Состав органического вещества почвы по степени подвижности

Состав органического вещества почвы по степени подвижности

Глава 4. ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВЫ И ЕГО СОСТАВ

§1. Источники органического вещества и его состав

Важнейшей составляющей частью почвы является органическое вещество, которое представляет собой сложное сочетание растительных и животных остатков, находящихся на различных стадиях разложения, и специфических почвенных органических веществ, называемых гумусом.

Потенциальным источником органического вещества считают все компоненты биоценоза, которые попадают на или в почву (отмирающие микроорганизмы, мхи, лишайники, животные и т.д.), но основным источником накопления гумуса в почвах служат зеленые растения, которые ежегодно оставляют в почве и на ее поверхности большое количество органического вещества. Биологическая продуктивность растений широко варьирует и находится в пределах от 1– 2 т/год сухого органического вещества (тундра) до 30 – 35 т/год (влажные субтропики).

Растительный опад различается не только количественно, но и качественно (см. главу 2). Химический состав органических веществ, поступающих в почву, очень разнообразен и во многом зависит от типа отмерших растений. Большую часть их массы составляет вода (75 – 90 %). В состав сухого вещества входят углеводы, белки, жиры, воски, смолы, липиды, дубильные вещества и другие соединения. Подавляющее большинство этих соединений – высокомолекулярные вещества. Основная часть растительных остатков состоит главным образом из целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и дубильных веществ, при этом наиболее богаты ими древесные породы. Белка больше всего содержится в бактериях и бобовых растениях, наименьшее его количество обнаружено в древесине.

Кроме того, органические остатки всегда содержат некоторое количество зольных элементов. Основную массу золы составляют кальций, магний, кремний, калий, натрий, фосфор, сера, железо, алюминий, марганец, образующие в составе гумуса органоминеральные комплексонаты. Содержание кремнезема (SiO₂) колеблется от 10 до 70 %, фосфора – от 2 до 10 % массы золы. Название зольных элементов связано с тем, что при сжигании растений они остаются в золе, а не улетучиваются, как это происходит с углеродом, водородом, кислородом и азотом.

В весьма малом количестве в золе встречаются микроэлементы – бор, цинк, йод, фтор, молибден, кобальт, никель, медь и др. Наиболее высокой зольностью обладают водоросли, злаковые и бобовые растения, меньше всего золы содержится в древесине хвойных пород. Состав органического вещества можно представить следующим образом (рис.6).

§2. Трансформация органического вещества в почве

Превращение органических остатков в гумус – сложный биохимический процесс, совершающийся в почве при непосредственном участии микроорганизмов, животных, кислорода воздуха и воды. В этом процессе главная и решающая роль принадлежит микроорганизмам, которые участвуют во всех этапах образования гумуса, чему способствует огромная населенность почв микрофлорой. Животные, населяющие почву, тоже активно участвуют в превращении органических остатков в гумус. Насекомые и их личинки, дождевые черви измельчают и перетирают растительные остатки, перемешивают их с почвой, заглатывают, перерабатывают и выбрасывают неиспользованную часть в виде экскрементов в толщу почвы.

Отмирая, все растительные и животные организмы подвергаются процессам разложения до более простых соединений, конечной стадией которых является полная минерализация органического вещества. Образовавшиеся неорганические вещества используются растениями как элементы питания. Скорость процессов разложения и минерализации различных соединений неодинакова. Интенсивно минерализуются растворимые сахара, крахмал; достаточно хорошо разлагаются белки, гемицеллюлозы и целлюлоза; устойчивы – лигнин, смолы, воски. Другая часть продуктов разложения потребляется самими микроорганизмами (гетеротрофными) для синтеза вторичных белков, жиров, углеводов, образующих плазму новых поколений микроорганизмов, а после отмирания последних снова подвергается процессу разложения. Процесс временного удержания органического вещества в микробной клетке называется микробным синтезом. Часть продуктов разложения превращается в специфические сложные высокомолекулярные вещества – гумусовые вещества. Совокупность сложных биохимических и физико-химических процессов превращения органического вещества, в результате которых образуется специфическое органические вещество почвы – гумус, называется гумификацией. Все три процесса идут в почве одновременно и взаимосвязаны друг с другом. Трансформация органического вещества происходит при участии ферментов, выделяемых микроорганизмами, корнями растений, под влиянием которых осуществляются биохимические реакции гидролиза, окисления, восстановления, брожения и т.д. и образуется гумус.

