Формы почвенного воздуха

Различают: собственно почвенный воздух – свободный и защемлённый, адсорбированные и растворенные газы.

* Свободный почвенный воздух – это смесь газов и летучих органических соединений, свободно перемещающихся по системампочвенных пор и сообщающихся с воздухом атмосферы. Свободный почвенный воздух подвижен, обеспечивает аэрацию почв и газообмен между почвой и атмосферой. Наибольшее значение имеет воздух некапиллярных пор, практически всегда свободных от воды.

* Защемлённый почвенный воздух находится в порах, со всех сторон изолированных водными пробками. Чем более тонкодисперсна почвенная масса и компактней ее упаковка, тем большее количество защемлённого воздуха она может иметь. В глинистых почвах содержание защемлённого воздуха может быть >12% от общего объёма почвы или более четверти всего её порового пространства. Защемлённый воздух неподвижен, практически не участвует в газообмене между почвой и атмосферой, существенно препятствует фильтрации воды в почве, может вызывать разрушение почвенной структуры при колебаниях температуры, атмосферного давления, влажности.

* Адсорбированный почвенный воздух – газы и летучие органические соединения, адсорбированные поверхностью твердой фазы почвы. Количество сорбированного воздуха зависит от минералогического и гранулометрического состава почв, от содержания органического вещества, влажности.

* Растворённый почвенный воздух – газы, растворенные в почвенной воде. Растворимость газов возрастает с повышением их концентрации в свободном почвенном воздухе, а также с понижением температуры почвы. Хорошо растворяются в воде аммиак, сероводород, углекислый газ. Растворимость кислорода сравнительно небольшая.

К физическим свойствам почвы относятся структура, водные, воздушные, тепловые, общие физические и физико-механические свойства. Их величины зависят от состава, соотношения, взаимодействия и динамики твердой, жидкой, газообразной и живой фаз почвы. Оказывают большое влияние на развитие почвообразовательного процесса, плодородие почвы и развитие растений.

К общим физическим свойствам относятся плотность почвы, плотность твердой фазы и порозность.

Плотность твердой фазы (удельный вес почвы) – это средняя плотность почвенных частиц или масса сухого вещества почвы (М) в единице его истинного объема (V_s), т. е. в единице объема твердой фазы почвы без пор, выраженная в г/см³ или т/м³: d = M/V_s

Плотность почвы (объемный вес, объемная масса) – масса абсолютно сухой почвы (М) в единице ее объема ненарушенного естественного сложения, т. е. с почвенными порами (V), выраженная также в г/см³ или т/м³: d_V = M/V

От плотности почвы зависят поглощение влаги, газообмен в почве, развитие корневых систем растений, жизнедеятельность микроорганизмов.

Порозность (скважность) почвы– суммарный объем всех пор и пустот между частицами твердой фазы почвы в единице объема (выражается в % от общего объема почвы).

Поскольку порозность почвы определяется соотношением и взаимным расположением почвенных частиц или их агрегатов и пустот между ними, общую порозность почвы можно определить путем сопоставления плотности почвы (d_V) и плотности ее твердой фазы (d) согласно уравнению Р_общ = [(d – d_V) / d] × 100 = (1 – d_V / d) × 100 , получаемому из простого представления о том, что объем почвенных пор V_P = V – V_s, а порозность (в %) Р = (V – V_s) / V × 100.

Порозность и плотность почвы – величины динамичные, они существенно меняются как в процессе почвообразования, так и в зависимости от состояния почвы; сильное воздействие оказывают машинная обработка почв (вспашка, культивация, прикатывание), орошение, проезд машин по поверхности.

Различают общую, капиллярную и некапиллярную порозность. Поры могут быть заполнены водой и воздухом. Поэтому также различают поры, занятые рыхлосвязанной водой, заполненные прочносвязанной водой и занятые воздухом (поры аэрации). Некапиллярные поры обеспечивают водопроницаемость, воздухообмен; капиллярная порозность создает водоудерживающую способность почвы, т. е. от её значения зависит запас доступной для растений влаги.

Общая порозность выше в суглинистых и глинистых почвах.

Водные (водно-физические, гидрофизические) свойства – совокупность свойств почвы, определяющих поведение почвенной воды в её толще. Наиболее важные водные свойства: водоудерживающая способность почвы, влагоёмкость, водоподъёмная способность, водопроницаемость.

