Поглотительная способность почв ее роль питании

Лекция 2б — Виды поглотительной способности почвы, их роль во взаимо-действии почвы с удобрениями и в питании растений

Поглотительная способностью почвы — способность ее поглощать различные вещества из раствора, проходящего через нее и удерживать их. К.К.Гедройц различал пять видов поглотительной способности почв: механическую, физическую (адсорбцию), химическую, физико – химическую (обменную) и биологическую.

Механическая поглотительная способность – свойство почвы, как пористого тела, не пропускать через себя частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, если они больше, чем поры почвы. Механическое поглощение сохраняет от потерь наиболее ценную, коллоидную часть почвы. Чем тяжелее механический состав почвы, тем больше задерживается коллоидных частиц.

Физическая поглотительная способность возникает на границе почвенных коллоидных частиц и почвенного раствора и зависит от суммарной поверхности твердых частиц. Чем больше в почве мелкодисперсных частиц, тем больше суммарная поверхность и тем сильнее физическое поглощение. Различают положительную и отрицательную адсорбцию. При положительной молекулы растворенного вещества притягиваются частицами почвы сильнее, чем молекулы воды; на поверхности коллоидных частиц создается повышенная концентрация этого вещества. Физически поглощаются многие органические соединения — спирты, органические кислоты и основания. Из минеральных веществ — только щелочи. Отрицательная адсорбция характерна для растворимых минеральных солей и неорганических кислот, например при взаимодействии почвы с хлором и нитратами, что обусловливает их высокую подвижность. Для хлоридов это имеет положительное значение, так как их избыток вреден для растений. Поэтому хлорсодержащие удобрения предпочтительно вносить с осени, чтобы хлор хотя бы частично вымывался из пахотного слоя почвы. Для нитратов такое вымывание нежелательно, поэтому нитратные удобрения лучше вносить весной, незадолго до посева или в подкормку. Промываемость нитратов будет определяться структурой почвы. Наличие устойчивых капилляров ведет к потерям нитратов. При бороновании происходит разрушение капилляров и потери NО₃ уменьшаются.

Химическая поглотительная способность связана с образованием трудно- или нерастворимых в воде соединений при взаимодействии ионов растворенных веществ (в т.ч. удобрений) с ионами почвы. Эти соединения выпадают в осадок и примешиваются к твердой фазе почвы. Химическое поглощение характерно для Н₃РО₄, ионов СО₃ и SО₄, катионов Са и Мg.

Минеральные кислоты, встречающиеся в почве, обладают различной способностью образовывать нерастворимые в воде соли. Анионы азотной и соляной кислот (NО₃ — и Сl — ) с почвенными катионами (К, Са, Мg, Аl, Fе, NН₄) не образуют нерастворимых в воде соединений, химически не поглощаются. С этим связана высокая подвижность NО₃ и Сl в почве (соли КNО₃, NН₄Сl растворимы в воде). Анионы угольной и серной кислот (СО₃ 2- и SО₄ 2- ):

1) с одновалентными катионами образуют растворимые соли (К₂SО₄, Nа₂СО₃);

2) с двухвалентными катионами образуют труднорастворимые соединения (СаSО₄, СаСО₃). Поэтому в почвах с большим количеством кальция и магния (черноземы) эти анионы химически поглощаются.

Анионы фосфорной кислоты (Н₂РО₄ — , НРО₄ 2- , РО₄ 3- ) поглощаются почвой по-разному:

1)С одновалентными катионами образуют хорошо растворимые в воде соединения: КН₂РО₄ К₂НРО₄ К₃РО₄

2)С двухвалентными катионами образуют соли различной растворимости:

СаНРО₄ — нерастворимое в воде, но растворимо в слабых кислотах

Са₃(РО₄)₂ – нерастворимое в воде и слабых кислотах соединение

3)С трехвалентными катионами (Аl, Fе) образуют труднорастворимые соединения (АlРО₄, FеРО₄), доступные растениями только в свежеосажденном виде. Поскольку в почвах мало фосфорных соединений одновалентных катионов и однозамещенных солей двухвалентных катионов, следовательно, Н₃РО₄ хорошо поглощается химически. Это играет большую роль в превращении водорастворимых фосфорных удобрений в почве.