Существует несколько теорий гумусообразования. Первой в 1952 году появилась конденсационная теория, разработанная М.М.Кононовой. В соответствии с этой теорией образование гумуса идет как постепенный процесс поликонденсации (полимеризации) промежуточных продуктов разложения органических веществ (сначала образуются фульвокислоты, а из них – гуминовые). Концепция биохимического окисления разработана Л.Н.Александровой в 70-е годы XX в. Согласно ей, ведущее значение в процессе гумификации имеют реакции медленного биохимического окисления продуктов разложения, в результате которых образуется система высокомолекулярных гумусовых кислот переменного элементного состава. Гумусовые кислоты вступают во взаимодействие с зольными элементами растительных остатков, освобождающимися в процессе минерализации последних, а также с минеральной частью почвы, образуя различные органо-минеральные производные гумусовых кислот. При этом происходит расщепление единой системы кислот на ряд фракций, различных по степени растворимости и строению молекулы. Менее дисперсная часть, образующая с кальцием и полуторными оксидами нерастворимые в воде соли, формируется как группа гуминовых кислот. Более дисперсная фракция, дающая преимущественно растворимые соли, образует группу фульвокислот. Биологические концепции гумусообразовапия предполагают, что гумусовые вещества – продукты синтеза различных микроорганизмов. Данная точка зрения была высказана В.Р.Вильямсом, она получила развитие в работах Ф.Ю.Гельцера, С.П.Ляха, Д.Г.Звягинцева и др.

В различных природных условиях характер и скорость гумусообразования неодинаковы и зависят от взаимосвязанных условий почвообразования: водно-воздушного и теплового режимов почвы, её гранулометрического состава и физико-химических свойств, состава и характера поступления растительных остатков, видового состава и интенсивности жизнедеятельности микроорганизмов.

Трансформация остатков происходит в аэробных или анаэробных условиях в зависимости от водно-воздушного режима. В аэробных условиях при достаточном количестве влаги в почве, благоприятной температуре и свободном доступе О₂ процесс разложения органических остатков развивается интенсивно при участии аэробных микроорганизмов. Наиболее оптимальными условиями являются температура 25 – 30 °С и влажность – 60 % от полной влагоемкости почвы. Но в этих же условиях быстро идет минерализация как промежуточных продуктов разложения, так и гумусовых веществ, поэтому в почве накапливается относительно мало гумуса, но много элементов зольного и азотного питания растений (в сероземах и других почвах субтропиков).

В анаэробных условиях (при постоянном избытке влаги, а также при низких температурах, недостатке О₂) процессы гумусообразования идут медленно при участии, главным образом, анаэробных микроорганизмов. При этом образуются много низкомолекулярных органических кислот и восстановленные газообразные продукты (СН₄, H₂S), угнетающие жизнедеятельность микроорганизмов. Процесс разложения постепенно затухает, и органические остатки превращаются в торф – массу слаборазложившихся и неразложившихся растительных остатков, частично сохранивших анатомическую структуру. Наиболее благоприятны для накопления гумуса сочетание в почве аэробных и анаэробных условий с чередованием периодов иссушение и увлажнения. Такой режим характерен для черноземов.

Видовой состав почвенных микроорганизмов и интенсивность их жизнедеятельности также влияют на образование гумуса. Северные подзолистые почвы в результате специфических гидротермических условий характеризуются наименьшим содержанием микроорганизмов с небольшим видовым разнообразием и низкой жизнедеятельностью. Следствием этого является медленное разложение растительных остатков и накопление слаборазложенного торфа. Во влажных субтропиках и тропиках отмечаются интенсивное развитие микробиологической деятельности и в связи с этим активная минерализация остатков. Сопоставление запасов гумуса в различных почвах с разным количеством микроорганизмов в них свидетельствует о том, что как очень слабая, так и высокая биогенность почвы не способствует накоплению гумуса. Наибольшее количество гумуса накапливается в почвах со средним содержанием микроорганизмов (черноземы).

