Компоненты почвенного раствора, удерживаемые сорбентами

СОСТАВ И СВОЙСТВА ПОЧВЕННЫХ РАСТВОРОВ

Состав почвенных растворов почв различных типов и отдельных генетических горизонтов довольно специфичен. Он отражает развитие и свойства почвы, динамику почвенных процессов, особенности сельскохозяйственного использования почв.
В почвенном растворе вещества находятся в виде ионов, молекул или коллоидов. Катионы представлены кальцием, натрием, К, NH₄, Н. В сильнокислых почвах в почвенном растворе содержатся алюминий, железо и марганец, в переувлажненных почвах Fе2 и Мn2. Железо и алюминий, а также многие микроэлементы (медь, цинк, марганец и др.) в почвенных растворах находятся преимущественно в виде устойчивых комплексных соединений с органическими веществами (табл. 1).

хроматографических колонок (по И.С.Кауричеву, Е.М. Ноэдруновой)

Среди анионов в почвенном растворе преобладают НСО^-, СО^2-₃, С1^-, НРО^2-₄, Н₂РО^-₄ и анионы кремниевой кислоты. Наряду со свободными нонами, некоторое их количество находится в связанном состоянии - в виде комплексных ионов или ассоциатов. Процесс ассоциации не аналогичен процессу образования молекул и осуществляется за счет электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов, что приводит к образованию нейтральных или несущих заряд ионных пар (комплексов).

Нейтральные ионные пары представлены СаСО₃, СаSО₄ и МgСО₃. Заряженные ионные пары существуют как в виде комплексных катионов – СаНСО⁺₃ и МgHСО⁺₃, так и в виде комплексных аyионов – NаСО^-₃ и NаSО^-₄. В почвенных растворах в ионные пары связано 15-50% Са2, и Мg2, 17-60% SО₄; 1-18 % Na
и НСО₃, 70-90% СО₃.

Связывание ионов в ассоциаты усиливается по мере увеличения ионной силы почвенных растворов, что играет большую роль в их химизме. В частности, образованием ассоциатов можно объяснить часто наблюдаемое в почвенных растворах существенное превышение концентрации ионов над величиной произведения растворимости соответствующей труднорастворимой соли, т. е. явление пересыщенности почвенного раствора по отношению к СаСО₃ или СаSО₄.
Коллоиды, присутствующие в почвенных растворах, представлены органическими и органо-минеральными веществами, золями кремниевой кислоты и гидроксидов железа и алюминия. На коллоиды приходится 1/10-1/4 от общего количества веществ, находящихся в почвенном растворе. Особенно много коллоидов находится в почвенном растворе солонцов.

Из органических соединений в почвенном растворе присутствуют водорастворимые продукты трансформации органических остатков и жизнедеятельности живых организмов (органические кислоты, спирты, сахара, аминокислоты и др.) и гумусовые кислоты, а также их органо-минеральные производные.

Концентрация и состав почвенных растворов закономерно изменяются в почвах различных природных зон (табл. 55).

В подзолистых и дерново-подзолистых почвах таежно-лесной зоны, сформировавшихся в условиях промывного водного режима, содержание минеральных компонентов в почвенном растворе, как правило, низкое и колеблется от нескольких десятков до 100-300 мг/л. В верхней части профиля почвенные растворы обогащены органическим веществом, количество которого варьирует пределах 100-700 мг/л, а в лесных подстилках достигает 3-4 г/л. Наряду с неспецифическими органическими соединениями в составе водорастворимого органического вещества заметную роль играют фульвокислоты. Почвенные растворы имеют кислую реакцию (рН 4-5), содержат мало щелочных и щелочно-земельных оснований (2-5 мг/л К, 10-30 мг/л Са², 5-10 мг/л Мg²), в них обязательно присутствуют кремний (10-20 мг/л SiО₂), железо (1-10 мг/л Fе₂0₃) и алюминий (5-25 мг/л А1₂О₃) в подвижных формах.

При окультуривании подзолистых и дерново-подзолистых почв в почвенных растворах снижается содержание органического вещества, существенно возрастает количество кальция, а реакция среды сдвигается в слабокислую область (рН 5,5-6,5).
В черноземах, где имеет место водный режим непромывного типа, концентрация почвенных растворов выше, чем в почвах таежно-лесной зоны, в среднем она составляет около 1 г/л. Почвенные растворы содержат незначительное количество ионов калия, натрия, хлора и органических соединений. Так, в целинных обыкновенных черноземах количество водорастворимого органического вещества в верхнем десятисантиметровом слое почвы составляет около 200 мг/л, на глубине 40-50 см – 20-90 мг/л. Характерная особенность почвенных растворов черноземов — нейтральная или слабощелочная реакция и резкое доминирование среди минеральных компонентов гидрокарбоната кальция, на долю которого приходится более 60 % от суммы всех водорастворимых веществ. Благодаря такому составу почвенные растворы имеют высокую буферность, обеспечивают стабильность ППК, насыщенного кальцием, необратимую коагуляцию почвенных коллоидов.
В сухостепной зоне в незасоленных темно-каштановых и каштановых почвах концентрация почвенных растворов возрастает до 1,5-3,0 г/л. Наряду с гидрокарбонатом кальция в их состав входят сульфаты кальция, магния и частично натрия.

