677

вость к эрозионным процессам. Органические вещества для большинства почвенных микроорганизмов служат источником пищи и энергетическим материалом.

Виды поглотительной способности почвы, их роль во взаимодействии почвы с удобрениями

и в питании растений

Поглотительная способность играет большую роль в питании растений и превращении удобрений в почве. Основы современных представлений о поглотительной способности почвы были разработаны известным отечественным почвоведом и агрохимиком К.К. Гедройцем. Под поглотительной способностью понимают способность почвы поглощать и удерживать различные вещества из раствора, проходящего через неѐ. К.К. Гедройц различал пять видов поглотительной способности.

Биологическая поглотительная способность связана с жизнедеятельностью растений и почвенных микроорганизмов, которые избирательно поглощают из почвенного раствора необходимые элементы минерального питания, переводят их в органические соединения своих органов и тем самым предохраняют от выщелачивания из почвы. В результате деятельности растений и почвенных микроорганизмов накапливается органическое вещество, содержащее азот и зольные элементы. После отмирания корней, растений и микроорганизмов происходит постепенная минерализация и гумификация их органического вещества, а содержащиеся в них элементы питания переходят в минеральную, доступную для растений форму.

Особенностью процесса поглощения растениями и потребления микроорганизмами минеральных веществ является избирательная способность, то есть способность их усваивать

81

из внешней среды только те элементы, которые необходимы растениям для синтеза органических веществ, а микроорганизмам для размножения и существования. Благодаря биологической поглотительной способности корневая система бобовых и некоторых других культур способна усваивать фосфор, кальций и магний из глубоких слоев почвы и переносить их в верхние, а после отмирания корневой системы эти элементы становятся доступными для других культур.

К биологической поглотительной способности также относится азотфиксация клубеньковыми бактериями, живущими в симбиозе с корневой системой бобовых культур, а также деятельность свободноживущих в почве азотфиксирующих микроорганизмов. Эти бактерии хорошо развиваются в почвах с нейтральной реакцией среды и с достаточно высоким содержанием кальция, магния и фосфора. Некоторая часть питательных элементов удобрений, вносимых в почву, потребляется микроорганизмами, после отмирания их они снова становятся доступными и включаются в биологические и физико-химические процессы, происходящие в почве и растениях.

Кроме азотфиксирующих микроорганизмов, в почве живет множество видов и ассоциаций бактерий, участвующих в переводе труднодоступных органических и минеральных соединений в подвижное и доступное состояние.

Биологическое поглощение играет большую роль в превращении азотных удобрений в почве. Исследования с использованием стабильного изотопа 15N показали, что в результате биологического поглощения в почве в органической форме закрепляется 20-40% азота аммонийных и 10-20% азота нитратных удобрений. Биологическое поглощение имеет особое значение для нитратного азота, поскольку он никаким иным путем в почве не удерживается.

82

Не усвоенный растениями и микроорганизмами легкоподвижный нитратный азот в районах достаточного увлажнения и орошаемого земледелия может вымываться, особенно из почв легкого гранулометрического состава. Кроме того, нитратный азот под действием микроорганизмов подвергается денитрификации и теряется из почвы в газообразной форме.

Интенсивность биологического поглощения зависит от аэрации, влажности и других физических свойств почвы, количества и состава органического вещества, служащего источником пищи и энергетического материала для преобладающих в почве гетеротрофных микроорганизмов. Внесение в почву значительного количества бедного азотом органического вещества (соломы и соломистого навоза) вызывает быстрое размножение микроорганизмов, сопровождающееся усилением биологического закрепления минеральных форм азота и фосфора. Это приводит к ухудшению питания растений и снижению урожая.

Механическое поглощение – это способность почвы как пористого тела, задерживать крупные частицы из воздуха и фильтрующихся вод, подобно фильтру. Благодаря такому поглощению в верхних горизонтах удерживаются частички извести, фосфоритной муки, гипса, минеральных удобрений, коллоидные фракции самой почвы, живые и мертвые микроорганизмы. Способность почв к поглощению таких частиц зависит от гранулометрического состава, структуры и их сложения. Механическое поглощение песчаных и супесчаных почв намного слабее, чем глинистых и суглинистых.

