Теоретична частина. 5. Агроекологічні особливості ґрунтів, зумовлені реакцією ґрунтового розчину.

1. Ґрунтовий розчин.

2. Кислотність ґрунту.

3. Лужність ґрунтів.

4. Буферність ґрунтів.

5. Агроекологічні особливості ґрунтів, зумовлені реакцією ґрунтового розчину.

Ґрунтовий розчин. Основні процеси ґрунтоутворення відбуваються лише при наявності вільної води. Ґрунтова волога є тим середовищем, в якому відбуваються процеси синтезу і розкладання органічних речовин, міграція і акумуляція хімічних елементів, різноманітні хімічні реакції, коагуляція, пептизація тощо. Багато речовин міститься у воді в розчиненому стані. Тому ґрунтову вологу називають ґрунтовим розчином.

Хімічний склад і значення ґрунтового розчину в ґрунтоутворенні вивчав відомий ґрунтознавець С.О. Захаров. Виходячи з того що ґрунтовий розчин відіграє дуже велику роль в ґрунтоутворенні і живленні рослин, Г. М. Висоцький дійшов висновку: «Вода в ґрунті – все одно, що кров в організмі».

Ґрунтовий розчин – найактивніша частина ґрунту. Він постійно перебуває в стані динамічної рівноваги з твердою фазою і повітрям ґрунту.

Більша частина хімічних сполук перебуває в ґрунтовому розчині у вигляді іонів. Основними катіонами ґрунтового розчину є Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺, NH⁴⁺, Н⁺. В незначній кількості містяться рідкісні та розсіяні елементи, а саме: Cu²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Co²⁺ та ін. В засолених ґрунтах багато Na⁺, Mg²⁺, Sr²⁺ і В³⁺.

Основними аніонами ґрунтового розчину є (НСО₃)^-, (NO₂)^-,
(NO₃)^-, (Р0₄)^3-, (SO₄)^-, Сl^- та ін. У незасолених ґрунтах переважає бікарбонат-іон, а в засолених – хлор- і сульфат-іони.

Крім мінеральних сполук у ґрунтовому розчині містяться водорозчинні органічні сполуки: органічні кислоти, фульвокислоти, амінокислоти, цукри, спирти та ін.

Концентрація розчинених речовин визначає величину осмотичного тиску ґрунтового розчину. Осмотичний тиск незасолених ґрунтів не перевищує 2-3 атмосфери. У посушливі періоди, коли концентрація ґрунтового розчину підвищується, підвищується і осмотичний тиск, при зволоженні ґрунту – знижується. У засолених ґрунтах осмотичний тиск ґрунтового розчину досягає 10 атм і більше.

Величина осмотичного тиску впливає на засвоєння води корінням рослин. Якщо осмотичний тиск ґрунтового розчину більший, ніж тиск клітинного соку, то надходження води в кореневі волоски припиняється, незважаючи на значний вміст вільної води в ґрунті. В цьому разі рослина гине від фізіологічної посухи.

Кислотність ґрунту. Природа кислотності та її види. Від складу і концентрації речовин, розчинених в ґрунтовому розчині, залежить його активна реакція. Реакція ґрунтового розчину зумовлюється наявністю і співвідношенням в ньому водневих (Н⁺) і гідроксильних (ОН^-) іонів. Величину активної реакції виражають в одиницях рН – десятинний логарифм концентрації Н⁺-іонів з від’ємним знаком. Отже, рН = – lg [H⁺].

Вода в звичайних умовах в незначній кількості дисоціює, тобто розпадається на іони Н⁺ і ОН^-. Концентрація їх незначна. Добуток концентрацій [H⁺]·[ОН^–]=10^–14. В ідеально чистій воді концентрація цих іонів однакова: [Н⁺]=[ОН^–] = 10^–7.

Збільшення концентрації іонів Н⁺ (доливання кислоти) зумовлює кислу реакцію розчину [Н⁺]>10^–7. Збільшення концентрації основ підвищує концентрацію іонів ОН^–. Розчин набуває лужної реакції [ОН^–] > 10^–7.

В нейтральних розчинах, в яких [Н⁺] = [ОН^–] = 10^–7, величина рН=7, в кислих – менше 7, в лужних – більше 7. рН ґрунтових розчинів коливається в межах від 3 до 9.

Залежно від стану іонів Н⁺ розрізняють актуальну і потенціальну кислотність.

Актуальна кислотність зумовлена наявністю в ґрунтовому розчині вільних іонів Н⁺. Її величину (рН) визначають у водних витяжках.

Потенціальна кислотність зумовлена наявністю в ГВК увібраних іонів Н⁺ і Аl³⁺, які знаходяться в твердій фазі ґрунту. Іони алюмінію підкислюють ґрунтовий розчин внаслідок гідролізу солей алюмінію.

