Жидкая фаза почв почвенные растворы

Жидкая фаза почвы

Жидкая фаза почвы (вода, почвенные растворы) является ее неотъемлемой частью и выполняет разнообразные функции.

Именно эта фаза обеспечивает перераспределение веществ в почвенном профиле и формирует его как целостную систему. В самом процессе перемещения продуктов фотосинтеза и почвообразования в жидкой фазе можно выделить три типа элементарных почвенных процессов:

мобилизация (метаморфизм минеральных или органических веществ, часто просто растворение), приводящая к элювиированию (потере) элементов, коллоидов и органоминеральных соединений;
миграция веществ в почвенном профиле и за его пределы;
осаждение веществ в разных формах (иммобилизация, аккумуляция) в области барьеров — физического (изменение плотности и структуры порового пространства, испарительный барьер на границе капиллярной каймы, градиенты влажности), биохимического (карбонатизация, сульфатизация), физико-химического (изменения окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий, поглотительной способности).

Процессы перемещения вещества и энергии с жидкой фазой почвы

С осаждением веществ связано образование иллювиальных горизонтов.

Соотношение процессов элювиирования, миграции и иллювиирования определяет тип строения почвенного профиля. Эти процессы отражены в названиях многих генетических горизонтов, что способствует пониманию генезиса почв.

Почвенная влага представляет собой, во-первых, особую физико-химическую систему, в которой протекают различные процессы и химические реакции, необходимое звено в межфазных взаимодействиях, во-вторых, транспортную геохимическую систему, обеспечивающую перемещение продуктов почвообразования в профиле и экосистеме, в-третьих, систему жизнеобеспечения растений, поденных животных и микроорганизмов.

Категории почвенной влаги

Вода в почвах может находиться в разных состояниях, отличающихся физическими свойствами и функциями. Порции почвенной воды, обладающие одинаковыми свойствами, называются категориями, или формами, почвенной влаги.

Различают пять категорий почвенной влаги: химически связанная; парообразная; физически связанная, или сорбированная; свободная; твердая.

Категории (формы) почвенной влаги

Химически связанная вода представлена гидроксильной группой ОН химических соединений (гидроксиды железа, алюминия, марганца, органические и органо-минеральные соединения, глинистые минералы) и целыми водными молекулами кристаллогидратов (например, гипс — CaSO₄ · 2Н₂O). Эта вода входит в состав твердой фазы почвы и не является самостоятельным водным телом и растворителем, не перемещается.

Парообразная вода всегда содержится в почве. При понижении температуры почвы парообразная вода в результате конденсации переходит в жидкую. Она играет чрезвычайно важную роль в обеспечении почвенных обитателей водой в условиях резкого дефицита доступной влаги.

Физически связанная, или сорбированная, вода — это вода, сорбированная на поверхности твердых частиц. В зависимости от прочности удержания воды сорбционными силами твердых частиц, физически связанная вода подразделяется на две подсистемы: прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода — это вода, поглощенная почвой из парообразного состояния. Свойство почвы сорбировать парообразную влагу на поверхности твердых частиц называют гигроскопичностью почв, а поглощенную таким образом влагу — гигроскопической. Гигроскопическая влага неподвижна, не замерзает, не растворяет электролиты, не доступна растениям.

Предельное количество воды, которое может быть поглощено почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха 94—98 %, называют максимальной гигроскопической водой. Значение этого показателя зависит от величины удельной поверхности почвы и обычно изменяется от 0,5—1,0 % (в песчаных Сдабогумусированных почвах) до 15—16% (в сильногумусированных суглинистых и глинистых почвах). В торфяных почвах МГ может достигать 30—50 %.

Рыхлосвязанная (пленочная) вода — это вода, поглощенная из жидкого состояния и удерживаемая в почвах на поверхности частиц сорбционными силами сверх значений максимальной гигроскопичности. Пленочная вода может очень медленно перемещаться в жидкой форме. Она частично доступна для растений.