Гранулометрический состав и физико-химические свойства почвы имеют не менее значительное влияние. В песчаных и супесчаных хорошо прогреваемых и аэрируемых почвах разложение органических остатков идет быстро, значительная часть их минерализуется, гумусовые веществ мало и они плохо закрепляются на поверхности песчаных частиц. В глинистых и суглинистых почвах процесс разложения органических остатков при равных условиях происходит медленнее (из-за недостатка О₂), гумусовых вещества закрепляются на поверхности минеральных частиц и накапливаются в почве.

Химический и минералогический состав почвы определяет количество питательных веществ, необходимых для микроорганизмов, реакцию среды, в которой идет образование гумуса, и условия для закрепления гумусовых веществ в почве. Так, почвы, насыщенные кальцием, имеют нейтральную реакцию, которая благоприятна для развития бактерий и закрепления гуминовых кислот в виде нерастворимых в воде гуматов кальция, что обогащает ее гумусом. В кислой среде при насыщенности почв водородом и алюминием образуются растворимые фульвокислоты, которые имеют повышенную подвижность и ведут к большому накоплению гумуса. Закреплению гумуса в почве способствуют также глинистые минералы типа монтмориллонита и вермикулита.

В связи с различием в факторах, влияющих на образование гумуса, в разных почвах количество, качество и запасы гумуса неодинаковы. Так, в верхних горизонтах черноземов типичных содержится 10 – 14 % гумуса, серых темных лесных – 4 – 9 %, дерново-подзолистых – 2 – 3 %, темных каштановых, желтоземах – 4 – 5 %, бурых и серо-бурых полупустынных – 1 – 2 %. Запасы органического вещества в природных зонах также различны. Наибольшие запасы, по данным И.В.Тюрина, имеют различные подтипы черноземов, торфяники, серые лесные, средние – темно-каштановые, красноземы, низкие – подзолистые, дерново-подзолистые, сероземы типичные. В пахотных почвах Республики Беларусь содержится гумуса: в глинистых – 65 т/га, в суглинистых – 52 т/га, в супесчаных – 47 т/га, в песчаных – 35 т/га. Почвы Республики Беларусь в зависимости от содержания гумуса в пахотном слое делятся на 6 групп (табл. 3). В почвах других природных зон существуют свои градации в зависимости от содержания гумуса.

Группировка почв Республики Беларусь по содержанию гумуса

Источник

Подвижность микроэлементов

2.2.1. Критерии подвижности

Степень обеспеченности почвы биологически доступными формами микроэлементов играет ключевую роль в минеральном питании растений. Однако до сих пор не существует однозначного понимания термина доступность веществ почвы растениям. Доступность элемента часто отождествляют с его подвижностью, но и термин «подвижные соединения» определен также недостаточно четко. В геологических науках под подвижностью элемента или соединения подразумевается их способность мигрировать в природных средах. Миграция может осуществляться в виде растворов, в твердой или газообразной фазах, т. е. в доступной и не доступной для растений форме. По-видимому, правильнее считать доступным то количество вещества, которое способно мигрировать к поверхности корня в результате всех возможных процессов, происходящих в почве. В настоящее время для оценки доступности веществ почвы корням растений разрабатывается новая миграционная концепция, основанная на математическом моделировании.

В реальной агрохимической и почвоведческой практике под подвижными обычно понимают такие соединения, которые экстрагируются той или иной вытяжкой. Наиболее широкое распространение при оценке содержания в почвах подвижных форм микроэлементов получили методы равновесной экстракции, основанные на извлечении элементов из почвы с помощью различных химических соединений: кислот, щелочей, солей, комплексонов. Относительная легкость и быстрота технического исполнения, а также отражение в определенной степени потребностей растений в минеральных элементах обеспечили этим способам популярность в мировой агрохимической и почвоведческой практике.

