Роль и химический состав жидкой фазы почвенного раствора

этому в почвообразовании режиму воды следует отводить первое место.

Жидкая фаза почвы представляет собой почвенный раствор, который формируется из воды, поступающей в почву с атмосферными осадками, из грунтовых вод, при конденсации водяных паров. При орошении дополнительным резервом влаги для почвенных растворов становятся поливные воды. Жидкая фаза почвы является наиболее мобильной, динамичной и в то же время активной ее частью. Почвенный раствор играет настолько важную роль в почвообразовании и питании растений, что Г.Н.Высоцкий образно назвал "кровью" почвы, а В.И.Вернадский считал его одной из важнейших категорий вод, "основным субстратом жизни", "основным элементом механизма биосферы". В почвенном растворе совершаются процессы разрушения и синтеза гумусовых веществ, формирования вторичных минералов, образования органо-минеральных соединений. Из почвенного раствора растения получают необходимые питательные вещества и воду. Вследствие того, что одни вещества почвы могут поглощаться растениями, микроорганизмами и коллоидами, а другие могут оставаться в почвенном растворе, между жидкой и твердой фазами почвы устанавливается динамическое адсорбционное равновесие. В почвенном растворе минеральные и органические вещества находятся в молекулярном, коллоидном и ионном состоянии. Кроме того, здесь присутствуют кислород, диоксид углерода и другие растворенные газы.

Органические соединения почвенного раствора представлены гумусовыми кислотами и их солями (в нейтральных почвах – фульваты кальция и магния; в сильнокислых – фульваты алюминия и железа; в щелочных – гуматы натрия), винной, щавелевой и другими органическими кислотами и их солями, а также сахарами, аминокислотами, спиртами, ферментами, дубильными веществами, извлекаемыми из растительных остатков или же образующимися в результате биохимических процессов. Минеральные соединения в почвенном растворе представлены преимущественно анионами HCO3, CO32, NO3, NO2, SO 24, Cl, H 2PO 4, HPO 2, PO34 и ка-

    тионами H, Na, K, Li, NH 4, Ca 2, Mg 2, Fe 2, Fe3, Al3.

В чрезвычайно малых количествах в почвенном растворе присутствуют ионы

2 2 2 2 Сo, Mn, Cu, Zn и других микроэлементов. Алюминий, железо, а также медь, ванадий, никель, хром и другие микроэлементы в почвенном растворе содержатся преимущественно в виде комплексных органо-минеральных соединений, где органическая часть комплексов представлена гумусовыми и низкомолекулярными органическими кислотами, полифенолами и другими органическими веществами.

Качественный и количественный состав раствора в разных почвах неодинаков. Даже в одной и той же почве его состав изменяется по генетическим горизонтам. Наиболее богат органическими соединениями почвенный раствор болотных и целинных дерново-подзолистых, а в пределах одной почвы – органогенный и гумусовый горизонты. Вниз по профилю почв количество органических соединений в почвенном растворе резко снижается в результате их закрепления и минерализации в верхних горизонтах. В каштановых почвах, черноземах, сероземах и солонцах в составе почвенных растворов нижних горизонтов увеличивается содержание минеральных соединений – карбонатов, гипса и легкорастворимых солей.

Вещества в почвенном растворе обуславливают его осмотическое давление, величина которого возрастает с повышением концентрации растворенных соединений. Осмотическое давление раствора у различных почв неодинаково и колеблется от 1,01–3,03∙105 до 10,1–20,2·105 Па (1,01·105 Па = 1 атм). Осмотическое давление клеточного сока корневой системы большинства культурных растений не превышает 5,05–8,08·105 Па. Нормальное потребление растениями воды и питательных веществ происходит только при условии, когда осмотическое давление почвенного раствора ниже осмотического давления клеточного сока корневой системы. Поэтому, все проводимые агротехнические приемы не должны привести к увеличению осмотического давления почвенного раствора выше осмотического давления клеточного сока у возделываемых культур. В противном случае это влечет за собой ряд неблагоприятных последствий для роста и развития растений.

