3.2. ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВЫ

Способность почвы поглощать из окружающей среды ионы, молекулы, частицы, микроорганизмы, другие вещества и удерживать их называется поглотительной способностью.

3.2.1. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ

Она обусловлена наличием в почве живых организмов — растений, микроорганизмов, насекомых, червей и других, которые избирательно поглощают из почвенного раствора и воздуха питательные элементы, переводят их в различные соединения собственной массы, предотвращают потери их и обогащают почву органическим веществом.

Микроорганизмы, потребляя органические вещества в качестве пищи и энергетического материала, переводят питательные элементы в минеральную форму, но одновременно некоторое количество их потребляют сами. В этом смысле они конкурируют с растениями. Некоторая часть питательных элементов удобрений также потребляется микроорганизмами. Вместе с тем многие микроорганизмы (аммонификаторы, свободноживущие, ассоциативные и симбиотические азотфиксаторы, фосфо- и серобактерии и др.) существенно улучшают питание растений и влияют на трансформацию удобрений. Биологическое поглощение чрезвычайно важно в азотном питании растений и превращении азотных удобрений в почвах.

Азотфиксаторы переводят молекулярный азот атмосферы в усвояемые для растений формы, количество которого можно регу-

Лировать с помощью удобрений, мелиорантов, доли и вида бобовых в посевах и способами обработки почвы. Нитрификаторы окисляют аммиачный азот в нитратный, который, если не используется растениями и микроорганизмами, теряется из почвы в результате вымывания и (или) денитрификации, так как другими способами нитраты (и хлориды) почтой не поглощаются.

Интенсивность биологического поглощения зависит от температуры, водно-воздушного режима, реакции среды, количества и состава органического вещества в почвах. Ее можно регулировать умелым и комплексным сочетанием видов, доз и способов внесения удобрений и мелиорантов с подбором культур, сроками и способами обработки почв и другими агротехническими приемами.

3.2.2. МЕХАНИЧЕСКАЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ

Она обусловлена пористостью почвы, способностью задерживать твердые частицы из воздуха и фильтрующихся вод. Это несорбционный процесс; емкость такого поглощения зависит главным образом от гранулометрического состава, структуры и сложения почвы. Благодаря такому поглощению в верхних горизонтах почв сохраняются наиболее ценные коллоидные и предколлоид-ные фракции, микроорганизмы, а также тонкоразмолотые нерастворимые в воде удобрения (фосфоритная мука, преципитат, фосфат-шлаки и др.) и мелиоранты (известняковая, доломитовая мука, гипс и др.).

3.2.3. ФИЗИЧЕСКАЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ

Это способность почвы поглощать (положительная адсорбция) или отторгать (отрицательная) целые молекулы различных веществ поверхностью дисперсных, преимущественно коллоидных и предколлоидных частиц. Если молекулы вещества притягиваются частицами почвы сильнее, чем молекулы воды, то в пленке на поверхности частиц концентрация этого вещества повысится, а в окружающей среде снизится. Это положительное поглощение (адсорбция) типично в основном для молекул органических веществ (спирты, кислоты, основания, высокомолекулярные соединения), а из минеральных — только для щелочей. Минеральные кислоты и растворимые в воде соли физически поглощаются отрицательно, т. е. отторгаются почвой при ее увлажнении, а при избытке воды вымываются в нижележащие горизонты и грунтовые воды.

Физическое поглощение имеет большое значение для рационального применения удобрений, в составе которых содержатся растворимые нитраты и хлориды. Так как хлор в значительных количествах для многих культур токсичен, хлорсодержащие удобрения следует вносить осенью, чтобы благодаря осенне-весенним осадкам произошло вымывание его из пахотного слоя к моменту посева чувствительных к нему культур. Для нитратных удобрений такое вымывание экономически и экологически вредно, поэтому их лучше вносить весной перед посевом или в подкормки. Физическая поглотительная способность почв имеет и экологическое значение: адсорбция молекул паров, газов и пестицидов уменьшает проникновение их в сопредельные среды, включая растения.

3.2.4. ХИМИЧЕСКАЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ

Это поглощение — хемосорбция — преимущественно анионов в результате образования труднорастворимых соединений при взаимодействии различных компонентов жидкой, твердой и газовой фаз почвы. Химическое поглощение почвой анионов зависит от их способности образовывать труднорастворимые и нерастворимые соединения с элементами почвы. Анионы угольной (С0з“) и

серной кислот с катионами Са²⁺ и Mg²⁺, которые преобла

дают в большинстве почв, образуют труднорастворимые соединения. Анионы фосфорной кислоты (Н2РО4 ,НР04^-) с кальцием и

магнием образуют двух- СаНР0₄ и трехзамещенные Са₃(Р0₄)₂, а с алюминием и железом — трехзамещенные труднорастворимые фосфаты (FeP0₄, А1Р0₄). Свежеосажденные трехзамещенные фосфаты железа, алюминия и кальция благодаря корневым выделениям растений могут усваиваться, но при старении осадков кристаллизуются и становятся менее растворимыми и доступными растениям. Двухзамещенный фосфат кальция (СаНР0₄) растворяется в слабых кислотах и поэтому благодаря кислым корневым выделениям легко усваивается растениями. От прорастания семян до появления развитых корней растения могут потреблять только водорастворимые однозамещенные фосфаты. Однако именно они очень быстро химически связываются во всех почвах, причем не только растворимыми в воде, но и находящимися в поглощенном состоянии ионами кальция, магния, железа и алюминия.

Интенсивное химическое связывание анионов фосфорной кислоты почвами обусловливает необходимость внесения и заделки фосфорных удобрений на определенную глубину вблизи поглощающих участков корней растений, так как мигрировать они не могут. Для снижения химического поглощения почвами доступных растениям форм фосфора удобрений следует уменьшить суммарную поверхность контакта их с почвой путем гранулирования порошковидных форм, а также локализации порошковидных и гранулированных форм при допосевном внесении. Из-за уменьшения поверхности контакта с почвой гранулированный суперфосфат при любых способах внесения на всех почвах обеспечивает большую прибавку урожаев культур, чем порошковидный. Локальное внесение эффективнее, чем заделка при разбросном внесении. Фосфор навоза и компостов усваивается растениями лучше, чем из минеральных удобрений.

Наряду с химическим закреплением (ретроградацией) фосфатов в почвах наблюдается и противоположный процесс — мобилизация фосфора: перевод его из недоступных в доступные для растений формы. Это происходит при подкислении почв, которое может наблюдаться при повышении концентрации угольной, азотной и органических кислот, образующихся в результате жизнедеятельности и разложения растений и биоты. Например, образующаяся в процессе нитрификации азотная кислота может превращать трехзамещенный фосфат кальция в однозамещенный:

4HN0₃ + Са₃(Р0₄)₂ = 2Ca(N0₃)₂ + Са(Н₂Р0₄)₂.

В почвах с гидролитической кислотностью более 2,5 мгэкв/100 г растения могут усваивать фосфор трехзамещенных фосфатов. Причем чем кислее почва, тем интенсивнее и не хуже, чем из од-нозамещенных фосфатов.

3.2.5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ (ОБМЕННАЯ) ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ

Это способность поглощать ионы почвенного раствора, преимущественно катионы, путем эквивалентного обмена на одноименно заряженные ионы диффузного слоя минеральных, органических и органо-минеральных коллоидов твердой фазы почвы, совокупность которых К. К. Гедройц назвал почвенным поглощающим комплексом (ППК). Реакция обмена удобрений с ППК почвы представляет собой следующую схему:

NH₄

Са NH₄

[nnK]iy^+5NH₄N03^[nnK]NH₄+Ca(N0₃)₂ +

NH₄

+Mg( N0₃ )₂ + HN0₃

Преимущественное поглощение катионов обусловлено преобладанием в ППК почв отрицательно заряженных коллоидов (аци-доидов), в диффузном слое которых находятся в качестве противоионов катионы, способные к обмену с катионами жидкой фазы почвы. В ППК сильнокислых почв (болотные, подзолистые, красноземы, желтоземы), обогащенных гидроксидами железа и алюминия, наряду с ацидоидными имеются положительно заряженные коллоиды (базоиды), содержащие в качестве противоионов анионы, способные к вытеснению другими анионами почвенного раствора по следующей схеме:

[А1(0Н)₂]НР0₄ + (NH₄),S0₄HA1(0H)₂]S0₄ + (NH₄)₂HP0₄.

Все обменно-поглощенные ионы в различных почвах могут усваиваться растущими растениями.

Обменное поглощение катионов определяет реакцию, буфер-ность, структурное состояние и другие свойства почвы, что особенно важно для питания растений во взаимодействии удобрений с почвой и растениями. В нейтральных и близких к ним по реакции почвах взаимодействие преимущественно водорастворимых форм, а в кислых и щелочных почвах всех удобрений и химических мелиорантов обусловлено прежде всего обменом ионов (преимущественно катионов) между ППК и удобрениями, ППК и мелиорантами. Основную (преобладающую) часть питательных элементов растения потребляют из почвы и удобрений в виде ионов путем различных обменных реакций м^жду растением, почвой, удобрениями и мелиорантами.

Физико-химическое поглощение ионов имеет ряд закономерностей.

Реакции обмена между поглощенными ППК и ионами почвенного раствора обратимы и протекают в эквивалентных количествах и соотношениях. Обменные реакции заканчиваются установлением некоторого подвижного равновесия. Установление этого равновесия зависит от состава, концентрации и объема раствора, природы обменивающихся анионов и катионов и свойств почвы. Удобрения, мелиоранты, минерализация органического вещества почвы, увлажнение и подсыхание почвы, потребление ионов растениями смещают это равновесие, и тогда одни анионы и катионы переходят из раствора в ППК, а другие в обмен на первые наоборот — из ППК в раствор.

Количество катионов, вытесняемых из ППК в раствор, возрастает при постоянной концентрации раствора с увеличением объема, а при постоянном объеме его — с увеличением концентрации. Скорость реакций обмена катионов между ППК и раствором чрезвычайно велика — за 3—5 мин с момента внесения водорастворимых удобрений до 85 % катионов их поглощается ППК с выделением эквивалентных количеств ранее содержащихся в ППК других катионов.

Энергия обменного поглощения и закрепления катионов в ППК возрастает с увеличением их валентности, а в пределах одной валентности — с увеличением атомной массы и вместе с тем зависит от диаметра катионов в гидратированном состоянии. С ростом атомной массы возрастают размеры катионов и снижается степень их гидратации, поэтому размеры (диаметры) гидратированных катионов при этом уменьшаются. Чем меньше гидратирован катион, тем прочнее его связь с ППК и тем легче он вытесняет из ППК более гидратированные катионы. По возрастающей способности к поглощению с учетом размеров в гидратированном состоянии разновалентные катионы располагаются в следующий ряд:

⁷ Li⁺ <²⁵ Na⁺ <¹⁸ N Н J <³⁹ К⁺ <⁸⁹ Rb⁺ «²⁷ Mg²⁺ < ⁴⁰Са²⁺ <

< ⁵⁹Со²⁺ «²⁷А1³⁺ < ⁵⁶Fe³⁺.

Среди одновалентных катионов в силу меньших размеров в гидратированном состоянии исключением являются аммоний и особенно водородный ион Н⁺ или в гидратированном состоянии Н₃0⁺ (гидроксоний), который благодаря очень малым размерам по энергии поглощения в 4 раза превосходит кальций и в 17 раз — натрий.