Принципиальный недостаток химических подходов состоит в том, что с их помощью невозможно адекватно имитировать сложные процессы взаимодействия растения и почвы, которые происходят в основном с участием микроорганизмов. При использовании большей части методов работа осуществляется с суспензиями, полученными после высушивания и измельчения почвы. Такая процедура подготовки почвенных образцов интенсифицирует экстракцию веществ и плохо имитирует процессы в нативной почве. Степень экстракции веществ из почвы зависит от состава экстрагентов. Поэтому возникает необходимость в применении набора шкал для ориентировочной оценки содержания в почвах доступных форм элементов питания.

В нашей стране широкое распространение получили следующие способы оценки обеспеченности почв подвижными формами микроэлементов. Для извлечения подвижных форм микроэлементов из некарбонатных почв, главным образом лесной зоны, используют метод Я. В. Пейве—Г. Я. Ринькиса (1963); характеристика экстрагентов приведена ниже (табл. 2.1). Согласно методу Н. К. Крупского—А. М. Александровой (1970) экстракция микроэлементов (Mn, Со, Сn, Zn) из почв выполняется с помощью ацетатно-аммонийного буфера, pH 4,8. Этот групповой экстрагент рекомендуется для оценки содержания микроэлементов в различных почвах, включая карбонатные и засоленные. Определение в почве содержания подвижных форм молибдена в большинстве исследований проводят с использованием реактива Григга (раствор оксалата, pH 3,5).

2.2.2. Факторы, определяющие подвижность

Содержание подвижных форм микроэлементов в почве определяется ионообменными процессами. Их интенсивность и направленность зависят от многих факторов, прежде всего, от свойств ППК. Под ППК понимают совокупность минеральных, органических и органоминеральных компонентов твердой части почвы, обладающих ионообменной способностью. Кроме свойств ППК на ионообменные процессы в почве влияют химическая природа ионов, климатические факторы, вещества, способные изменять электрохимические потенциалы. Рассмотрим наиболее важные компоненты ППК, влияющие на подвижность соединений микроэлементов в почве.

Минералогический и гранулометрический состав почвы

В почве известные микроэлементы большей частью приурочены к тонкодисперсным фракциям почв и материнских пород. В отличие от грубых тонкие фракции обогащены так называемыми глинистыми минералами, аккумулирующими значительные количества микроэлементов. Первичные минералы практически не участвуют в сорбционных процессах, но служат потенциальными источниками микроэлементов. Не случайно поэтому глинистые минералы рассматривают как минералогическую основу ППК. Термин «глинистые минералы» строго не определен. Обычно в почвах к глинистым минералам относят следующие группы: каолиниты, монтмориллониты, иллиты, хлориты, вермикулиты. Все они являются слоистыми алюмосиликатами. Глинистые минералы могут содержать незначительное количество микроэлементов в качестве структурных компонентов, однако основная их роль в регуляции подвижности элементов питания растений связана с высокой сорбционной емкостью, обусловленной функциональными группами и большой площадью поверхности. Способность почв поглощать катионы или анионы характеризуют с помощью понятий емкость катионного обмена (ЕКО) и емкость анионного обмена (ЕАО). С уменьшением размера частиц почвы ЕКО существенно возрастает. В почвах многих типов до 90% обменных катионов связано с фракцией ила. Высокая обменная емкость илистой фракции обусловлена не только большой адсорбционной поверхностью. Тонкие фракции почв, особенно верхних горизонтов, содержат много гуминовых веществ, способствующих аккумуляции микроэлементов.

Обменная емкость глинистых минералов, как правило, изменяется в следующей последовательности: монтмориллонит = вермикулит &gt иллит, хлорит &gt каолинит &gt галлуазит. Сорбция микроэлементов минералами группы монтмориллонита в значительной степени зависит от величины заряда и размера катиона. Сорбированные монтмориллонитами микроэлементы достаточно легко переходят в жидкую фазу и служат важным резервом минеральных элементов для растений. Как сорбция, так и десорбция микроэлементов глинистыми минералами зависит от pH среды.

Выявлена количественная зависимость между дисперсностью субстрата и поглощением растениями элементов питания. С увеличением дисперсности субстрата концентрация в растениях многих макро- и микроэлементов существенно уменьшается. При этом воздействие частиц пылеватого песка в среднем вдвое слабее, чем глинистых. Наиболее сильно негативное влияние глинистых фракций почвы сказывается на поглощении растениями меди, цинка, марганца, кобальт и молибдена.