Химическое поглощение фосфорных соединений на различных почвах протекает по-разному:

1)В почвах с нейтральной и слабощелочной реакцией (черноземы, сероземы)

химическое поглощение фосфорной кислоты и ее водорастворимых солей

происходит в результате образования не растворимых в воде, но растворимых в слабых кислотах фосфатов кальция, которые усваиваются растениями:

2)Если в почвах много карбонатов, образуются трехзамещенные фосфаты кальция, не растворимые в воде и слабых кислотах — Са₃(РО₄)₂

При подкислении почвенного раствора (например, под влиянием азотной кислоты, образующейся в результате нитрификации) трехзамещенные фосфаты снова переходят в однозамещенные, растворимые в воде и доступные для растений:

3)На кислых почвах, в которых много свободных полуторных окислов, поглощение Н₃РО₄ идет по пути образования фосфатов алюминия и железа:

Свежеосажденные фосфаты алюминия и железа аморфны и могут усваиваться растениями. По мере старения осадков образуются нерастворимые соединения. Поэтому фосфаты в дерново-подзолистых почвах и красноземах закрепляются значительно прочнее, чем в черноземах и сероземах. Интенсивное химическое поглощение солей фосфорной кислоты обусловливает слабую подвижность фосфатов в почве и снижение доступности фосфора для растений. С целью снижения этого процесса проводят грануляцию фосфорных удобрений и их локальное внесение.

Обменная поглотительная способность почв (физико-химическое поглощение). Она имеет большое значение для поглощенных катионов, а анионы обменно практически не поглощаются. Обменное поглощение катионов – способность мелкодисперсных коллоидных частиц почвы, имеющих отрицательный заряд, поглощать различные катионы из раствора. При этом в раствор вытесняется эквивалентное количество ранее поглощенных твердой фазой почвы других катионов. Обменное поглощение катионов определяет физические и физико-химические свойства почвы: ее структуру, реакцию, буферность. Обменное поглощение связано с органическими и минеральными коллоидами почвы. Обменно поглощаются практически все минеральные удобрения.

Суть физического поглощения состоит в том, что происходит молекулярная адсорбция внесенных удобрений; а химическое поглощение заключается в том, что кальций и калий (в данном случае) обмениваются в эквивалентных количествах. Реакция обмена с ППК происходит очень быстро.

Разные катионы с неодинаковой энергией поглощаются почвой и удерживаются ею в поглощенном состоянии. Чем больше атомная масса и заряд катиона, тем сильнее он поглощается и труднее вытесняется из почвы другими катионами. Однако водород, имеющий наименьшую атомную массу и валентность, обладает высокой энергией поглощения и способностью вытеснять из ППК другие катионы.

Биологическая поглотительная способность почв – это свойство почвы задерживать и накапливать питательные вещества в корнеобитаемом слое в результате биологической деятельности живых организмов и корневой системы растений. Отличительная особенность биологического поглощения – его избирательность. Растения и микроорганизмы усваивают из почвы и удобрений те элементы, которые им необходимы для построения их тел. К биологическому поглощению относятся: 1)процессы переноса корнями ряда растений питательных элементов из нижних горизонтов почвы в верхний слой. Поэтому, в частности, в пахотном слое почвы содержится больше фосфора, чем в материнской породе. 2)Фиксация азота из воздуха свободноживущими и симбиотическими микроорганизмами. 3)Иммобилизация — закрепление питательных веществ в телах микроорганизмов в процессе их жизнедеятельности. Процесс этот обратимый, и после отмирания микроорганизмов и минерализации их плазмы питательные элементы возвращаются в почву. В зависимости от конкретных условий биологическое поглощение может играть положительную или отрицательную роль в питании растений. С одной стороны, временное закрепление нитратов корневой системой и микроорганизмами уменьшает их потери от вымывания. С другой – при усиленном размножении микроорганизмов происходит их конкуренция с высшими сельскохозяйственными растениями за элементы пищи. Поэтому не рекомендуется вносить в почву слаборазложившийся навоз.

Необменное поглощение. Наряду с вышеуказанными видами поглотительной способности почв имеется так называемое необменное поглощение катионов, которое в значительной мере определяется механическим и минералогическим составом почвы и имеет место у минералов группы монтмориллонита и гидрослюд с трехслойной кристаллической решеткой. Необменное поглощение характерно для NН₄, К, Rb, Сs. Калий и аммоний в условиях попеременного увлажнения и высушивания переходят в необменно-поглощенное состояние, при этом аммоний слабо (на 10 – 20%) доступен нитрифицирующим бактериям. На черноземных почвах необменная фиксация выражена сильнее. Для уменьшения этого явления калийные и аммонийные удобрения следует вносить в слой постоянного увлажнения, предпочтительно локально – для уменьшения контакта с почвой.

Источник

Поглотительная способность почвы

Большую роль в питании растений и в превращении внесенных в почву удобрений играет ее поглотительная способность. Под поглотительной способностью понимается способность почвы поглощать различные вещества из раствора, проходящего через нее, и удерживать их. Основы современных представлений о поглотительной способности почвы были заложены работами академика К. К. Гедройца. Он различал пять видов поглощения в почве.