Обмен катионов может происходить как на внешней (экстра-мицелярно), так и на внутренней поверхности коллоидов (интра-мицелярно). Глинистые минералы группы монтмориллонита (монтмориллонит, иллит, вермикулит, мусковит) с трехслойной кристаллической решеткой, способной расширяться при увлажнении, могут поглощать катионы как экстра-, так и интрамицеляр-но. Проникшие в межпакетное пространство катионы (К⁺, NHJ, Rb⁺ и Cs⁺) при подсыхании почвы и сокращении этого пространства оказываются замкнутыми в гексагонах — зафиксированными и недоступными растениям, но позднее при увлажнении почвы могут выйти из этого пространства и стать доступными растениям.

Фиксация калийных и аммонийных катионов соответствующих удобрений возрастает с увеличением среди минералов монт-мориллонитовой группы, особенно в коллоидной и предколлоид-ной фракциях гранулометрического состава почвы. Внесение аммиачных и калийных удобрений глубже, в слои почвы с устойчивой влажностью, позволяет заметно снизить необменное поглощение (фиксацию) вносимых катионов и сохранить их в усвояемой для растений форме.

Почва как исключительно сложный полифункциональный сорбент поглощает ионы, молекулы и частицы питательных веществ удобрений и мелиорантов нередко одновременно по нескольким типам взаимодействия. Знание этих взаимодействий позволяет профессионально регулировать с помощью имеющихся природно-экономических ресурсов продуктивность культур, плодородие почв и качество получаемой продукции.

3.2.6. ЕМКОСТЬ ПОГЛОЩЕНИЯ И СОСТАВ ПОГЛОЩЕННЫХ КАТИОНОВ ПОЧВ

Максимальное содержание обменно-поглощенных катионов в почве называют емкостью катионного обмена (ЕКО) или емкостью поглощения; она выражается в миллиграмм-эквивалентах на 100 г почвы. Если в 100 г почвы содержится в обменно-поглощенном состоянии 160 мг кальция, 24 магния и 3 мг водорода, ЕКО (Т) будет равна:

Т=1^+—+-=13,0мгэкв/100г,

20 12 1 '

где 20 — эквивалентная масса Са, 12 — Mg и 1—Н.

ЕКО возрастает с увеличением в почве органического вещества, дисперсности гранулометрического состава от песчаных, супесчаных к суглинистым и глинистым (особенно с увеличением доли коллоидной и предколлоидной фракций) и с возрастанием минералов монтмориллонитовой группы. ЕКО органического вещества твердой фазы почвы в 10—30 раз выше минеральной части этой фазы, и при содержании гумуса 5—6 % на его долю приходится более 50 % общей емкости катионного обмена. ЕКО разных почв сильно колеблется — от 5—10 мгэкв/100 г в легких дерново-подзолистых разностях до 20—70 мг экв/100 г в черноземах. При подкислении почвы и увеличении содержания амфотерных коллоидов (амфолитоидов) в ней ЕКО снижается.

Разные почвы наряду с ЕКО различаются и по составу поглощенных катионов. Все почвы в обменно-поглощенном состоянии содержат кальций и магний, причем в выщелоченных, обыкновенных и мощных черноземах доля этих катионов достигает 80— 90%, и небольшое количество катионов водорода и алюминия. В южных черноземах, каштановых почвах и сероземах в ЕКО преобладают кальций и магний, имеется немного натрия и нет водорода. В солонцах и солончаках в обменно-поглощенном состоянии наряду с кальцием и магнием много натрия. В красноземах, желтоземах, подзолистых и дерново-подзолистых почвах в составе поглощенных катионов наряду с кальцием и магнием много или очень много (до 50 % ЕКО и более) алюминия, водорода и железа. Катионы калия и аммония в небольших количествах в обменнопоглощенном состоянии встречаются во всех почвах. Следует подчеркнуть, что в почве имеются практически все необходимые растениям катионы, но содержание их очень мало.