Водоудерживающая способность – свойство почвы удерживать содержащуюся в ней воду от стекания под влиянием силы тяжести, обусловленное действием сорбционных и капиллярных сил.

Количественной характеристикой водоудерживающей способности почвы является ее влагоёмкость –наибольшее количество воды, котороеспособна удерживать почва теми или иными силами. Выделяют следующие виды влагоёмкости: максимальную адсорбционную, максимальную молекулярную, капиллярную, наименьшую (или полевую) и полную.

1. Максимальная адсорбционная влагоёмкость (МАВ) – наибольшее количество прочносвязанной, строго ориентированной воды, удерживаемой адсорбционными силами. Составляет 60 – 70 % МГ.

2. Максимальная молекулярная влагоёмкость (ММВ) – наибольшее возможноесодержание рыхлосвязанной воды, удерживаемой сорбционными силами или силами молекулярного притяжения на поверхности почвенных частиц. ММВ определяется в основном гранулометрическим составом почв. В глинистых почвах она может достигать 25 - 30%, в песчаных не превышает 5 - 7%. Увеличение запасов воды в почве сверх максимальной молекулярной влагоёмкости сопровождается появлением подвижной капиллярной или даже гравитационной воды. ММВ – важная почвенно-гидрологической характеристика. Сопоставляя фактическую влажность почвы с ММВ, определяют наличие в почве запаса доступной для растений воды (в случае превышения фактической влажности над ММВ) или отсутствие таковой (при примерном совпадении этих величин), поскольку при влажности, соответствующей ММВ, запасы доступной воды в почве настолько малы, что не могут удовлетворить потребность растений, и растения завядают.

3. Капиллярная влагоёмкость (KB) – наибольшее количество капиллярно-подпертой влаги, которое может содержаться в почве над уровнем грунтовых вод. Зависит от скважности почв и грунтов, а также от расстояния до зеркала грунтовых вод. Чем больше это расстояние, тем меньше КВ. При близком залегании грунтовых вод (1,5 - 2,0 м), когда капиллярная кайма смачивает толщу до поверхности, капиллярная влагоёмкость наибольшая (для 1,5 м слоя среднесуглинистых почв 30 - 40%). KB почвы не постоянна, она зависит от уровня грунтовых вод.

4. Наименьшая влагоёмкость (НВ) или предельная полевая влагоёмкость (ППВ) – наибольшее количество капиллярно-подвешенной влаги, которое остаётся в почве после обильного увлажнения и стекания всей гравитационной воды (при глубоком залегании грунтовых вод). НВ – это идеальное состояние почвы, когда поры ее наполнены воздухом, а капилляры – водой, корневая система сбалансированно обеспечена и воздухом, и влагой. НВ зависит от механического и гранулометрического состава, содержания гумуса, структурного состояния, пористости и плотности почвы. В тяжелых, хорошо оструктуренных почвах НВ составляет 30 – 45%, в песчаных и супесчаных почвах – 5 – 20 %. С НВ связано понятие о дефиците влаги в почве, по НВ рассчитываются поливные нормы. Дефицит влаги в почве – величина, равная разности между НВ и фактической влажностью почвы. Оптимальной считается влажность, составляющая 70 – 100% НВ.

5. Полная влагоёмкость (ПВ) – наибольшее количество воды, которое может вместить почва при заполнении всех пор, за исключением пор с защемленным воздухом (которые составляют, как правило, не более 5 - 8% от общей порозности) ® ПВ почвы численно соответствует порозности (скважности) почвы. При влажности, равной ПВ, в почве содержатся максимально возможные количества всех видов воды: связанной (прочно и рыхло) и свободной (капиллярной и гравитационной). Гравитационная вода легкодоступна для растений, но избыточна, поэтому непродуктивна. Малое количество пор аэрации или их отсутствие при полной влагоёмкости нарушает газообмен в почве, ухудшает развитие растений.

ПВ характеризует водовместимость почв. Поэтому эту величину называют также полной водовместимостью. Зависит она, как и НВ, не только от гранулометрического состава, но и от структурности и порозности почв. ПВ колеблется в пределах 40 – 50% (в отдельных случаях 80 - 30%). Состояние полного насыщения водой характерно для горизонтов грунтовых вод.

