Почвенный раствор и окислительно-восстановительные процессы в почвах

Почвенные растворы

Почвенный раствор представляет собой жидкую фазу почвы, который формируется путем взаимодействия атмосферных осадков, поверхностного стока и грунтовых вод с твердой, газообразной и жидкой фазами почвы.

Почвенный раствор содержит минеральные, органические и органо-минеральные вещества в ионной, молекулярной, коллоидной формах, а иногда в виде взвесей. Он также содержит растворенные газы: O, CO₂, NH₄. Количество почвенного раствора составляет от долей и единиц до десятков процентов в минеральных почвах до сотен процентов - в в торфяных.

Для выделения почвенных растворов используют различные методы, основным из которых является метод водных вытяжек.

Доля коллоидов составляет от 1/10 до 1/4 общего количества веществ почвенного раствора. В нем преобладают:

катионы: Ca, Mg, Na, K, NH₄, H, в почвах с кислой реакцией – Al³, Fe^{2 и 3}.

анионы: CO₃, Cl, SO₄, NO₃, NO₂, H₂PO₄, HPO₄.

Минерализация почвенного раствора увеличивается с севера на юг от десятков мг в подзолах до нескольких граммов на 1 л в черноземах и каштановых почвах, а на засоленных почвах – до десятков и сотен граммов.

Реакция почвенных растворов меняется от кислой и слабокислой в подзолах, до нейтральной на черноземах и до слабощелочной и щелочной – в почвах аридной зоны. Это связано с закономерными изменениями водного режима в почвах. Наиболее высокая щелочная реакция раствора наблюдается при содовом засолении, относительно меньшая – при хлоридном, еще меньшая - при сульфатном.

С концентрацией и степенью диссоциации водорастворимых солей связано осмотическое давление почвенного раствора. Она наиболее высокая у засоленных почв. Если осмотическое давление почвы равно и выше концентрации клеточного сока растений, то прекращается поступление воды в растения.

Агробиологические функции почвенных растворов:

1. Он является центром взаимодействия твердой жидкой и газообразной фаз, его роль сравнима с ролью крови в живых организмах;

2. Является источником питания растений;

3. Формирует реакцию среды, осмотическое давление, окислительно-восстановительные условия;

4. Играет главную роль в элювиально-иллювиальных процессах.

Окислительно-восстановительные процессы

Окисление рассматривается как присоединение кислорода к веществу, или потеря веществом водорода, или отдача электрона. Реакция восстановления противоположна окислению. Способность почвы вступать в окислительно-восстановительные реакции измеряется ОВ потенциалом. Это разность потенциалов, возникающая между почвенным раствором и электродом из инертного металла (платины) и измеряется при помощи потенциометра. ОВП по отношению к H обозначается Eh и измеряется в милливольтах.

Основным окислителем в почве является молекулярный кислород почвенного воздуха и почвенного раствора, основными восстановителями – продукты анаэробного разложения органического вещества и жизнедеятельности микроорганизмов. Они в процессе жизнедеятельности поглощают кислород почвенного воздуха и переводят минеральные соединения Fe, Mg и других элементов в восстановленные формы.

Величина E_h в подзолистых, дерново-подзолистых почвах 450-600 мВ, в черноземах, каштановых почвах 500-650, на болотных почвах <200. Снижение E_h ниже 350-400мВ свидетельствует о начале смены окислительного процесса на восстановительный. В кислой среде значения E_h более высокие по сравнению с щелочной.

Экологическое значение ОВП

В условиях преобладания восстановительных процессов в почвах протекает глеевой процесс, при котором увеличивается подвижность многих соединений, в т.ч. Fe, Mg, P, почва приобретает сизую окраску с ржавыми пятнами. Она теряет структуру, подвижные соединения Fe, Mg достигают токсичных величин.

При преобладании окислительных процессов порядка 700 мВ снижается подвижность и доступность растениям Fe, Mg и частично N.

Регулирование ОВП возможно путем оптимизации водного и воздушного режимов почвы.

К физическим свойствам относятся: структура, физико-механические, водные, воздушные и тепловые свойства. Важнейшая роль среди этих свойств принадлежит структуре почвы.

Структура почвы – это совокупность агрегатов различной величины, формы и качественного состава. Способность почвы распадаться на отдельные агрегаты называется структурностью, а распределение структурных агрегатов в почве в соответствии с их размерами называется структурным составом почвы. Наиболее ценными в агрономическом отношении являются мезоагрегаты, размером 0,25-10 мм, обладающие высокой пористостью – 45% и выше.

Агрегаты крупнее 10 мм называются макроагрегаты, менее 0,25 мм - микроагрегатами.

