Поглотительная способность почв виды механизмы и значение в агрохимии

Если через почву пропустить раствор некоторых веществ, то они будут удерживаться в ней. Эта способность удерживать вещества из раствора была известна более двух тысяч лет назад. Так, в трудах Аристотеля (384–322 гг. до н.э.) есть указания, что морская вода после соприкосновения с почвой утрачивает соленость и становится пригодной для питья.

В изучении поглотительной способности почв большую роль сыграли исследования Д.Т. Уэя, опубликованные в 1850–1854 гг. Он сформулировал основные закономерности поглотительной способности почв, сохранившие значение до наших дней. Огромный вклад в изучение этого явления внес К.К. Гедройц. Итоги многолетних исследований, начатых им в 1908 г., были обобщены в монографии "Учение о поглотительной способности почв", опубликованной в 1922 г. и затем многократно переиздававшейся. Изучение поглотительной способности почв им тесно увязывалось с разработкой теоретических и практических вопросов применения удобрений, питания растений и химической мелиорации почв.

В дальнейшем многие ученые значительно расширили и углубили знания о поглотительной способности почв. На Кубани такие работы выполнил А.А. Шмук. Однако основы учения К.К. Гедройца не устарели и в настоящее время.

По одному из определений, поглотительная способность почвы – это ее способность поглощать ионы и молекулы различных веществ из раствора и удерживать их.

Поглотительная способность регулирует питательный режим почвы, реакцию почвы, ее буферность, водно-физические свойства.

К.К. Гедройц выделил 5 видов поглотительной способности: биологическую, механическую, физическую, химическую и физико-химическую (обменную). Он отмечал также и необменное поглощение катионов. Последующие исследования в нашей стране и за рубежом позволяют выделить необменное поглощение в отдельный, 6-й вид поглотительной способности почв.

Биологическая поглотительная способность – это поглощение растениями и почвенной микрофлорой элементов питания из почвы. Вследствие этого они предохраняются от вымывания из почвы.

Как отмечал К.К. Гедройц, благодаря биологическому поглощению происходит накопление элементов питания в верхних горизонтах почвы и до определенной степени создается необходимое соотношение между этими элементами.

Особенностью биологического поглощения является его избирательность, заключающаяся в том, что растения и микроорганизмы усваивают из почвы те элементы, которые необходимы им для жизнедеятельности. Микроорганизмы используют те же химические элементы, что и высшие растения – N, P, K, Ca, Mg, Fe, Cu, Mo, Zn, Mn и другие. В этом отношении они составляют конкуренцию культурным растениям за минеральные соединения, прежде всего азот почвы и удобрений.

Исследования показали, что в органической форме в почве закрепляется 10– 20 % азота нитратных и 20–40 % азота аммонийных удобрений. Особенно важно биологическое поглощение для нитратов, так как это практически единственный вид поглощения, которому они подвергаются. Нитраты, не усвоенные растениями, удерживаются в основном благодаря их потреблению микроорганизмами.

Иммобилизация элементов минерального питания за счет биологического поглощения относительно непродолжительна и определяется жизненным циклом микроорганизмов. Впоследствии они высвобождаются в результате минерализации микробной плазмы и могут быть использованы растениями или следующей генерацией микроорганизмов.

В том случае, если в почве находится большое количество органических веществ, служащих для последних источником энергии, то происходит усиленное развитие микрофлоры, а потребленный ею азот надолго становится недоступным растениям. Это нужно учитывать при использовании удобрений.

Например, не рекомендуется вносить соломистый навоз, содержащий большое количество клетчатки и других безазотистых веществ, вызывающих размножение целлюлозоразлагающих бактерий, которые усиленно поглощают минеральные соединения азота из почвы. А при удобрении соломой необходимо вносить минеральные азотные удобрения в соответствии с нормами:

То же самое происходит и при внесении только фосфорных удобрений. Поглощая фосфор в определенных соотношениях с азотом, микроорганизмы используют больше минерального азота из почвы, чем без фосфорных удобрений. В результате культурные растения оказываются в условиях недостатка азота. Таким образом, знания о биологической поглотительной способности дают возможность регулировать питательный режим почвы и повышать эффективность удобрений.