АlСl₃ + 3Н₂О = Аl (ОН)₃ + 3НСl.

За способом визначення потенціальної кислотності виділяють обмінну і гідролітичну кислотності.

Обмінна кислотність – концентрація іонів водню, витіснених з дифузного шару колоїдної міцели катіонами нейтральних солей. Для визначення обмінної кислотності використовують 1,0 н. розчин KCl (рН близько 6,0).

Гідролітична кислотність. Іони водню утримуються колоїдною часткою дуже міцно і при обміні з катіонами нейтральної солі повністю не витісняються. Якщо діяти на ґрунт гідролітично лужною сіллю (солі з сильною основою і слабким кислотним залишком), то відбудеться майже повне витіснення увібраних іонів водню. Для визначення гідролітичної кислотності використовують IM розчин CH₃COONa (рН близько 8,2). Схему обмінної і гідролітичної кислотності наведено на рис. 19.

Рис. 19 Схема обмінної (а) і гідролітичної (б) кислотності

 

У дуже кислих ґрунтах вивільнюється багато йонів Н⁺ та Al³⁺, а вміст доступних елементів кальцію, магнію, фосфору, калію, сірки дуже понижений. Одночасно в цих ґрунтах підвищується розчинність сполук феруму, мангану, бору, купруму і цинку. Кислі ґрунти, як правило, мають несприятливі фізичні властивості і низьку родючість.

Лужність ґрунтів. Природа лужності та її типи. Лужна реакція ґрунтових розчинів може бути зумовлена різними сполуками: карбонатами, гідрокарбонатами, хлоридами і сульфатами лужних і лужноземельних металів, гуматами натрію, силікатами та іншими сполуками. Основну роль при цьому відіграють гідролітично лужні солі слабких кислот, а саме: карбонати натрію і калію, гідрокарбонати натрію і калію, карбонати кальцію і магнію. Основні аніони, які зумовлють лужну реакцію, є:

S^2–; РО₄^3–; Н₃SiO₄^–; Н₂ВО₃^–; Аl (H₂O)₂(ОН)₄^–; НРО₄^–; HS^–; HCO₃^–

Розрізняють актуальну (активну) і потенціальну лужність.

Актуальна лужність зумовлена наявністю в ґрунтовому розчині гідролітично лужних солей, під час дисоціації яких утворюється значна кількість гідроксильних іонів. Лужність ґрунту визначають титруванням водної витяжки в присутності різних індикаторів і виражають в міліграм-еквівалентах на 100 г ґрунту.

Потенціальна лужність проявляється у ґрунтах, які містять увібраний натрій. При дії на грунт вугільною кислотою увібраний ГВК натрій заміщується іонами Н⁺. В ґрунтовому розчині утворюється сода, яка підвищує лужну реакцію:

[ГВК] 2Na⁺ + Н₂СО₃=[ГВК] 2Н⁺ + Na₂CO₃.

Висока лужність несприятлива для росту і розвитку більшості сільськогосподарських рослин. Лужні ґрунти мають низьку родючість, несприятливі фізичні властивості і хімічний склад. Вони, як правило, тверді, зцементовані, безструктурні, у вологому стані в’язкі, липкі, водонепроникні.

У лужному середовищі при рН вище 8,5 (8,7) спостерігається дефіцит нітратів і фосфатів, надлишок легкорозчинних солей, нестача двохвалентних форм феруму і мангану, дефіцит купруму і цинку.

Буферність ґрунтів. Буферністю називають здатність ґрунту протистояти зміні активної реакції під дією незначної кількості кислот або лугів. Отже, існує буферність проти кислотних і буферність проти лужних реагентів.

Буферність ґрунтів зумовлена в основному складом увібраних основ та властивостями ґрунтового вбирного комплексу. Ця властивість проявляється в процесі вбирання і витіснення іонів, переходу сполук в іонні або молекулярні форми, утворення важкорозчинних сполук і випадання їх в осад.

При дії на ґрунт кислотою відбувається обмін між увібраними катіонами і іонами водню, в ґрунтовому розчині утворюється нейтральна сіль Отже, підкислення ґрунту не відбувається.

[ГВК] Са²⁺ + 2НСl = [ГВК] 2Н⁺ + CaCl₂ .

При дії на ґрунт лугом відбувається обмін увібраних іонів водню на катіон лугу, в результаті чого він нейтралізується. Лужна буферність властива кислим ґрунтам.

[ГВК]2Н⁺ + Са(ОН)₂ = [ГВК]Са²⁺ + Н₂О.

Таким чином, ГВК є регулятором концентрації ґрунтового розчину.

Величина (діапазон) буферності залежить від вмісту в ґрунті тонкодисперсних часток. Глинисті ґрунти мають високу буферність, піщані – майже не мають її.