Оксиды и гидроксиды

Из многочисленных соединений этого типа наибольшее влияние на подвижность микроэлементов в почве оказывают оксиды железа и марганца, а также алюминия. Благодаря высокому содержанию железа и марганца в литосфере их оксиды и гидроксиды широко распространены в почвах в виде кристаллических и аморфных образований. Они формируют пленки на отдельных частицах, заполнения трещин и жилок, конкреции и включения. С помощью электронного микрозонда установлено, что многие микроэлементы концентрируются в пленках оксидов почвенных частиц. В почвах около 50% тяжелых металлов связано с гидроксидами железа.

При типичных для почвенных условий значениях реакции среды оксиды и гидроксиды заряжены положительно. Поэтому поглощение оксидами металлов не может осуществляться в результате электростатического взаимодействия, оно происходит как реакция специфической адсорбции. Механизм сорбции включает изоморфное замещение ионов железа и марганца катионами металлов-микроэлементов и окислительные эффекты на поверхности оксидов. При этом наибольшее сродство гидроксидов железа и марганца проявляется к сходным по размерам иона металлам (Со 2+ , Со 3+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Cd 2+ , Pb 4+ , Ag + ). Повышение содержания полуторных оксидов в питательном субстрате сопровождается негативными физиологическими эффектами, в частности снижением концентрации многих макро- и микроэлементов в надземных органах.

Карбонаты

В кислых почвах карбонатов практически нет, в нейтральных и щелочных их содержание составляет 15-20% и более. Почвенные карбонаты встречаются в виде метастабильных и полиморфных форм, чувствительных к условиям дренажа. Кальцит является наиболее распространенной и относительно подвижной формой карбоната кальция. Это соединение весьма дисперсно и сильно влияет на pH почв, а следовательно, и на состояние микроэлементов. Кроме того, карбонаты снижают подвижность микроэлементов вследствие сорбции собственными высокодисперсными фракциями, а также оксидами железа и марганца, оседающими на поверхности карбонатов. Слабая подвижность микроэлементов в карбонатных почвах негативно сказывается на минеральном питании растений. Зависимость между реакцией среды и концентрацией микроэлементов в растениях нелинейная. Наиболее резкое снижение концентрации железа, марганца и цинка в надземной биомассе отмечено при увеличении pH среды до 4,8-5,2. Уменьшение содержания мобильных микроэлементов в почве до критического уровня сопровождается появлением у растений признаков дефицита микроэлементов. Наиболее типичное и опасное заболевание культурных растений, выращиваемых на автоморфных нейтральных и щелочных почвах, — карбонатный хлороз.

Низкая активность катионов кальция в растворах кислых почв отрицательно сказывается на интегральной целостности мембран, интенсивности многих метаболических процессов, что приводит к появлению симптомов кальциевой недостаточности у растений, а также к избыточному накоплению в них микроэлементов. Поэтому известковые материалы входят как обязательный элемент в систему удобрения кислых почв. Негативная сторона этого агрономического приема состоит в уменьшении подвижности микроэлементов в почве и их доступности растениям.

Фосфаты

В почвах в основном представлены метастабильными и метаморфными разновидностями. Некоторые формы фосфатов металлов характеризуются слабой растворимостью в воде. Поэтому повышенное содержание фосфатов в почве и интенсивное применение фосфорных удобрений (особенно при нейтральной и щелочной реакции среды) способствуют закреплению металлов почвенно-поглощающим комплексом.

Сульфиды, сульфаты, хлориды

В почвах, формирующихся в условиях влажного климата, не оказывают большого влияния на подвижность микроэлементов, но играют в этом процессе важную роль в почвах аридных климатических зон. Микроэлементы могут осаждаться в виде сульфидов, которые в аэрируемых условиях превращаются в более растворимые сульфаты. Хлориды и сульфаты металлов хорошо растворимы и поэтому легко доступны растениям.