В полупустынной и пустынной зонах формируются преимущественно засоленные почвы. Их почвенные растворы отличаются повышенной концентрацией (10-20 г/л). Очень высокая концентрация почвенных растворов (200-400 г/л) отмечается в солончаках. В составе почвенных растворов сильнозасоленных почв и солончаков главную роль играют хлориды и сульфаты натрия и магния, причем содержание хлор-иона доходит до 100-150 г/л.

Почвенные растворы солонцов, особенно содовых, имеют щелочную реакцию, причем их концентрация резко изменяется в пределах почвенного профиля. В верхней его части концентрация почвенных растворов находится на уровне 2-9 г/л, в средней части возрастает до 50-60 г/л, а в полугидроморфных солонцах нередко достигает 100-120 г/л. В составе почвенных растворов солонцов в основном доминируют хлориды и сульфаты натрия и магния. Наряду с этим они обогащенью коллоидами и содержат карбонаты, гидрокарбонаты, алюминаты, силикатов натрия, растворенное органическое вещество и связанные с ним ионы железа и алюминия.
Большинство черноземов, серых и темно-серых лесных, каштановых и темно-каштановых почв имеет оптимальные для сельскохозяйственных культур химические показатели почвенных растворов. При низкой концентрации почвенных растворов (менее 1 г/л) для растений складываются неблагоприятные условия вследствие дефицита биофильных элементов.

Концентрация почвенного раствора более 5-6 г/л также негативно влияет на развитие сельскохозяйственных культур, поскольку в почве происходит аккумуляция легкорастворимых солей - гидрокарбонатов, хлоридов, сульфатов натрия и магния.
Под влиянием солей происходит угнетение растений, что может быть вызвано следующими причинами:

• увеличением осмотического давления почвенного раствора сверх критических значений;
• токсичным действием отдельных ионов на растения;

• нарушением условий питания растений.

Осмотический эффект как следствие повышения концентрации почвенного раствора служит основным фактором угнетения растений на засоленных почвах. Если сосущая сила корней равна или меньше осмотического давления почвенного раствора, то растения не могут поглощать почвенную влагу с растворенными в ней питательными веществами и погибают.

Осмотическое давление почвенных растворов варьирует в широких пределах: от 0,03-0,05 до 0,1-0,2 МПа в незасолённых черноземах и каштановых почвах и до 10-30 МПа в солончаках.

Водоудерживающая способность незасоленных почв возрастает по мере их иссушения (табл. 56), и при достижении 1-2 МПа у большинства сельскохозяйственных культур наблюдается устойчивое завядание. При накоплении солей увеличивается осмотическое давление почвенного раствора и наступает «физиологическая сухость» почвы. В таких условиях растения, несмотря на достаточную влажность почвы, не могут получить необходимое количество воды.

Под влиянием высоких концентраций солей в почве изменяется и отношение растений к внешним условиям. Например, такие факторы, как температура и свет, положительно влияющие на развитие растений в нормальных условиях, при засолении могут действовать отрицательно.

Токсичность ионов. Токсичное действие солей на растения проявляется в нарушении их нормальных физиологических функций. Под влиянием солей у растений изменяется азотный обмен в сторону накопления промежуточного продукта - путресцина - ядовитого органического вещества, токсичность которого в 5-10 раз превышает токсичность хлорида натрия.

При солевом стрессе у растений снижается интенсивность дыхания, фотосинтеза, деятельность ферментов, подавляется биосинтез белка, замедляются поглощение и расход воды в процессе транспирации. Когда в листьях древесных растений накапливается более 0,5 % Сl или 0,2% Nа (% от сухой массы), происходит характерное обгорание края листа или образуются некрозы. Растения, чувствительные к хлору, повреждаются при содержании С1 в почвенном растворе выше 5-10 мг-экв/л, а растения, устойчивые к действию хлора, получают повреждения лишь при концентрации С1 выше 30 мг-экв/л.

Очень токсична для растений сода. При ее появлении в почвенном растворе происходит резкое подщелачивание среды, что негативно сказывается на корневой системе растений. Корни испытывают «щелочной ожог», в результате которого корневые волоски теряют тургор, сморщиваются и отмирают, нарушается нормальное функционирование корневых систем в целом.

Нарушение условий питания. Для нормального роста и развития растений в почве должны содержаться все необходимые питательные вещества в соотношениях, оптимальных для конкретной культуры. При отсутствии каких-либо элементов или недостаточном их количестве в почву вносит удобрения. Однако в случае засоления почвы внесение удобрений не всегда оправдано, поскольку водорастворимые соли нарушают закономерности поступления химических элементов в растения. Так, в растениях, угнетенных под влиянием засоления, значительно возрастает содержание Si0₂ (в 4-5 раз), А1₂О₃ и Р₂О₅ (в 3-5 раз), Сl (в 2-3 рала), Мg и Nа (в 2-6 раз) по сравнению с нормально развитыми растениями. При этом наблюдается недостаточное поступление таких важных элементов минерального питания, как Са, Fе, К, Мn, S.