Свободная вода находится вне зоны действия сорбционных сил. Эта форма воды подразделяется на два подтипа: капиллярную и гравитационную.

Капиллярная вода удерживается в почвенных капиллярах под действием менисковых (капиллярных) сил. Менисковые силы проявляются в порах диаметром от 3 до 100 мкм. Капиллярная вода высоко подвижная. Она подразделяется на капиллярно-подвешенную и капиллярно-подпертую. Капиллярно-подвешенная вода образуется при промачивании почв сверху (во время дождя или полива). Она удерживается в почве менисковыми силами и как бы «висит» над сухим слоем. Капиллярно-подпертая вода — это капиллярная вода, связанная с грунтовыми водами и с водоподъемной способностью почвы.

Гравитационная вода свободно стекает в почве под действием гравитационных сил. Если все поры в почве заполняются водой, то в почве формируется водоносный горизонт. Воды внутрипочвенных: водоносных горизонтов подразделяют на грунтовые, почвенной грунтовые и почвенные (почвенная верховодка — гравитационная) вода, временно скапливающаяся с образованием водоносного горизонта в профиле почвы над водоупорным слоем). Характерна для почв на двучленных почвообразующих породах.

Твердая вода в почве — это лед, образующийся при промерзаний почвы в зимний период. Лед разрыхляет почву и играет важную роль в формировании почвенной структуры. Поскольку почвенная вода — всегда раствор, температура ее замерзания ниже 0 °С. В результате закупорки пор льдом в почве возможно образование водонепроницаемого «запирающего» слоя в весенний период, над которым временно застаивается внутрипочвенная вода.

Все формы воды в почве образуют единую водоносную систему. Парообразная, химически и физически связанные формы води всегда присутствуют в почве. Гравитационная вода появляется в почве периодически, после выпадения осадков объемом выше 5 мм. При залегании уровня грунтовых вод в границах профиля гравитационная вода может находиться в почве постоянно. Содержание капиллярных форм влаги в почве зависит от частоты выпадений осадков и расхода влаги на транспирацию и испарение. При близком залегании уровня грунтовых вод капиллярная влага присутствует в профиле почвы постоянно.

Почвенные растворы

По В. В. Докучаеву, почвенная влага — это своего рода «кровь ландшафта», насыщенная разнообразными химическими элементами вода, по В. И. Вернадскому, — это «основной субстрат жизни», активный участник всех почвенных процессов.

Почвенный раствор — это жидкая фаза почвы, особая геохимическая система, включающая растворенные соли, органические и органо-минеральные соединения, газы и коллоиды. Почвенный раствор является продуктом почвообразования и жизнедеятельности почвенных обитателей. Приведена схема, помогающая представить влияние разных форм почвенной влаги на формирование почвенного раствора. Он включает в себя все формы свободной, капиллярной, рыхлой и частично прочносвязанной воды.

Почвенный раствор образуется в процессе взаимодействия поступающей в почву атмосферной (поливной) или грунтовой влаги с твердой, газообразной и живой фазами почвы. Он характеризуется составом катионов и анионов. К важнейшим катионам почвенного раствора относятся Са 2+ , Mg 2+ , Na + , К + , NH₄ + , Н + , Al 3+ , Fe 3+ , Fe 2+ . Среди анионов преобладают HCO₃ 2- , CO₃ 2- , NO₃ — , Cl — , SO₄ 2- , H₂PO₄ — , HPO₄ 2- .

Величина pH почвенных растворов изменяется в широком диапазоне: от 3—4 в кислых почвах до 8—9 в карбонатных, достигая максимума (10—11) в солонцах и содовых солончаках.

Концентрация растворов в разных типах почв изменяется от десятков миллиграммов до нескольких граммов на 1 л раствора. В засоленных почвах концентрация почвенного раствора может достигать нескольких десятков граммов на 1 л. Наиболее низкими концентрациями характеризуются подзолистые и болотные почвы Нежной зоны.