Органическое вещество

Состоит из разнообразных органических соединений и продуктов их взаимодействия с минеральными компонентами почв. Условно органические соединения почвы подразделяют на две большие группы — органические остатки и гуминовые вещества.

Органические остатки служат источником формирования гумуса и представляют собой отмершие части живых организмов, которые еще не утратили своего анатомического строения. В форме органических остатков временно резервируются многие микроэлементы. Скорость высвобождения микроэлементов из растительных остатков зависит от интенсивности их разложения и гумификации. В свою очередь, темпы минерализации фитомассы тесно связаны с химическим составом растительных остатков. Например, листья клевера (соответственно и высвобождение из них микроэлементов) минерализуются значительно быстрее, чем хвоя голосеменных растений. Высвобождение из фитомассы микроэлементов также определяется их физикохимической природой. При сравнимых условиях бор и медь переходят в подвижное состояние с большей скоростью, чем марганец. Возможно, минерализация органических соединений марганца сопровождается образованием под воздействием микроорганизмов окисленных соединений элемента, отличающихся слабой подвижностью.

В почве подвижность микроэлементов зависит от их взаимодействия с гуминовыми веществами. Реакционная способность гуминовых веществ определяется разнообразными функциональными группами в их составе. К наиболее важным из них относятся карбоксильные, спиртовые, фенольные, метоксильные, амидные группы. Кроме того, отмечены эфирные и кетонные группы. Количество реакционных центров увеличивается по мере повышения степени гумификации органического вещества. Взаимодействие гуминовых веществ почвы с ионами металлов идентифицируют как ионообменные реакции, адсорбцию на поверхности, комплексообразование, реакции коагуляции. В результате таких взаимодействий образуются простые соли (гуматы, фульваты) и комплексные соединения. Преобладающая часть микроэлементов, связанных органическим веществом почвы, аккумулируется в фульвокислотах. По сравнению с фракцией гуминовых кислот фульвокислоты более дисперсны, гидрофильны, в большей степени обогащены функциональными группами. Взаимодействие металлов с гуминовыми веществами иногда сопровождается появлением растворимых или мало растворимых в воде соединений. Растворимость органоминеральных комплексов зависит от химической природы и соотношения их компонентов, а также от реакции среды. Гуминовые кислоты характеризуются большей, чем фульвокислоты, склонностью к образованию не растворимых в воде соединений с металлами. Однако этот вывод в большей степени относится к катионам двухвалентных металлов, а также к катионам железа и алюминия. Гуматы щелочных металлов считаются хорошо растворимыми. При взаимодействии растворов гумусовых кислот со щелочами образуются истинные растворы гуматов после начальной стадии пептизации. Фульвокислоты также образуют нерастворимые соединения с микроэлементами, но только при очень низких значениях отношения органического вещества к микроэлементу, которые крайне редко встречаются в почвах.

При образовании нерастворимых гуматов металлов основная роль принадлежит адсорбции и коагуляции. Состав образующихся органоминеральных соединений зависит не только от количества и качественного состава функциональных групп, но и от pH среды и вида катиона. Соединения гумусовых кислот с катионами агрегативно неустойчивы, они максимально растворимы в двух диапазонах pH: кислом и щелочном (табл. 2.4)

В почвах с нейтральной реакцией среды гуминовые вещества могут закреплять значительные количества меди, цинка и даже марганца, особенно если в составе гумуса гуминовые кислоты преобладают над фульвокислотами (чернозем). Образование нерастворимых органических соединений почв с бором и молибденом происходит только в сильнокислой среде (pH 1-2). Связи бора с органическим веществом непрочны. Молибден в сильнокислых растворах (pH &lt 1) может находиться в форме катиона, что, возможно, и способствует образованию нерастворимых комплексов этого элемента с органическим веществом.

Скорость взаимодействия металлов с гумусовыми кислотами определяется ионной силой растворов, стандартным окислительно-восстановительным потенциалом, реакцией среды, устойчивостью образуемых комплексов. Связывание ионов металлов гуминовыми кислотами зависит также от конкуренции элементов за реакционные центры. Медь и свинец более интенсивно взаимодействуют с гуминовыми кислотами, чем цинк и кадмий. Различия обусловлены тем, что металлы первой пары формируют с гуминовыми кислотами преимущественно координационные связи, а второй — ионные.