Физическая поглотительная способность – это способ-

ность почвы поглощать (положительная адсорбция) или отталкивать (отрицательная) целые молекулы газов, растворимых солей и различных органических веществ (в том числе пестицидов). Если молекулы растворимой соли притягиваются частицами почвы сильнее, чем молекулы воды (раствори-

83

теля), то такое поглощение называется положительным и, наоборот, если сильнее притягивается вода – отрицательная поглотительная способность. Между частицами почвы и удобрений образуется водное пространство.

Физическое поглощение приходится учитывать при внесении удобрений, содержащих нитраты, хлориды и сульфаты. Они не закрепляются почвой и легко подвижны. Известно, что хлор для некоторых культур является токсичным элементом, поэтому, внося хлорсодержащие удобрения с осени, мы можем благодаря отрицательной физической поглотительной способности почв избавиться от него. Азот нитратов, внесенный с осени, может легко вымываться в подпахотные горизонты и становиться менее доступным. Согласно исследованиям В.И. Никитишина, при промерзании почвы в зимнее время нитраты способны подниматься весной к поверхности почвы вместе с водой с глубины двух метров. В условиях Предуралья на дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почвах нитраты удобрений в осенне-зимнее время и весной при таянии снега опускаются на глубину 80 см, при подсыхании верхнего слоя они могут подниматься по капиллярам в верхние слои. Это необходимо учитывать при внесении разных форм азотных удобрений, их превращении в почве, в критические периоды потребления азота растениями.

Химическая поглотительная способность связана с об-

разованием нерастворимых и труднорастворимых в воде соединений в результате химических реакций между отдельными растворимыми солями в почве (ионами в почвенном растворе). Так, анионы угольной и серной кислот с двухвалентными катионами кальция и магния дают труднорастворимые в воде соли (CaSO4, СаСО3 и MgCO3), выпадающие в осадок.

84

Особое значение химическое поглощение имеет в превращении фосфора в почве. При внесении водорастворимых фосфорных удобрений (суперфосфата, содержащего фосфор в виде однозамещенного фосфата кальция Са(Н2РO4)2, аммофоса NH4H2PO4, диаммофоса (NH4)2HPO4 и других) в почвах происходит интенсивное химическое связывание фосфора. В карбонатных, а также насыщенных основаниями почвах (содержащих много кальция и магния в поглощенном состоянии и бикарбоната кальция в почвенном растворе) химическое связывание фосфора происходит в результате образования слаборастворимых двух и более замещенных фосфатов – нерастворимых в воде солей:

Са(Н2РО4)2 + Са(НСО3)2 = 2СаНРО4 + 2Н2СО3 Са(Н2РО4)2 + 2Са(НСО3)2 = Са3(РО4)2 + 4Н2СО3

Двузамещенный фосфат кальция (СаНРО4) растворим в слабых кислотах, и фосфор из него может усваиваться растениями. Но при образовании фосфатов кальция более высокой степени замещѐнности доступность фосфора для растений снижается.

Одновременно водорастворимые соли, содержащие фосфор, в почве могут химически поглощаться и при взаимодействии их с катионами ППК:

ППК)Са + Са(Н2РО4)2 → ППК)2Н+ + 2СаНРО4 ППК)2Са + Са(Н2РО4)2 → ППК)4Н+ + Са3(РО4)2

В кислых почвах (подзолистых и красноземах), содержащих много полуторных окислов, химическое поглощение фосфора идет с образованием труднорастворимых фосфатов железа и алюминия:

Са(Н2РO4)2+2Al(OH)3=↓2AlPO4+Ca(OH)2+4H2O;

Са(Н2РО4)2 + 2АlСl3=↓2Аl РО4 + СаСl2 + 4 НСl

85

Са(Н2РO4)2+2Fe(OH)3=↓2FePO4+Ca(OH)2+4H2O.