Водопроницаемость почв – способность почв и грунтов впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. В процессе поступления воды в почву и дальнейшего передвижения её можно выделить два этапа:

1) впитывание – поглощение воды почвой и прохождение ее от слоя к слою в ненасыщенной водой почве, характеризуется коэффициентом впитывания;

2) фильтрация воды сквозь толщу насыщенной водой почвы. Интенсивность прохождения воды в почвенно-грунтовой толще, насыщенной водой, характеризуется коэффициентом фильтрации.

Водопроницаемость измеряется объемом воды, протекающей через единицу площади поверхности почвы в единицу времени.

Водоподъёмная способность почв – свойство почвы вызывать восходящее передвижение содержащейся в ней воды за счет капиллярных сил. Благодаря капиллярным явлениям и водоподъёмной способности почв грунтовые воды участвуют в дополнительном снабжении растений водой, развитии восстановительных процессов и засоления в почвенном профиле.

Высота подъема воды в почвах и скорость ее передвижения определяются в основном гранулометрическим и структурным составом почв, их порозностью. Чем почвы тяжелее и менее структурны, тем больше потенциальная высота подъёма воды, а скорость подъёма ее меньше.

Воздушно-физические свойства почв – совокупность физических свойств почв, определяющих состояние и поведение почвенного воздуха в профиле. Наиболее важные из них: воздухоёмкость, воздухосодержание, воздухопроницаемость, аэрация.

Воздухоёмкость - характеризует содержание воздуха в почве ( в %_об).Количество воздуха в почве зависит от влажности и порозности почвы. Чем выше порозность и меньше влажность, тем больше воздуха в почве. Максимальная воздухоёмкость характерна для сухих почв и равна общей порозности. Однако в природных условиях почвы всегда содержат то или иное количество воды, поэтому величина воздухоёмкости очень динамична. В воздушно-сухом состоянии воздухоёмкость почвы равна разности между общей порозностью и объемом гигроскопической воды.

Воздухоёмкость почв зависит от их гранулометрического состава, сложения, степени оструктуренности. По влиянию на состояние почвенного воздуха различают капиллярную и некапиллярную воздухоемкость. Почвенный воздух, размещенный в капиллярных порах малого диаметра, характеризует капиллярную воздухоемкость почв. Высокий процент капиллярной воздухоёмкости указывает на малую подвижность почвенного воздуха, затрудненную транспортировку газов в пределах почвенного профиля, высокое содержание защемленного и сорбированного воздуха.

Воздухосодержание – количество воздуха, содержащегося в почве при определенном уровне естественного увлажнения. Вода и воздух в почвах антагонисты. Поэтому существует четкая отрицательная корреляция между влаго- и воздухосодержанием. Воздухосодержание колеблется в различных почвах и в различные сезоны от 0 (переувлажненные или затапливаемые территории) до 80 – 90% (переосушенные торфяники).

Воздухопроницаемость (газопроницаемость) – способность почвы пропускать через себя воздух.Определяет скорость газообмена между почвой и атмосферой; зависит от механического состава почвы, её плотности, влажности, структуры. Воздух в почве передвигается по порам, не заполненным водой и не изолированным друг от друга. Чем крупнее поры аэрации, тем лучше воздухопроницаемость. В структурных почвах с достаточным количеством крупных некапиллярных пор создаются наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости

К физико-механическим свойствам почвыотносятся пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твёрдость и сопротивление при обработке. Физико-механические свойства почвы имеют важнейшее значение для оценки её технологических свойств, т. е. различных условий обработки, работы посевных и уборочных агрегатов.

Пластичность– способность почвы изменять свою форму под влиянием какой-либо внешней силы без нарушения сплошности и сохранять приданную форму после устранения этой силы. Пластичность обусловлена илистой фракцией и зависит от влажности почвы. Сухая почва пластичностью не обладает; избыточно увлажнённая начинает течь и также теряет пластичность.

Наивысшую пластичность имеют глинистые почвы; пески не обладают пластичностью.

Липкость (или прилипание) – свойство влажной почвы прилипать к другим телам –отрицательно влияет на технологические свойства почвы: прилипание почвы к орудиям и ходовым частям машины увеличивает тяговое сопротивление и ухудшает качество обработки.