ЕКО и состав поглощенных катионов играют огромную, если не решающую, роль в питании растений и превращении удобрений, определяют реакцию и буферные свойства твердой и жидкой фаз ее, а также катионо-анионный состав и концентрацию почвенного раствора и, следовательно, обусловливают выбор вида, дозы, формы, срока и способа внесения удобрений и мелиорантов для возделываемых культур на каждой конкретной почве. Чем выше ЕКО почвы, тем экономически выгоднее и экологически безопаснее разовое (запасное, периодическое) внесение больших доз удобрений и мелиорантов под культуры. Чем ниже ЕКО, тем острее необходимость дробного внесения небольших доз удобрений и мелиорантов под те же культуры.

Состав и количество поглощенных катионов влияют на дисперсность ППК и, следовательно, на свойства почвы, питание растений и трансформацию удобрений и мелиорантов. Катионы осаждают (коагулируют) отрицательно заряженные коллоиды почвы, причем с увеличением валентности и атомной массы более энергично в следующей последовательности:

Li⁺ <NHj <Na⁺ <К⁺ «Mg²⁺ <Са²⁺ <Н⁺ « Al³⁺ <Fe³⁺.

При подкислении почвы коагулирующее действие катионов усиливается, при подщелачивании — ослабевает, а одновалентные катионы в щелочной среде не вызывают коагуляции коллоидов. Катионы кальция осаждают коллоиды даже в щелочной среде, а магния занимают промежуточное положение между одновалентными и кальцием.

Преобладающий в составе поглощенных катион кальция при взаимодействии с удобрениями переходит в раствор, осаждает в нем органические и минеральные коллоиды, т. е. накапливает и сохраняет их в твердой фазе, что способствует увеличению ЕКО.

Содержание в ППК одновалентных щелочных катионов калия, и особенно натрия, более 3—5 % ЕКО и увеличение количества их сильно диспергируют коллоидную и предколлоидную фракции, резко ухудшают свойства щелочных почв и, следовательно, питание растений. При взаимодействии с удобрениями, мелиорантами и солями почвенного раствора поглощенный натрий переходит в раствор, образуя гидролитически щелочные соли, отрицательно влияющие (из-за щелочности) на рост и развитие многих растений:

IXcl ^

[nnK]Na+Ca(HC0₃)₂^[nnK]^+2NaHC0₃;

NaHC0₃ + Н₂0 = NaOH + Н₂0 + С0₂.

Значительное содержание в ППК обменно-поглощенных катионов водорода, алюминия, железа и марганца (подзолистые и болотные почвы, желтоземы, красноземы) также ухудшает многие свойства кислых почв. Поглощенный катион водорода постепенно разрушает минералы ППК, что приводит к ухудшению структуры почвы, обеднению ее коллоидной фракцией и, следовательно, снижению ЕКО. Вместе с тем вытесненные в почвенный раствор (под влиянием удобрений, мелиорантов, корневых выделений растений) катионы водорода, алюминия, железа и марганца отрицательно влияют на рост, развитие и урожайность большинства возделываемых культур.

Соотношения и состав обменно-поглощенных катионов разных почв сравнительно легко регулируются удобрениями и особенно мелиорантами. На кислых почвах катионы водорода, алюминия, железа и марганца вытесняются из ППК внесением известковых, а на щелочных — катионы натрия — внесением гипсосодержащих материалов. Во всех случаях отрицательно влияющие на культуры катионы в ППК замещаются кальцием, что и позволяет считать кальций стражем почвенного плодородия.

Чем выше ЕКО почвы, тем большее количество и разнообразие необходимых растениям катионов (Са²⁺, Mg²⁺, К⁺, NHJ и др.) она способна сохранить от вымывания и, следовательно, обеспечить лучшие условия питания, роста и развития растений как без удобрений, так и при внесении любых (вплоть до максимальных) количеств их любого качества. Устойчивость почв к антропогенным воздействиям, в частности к химическому загрязнению, возрастает с повышением их емкости поглощения.