Нарушение условий питания сельскохозяйственных растений при аккумуляции в почве легкорастворимых солей происходит по различным причинам. Например, из-за высокой концентрации солей в почвенном растворе снижается степень диссоциации и некоторые элементы выпадают из раствора в осадок в виде труднодоступных соединений. В почвах со щелочной средой существенно ограничивается подвижность таких элементов, как Са, Fе, и многих микроэлементов вследствие перехода их в соответствующие карбонаты.

При засолении почв антагонизм ионов проявляется наиболее резко. В частности, избыточное накопление в почвенном растворе натрия препятствует поступлению в растения Са²⁺, магния и других катионов. Избыток хлора отрицательно влияет на поглощение культурами анионов.

ДИНАМИКА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
И КОНЦЕНТРАЦИИ ПОЧВЕННЫХ РАСТВОРОВ

Почвенные растворы представляют собой весьма подвижные и динамичные системы, находящиеся в тесной взаимосвязи с климатическими факторами, почвенными процессами и деятельностью живых организмов. Поэтому их состав и концентрация характеризуются отчетливо выраженной сезонной и суточной динамикой.

Как правило, от весны к лету в почвах постепенно и иногда весьма значительно увеличивается концентрация почвенных растворов. Особенно существенные изменения наблюдаются в верхней части профиля почв, так как почвенная влага расходуется на физическое испарение и транспирацию растениями. Концентрация почвенных растворов может увеличиваться и при достаточной влажности почвы. Обычно это наблюдается в теплый весенне-раннелетний период и обусловлено поступлением в почвенный раствор обильных корневых выделений интенсивно развивающихся растений. В это время биота активно разлагает органические остатки. Благодаря этому почвенные растворы обогащаются разнообразными продуктами трансформации органических остатков, в том числе и минеральными соединениями.

В результате концентрирования почвенных растворов изменяется соотношение между компонентами, входящими в их состав. Малорастворимые минеральные соединения (полуторные оксиды, гидрокарбонаты и сульфаты кальция) и гумусовые кислоты выпадают в осадок, а в почвенных растворах возрастает концентрация хорошо растворимых веществ - хлоридов, сульфатов и нитратов калия, мания, натрия и низкомолекулярных органических соединений.

Вследствие нагревания почвенных растворов летом растворимость диоксида углерода снижается, что сопровождается осаждением кальция и магния из растворов в виде СаСО₃ и МgСО₃. Если в растворе присутствуют ноны натрия, то они внедряются в ППК.

При выпадении атмосферных осадков или спорадических поливах концентрация почвенных растворов на время уменьшается, однако тенденция их концентрирования в летний период сохраняется.

Во влажные сезоны года (ранняя весна, осень) и при интенсивном орошении пресными водами происходит разбавление почвенных растворов, иногда довольно сильное. Увеличение влажности сверх предельно-полевой влагоемкости вызывает передвижение разбавленных почвенных растворов из верхних в нижележащие горизонты профиля вместе с находящимися в них веществами. Разбавление почвенных растворов сопровождается дополнительным растворением гипса и карбоната кальция, находящихся в твердой фазе почвы. Растворимость СаСО₃ возрастает также благодаря увеличению растворимости диоксида углерода вследствие более низких температур по сравнению с повышенными температурами летнего периода. Если почвы содержат обменный натрий, то он будет вытесняться из ППК нонами кальция, переходящими в растворимое состояние, в результате чего может происходить подщелачивание почвенного раствора.

Для почвенных растворов характерна не только сезонная, но и суточная динамика. Например, в целинных черноземах максимальная концентрация ионов кальция наблюдается в дневные часы, минимальная - в ночные. Это связано с тем, что днем в результате жизнедеятельности почвенной биоты происходит более интенсивное продуцирование диоксида углерода, в результате чего увеличивается растворимость солей кальция, динамика нитрат-иона носит противоположный характер. Наибольшее количество нитратов в почвенном растворе наблюдается в ночные часы, ранним утром и вечером, наименьшее - днем, в период наиболее активной фотосинтетической деятельности растений.

Почвенные растворы играют исключительно важную роль в почвообразовании и плодородии почв. Именно через почвенный раствор осуществляется взаимодействие между фазами почвы.

Г. И. Высоцкий сравнивал роль почвенных растворов в жизни почвы с ролью крови в живых организмах. Почвенные растворы служат источником макро- и микроэлементов, необходимых для растений. При их недостатке или избытке развитие сельскохозяйственных культур замедляется. С концентрацией и химическим составом почвенного раствора связаны и другие условия роста и развития растений: реакция среды, водное питание, окислительно-восстановительное состояние, наличие токсичных веществ и др. Поэтому с помощью гидротехнических и химических мелиораций, которые проводят в различных почвенных зонах, искусственно регулируют не только водно-воздушный режим и физико-химические свойства почвы, но и состав почвенного раствора в соответствии с требованиями культурных растений.