Хорошо оструктуренной считается почва, которая содержит 55% водопрочных агрегатов размером 0,25-10 мм, агрегаты размером 0,25-0,01 мм также оказывают положительное влияние на свойства почвы, а менее 0,01 мм – затрудняют ее водо- и воздухопроницаемость.

Для характеристики структурного состояния почв введено понятие коэффициента структурности (к), который равен

где a – количество мезоагрегатов, b – сумма микро- и макроагрегатов.

Факторы структурообразования следующие:

Физические – под действием замораживания-оттаивания, увлажнения-высушивания, давления корневых систем.

Физико-химические – главная роль в образовании структуры принадлежит почвенным коллоидам. Наиболее прочная структура образуется под воздействием гумата кальция, алюмо- и железо-гумусовых и глинисто-гумусовых комплексов, способствующих коагуляция коллоидов.

Химические факторы также оказывают склеивающее действие в результате образования труднорастворимых соединений углекислого кальция, гидроокиси железа и других соединений, которые цементируют почвенные агрегаты.

Биологические – ведущая роль принадлежит корневой системе растений: вблизи нее сосредотачивается обильная микрофлора, продукты жизнедеятельности которой цементируют агрегаты; клеящей способностью обладают и сами корневые выделения. Активное участие в структурообразовании принимают дождевые черви, другая микрофауна почвы. Их экскременты также обладают клеящей способностью.

Факторы обеструктуривания почв, способы ее восстановления и сохранения

Разрушение структуры почвы происходит под влиянием агрогенных факторов: обработки почвы, недостаточного поступления органического вещества в почву, движения тяжелой техники (переуплотнение). Минеральные удобрения улучшают структуру за счет увеличения органических остатков в почве. При использовании в повышенных дозах физиологически кислых удобрений на почвах с кислой реакцией или физиолологически. щелочных удобрений на почвах с щелочной реакцией происходит пептизация коллоидов и разрушение структуры почвы.

Орошение, водная эрозия, дефляция почвы также способствуют разрушению структуры почвы.

Способы восстановления структуры

1. Снижение степени выпаханности почвы за счет травосеяния, внесения органических удобрений, минеральных удобрений, минимизации механических обработок;

2. Проведение обработок почвы в периоды ее физической спелости;

3. Использование легкой техники при почвообработках;

4. Химические мелиорации почв с кислой и щелочной реакцией (гипсование, известкование);

5. Применение противоэрозионных и противодефляционных приемов обработки почвы.

Физические свойства почв, их агроэкологическая оценка

Кфизическим свойствам относятся: плотность в естественном сложении, плотность твердой фазы, пористость, удельная поверхность.

Плотность почвы – это масса сухого вещества почвы в единице ее объема в ненарушенном состоянии, выражается в г/см³. Пахотный слой считается рыхлым при плотности 0,9-0,095 г/см³, нормальной плотности (оптимальной) – 0,95-1,15, уплотненным – 1,15-1,25, сильно уплотненным, требующим рыхления – >1,25 г/см³.

Плотность твердой фазы почвы – масса сухого вещества в единице объема твердой фазы почвы – измеряется в г/см³ и т/см³. В следующей таблице приводится плотность и плотность твердой фазы различных горизонтов почв.

Название горизонтов	Плотность, г/см³	Плотность твердой фазы, г/см³
Гумусовые суглинистые и глинистые	1,0-1,2	2,4-2,6
Минеральные суглинистые и глинистые	1,3-1,6	2,6-2,7
Минеральные иллювиальные суглинистые и глинистые	1,6-1,8	2,6-2,7
Песчаные и супесчаные	1,4-1,6	2,6-2,7

Плотность и плотность твердой фазы различных горизонтов почв, г/см³

Порозность (пористость, скважность) – Это суммарный объем пор между твердыми частицами, занятый воздухом и водой. Выражается в процентах от общего объема почвы и определяется по показателям плотности почвы (d_v) и плотности твердой почвы (d).

Различают общую пористость, капиллярную (внутриагрегатную) и некапиллярную (межагрегатную). При НВ капиллярные поры заняты водой полностью, она удерживается менисковыми силами и доступна растениям. Некапиллярные поры обычно заняты почвенным воздухом (порозность аэрации). Наибольший показатель общей порозности (55-70%) отмечается в гумусовых горизонтах, в торфах и лесной подстилке ее величина достигает 90%, в минеральных горизонтах – 35-50%, в глеевых – 25-30%.

В почвоведении принята следующая шкала оценки общей пористости почв:

>70% – избыточная;

55-65 – отличная, характерная для пахотного слоя;

50-55 – удовлетворительная;

<50 – неудовлетворительная;

На поры, занятые воздухом (пористость аэрации), должно приходится не менее 15-20% в минеральных, 30-40% – в торфяных почвах.