В зависимости от концентрации почвенного раствора все почвы делятся на две группы – незасоленные и засоленные. Незасоленными называются такие почвы, у которых концентрация почвенного раствора не превышает нескольких граммов на 1 л при содержании легкорастворимых солей менее 0,25 %. Осмотическое давление их раствора не превышает 1,01–8,08·105 Па, что благоприятно для возделывания большинства сельскохозяйственных культур. Состав почвенного раствора в незасоленных почвах определяется характером и интенсивностью биологических процессов и составом твердой фазы почвы. Из минеральных соединений в растворе этих почв наиболее распространенными являются гидрокарбонаты кальция и магния, в меньшей степени встречаются КНСО3 и NaНСО3, сульфаты кальция, магния и натрия, нитраты и фосфаты этих же катионов.

В засоленных почвах концентрация почвенного раствора может достигать нескольких десятков граммов на 1 л, а содержание легкорастворимых солей превышать 0,25 %. Осмотическое давление их растворов превышает 10,13– 15,20∙105 Па, что исключает возможность возделывания на них большинства культурных растений без предварительного проведения специальных мелиоративных мероприятий. Из минеральных соединений в почвенном растворе засоленных почв преобладают: хлориды – NaCl, MgCl2, CaCl2, и KCl; сульфаты – Na2SO4, MgSO4, K2SO4, CaSO4; карбонаты – Na2CO3 и MgCO3; гидрокарбонаты – NaHCO3, Mg(HCO3)2 и Ca(HCO3)2.

Почвенный раствор находится в постоянном и тесном взаимодействии с твердой, газовой и живой фазами почвы, и как следствие, состав и концентрация его является результатом биологических, физико-химических и физических процессов, лежащих в основе этого взаимодействия. Темп и направление указанных процессов подвержены значительным изменениям, поэтому и состав почвенного раствора чрезвычайно динамичен. После выпадения дождя и таяния снега концентрация почвенного раствора понижается, а в сухое время повышается, вследствие чего некоторые растворенные вещества могут выпадать в осадок. Изменение состава почвенного раствора в значительной степени связано с тем, что часть растворенных веществ усваивается растениями и микроорганизмами, некоторое количество вымывается в глубокие горизонты, часть переходит в поглощенное состояние. Изменение водного режима ведет к трансформации концентрации и состава почвенного раствора и условий минерального питания растений, что, естественно, непосредственно отражается на их жизнедеятельности.

Важным свойством почвенного раствора является его реакция, которая напрямую зависит от солевого состава раствора, поглотительной способности и присутствия в почвах свободных кислот. По характеру реакции почвенного раствора почвы подразделяют на сильнокислые (рН<4,0), кислые (рН 4,0– 5,5), слабокислые (рН 5,5–6,5), нейтральные (рН 6,5–7,0), щелочные (рН 7,0– 8,0), сильнощелочные (рН>8,0). Сильнокислую и кислую реакцию имеют красноземы, подзолистые, дерново-подзолистые и торфяные почвы. Слабокислая и близкая к нейтральной реакции почвенного раствора характерны для черноземов и серых лесных почв, тогда как каштановые почвы, сероземы и солонцы имеют щелочную реакцию. Кислая реакция определяется наличием в растворе органических и минеральных кислот и кислых солей; щелочная – карбонатами и гидрокарбонатами натрия и магния.

В почвенном растворе практически никогда не содержится сильных кислот и сильных щелочей. Это объясняется тем, что почвенные растворы обладают способностью сопротивляться, противостоять изменению его реакции, т. е. буферностью. В почвенных растворах широко представлена буферная система из угольной кислоты и ее кальциевой соли – гидрокарбоната кальция: Н2СО3 + Са(НСО3)2. Эти два соединения присутствуют в почвенном растворе почв, обладающих слабокислой, нейтральной и слабощелочной реакцией. В почвах с сильнокислой реакцией определяющую роль играют органические кислоты и их соли с кальцием, а в некоторых случаях с аммонием и другими основаниями. Кроме того, известное буферное действие могут оказывать фосфаты, если они находятся в растворе в нескольких степенях замещения. Буферное действие фосфатов объясняется различной степенью диссоциации ортофосфорной кислоты Н 2 РО 4, НРО 24, РО 34. Следует отметить, что буферность почвенного раствора, взятого отдельно, обычно очень незначительна по сравнению с буферностью почвы в целом.