Содержание углерода в почвенных растворах подзолистых почв достигает нескольких десятков миллиграммов на 1 л.

Тесная связь с испарением, с жизнедеятельностью растений и микроорганизмов обусловливает ярко выраженную суточную и сезонную динамику концентрации и состава почвенного раствора; Изменение концентрации и состава раствора в свою очередь приводит к изменению режима водного и минерального питания растений.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Почвенные растворы

Почвенные растворы — это жидкая фаза почв, которую упрощенно называют почвенной водой. Процессы почвообразования, выветривания минералов и горных пород, жизнедеятельность растений и почвенных микроорганизмов неразрывно связаны с почвенными растворами.

Почвенные растворы — один из основных источников питания растений. Поэтому важно знать их концентрацию, состав и изменения в динамике.

Формирование почвенных растворов

Источниками почвенных растворов являются атмосферные осадки, вода водоносных горизонтов и конденсационная влага.

В конденсационной воде содержится некоторое количество растворенных газов, в воде, поднимающейся по капиллярам от водоносных горизонтов, также катионы и анионы растворенных солей, а в атмосферной воде, кроме того, частицы пыли и ила.

Дополнительным источником почвенной воды являются поливные воды с растворенными в них минеральными компонентами и взвесями механических элементов.

Попадая в почву, вода изменяет свой состав, взаимодействуя с твердой, газовой и жидкой фазами почв. Устанавливается равновесное состояние состава растворов, характерное для каждого типа почв.

Концентрация, состав и свойства почвенных растворов характеризуются динамичностью, так как изменяется их сезонное взаимодействие с твердой, газовой и жидкой фазами почв, а также в связи с колебаниями влажности почв.

Методы выделения почвенных растворов

Для изучения почвенных растворов их выделяют отпрессовыванием под давлением, центрифугированием (если почвы переувлажненные) и замещением (вытеснением) другой жидкостью.

Использование для анализов водных вытяжек из почвы и лизиметрических вод не дает истинного представления о составе и свойствах почвенных растворов.

При приготовлении водных вытяжек происходит высокое разбавление твердой фазы между жидкой и твердой фазами.

Лизиметрические же воды являются разбавленными почвенными растворами, так как образуются при просачивании талых и дождевых вод в основном через трещины и крупные поры почв в периоды их переувлажнения.

Лизиметрические воды собирают в специальные приемники. Тем не менее анализы водных вытяжек и лизиметрических вод широко используют для характеристики солевого состава почв, интенсивности выноса из почв различных элементов и соединений в грунтовые воды.

Концентрация, состав и свойства почвенных растворов

Концентрация почвенных растворов (по сухому остатку) в незасоленных почвах разных типов колеблется от десятых долей грамма до нескольких граммов на литр, а в засоленных почвах — от десятков до сотен граммов на литр.

Концентрация почвенных растворов неодинакова в разных генетических горизонтах, а также в зависимости от сезона года, при неполивном и поливном земледелии.

В почвенных растворах содержатся минеральные, органические и органо-минеральные вещества в ионной, молекулярной и коллоидной формах, а также растворенные газы — кислород, диоксид углерода и др.

Важнейшими катионами почвенных растворов являются Са 2+ , Mg 2+ , H + , K+, Na + , NH₄ + , Al 3+ , Fe 3+ , Fe 2+ , a анионами – HCO₃ – , CO₃ 2– , NO₃ – , NO₂ – , SO₄ 2– , Cl – , Н₂РО₄ – , HPO₄ 2– , ОН – .

Для большинства почв характерен гидрокарбонатно-калыциевый состав почвенных растворов, т. е. в них преобладают ионы HCO₃ – и Са 2+ . В засоленных почвах содержатся в повышенных количествах Na + , Mg 2+ , CI – , SO₄ 2– , CO₃ 2– , в болотных почвах — Fe 2+ , а в растворах сильнокислых почв — Fe 3+ и А1 3+ .

Железо, алюминий и многие микроэлементы находятся в почвенных растворах в основном в виде устойчивых комплексов с органическими веществами.