Удельная поверхность – это суммарная поверхность (внутренняя и внешняя) всех частиц почвы. Выражается в м²/г и варьирует от 1,5-2 м²/г в песчаных до 300-400 м²/г в суглинистых и глинистых почвах.

По УП судят о степени дисперсности и адсорбционной способности почвы.

Физико-механические свойства

К физико – механическим свойствам относятся:

Сжимаемость – уменьшение объема почв под действием внешнего давления. Характеризует возможность уплотнения при обработках тяжелой техникой. Выражается как коэффициент уплотнения (см²/кг);

Пластичность – способность почвы изменять свою форму под влиянием внешнего воздействия и сохранять при этом сплошность. Число пластичности – показатели между верхним и нижним пределами пластичности. Глинистые почвы имеют >17, суглинистые – 7-17, супеси – <7, пески не обладают пластичностью;

Липкость – свойство влажной почвы прилипать к другим телам. Она определяется силой, которая требуется для отрыва от почвы металлической пластинки площадью 1 см² и выражается в г/см². Различают: предельно вязкие (>15 г/см²), сильновязкие (5-15), средневязкие (2-5) и слабовязкие (<2 г/см²);

Усадка – уменьшение объема при высыхании в % к первоначальному объему;

Набухание – увеличение объема при увлажнении;

Связность – способность противостоять внешнему усилию, направленному к разъединению частиц путем раздавливания или сдвига, г/см^3;

Твердость – сопротивление, которое оказывает почва проникновению в нее какого-либо тела (конуса, цилиндра) под давлением, выражается в кг/см^2, , величина которой колеблется от 5 до 45 кг/см²;.

Удельное сопротивление – усилие, затраченное на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность плуга, выражается в кг/см² поперечного сечения пласта, поднимаемого плугом. Колеблется от 0,2 до 1,2 кг/см².;

С физическими свойствами связана физическая спелость почвы, которая соответствует влажности 35-45% от массы почвы.

Формы воды в почвах, почвенно-гидрологические константы. Доступность почвенной воды растениям

Вода в почве находится в следующих формах:

Химически связанной – входит в состав твердой фазы и не обладает свойствами воды. Выделяется из почвы при нагревании выше 100ºС, недоступна растениям.

Твердая вода представлена в виде льда, которой является потенциальным источником жидкой воды.

Парообразующая – содержится в порах в почвенном воздухе. Относительная влажность почвенного воздуха близка к 100%. Перемещается вместе с почвенным воздухом, может конденсироваться и сорбироваться твердой фазой.

Сорбированная (физически связанная) вода подразделяется на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода сорбируется почвой при низкой относительной влажности (20-50%) и образует тонкую пленку в 1-2 слоя молекул. Такая влага называется гигроскопической. При влажности близкой к 100% сорбируется 3-4 слоя молекул – это максимально гигроскопическая влага (МГ). Наибольшее количество прочносвязанной воды, удерживаемой сорбционными силами, называется максимальной адсорбционной влагоемкостью (МАВ) и составляет 60-70% от МГ.

Содержание рыхлосвязанной воды колеблется от 0,5-1% в песчаных и супесчаных почвах, до 15-20% - в глинистых.

Рыхлосвязанная сорбированная (пленочная) вода имеет слой толщиной несколько десятков и сотен молекул. Удерживается молекулярными силами, менее прочно связана с твердой фазой. Верхний предел характеризует максимальную молекулярную влагоемкость (5-7% в песчаных, 25-30% – в глинистых почвах), частично доступна растениям.

Капиллярная вода не зависит от сорбционных сил, удерживается и передвигается в почве капиллярными (менисковыми) силами. Это наиболее ценная и доступная для растений вода. Подразделяется на три вида:

капиллярно-подвешенная - заполняет капилляры при увлажнении плсвы сверху вниз, висит над сухим слоем почвы и не имеет связи с грунтовыми водами;

стыковая капиллярно-подвешенная - преобладает в песчаных и супесчаных почвах с крупными порами. Находится в местах стыка твердых частиц;

капиллярно-подпертая - заполняет почвенные поры при увлажнении снизу, от грунтовых вод. Слой почвы над грунтовыми водами, содержащий капиллярно-подпертую воду, называется капиллярной каймой и может достигнуть от 0,4-2 до 2-6 м.

капиллярно-посаженная (подперто-подвешенная) - образуется в слоистых почвах, различающихся по гранулометрическому составу, на стыках слоев.

Наибольшее количество капиллярно-подпертой влаги, которая может удерживаться в почве в пределах капиллярной каймы, называется капиллярной влагоемкостью.

Наименьшая влагоемкость характеризует наибольшее количество капиллярно-подвешенной влаги, которую может удерживать почва после стекания избытка влаги.