Значение почвенного раствора в жизни почвы, растительности и микроорганизмов велико. Все процессы мобилизации питательных веществ в почве, в т. ч. и за счет вносимых удобрений, происходят через почвенный раствор. Вот почему состав и концентрацию почвенного раствора следует целенаправленно регулировать с помощью специальных агротехнических приемов. Концентрацию почвенного раствора уменьшают промыванием почвы пресными водами. Состав его изменяют внесением удобрений, а реакцию – известкованием или гипсованием почвы.

Формы воды и их соотношение в почве зависят от ее гранулометрического и минералогического состава, от структурности, определяющей размер и конфигурацию почвенной порозности, и, конечно, от степени ее влажности в данный момент. Вода в почве находится в сфере влияния трех видов сил: тяжести, молекулярного притяжения минеральных и органических частиц почвы и взаимного притяжения молекул самой воды. Различают следующие формы воды, отличающиеся между собой прочностью связи с твердой фазой, степенью подвижности и доступности растениям: 1) химически связанную; 2) твердую; 3) парообразную; 4) сорбированную; 5) капиллярную; 6) гравитационную.

Химически связанная вода характеризуется неподвижностью, высокой прочностью связей, неспособностью растворять. Она включает конституционную (гидратную) и кристаллизационную (кристаллогидратную) воду, входит в состав твердой фазы почвы.

Виды химически связанной воды:

• Конституционная вода – гидроксильная группа (ОН) находящихся в почве веществ: гидроксидов железа, алюминия, марганца, титана, коллоидно-дисперсных глинных минералов, органических и органо-минеральных соединений.
• Кристаллизационная вода – это целые молекулы воды, входящие в кристаллы: гипс (CaSO4∙2H2O), мирабилит (Na2SO4·10H2O), бишофит (MgCl2·6H2O), гидрофилит (CaCl2·6H2O).

Химически связанная вода не входит в состав почвенного раствора и растениям не доступна. При ее потере в результате дегидратации или синерезисе, т. е. уплотнении кристаллической решетки, происходит необратимая трансформация минеральных, органических и органо-минеральных соединений.

Твердая вода – имеющийся в почве лед. Встречается зимой во всех почвах, где наблюдаются отрицательные температуры. В местах с вечной мерзлотой и тундрах лед в почве остается даже летом. Твердая вода растениям непосредственно недоступна, но она служит источником жидкой и газообразной воды.

Парообразная вода содержится в почвенном воздухе в виде водяного пара. Пары воды поступают в почву из атмосферы, а также образуются в почве при испарении воды и льда. Почвенный воздух обычно насыщен парами воды, относительная влажность его близка к 100 %. С повышением температуры увеличивается давление водяного пара и он передвигается от теплых слоев почвы к более холодным. При конденсации пар превращается в жидкую воду. Во многих случаях этот переход парообразной воды в жидкую становится важнейшим источником снабжения растений водой.

Формы почвенной влаги: что доступно растениям

Вода в почве находится в разных состояниях, и далеко не вся она полезна для урожая. Для агронома принципиально важно разделять связанную, капиллярную и свободную влагу, так как от этого зависят поливной режим и питание растений. Объемы накопления доступной влаги сильно варьируются в зависимости от сезона и климатических условий региона.

• Зимняя конденсированная влага в засушливых районах (в метровом слое) — 10–14 мм
• Запас конденсированной влаги к началу весны (в отдельные годы) — 200 м³/га
• Диаметр пор для проявления капиллярных сил — 0,001–0,1 мм

Сорбированная влага прочно удерживается на поверхности почвенных частиц. Она представлена гигроскопической и пленочной формами. Гигроскопическая вода образуется из паров воздуха и плотно прилегает к частицам почвы в виде пленки из 2–3 слоев молекул. Из-за мощного притяжения корни не могут ее поглотить. Подвижность этой влаги крайне низкая — она перемещается только после перехода в парообразное состояние.