В почвенных растворах всегда содержатся водорастворимые органические вещества различной природы (продукты разложения отмерших растительных и животных организмов, продукты их жизнедеятельности, гумусовые вещества и др.); в гидроморф-ных, полугидроморфных и солонцовых почвах их количество больше.

Коллоидно-растворимые формы веществ представлены в почвенных растворах органическими, органо-минеральными и минеральными соединениями.

Для минеральных коллоидных форм характерны золи кремниевых кислот, а также гидроксидов железа и алюминия. В таблице 34 в качестве примера приведен средний состав некоторых компонентов почвенных растворов дерново-подзолистых и дерново-карбонатной почв Среднего Предуралья.

Из таблицы 34 видно, что разные типы почв и их генетические горизонты, а также целинные и пахотные почвы одного и того же типа имеют большие различия по составу почвенных растворов.

34. Химический состав почвенных растворов (средние значения показателей* за май-октябрь 1965-1966 гг.) (Дзюин, Ковриго, 1974)

Дерново-срсднсподзолистая среднесуглинистая почва

* Все показатели, кроме рН, приведены в мг/л.

Преобладающими в этих почвах были ионы кальция, магния, калия и гидрокарбонатные, а в пахотных почвах, кроме того, нитратные ионы.

У более плодородных дерново-карбонатных почв общая концентрация почвенных растворов ниже, чем у пахотных дерново-подзолистых почв, также ниже общая титровальная кислотность, содержание Са 2+ и К + , хотя обменных кальция и калия больше.

В этом важную роль играют более высокая катионная емкость поглощения дерново-карбонатных почв, насыщенность ППК кальцием и низкая потенциальная кислотность.

Обращает на себя внимание реакция почвенных растворов кислых дерново-подзолистых почв. Она близка к нейтральной вследствие вытеснения водородными ионами почвенных растворов обменно-поглощенных катионов оснований при развитии потенциальной кислотности.

Катионы же оснований, переходя в почвенный раствор, снижают его кислотность. Следовательно, чем выше катионная емкость поглощения и степень насыщенности почв основаниями, тем благоприятнее для растений реакция почвенного раствора.

Это важно в физиологическом отношении, так как именно при реакции, близкой к нейтральной, у большинства сельскохозяйственных культур происходит нормальное усвоение корнями элементов питания (Сабинин, 1955; Журбиц-кий, 1963).

Величина окислительно-восстановительного потенциала почвенных растворов пониженная (rН₂ большей частью 25-29 ед.) по сравнению с rН₂ почв в целом, как трехфазных систем (Ковриго, 1982).

Это также имеет важное физиологическое значение в жизнедеятельности растений, так как величины окислительно-восстановительного потенциала их клеточного сока тоже пониженные (Сердобольский, I960).

Из таблицы 34 видно, что в целинной дерново-подзолистой почве в отличие от пахотной меньше магния, калия и особенно кальция, ниже общая концентрация растворов генетических горизонтов (исключая лесную подстилку А₀).

Это связано как с более низкой их биологической активностью, так и с постоянным удалением продуктов выветривания и почвообразования из почвенного слоя в результате промывного типа водного режима.

В лесных почвах процесс нитрификации подавлен, анион NO₃ – в минимальных количествах встречается только в растворах лесной подстилки.

При освоении целинных дерново-подзолистых почв под пашню в них изменились направление и активность биологических процессов, активизировались процессы нитрификации, в почвенных растворах в довольно больших количествах стал содержаться нитратный азот.

Возросло количество кальция, магния и калия, так как уменьшился вынос этих элементов в связи с изменением водного режима почв.

Влияние сельскохозяйственных культур на состав почвенных растворов

Многие изменения состава почвенных растворов под сельскохозяйственными культурами связаны с их питанием. Особенно заметные сдвиги происходят в растворах в июле — августе. В это время в растворах повышается содержание элементов питания растений и усиливается поглотительная функция корней.