В природных водах ландшафтов, расположенных в гумидных условиях, значительная часть металлов мигрирует в форме органических комплексов. В аридных условиях в связи с уменьшением содержания растворимых органических веществ возрастает значение неорганических комплексных соединений. Определенное количество микроэлементов может временно резервироваться в напочвенном органическом веществе. По мере его минерализации микроэлементы и другие соединения вовлекаются в миграционные потоки.

Влияние органического вещества на питание растений микроэлементами зависит от растворимости и устойчивости образующихся в почве органоминеральных соединений. Известны многочисленные факты негативного влияния органического вещества на этот процесс. При повышенном содержании в питательном субстрате торфа и препаратов гуминовых веществ у растений наблюдаются симптомы дефицита микроэлементов. Обнаружено сильное негативное влияние гуминовых веществ на поглощение растениями бора, хотя этот элемент и не образует прочных связей с органическим веществом почвы. В меньшей степени отрицательный эффект проявляется по отношению к молибдену. Вместе с тем фульватные комплексы железа и марганца доступны растениям (см. гл. 5).

Специфическое влияние на мобильный фонд микроэлементов в почве оказывают органические удобрения. В течение первого года после их внесения может наблюдаться уменьшение концентрации в почве подвижных соединений микроэлементов, что обусловлено поглощением их органическим веществом и переводом в трудно растворимое состояние. В дальнейшем по мере минерализации органических веществ подвижность микроэлементов, как правило, возрастает. Длительное применение органических и минеральных удобрений, а также извести способствует увеличению плотности отрицательного заряда ІГПК и усилению селективного поглощения почвой двухвалентных катионов. По влиянию на величину отрицательного заряда ППК агротехнические приемы распределяют в следующем ряду: навоз + известь &gt NPK + известь &gt навоз &gt известь &gt NPK &gt неудобренная почва. Наиболее сильно плотность отрицательного заряда увеличивается в интервале pH 3-8.

Функциональные группы и адсорбционные свойства почвенно-поглощающего комплекса

Химическая неоднородность компонентов ППК влияет на состав и свойства функциональных групп на поверхности частиц почвы (табл. 2.5), а следовательно, и на степень их участия в ионообменных и адсорбционных процессах. В основе одного из механизмов образования зарядов на поверхности почвенных частиц лежит диссоциация функциональных групп ППК, определяющая ионообменные процессы в почве.

_{Прим. * отмечены функциональные группы, имеющие наибольшую концентрацию на поверхности почвенных частиц; ИЭТ — изоэлектрическая точка.}

Наибольшую концентрацию на поверхности почвенных частиц имеют следующие функциональные группы: —SiOOH, — C00H, ==C0H, =Al0H, ==Fe0H. Две первые группы более активны в кислой среде, а три последние в нейтральной и щелочной. Вероятно, участие других функциональных групп в катионообменных процессах значительно меньше, что обусловлено более низким содержанием этих групп в почве, а также их химическими свойствами. Многие из этих групп в нормальных условиях заряжены положительно и проявляют свойства анионитов. В то же время они могут образовывать координационные соединения с некоторыми металлами, особенно с переходными металлами-микроэлементами, и обеспечивать их избирательное поглощение из растворов ППК.

Сродство адсорбентов, обладающих свойствами сильных кислот, к катионам прямо пропорционально главным образом величине их заряда. В этом случае взаимодействие осуществляется за счет сил электростатической природы. В ряду одинаково заряженных ионов избирательность возрастает с увеличением радиуса негидратированных ионов, что обусловлено увеличением поляризуемости их электронных оболочек и уменьшением степени гидратации. С уменьшением радиуса гидратированных ионов уменьшаются энергетические затраты на трансформацию гидратных оболочек при адсорбции. Для таких адсорбентов можно привести следующие лиотропные ряды [Мархол, 1985, цит. по Пинский, 1997]:

Ba 2+ &gtPg 2+ &gtSr 2+ &gtCa 2+ &gtNi 2+ =

= Cu 2+ &gtCd 2+ &gtCo 2+ &gtZn 2+ =

= Mg 2+ &gtMn 2+ &gtBe 2+ &gtUO₂ 2+ &gtHg 2+

Среднекислые адсорбенты обладают высоким сродством к протону, поэтому их сорбционные свойства зависят от pH среды. Взаимодействие функциональных групп такого рода адсорбентов с катионами происходит как за счет электростатических сил, так и за счет образования координационных связей. По этой причине селективность сорбции катионов соединениями со среднекислыми функциональными группами зависит не только от заряда иона, но и от строения его внешних электронных оболочек. В обобщенном виде лиотропные ряды ионов для среднекислых адсорбентов в кислой среде могут быть представлены следующим образом (Мархол, 1985, цит. по: Пинский, 1997]:

Pb 2+ &gtCu 2+ &gtZn 2+ &gtCd 2+ &gtMn 2+ &gtCo 2+ &gtNi 2+

Адсорбенты со слабокислыми свойствами отличаются повышенным сродством к протонам, ионам тяжелых металлов и щелочноземельных элементов [Мархол, 1985, цит. по: Пинский, 1997]:

Na + &ltMg 2+ &ltCa 2+ &ltH +

В связи с тем что компоненты ППК характеризуются различным набором кислотно-основных свойств, лиотропные ряды ионов зачастую сильно отличаются от приведенных выше и зависят от свойств конкретной почвы.

Сорбция ионов почвенно-поглощающим комплексом определяется не только свойствами его компонентов, но и свойствами катионов. Например, при низких концентрациях микроэлементов наибольшие количества Zn 2+ неспецифически связываются оксидами железа и марганца. При тех же условиях наибольшее количество катионов Сu 2+ специфически связывается органическим веществом почвы.

Ионообменные реакции и адсорбционные процессы в почве (в том числе с участием функциональных групп) тесно связаны с реакцией среды и окислительно-восстановительным потенциалом. От значений того и другого показателя зависит подвижность в почве большинства микроэлементов (рис. 2.5). С увеличением pH и Eh происходит селективное поглощение почвой катионов с меньшей плотностью заряда. Наиболее сильная зависимость подвижности соединений микроэлементов от реакции среды и окислительно-восстановительного потенциала отмечена для железа и марганца. Специфика сорбционных процессов для отдельных микроэлементов, обусловленная влиянием окислительно-восстановительных условий среды, более подробно рассмотрена выше (см. 2.1). Влияние pH на адсорбцию ионов опосредовано регуляцией активности функциональных групп ППК и механизмов ионного обмена в почвах.

Puc. 2. 5. Подвижность элементов питания растений в органогенных почвах в зависимости от pH.
_{Самая широкая часть заштрихованных областей соответствует максимальной доступности [по: Lucas, Davis, 1961]}

Колебания ЕКО отдельных компонентов ППК довольно значительны (табл. 2.6), что объясняется природной вариабельностью свойств компонента и спецификой методических подходов при определении значений ЕКО. Вклад каждого компонента в формирование общей ЕКО почвы зависит от содержания данного компонента в почве и от его ЕКО. Вместе с тем общую емкость катионного обмена почвы нельзя получить, просуммировав вклады отдельных компонентов ППК. Этот показатель сильно изменяется в результате взаимодействия компонентов между собой.

В обобщенном виде механизмы катионного обмена в почвах могут быть представлены в виде схемы (рис. 2.6). Взаимодействие с ППК анионов, в частности анионов микроэлементов, изучено значительно хуже, чем катионов. В значительной степени это обусловлено тем, что анионообменная емкость почв существенно ниже, чем катионообменная емкость. Считается, что селективность положительно заряженных центров ППК к анионам выше, чем отрицательно заряженных к катионам, вследствие специфики природы положительно заряженных центров и их меньшей гидратированное С ростом pH отмечена устойчивая тенденция к уменьшению сорбции почвой анионов молибденовой кислоты, а также арсената, триполифосфата, пиро- и ортофосфата.

Рис. 2.6. Механизмы катионного обмена в почвах [модифицировано по: Пикинский, 1997]

Дополнительные материалы по теме:

Источник