Са(Н2РО4)2 + 2FеСl3=↓2FеРО4 + СаСl2 + 4 НСl

Фосфор свежеосажденных фосфатов алюминия и железа может частично усваиваться растением, однако по мере старения осадки кристаллизуются и становятся менее растворимыми, что снижает доступность их для растений.

Химическое поглощение фосфатов называют ретроградацией. В почве, наряду с ретроградацией, происходит противоположный процесс – мобилизация фосфатов, то есть перевод фосфатов из труднодоступного состояния в доступное. Мобилизация может происходить при взаимодействии нерастворимых фосфатов с угольной и азотной кислотами, последняя в достаточно больших количествах находится в паровых полях. В дерново-подзолистых окультуренных почвах учхоза Пермской ГСХА за летний период накапливается 6070 кг азота нитратов, что приравнивается к 2 ц аммонийной селитры. Угольная кислота присутствует во всех типах почв, концентрация еѐ непостоянна и зависит от количества влаги в почве, плотности почвы, вида выращиваемых растений и других факторов.

Образование водорастворимой фосфорной соли в присутствии азотной кислоты, образующейся в процессе нитрификации, происходит по следующему уравнению:

4НNО3 + Са3(РО4)2 = 2Са(NО3)2 + Са(Н2РО4)2

Процесс этот хорошо выражен в полях, занятых чистыми парами, где образуется максимальное количество азотной кислоты, которая переводит трехзамещенные фосфаты кальция в двух – и однозамещенные.

Обменная поглотительная способность (физико-

химическая) имеет очень важное значение при взаимодействии удобрений с почвой.

86

Обменное поглощение – это способность мелкодисперсных коллоидных (< 0,0001 мм) и илистых (< 0,001 мм) частиц почвы поглощать из раствора различные катионы. Поглощение одних катионов из раствора сопровождается вытеснением в него эквивалентного количества других катионов, ранее поглощѐнных твердой фазой почвы:

(Пoчвa)Ca + 2KCl ↔ (Пoчвa) KK + CaCl2.

Вся совокупность мелкодисперсных частиц почвы, как органических (представленных гумусовыми веществами), так и минеральных (главным образом глинистые минералы), участвующих в обменном поглощении катионов, была назва-

на К. К. Гедройцем почвенным поглощающим комплексом

(ППК).

Способность органических и минеральных коллоидных частиц к обменному поглощению катионов обусловлена их отрицательным зарядом. В почве имеются и положительно заряженные коллоиды (гидроксид железа и алюминия при рН ниже 7-8), но, как правило, в большинстве почв преобладают отрицательно заряженные коллоиды.

В естественном состоянии почвы всегда содержат определѐнное количество поглощѐнных катионов Са2+, Mg2+, Н+, Al3+, Na+, NH4+ и др. Эти катионы могут обмениваться на другие катионы, находящиеся в растворе.

Обменное поглощение катионов имеет свои закономерности.

1. Обмен катионами между раствором и почвенным поглощающим комплексом происходит в эквивалентных количествах. При этом устанавливается подвижное равновесие между почвой и раствором. Количество катионов, вытесняемых из поглощенного состояния в раствор, увеличивается с увеличением концентрации раствора, а при одинаковой концентрации – с увеличением объема раствора вытесняющей соли.

87

2.Реакция обмена катионов проходит очень быстро. При внесении в почву легкорастворимых удобрений (КСl, NH4Cl, NН4NО3, NaNO3 и др.) они сразу вступают во взаимодействие с ППК, катионы их поглощаются из раствора почвой в обмен на катионы, ранее находившиеся в ней в поглощенном состоянии.