Способность почвы механически удерживать твердые частицы из фильтрующихся через почву суспензий и коллоидных растворов, содержащих значительное количество питательных веществ, называется механической поглотительной способностью.

Почва представляет собой пористое тело. В почвенном растворе, кроме молекулярно растворенных веществ, содержатся во взвешенном состоянии коллоидные и близкие к ним по размеру частицы. При прохождении раствора через поры диаметром меньше взвешенных частиц последние будут задержаны почвой. Так, при прохождении через почву мутной воды она становится почти прозрачной. Механическая поглотительная способность почвы обусловливает сохранение в почве наиболее ценной коллоидной фракции.

Уровни поглощения зависят от состава почвы:

• Наибольшим поглощением обладают почвы тяжелые по гранулометрическому составу – глинистые и суглинистые.
• Наименьшим поглощением обладают легкие почвы – супесчаные и песчаные.

Некоторые удобрения, выпускаемые в виде тонко размолотых частиц, не вымываются из почвы вследствие механического поглощения.

Физическое и химическое поглощение: риски потери азота и блокировки фосфора

Способность почвы удерживать на поверхности твердой фазы молекулы различных веществ называют физической поглотительной способностью, или молекулярной сорбцией. Этот процесс протекает в виде положительной или отрицательной адсорбции. При положительной адсорбции почвенные частицы притягивают растворенные вещества (например, органические кислоты и высокомолекулярные соединения) сильнее, чем воду, концентрируя их у своей поверхности. При отрицательной адсорбции сильнее притягивается вода, из-за чего концентрация растворенного вещества в свободном почвенном растворе возрастает.

Химическая поглотительная способность основана на образовании нерастворимых или труднорастворимых осадков в результате реакций между растворимыми соединениями. Например, при взаимодействии гидрофосфата аммония с гидрокарбонатом кальция образуется малорастворимый гидрофосфат кальция: (NH₄)₂HPO₄ + Ca(HCO₃)₂ = CaHPO₄↓ + 2NH₄HCO₃. Анионы азотной и хлористоводородной кислот (NO₃^–, Cl^–) не образуют труднорастворимых солей с катионами почвы (NH₄⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe³⁺) и химически не поглощаются. Анионы угольной и серной кислот (CO₃^2–, SO₄^2–) дают растворимые соли с одновалентными катионами, а с двухвалентными — труднорастворимые.

Наиболее интенсивно химическое поглощение связывает фосфор. Анионы ортофосфорной кислоты (H₂PO₄^–, HPO₄^2–) образуют растворимые соли только с одновалентными катионами (KH₂PO₄, Na₂HPO₄, NH₄H₂PO₄). Их соединения с двухвалентными катионами различаются по растворимости: дигидрофосфат кальция Ca(H₂PO₄)₂ растворим хорошо, гидрофосфат CaHPO₄ — слабо, а фосфат Ca₃(PO₄)₂ практически нерастворим. Соединения фосфора с алюминием и трехвалентным железом (AlPO₄, FePO₄) также относятся к труднорастворимым, что резко снижает доступность элемента для растений.

• Черноземы — наименьшая интенсивность закрепления фосфора
• Сероземы — повышенная интенсивность закрепления фосфора
• Дерново-подзолистые почвы — высокая интенсивность закрепления фосфора
• Красноземы — максимальная интенсивность закрепления фосфора

В кислых дерново-подзолистых почвах, красноземах и бурых лесных почвах, содержащих много гидроксидов алюминия и железа, активно образуются фосфаты алюминия и железа. Свежеосажденные формы еще могут усваиваться растениями, но со временем они уплотняются, кристаллизуются и становятся недоступными, что особенно характерно для фосфатов железа. В нейтральных или слабощелочных почвах связывание фосфора происходит при взаимодействии с гидрокарбонатом кальция: Ca(H₂PO₄)₂ + Ca(HCO₃)₂ = 2CaHPO₄↓ + 2H₂CO₃ или Ca(H₂PO₄)₂ + 2Ca(HCO₃)₂ = Ca₃(PO₄)₂↓ + 4H₂CO₃. Полученный гидрофосфат кальция растворим в слабых кислотах и доступен культурам, тогда как фосфат кальция усваивается корнями лишь частично до момента его кристаллизации.