Это происходит потому, что в июле — августе нитрификационные процессы в почвах достигают наивысшего уровня, повышаются фосфатазная активность почв и концентрация диоксида углерода в почвенном воздухе.

В результате этого в почвенных растворах становится больше нитратного азота, фосфора и аммонийного азота.

Наряду с этим к середине лета в почвах накапливаются кислотные продукты, следствием чего является возрастание кислотности почвенных растворов, сопровождаемое вытеснением иона кальция из ППК в раствор, и повышение обменной кислотности.

В последующий период благодаря регуляторной роли растений количество иона кальция в почвенных растворах уменьшается, а иона калия увеличивается, поэтому соотношение К + : Са 2+ расширяется (Ковриго, 1979).

От этого соотношения зависит поступление в корни питательных веществ: чем оно шире в растворах и уже в растениях, тем сильнее проявляется поглотительная функция корней и наоборот (Гунар с сотр., 1969; 1970; Петров-Спиридонов, 1970).

Изменение соотношения К + и Са 2+ в почвенных растворах наблюдается и в течение суток. К вечеру и в ночные часы оно более широкое, что приводит к более активному поступлению в это время в растения питательных элементов из почвенных растворов.

Для жизнедеятельности растений большое значение имеет также осмотическое давление почвенных растворов, которое зависит от их концентрации и степени диссоциации растворенных веществ.

Сосущая сила корней большинства сельскохозяйственных культур не превышает 100-120 МПа. Если осмотическое давление клеточного сока растений равно или ниже осмотического давления почвенных растворов, то поступление воды и питательных веществ в растения прекращается и они погибают.

Разные типы почв отличаются по осмотическому давлению почвенных растворов, так как концентрация этих растворов неодинаковая.

Растворы незасоленных почв имеют осмотическое давление обычно около 10 МПа, но оно может повышаться от избыточных доз минеральных удобрений и снижения влажности почв в засушливые периоды года, что отрицательно сказывается на развитии растений, урожае и его качестве.

Осмотическое давление почвенных растворов при уменьшении влажности почв от наименьшей влагоемкости до влажности завядания возрастает в 5-6 раз.

Наиболее высокое осмотическое давление наблюдается у засоленных почв (более 150 МПа), которое выдерживают только определенные сельскохозяйственные культуры и растения-галофиты.

Регулирование состава почвенных растворов

В земледельческой практике нет специальных агроприемов по регулированию состава и свойств почвенных растворов, но по существу их постоянно проводят. К таким мероприятиям относятся:

внесение минеральных удобрений; оно направлено на создание в почвенных растворах оптимальных количеств элементов-биофилов;
внесение в почву адсорбентов (бентонитовых глин, цеолитов и др.), регулирующих катионную и анионную емкости поглощения, а следовательно, ионное равновесие между почвенным раствором и твердой фазой почв;
регулирование концентрации диоксида углерода в почвенном воздухе применением органических удобрений или непосредственным его внесением до концентрации в почвенном воздухе не выше двух объемных процентов; это улучшает ионный состав почвенных растворов как среды для питания растений;
регулирование влажности почв, ее водного режима обработками, орошением, осушением, мульчированием и т.д.;
известкование кислых почв и гипсование щелочных;
внесение бактериальных препаратов (азотобактерин, ризоторфин и др.);
промывка засоленных почв и другие мероприятия.

Контрольные вопросы и задания

Что такое почвенные растворы, каково их значение? За счет чего и как они формируются?
Охарактеризуйте почвенные растворы по концентрации и ионному составу. Почему эти показатели динамичны?
Какими свойствами обладают почвенные растворы? Расскажите о показателях почвенных растворов, имеющих физиологическое значение для растения.
Какие имеются отличия в концентрации, составе и свойствах растворов разных типов почв, а также одного и того же типа на целине и пашне?
Как влияют сельскохозяйственные культуры на состав почвенных растворов?
Как регулировать концентрацию, состав и свойства почвенных растворов в земледельческой практике?

Источник