3.Реакция обмена катионов обратима, так как поглощенный почвой катион может быть снова вытеснен в раствор:

(ППК)Ca + 2NH4NО3 ↔ (ППК) NH4 + Ca(NO3)2

NH4

В зависимости от концентрации раствора, его объѐма и природы обменивающихся катионов между катионами раствора и почвенного поглощающего комплекса устанавливается некоторое подвижное равновесие. При изменении состава и концентрации почвенного раствора это равновесие смещается, в результате чего одни катионы переходят из раствора в поглощенное состояние, другие, наоборот, – из поглощенного состояния в почвенный раствор. При внесении в почву растворимых минеральных удобрений (например, КС1) концентрация почвенного раствора повышается, катионы удобрения вступают в обменную реакцию с катионами ППК, и часть их поглощается почвой.

При усвоении какого-либо катиона растениями концентрация его в растворе уменьшается, этот катион из поглощенного состояния переходит в раствор в обмен на другие катионы, содержащиеся в почвенном растворе. Чем выше степень насыщенности поглощающего комплекса данным катионом, тем легче и быстрее oн вытесняется в раствор, и наоборот.

4. Разные катионы обладают неодинаковой способностью к поглощению. Чем больше заряд (валентность) катиона

88

и его атомная масса, тем сильнее он поглощается и труднее вытесняется из поглощѐнного состояния другими катионами. В порядке возрастающей способности к поглощению катио-

ны располагаются в такой последовательности: одновалент-

ные – 7Li+<23Na+<18NH4+<39K+, двухвалентные –24Mg2+<40Са2+,

трехвалентные – 27Al3+<56Fe3+. Исключение составляет катион NН4+, который по своей массе среди одновалентных катионов занимает второе место, а по энергии поглощения – третье, а также ионы Н+, которые имеют наименьшую атомную массу, но обладают высокой энергией поглощения и способностью вытеснять другие катионы из поглощенного состояния.

Ёмкость поглощения и состав поглощѐнных катионов у разных почв. Разные почвы содержат неодинаковое количество способных к обмену поглощѐнных катионов.

Общее количество в почве всех обменно-поглощѐнных катионов называется ѐмкостью катионного обмена (ЕКО),

или ѐмкостью поглощения. Она обозначается в специальной литературе буквами Т или Е и выражается в миллиграммэквивалентах или миллимолях на 100 г почвы. Например, ес-

ли в 100 г почвы в поглощенном состоянии содержится 400 мг Са2+, 60 мг Mg2+ или 9 мг NH4+, то ѐмкость поглощения

этой почвы будет 40020 1260 189 25,5 ммоль/100 г (20 – эквива-

лентная масса кальция, 12 – магния, 18 – аммония). Величина ѐмкости поглощения характеризует поглоти-

тельную способность почв. Она зависит от гранулометрического и минералогического состава почвы, общего содержания в ней органического вещества. Так, наибольшей ѐмкостью поглощения среди глинистых минералов обладают трехслойные минералы группы монтмориллонита (60-150 ммоль/100 г минерала). Каолинит отличается малой дисперсностью и небольшой активной поверхностью, в связи с чем

89

его ѐмкость поглощения значительно меньше – 3- 15 ммоль/100 г минерала. Почвы с малым содержанием коллоидной фракции (песчаные и супесчаные) имеют низкую ѐмкость поглощения. Чем больше в почве минеральных и органических коллоидных частиц, тем выше еѐ поглотительная способность. У глинистых и суглинистых почв ѐмкость поглощения больше, чем у песчаных и супесчаных.

Ещѐ большей поглотительной способностью обладают органические коллоиды, что определяется, прежде всего, содержанием функциональных групп гуминовых кислот. Ёмкость поглощения гуминовых кислот подзолистых почв достигает 350 ммоль/100 г вещества, а гуминовых кислот чернозема – 500 ммоль/100 г. В связи с этим богатые органическим веществом черноземные почвы имеют значительно более высокую ѐмкость поглощения (30-65 ммоль/100г почвы), чем дерново-подзолистые, светло-серые и светлокаштановые почвы (10-15 ммоль/100 г для почвы среднетяжелого гранулометрического состава) (табл. 25).

Таблица 25

Ёмкость поглощения разных почв и содержание в них гумуса (по Ремезову Н. П.)