Явище буферності має велике значення при хімічній меліорації ґрунтів та застосуванні мінеральних добрив.

Агроекологічні особливості ґрунтів, зумовлені реакцією ґрунтового розчину.

Наведений вище фактичний матеріал вказує на те, що реакція ґрунтового розчину відіграє дуже важливу роль у формуванні складу і властивостей ґрунту, які визначають особливості екологічних функцій цих ґрунтів і, відповідно, їх агроекологічну характеристику. Вичерпну, на наш погляд, таку характеристику ґрунтів залежно від величини рН дає у своїй монографії В.Ф. Вальнов (1986).

рН 4,0-5,0. Різкокисла реакція середовища. Характерна для ґрунтів гумідних територій: сильно-підзолистих і болотних ґрунтів Бореального поясу, жовтоземно- і червоноземно-підзолистих Субтропічного поясу. Ці ґрунти сильно промиті від карбонатів кальцію і магнію, калію, бору, сірки, цинку, кобальту, йоду. Доступність фосфору для живлення рослин понижена.

Залізо (Ферум), алюміній і марганець (Манган) у рухомій формі і для багатьох рослин є токсичними. Діяльність бактерій пригнічена, а діяльність грибів активна. Ці ґрунти потребують суцільного вапнування. Фізичні властивості цих ґрунтів бувають сприятливими: їх колоїди зкоагульовані рухомими Al³⁺ і Fe³⁺. У цих ґрунтів немає періоду весняної стиглості, їх можна обробляти у любий сезон року. Такі ґрунти доцільно використовувати для вирощування кислотовитривалих культур.

рН 5,0-6,0. Сильнокисла реакція середовища, характерна для ґрунтів вологого клімату (підзолисті, дерново-підзолисті, бурі лісові ненасичені, жовтоземи і червоноземи). Стан фосфатів, сполук заліза (Феруму), алюмінія, марганцю (Мангану), кальція, калія, бора, кобальта, йода аналогічний різкокислим ґрунтам. Понижена діяльність бактерій, грибів – активізована. Суглинкові і глинисті ґрунти з таким рН мають погані фізичні властивості. Навесні ці ґрунти довго висихають. Сприятливі умови для обробітку бувають лише у вузькому діапазоні вологості: то ґрунт сирий і при оранці дає пласти, які легко зсихаються у глиби, то сухий, і рілля зразу глибиста. У Бореальному і Субтропічному поясах ці ґрунти потребують вапнування. На чайних плантаціях вапнування не проводять, а вносять кислі хелати заліза.

рН 6,0-6,5. Слабкокисла реакція середовища, зустрічається у ґрунтах вологого клімату (вилугувані чорноземи, сірі і бурі лісові, насичені жовтоземи і червоноземи). Фосфати перебувають у доступному стані, токсичність алюмінія і марганця понижена або відсутня, дефіцит сірки, кальція, калія, бору, кобальту, йоду не високий. Умови мінерального живлення близькі до оптимальних. Достатньо високі фізичні властивості. Висока активність життєдіяльності бактерій, зокрема нітрифікуючих. У цих ґрунтів чітко виражений період весняної стиглості. Оптимальні строки обробітку ґрунту після достигання досить тривалі.

рН 7,5-8,5. Слабколужна реакція середовища, характерна для ґрунтів сухих степів і напівпустель (чорноземи південні, каштанові, бурі напівпустель, коричневі субтропічні та інші). Фосфати, ферум, цинк і манган бувають у дефіциті. При систематичному внесенні фосфору виникає цинкова і мідна недостатність внаслідок антагонізму між цими елементами. Фізичні властивості високі, особливо на карбонатних породах; у солонцюватих ґрунтів – незадовільні. Мікробіологічна діяльність, нітрифікаційна здатність, умови мінерального живлення хороші.

рН 8,5-10. Сильнолужна реакція середовища, яка характерна для ґрунтоутворюючої породи чорноземів і каштанових ґрунтів.

рН 10-12. Різколужні грунти. Трапляються в регіонах аридного клімату (солонці, содові солончаки). Мають виражені несприятливі фізичні властивості (безструктурні). Пригнічена діяльність мікроорганізмів. Потребують високих доз гіпсу.

Питання для аудиторного оцінювання:

1. Опишіть різні типи кислотності ґрунтів, причини її виникнення та методи боротьби з нею.

2. Охарактеризуйте лужність ґрунтів та шляхи її регулювання.

3. Визначте поняття „буферність ґрунтів”.

4. Дайте загальну характеристику ґрунтового повітря.

5. Проаналізуйте основні повітряно-фізичні властивості ґрунтів.

6. Проаналізуйте відмінність складу атмосферного та ґрунтового повітря.