонцах резко возрастает количество иона натрия, появляется ион СО₃^-, что обеспечивает в солонцах, в частности, щелочную реакцию почвенных растворов. Максимальное содержание солей (до десятков и сотен граммов на 1л) 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 гидрокарбонатнокальциевый состав почвенных растворов (преобладание этих двух ионов), то в почвенных растворах засоленных почв преобладающая доля принадлежит хлоридам и сульфатам магния и натрия.

Почвенные растворы солонцов, особенно содовых, имеют сильнощелочную реакцию, содержат тонкие суспензии и коллоиды минеральных и органических соединений, а также бикарбонаты щелочей, алюминаты и силикаты щелочей и растворенное органическое вещество.

Слабозасоленные луговые орошаемые почвы имеют уже значительно более высокую концентрацию почвенного раствора, порядка 10-20 г/л (в разное время года). В составе почвенных растворов преобладают сульфаты кальция, магния, натрия. Бикарбонаты щелочных земель, хлориды и нитраты занимают подчиненное место.

В солончаковых почвах и солончаках Закавказья и Средней Азии концентрация почвенных растворов достигает колоссальных величин, составляя в разное время года 250-350-420 г/л[2].

В составе почвенных растворов сильнозасоленных почв и солончаков преобладающая доля принадлежит хлоридам и сульфатам натрия и магния. Концентрация хлор-иона в этих случаях иногда достигает 100- 160 г/л. Иногда отмечается необычайно высокая концентрация нитратов- до 20-30 г/л N0₃^-[2].

 

 

Красноземы

 

Состав жидкой фазы почв влажных субтропиков составляет полную противоположность растворам ксероморфных почв. Так, лизиметрические растворы красноземов, формирующихся в условиях высокой влажности, промывного режима и хорошего дренажа (почва развита на сильно выветрелом галечнике), отражают процесс интенсивного выветривания алюмосиликатов, отсутствие солей, ненасыщенность почвенного поглощающего комплекса основаниями, то есть имеют черты, характерные для лесных кислых почв. По ряду свойств растворы близки к подзолистым почвам. Лизиметрические воды характеризуются слабокислой реакцией, интенсивной миграцией Si, Al, Са и Mg. Вынос кремния примерно в 2 раза превышает вынос Al. Отличие от северных лесных почв проявляется в очень слабой миграции Fe (часто обнаруживается в следовых количествах) по крайней мере, в ионной форме (не исключена миграция в виде органо-минеральных соединений коллоидного характера).

Растворы красноземов также содержат меньше водорастворимых органических соединений. Почвенные растворы большинства почв насыщены соединениями железа, марганца, кремнезема, бикарбонатами кальция. Поэтому испарение или транспирация этих растворов сопровождается осаждением насыщающих соединений в твердую фазу почвы. Концентрация подвижных соединений кремнезема в почвенных растворах значительно выше, чем в грунтовых водах [8].

 

 

Заключение

 

Оптимальны для сельскохозяйственных растений концентрации и состав почвенных растворов лесных буроземов, серых лесных почв, черноземов, луговых почв долин и незасоленных орошаемых почв. Наилучшее развитие большинства сельскохозяйственных растений происходит при концентрации почвенных растворов в течение вегетационного периода в пределах 3-6 и не выше 10-12 г/л. В этих случаях в составе почвенных растворов преобладают бикарбонаты и сульфаты кальция и в достаточной мере представлены элементы минерального питания растений. Снижение концентрации почвенных растворов до 2-1 г/л и меньше свидетельствует о недостатке элементов минерального питания растений. Увеличение концентрации почвенных растворов за пределы 10-12 г/л вызывает угнетение большинства сельскохозяйственных растений, а при концентрации 20-25 г/л и выше большинство сельскохозяйственных растений развивается ненормально или гибнет.

Отрицательное влияние концентрированных почвенных растворов на сельскохозяйственные растения обязано нескольким факторам: высокому осмотическому давлению, мешающему нормальному поступлению влаги и питательных веществ в корневые системы растений; отравляющему влиянию карбонатов, хлоридов, сульфатов и нитратов щелочей на ткани растений; нарушению нормального соотношения элементов минерального питания, необходимых для растений.

Известно, что с возрастанием концентрации почвенного раствора до 20-50 г/л и выше осмотическое давление возрастает до 15-25 атм. В солончаках осмотическое давление достигает 50-100 атм. Между тем сосущая сила большинства сельскохозяйственных растений не превышает 10-12 атм.

 

 

Список литературы

 

1) «Практикум по почвоведению», под ред. Кауричева И. С. 3 изд. М.: КолосС, 1980.

)   Ковда В. А. «Основы учения о почвах» ч. 1, ч. 2, М.: «Наука», 1073.

)   «Почвоведение» под ред. Ковды В. А, Розанова Б. Г. ч. 1, ч. 2. М.: Высш. шк., 1988.

)   Костычев П. А. «Почвоведение», курс лекций. Под ред. Вильямса В. Р. М., Л.:ОГИЗ-СЕЛЬХОЗГИЗ, 1940.

)   Орлов Д. С. «Химия почв». М.: Изд-во Моск. ун-та, 1985.

)   Снакин В. В., Присяжная А. А. Рухович О. В. «Состав жидкой фазы почвы»

)   Судницын И. И. «Движение почвенной влаги и водопотребление растений». М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979.

)   Трофимов С. Я., Караванова Е. И. «Жидкая фаза почв». Москва, 2009.