Водорастворимые соли ортофосфорной кислоты могут также химически поглощаться при взаимодействии с обменно-поглощенным кальцием почвы: (почва) Са + Са(Н₂РО₄)₂ → (почва) 2Н + 2СаНРО₄↓. Любое химическое поглощение снижает концентрацию почвенного раствора из-за выпадения солей в осадок. В практическом земледелии этот процесс обусловливает слабую подвижность фосфатов и снижает эффективность вносимых фосфорных удобрений.

Физико-химическая поглотительная способность: обмен катионов

Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность — это свойство почвы поглощать из раствора катионы и анионы с одновременным выделением в раствор эквивалентного количества ранее поглощенных ионов. Этот процесс происходит на границе раздела твердой и жидкой фаз почвы. Если почву, насыщенную кальцием, обработать раствором хлорида калия, катионы калия закрепятся в почвенном поглощающем комплексе. Одновременно в раствор перейдет эквивалентное количество катионов кальция, и вместо KCl в жидкой фазе появится CaCl₂.

Питательный резерв: как почва регулирует состав почвенного раствора

Катионы в почве находятся в состоянии динамического равновесия между почвенным раствором и поглощающим комплексом. При внесении калийных или аммонийных удобрений концентрация раствора временно растет, и часть катионов переходит в поглощенное состояние. Когда растения поглощают питательные элементы из раствора, их дефицит восполняется за счет высвобождения ранее поглощенных ионов.

С анионами ситуация иная — их обменное поглощение напрямую зависит от кислотности среды. Этот процесс идет в основном в кислых почвах (дерново-подзолистых, красноземах и желтоземах) за счет обмена на гидроксил-ионы (OH^-). В нейтральных и щелочных почвах анионы практически не поглощаются. При планировании питания важно учитывать особенности поведения конкретных групп анионов:

• Нитраты (NO₃^-) и хлориды (Cl^-) практически не удерживаются почвой. Они свободно передвигаются с влагой и легко вымываются из корнеобитаемого слоя. Незначительное их поглощение возможно только на кислых красноземах.
• Сульфаты (SO₄^2-) слабо удерживаются в дерново-подзолистых почвах, но прочно связываются в кислых красноземах и желтоземах.
• Фосфаты (анионы ортофосфорной кислоты) поглощаются в дерново-подзолистых почвах и частично в черноземах, при этом они остаются доступными для корневой системы растений.

Необменная фиксация: почему блокируются калий и аммоний

Необменное поглощение (фиксация) — это процесс, при котором почва прочно закрепляет катионы внутри кристаллической решетки глинистых минералов (гидрослюд и монтмориллонита). В отличие от обменного поглощения, эти элементы не вытесняются нейтральными солями и переходят в форму, труднодоступную для растений. Сильнее всего такой фиксации подвержены калий (K⁺) и аммоний (NH₄⁺), в меньшей степени — кальций (Ca²⁺), магний (Mg²⁺) и водород (H⁺).

Интенсивность фиксации зависит от типа и гранулометрического состава почвы. В черноземах необменное поглощение калия и аммония выражено сильнее, чем в дерново-подзолистых почвах. Чем тяжелее почва по механическому составу (больше глинистых частиц), тем выше ее фиксирующая способность. Также закреплению элементов способствует попеременное увлажнение и высушивание почвы, хотя процесс идет и во влажном состоянии.

Заблокированный аммоний не подвергается процессам нитрификации. Однако прочность его связи зависит от сопутствующих элементов в растворе. Фиксированный аммоний не могут вытеснить катионы, сжимающие кристаллическую решетку минералов (калий K⁺, рубидий Rb⁺, цезий Cs⁺). При этом его способны заместить катионы, вызывающие разбухание решетки: натрий (Na⁺), литий (Li⁺), магний (Mg²⁺) и кальций (Ca²⁺).