Биологическая поглотительная способность связана с жизнедеятельностью растений и почвенных микроорганизмов, которые избирательно поглощают из почвы необходимые элементы минерального питания, переводят их в органическую форму и предохраняют тем самым от выщелачивания. После отмирания корней, растительных остатков и тел микроорганизмов происходят их разложение и постепенная гумификация. Минерализация и последующее использование растениями ранее закрепленного в почве в органической форме азота, фосфора и серы протекают довольно медленными темпами.

Интенсивность биологического поглощения зависит от аэрации, влажности и других свойств почвы, от количества и состава органического вещества, служащего источником пищи и энергетического материала для преобладающих в почве гетеротрофных микроорганизмов. Внесение в почву значительного количества бедного азотом органического вещества (соломы или соломистого навоза) вызывает быстрое размножение микроорганизмов, сопровождающееся интенсивным биологическим, закреплением минеральных форм азота, что приводит к ухудшению азотного питания растений и снижению урожая. В то же время биологическое поглощение способствует закреплению нитратного азота, который никаким другим путем в почве не удерживается и может вымываться, особенно на легких почвах в зонах достаточного увлажнения и орошаемого земледелия.

Механическая поглотительная способность обусловлена свойством почвы, как всякого пористого тела, задерживать мелкие частицы из фильтрующихся суспензий. Механическим поглощением объясняется сохранение и характер распределения в почве илистых частиц и вносимых нерастворимых удобрений (фосфоритной муки, извести). Благодаря механической поглотительной способности они не вымываются из верхнего слоя почвы.

Физическая поглотительная способность — это положительная или отрицательная адсорбция частицами почвы целых молекул растворенных веществ. Положительная физическая адсорбция почвой растворимых минеральных солей неизвестна. Отрицательная абсорбация наблюдается при взаимодействии почвы с растворами хлоридов и нитратов, что обусловливает высокую подвижность их в почве и возможность вымывания из ее верхнего слоя при повышенной влажности. Это имеет положительное значение для Сl — иона (избыток которого вреден для некоторых растений), но для нитратов оно нежелательно.

Химическая поглотительная способность связана с образованием нерастворимых и труднорастворимых в воде соединений в результате химических реакций между отдельными растворимыми солями в почве (ионами в почвенном растворе).

Особую роль химическое поглощение играет в превращении фосфора в почве. При внесении водорастворимых фосфорных удобрений — суперфосфата, содержащего фосфор в виде монокальцийфосфата Са(H₂PO₄)₂, аммофоса NH₄H₂PO₄ и др.- в почвах происходит интенсивное химическое связывание фосфора. В кислых почвах (в подзолистых и красноземах), содержащих много полуторных окислов, химическое поглощение фосфора идет с образованием труднорастворимых фосфатов железа и алюминия. В почвах, насыщенных основаниями и содержащих бикарбонат кальция в почвенном растворе (черноземы, сероземы), химическое связывание фосфора происходит в результате образования слаборастворимых фосфатов кальция.

Химическое поглощение (фиксация) фосфора обусловливает слабую подвижность его в почве и снижает доступность растениям этого элемента из внесенных в почву легкорастворимых форм удобрений. По способности к фиксации фосфора почвы располагаются в следующем порядке: красноземы далее дерново-подзолистые почвы далее сероземы далее черноземы.

Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность имеет особенно важное значение при взаимодействии удобрений с почвой. Физико-химическое поглощение — это способность мелкодисперсных (от 0, 2 до 0, 001 мкм) коллоидных частиц почвы поглощать из раствора различные катионы. Поглощение одних катионов сопровождается вытеснением в раствор эквивалентного количества других, ранее связанных твердой фазой почвы.

Вся совокупность органических и минеральных коллоидных частиц почвы (представленных гумусовыми веществами, глинистыми минералами и гидроксидами железа и алюминия), участвующих в обменном поглощении катионов, была названа К. К- Гедройцем почвенным поглощающим комплексом (ППК).

Способность органических и минеральных коллоидных частиц к обменному поглощению катионов обусловлена тем, что большая часть их имеет отрицательные заряды.

В естественном состоянии почвы всегда содержат определенное количество поглощенных катионов (Са 2+ , Mg 2+ , Н + , Аl 3+ , Na + , K + , NH₄ + и др.). Эти катионы могут обмениваться на другие катионы, находящиеся в растворе.

Обмен катионами между раствором и почвенным поглощающим комплексом происходит в строго эквивалентных количествах.

Реакция обмена катионов протекает быстро. При внесении в почву легкорастворимых удобрений (КСl, NH₄Cl, NH₄NO₃ и др.) они сразу же вступают во взаимодействие с ППК, катионы их поглощаются в обмен на катионы, ранее находившиеся в поглощенном состоянии.