Пленочная вода обволакивает частицы поверх гигроскопического слоя. Она связана слабее, поэтому растения могут частично усваивать ее за счет осмотического давления клеточного сока. Однако передвигается такая влага очень медленно — от участков с толстой пленкой к тонким. В результате корни расходуют воду быстрее, чем восстанавливается ее приток.

Капиллярная вода заполняет мелкие поры и движется во всех направлениях под действием менисковых сил. Она делится на капиллярно-подпертую (поднимается от грунтовых вод) и капиллярно-подвешенную (удерживается после осадков или полива). Это наиболее подвижная и легкодоступная форма влаги, которая составляет основу водного питания. Гравитационная вода подчиняется силе тяжести, стекает вниз или накопливается на водоупоре. Она способна растворять и переносить соли, коллоиды и суспензии.

Жидкую фазу почвы определяет почвенный раствор. В него входят пленочная и капиллярная вода с растворенными солями, органикой, газами и коллоидами. Объем раствора равен общему объему влаги за вычетом максимальной гигроскопичности. Химически связанная, гигроскопическая и гравитационно-просачивающаяся вода в состав почвенного раствора не включаются.

Питание из жидкой фазы: как работают механизмы усвоения

Почвенный раствор — это среда, из которой корни напрямую забирают элементы питания. Однако концентрация веществ в нем нестабильна и составляет лишь малую часть от общих запасов почвы. Чтобы оценить реальную обеспеченность растений, нужно учитывать динамику перехода элементов в раствор.

Поглощение питательных веществ корневой системой регулируется тремя ключевыми факторами:

• Фактор интенсивности — активность ионов в жидкой фазе почв. Она определяет уровень поглощения сильнее, чем валовая концентрация. Этот показатель зависит от химического потенциала иона и рассчитывается по формуле: µ_i = µ_i⁰ + RT ln a_i (где µ_i⁰ — стандартный потенциал, T — температура в Кельвинах, a_i — активность иона, R — газовая постоянная).
• Фактор пополнения — способность почвы поддерживать стабильную активность ионов во времени. Он зависит от буферной емкости, резервов элементов в твердой фазе и скорости их перехода из почвенно-поглощающего комплекса (ППК) или валовых запасов в раствор.
• Фактор ионного взаимодействия — взаимное влияние различных ионов в растворе на скорость их поглощения корнями.

В исследованиях на кислых и карбонатных почвах подтверждено, что количество фосфора, диффундирующее от поверхности почвы к корням, напрямую зависит от процессов пополнения раствора. Универсальных формул для этого механизма нет. Однако скорость диффузии всегда определяется балансом между твердой фазой и почвенным раствором.

М  с Db, где: с – концентрация фосфора в почвенном растворе; b – буферная емкость;

D – коэффициент диффузии в поровом пространстве почвы; α – коэффициент, отражающий тип почвы, ее влажность и все остальные факторы.

Если обозначить величину  D за коэффициент β и ввести понятие количества питательного элемента в резерве q=cb, то получится следующее выражение: М   cq, отражающее тот факт, что диффузионное поглощение ионов прямо пропорционально интенсивности и буферной емкости.

Фактор ионного взаимодействия отражает эффект воздействия других ионов на поглощение данного. Именно этим взаимовлиянием ионов объясняется тот факт, что один и тот же уровень (активность) одного иона в водной фазе может быть либо недостаточным, либо избыточным для растения в зависимости от присутствия других веществ.

В общем случае этот фактор может быть описан следующим образом:

Vi , k i  i   k i / k j j где: Vi – скорость поглощения i-го иона с активностью αj;

Vmax – его максимальная скорость поглощения, когда его активность не является лимитирующим фактором; αj – активность других ионов; ki и kj – константы Михаэлиса.

Подобное соотношение хорошо описывает и случаи конкурирующего поглощения ионов.

Рассмотренные факторы показывают, что состав почвенных растворов является удовлетворительным индикатором условий питания растений, часто более информативным по сравнению с традиционным анализом почвенных вытяжек.

В то же время для полной характеристики процесса питания растений необходим комплексный сопряженный подход к исследованию всех компонентов почвы, ее твердой, жидкой и газообразной частей.