Влажность разрыва капилляров (ВРК) характеризует запасы влаги в почве, когда разрывается сплошность капилляров. Такая влага теряет подвижность. Это нижний предел оптимальной влажности почвы – 60-70% НВ.

Влажность устойчивого завядания – при этом растения теряют тургор и погибают. Это нижний предел продуктивной влаги.

ВЗ = МГ · 1,5 (1,34)

Запасы влаги в интервале ВРК-ВЗ соответствуют максимальной молекулярной влагоемкости.

Полная влагоемкость (ПВ) или водовместимость – наибольшее количество воды, которое может вместить почва при полном заполнении всех пор водой. Это сумма капиллярной и гравитационной вод. Последняя доступна растениям, но непродуктивна, поскольку является избыточной.

Максимальная водоотдача (МВО) – разность между ПВ и НВ. В структурных почвах она составляет 15-20% от массы почвы.

Водопроницаемость и водоподъемная способность

Водопроницаемость – способность почвы впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. Она измеряется объемом воды, протекающей через единицу поверхности в единицу времени при напоре воды 5 см и t-ре 10ºС:

Величина водопроницаемости, равная 1000-500 мм/час, считается провальной, излишне высокой;

500-100 мм – наилучшей;

100-70 – хорошей;

70-30 – удовлетворительной;

Водоподъемная сила – свойство почвы вызывать восходящее передвижение влаги за счет капиллярных сил. Высота капиллярного поднятая воды в песках

оставляет 0,5-1 м; в супесях – 1-2; в суглинках – 2-4; в тяжелых суглинках и в глинах – до 6 м.

Водный режим почвы

Водный режим – это совокупность явлений поступления, передвижения, изменения физического состояния и расхода воды в почвах. Поступление ее в почву и расход характеризуются водным балансом.

К приходным статьям водного валанса относятся осадки, грунтовые воды, конденсация паров, поверхностный боковой приток, внутрипочвенный боковой приток.

К расходным статьям относятся: испарение, транспирация, фильтрация, сток, внутрипочвенный и боковой сток воды.

Типы почвенного режима

Выделено 13 типов водного режима.

Промывной режим - формируется в гумидных областях с КУ>1. Атмосферные осадки ежегодно промачивают почву до почвенно-грунтовых вод, часто формируется верховодка. Характерен для подзолистых почв, красноземов, желтоземов.

Периодически промывной режим формируется на границе гумидных (влажных) и семигумидных (полувлажных) областей при КУ = 08-1,2. Промачивание до почвенно-грунтовых вод наблюдается 1 раз в 10-15 лет, которое имеют место в регионах, где формируются серые лесные почвы и выщелоченные черноземы.

Непромывной водный режим формируется в семигумидных (полувлажных) и семиаридных областях с КУ = 1-0,33. При таком режиме почва промачивается на 1-2,5 м. Между промочившейся толщей и капиллярной каймой залегает слой почвы с постоянно низкой влажностью, близкой ВЗ. Такой режим благоприятствует формированию черноземов и каштановых посв. Продукты почвообразования накапливаются в почвенном профиле.

Аридный (сухой) водный режим – характерен для пустынных и полупустынных областей, где КУ<0,33. Влажность почвы приближается к ВЗ, несколько повышаясь после дождей.

Вытопной режим характерен для областей с семиаридным и аридным климатом с КУ<0,55 при неглубоком залегании грунтовых вод. Капиллярная кайма поднимается к поверхности почвы, растворенные в ней соли накапливаются в поверхностных горизонтах. При таком режиме образуются гигроморфные солончаки.

Десуктивно-вытопной режим формируется в тех же областях с семиаридным и атидным климатом, но при более глубоком залегании грунтовых вод. Капиллярная кайма не достигает поверхности почвы, но охватывает зону распространения корней, испаряется влага не физически, а десуктивно – через посредство корней. Водорастворимые соли накапливаются на верхней границе капиллярной каймы. При таком режиме образуются полугидроморфные лугово-черноземные, лугово-каштановыве почвы.

Паводковый режим характерен для речных пойм и дельт, где почва периодически подвергается затоплению паводковыми водами.

Амфибиальный – формируется при постоянном или длительном затоплении водой (морские или озерные мелководья, речные плавни).

Мерзлотный – характерен для областей вечной мерзлоты. Летом почва оттаивается на небольшую глубину, формируя мерзлотную верховодку.

Водостойный – характерен для болотистых почв.

Периодически водозастойный – характерен для болотных почв грунтового увлажнения с сезонными колебаниями грунтовых вод.

Ирригационный – формируется при искусственном орошении.

Регулирование водного режима почв осуществляется с помощью мелиоративных и агротехнических мероприятий.

Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 33; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!