Реакция обмена катионов обратима, так как поглощенный почвой катион может быть снова вытеснен в раствор:

В зависимости от концентрации раствора, его объема и природы обменивающихся катионов между катионами раствора и катионами почвенного поглощающего комплекса устанавливается некоторое подвижное равновесие. При изменении состава почвенного раствора это равновесие смещается, в результате одни катионы переходят из раствора в поглощенное состояние, а другие — из поглощенного состояния в почвенный раствор. При внесении минеральных удобрений, например KCl, концентрация почвенного раствора повышается, катионы удобрения вступают в обменную реакцию с катионами почвенного поглощающего комплекса и поглощаются почвой.

При усвоении какого-либо катиона растениями концентрация его в растворе уменьшается, он переходит из поглощенного состояния в раствор в обмен па другие катионы, содержащиеся в почвенном растворе. Чем выше степень насыщенности поглощающего комплекса данным катионом, тем легче и быстрее он вытесняется в раствор. Количество катионов, вытесняемых из поглощенного состояния в раствор, возрастает с повышением концентрации раствора, а при одинаковой концентрации — с увеличением объема раствора вытесняющей соли.

Разные катионы обладают неодинаковой способностью к поглощению. Чем больше заряд (валентность) катиона и его атомная масса, тем сильнее он поглощается и труднее вытесняется из поглощенного состояния другими катионами. Исключение из этого правила составляют ионы Н + , которые имеют наименьшую атомную массу, но обладают высокой энергией поглощения и способностью вытеснять другие катионы из ППК.

Емкость поглощения и состав поглощенных катионов у разных почв. Разные почвы содержат неодинаковое количество способных к обмену поглощенных катионов. Общее содержание в почве всех обменно-поглощенных катионов называется емкостью поглощения. Она обозначается буквой Т и выражается в миллиграмм-эквивалентах на 100 г почвы. Например, если в 100 г почвы в поглощенном состоянии содержится 200 мг Са 2+ , 24 мг Mg 2+ и 9 мг NH₄ + , то емкость поглощения этой почвы будет равна;

(где 20—эквивалентная масса кальция, 12 — магния, 18 — аммония).

Величина емкости поглощения характеризует поглотительную способность почв. Она зависит от механического и минералогического состава почвы и содержания в ней органического вещества. Почвы с малым количеством коллоидной фракции (песчаные и супесчаные) имеют невысокую емкость поглощения. Чем больше в почве минеральных и органических коллоидных частиц, тем выше ее поглотительная способность. У глинистых и суглинистых почв емкость поглощения больше, чем у песчаных и супесчаных. Более богатые органическим веществом черноземные почвы отличаются значительно более высокой емкостью поглощения (30—60 мэкв на 100 г), чем подзолистые почвы и сероземы (10—15 мэкв на 100 г).

Поглотительная способность почвы оказывает большое влияние на превращение в ней минеральных удобрений, определяет степень подвижности их в почве. На почвах с малой поглотительной способностью (песчаных и супесчаных) при внесении легкорастворимых удобрений возможно вымывание питательных веществ и излишнее повышение концентрации раствора, поэтому азотные и калийные удобрения на таких почвах лучше вносить небольшими дозами и незадолго до посева. На почвах с высокой поглотительной способностью вымывания питательных веществ и избыючного увеличения концентрации раствора не происходит.

Разные почвы отличаются не только по общей емкости поглощения, но и по составу поглощенных катионов.

В большинстве почв в составе поглощенных катионов преобладает Са 2+ , второе место занимает Mg 2+ и в значительно меньших количествах находятся К + и NH₄ + . Сумма Са 2+ и Mg 2+ обычно составляет около 90% общего количества обменно-поглощенных катионов. В кислых почвах (подзолистых и красноземах) среди поглощенных катионов значительную часть занимают Н + и А1 3+ , а в солонцовых почвах — Na +

Состав поглощенных катионов оказывает большое влияние па свойства почвы и условия роста растений. Кальций коагулирует органические и минеральные коллоиды. Поэтому преобладание в составе поглощенных катионов Са 2+ , например на черноземах, способствует поддержанию прочной структуры и обусловливает хорошие физические свойства почвы. Насыщение почвы натрием (у солонцовых почв) вызывает пептизацию коллоидов, что приводит к их вымыванию, разрушению структурных агрегатов и ухудшению физических свойств почвы (плотное сложение, вязкость и т. д.). Кроме того, при наличии натрия в почвенном поглощающем комплексе происходит вытеснение его в раствор в обмен на другие катионы с образованием соды, что вызывает щелочную реакцию раствора, неблагоприятную для развития растений:

При большом содержании в почвенном поглощающем комплексе ионов водорода и алюминия они могут переходить в раствор и подкислять его.

Повышенная кислотность раствора и особенно высокое содержание в нем алюминия оказывают вредное действие на растения.

Источник