Липкость проявляется при некоторой наименьшей влажности, увеличиваясь одновременно с ней, а затем начинает уменьшаться. Прилипание зависит от механического состава: оно наибольшее у глинистых и наименьшее – у песчаных почв. Липкость имеет аналогичную зависимость от состава обменных катионов и гумусности почвы.

С липкостью связано важное агрономическое свойство почвы – физическая спелость, т. е. состояние влажности, при котором почва хорошо крошится на комки, не прилипая при этом к орудиям обработки. Весной раньше других поспевают к обработке песчаные и супесчаные почвы, а при одном и том же механическом составе – более гумусированные.

Набухание– увеличение объема почвы при увлажнении. Оно обусловлено сорбцией влаги почвенными частицами и гидратацией обменных катионов и зависит от содержания и состава почвенных коллоидов и обменных катионов. Наибольшей набухаемостью обладают минералы с расширяющейся решеткой – монтмориллонит и вермикулит, наименьшей – минералы группы каолинита. Повышению набухаемости способствует насыщение почвы ионом натрия. Значительной набухаемостью характеризуются органические коллоиды. Поэтому наибольшую набухаемость имеют глинистые почвы с монтмориллонитовым составом глинистых минералов. Высокой набухаемостью отличаются солонцовые почвы. Набухание – отрицательное свойство почв, т. к. при значительной её выраженности может происходить разрушение почвенных агрегатов. Выражается в объемных % от исходного объема почвы.

Усадка– сокращение объема почвы при высыхании. Это явление – обратное набуханию, и зависит от тех же факторов. Чем больше набухаемость почвы, тем сильнее ее усадка. Сильная усадка почвы приводит к образованию трещин, разрыву корней растений, повышению потерь влаги за счет испарения.

Почвенный раствор – это жидкая фаза почв, включающая почвенную воду, содержащую растворенные соли, органоминеральные и органические соединения, газы (СО₂, О₂ и др.) и тончайшие коллоиды.

Содержание влаги в почвах ® и количество почвенного раствора меняются в очень широких пределах, от десятков % (вода занимает практически всю порозность почвы) до единиц или долей % (в почве находится лишь адсорбированная вода). Физически прочносвязанная вода (гигроскопическая и отчасти МГ – так называемый нерастворяющий объем почвенной воды) – не входит в состав почвенного раствора. Не успевают стать почвенным раствором и гравитационные воды, быстро просачивающиеся через почвенные горизонты по крупным трещинам и ходам корней. Т. о., почвенный раствор включает все формы капиллярной, рыхло- и относительно прочносвязанной воды почвы.

К важнейшим катионам почвенного раствора относятся Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺, NH₄⁺, Н⁺; в сильнокислых почвах могут быть также Аl³⁺, Fe³⁺, а в заболоченных – Fe²⁺. Среди анионов преобладают НСО₃^-, СО₃^2-, NO₃^-, NO₂^-, Сl^-, SO₄^2-. Фосфат-ионов мало (1-2 мг/л), т. к. они энергично поглощаются растениями, минеральными соединениями почвы и слабо растворимы.

Железо, алюминий и многие микроэлементы (Сu, Ni, V, Сr и др.) в почвенных растворах содержатся главным образом в виде комплексных органоминеральных соединений, где органическая часть комплексов представлена гумусовыми и низкомолекулярными органическими кислотами, полифенолами и другими органическими веществами.

Концентрация почвенных растворов невелика и в разных типах почв колеблется от десятков мг/л до нескольких г/л раствора (исключение – засоленные почвы, где содержание растворенных веществ может достигать десятков, сотен г/л.)

Реакция почвенного раствора – одно из важнейших его свойств – характеризует актуальную (активную) кислотность или щелочность почвы и оказывает большое влияние на химические, физико-химические и биологические процессы, протекающие в почве, а также на развитие растений. Реакция почвенного раствора определяется активностью свободных водородных (Н⁺) и гидроксильных ионов (ОН^-) и измеряется рН – отрицательным логарифмом активности водородных ионов. рН почвенного раствора разных типов почв колеблется от 2,5 (кислые сульфатные почвы) до 8 – 9 и выше (карбонатные и засоленные почвы), достигая 10 – 11 в щелочных солонцах и содовых солончаках.

Самые низкие концентрации и кислую реакцию имеют почвенные растворы подзолистых и болотных почв таежной зоны.

Максимальное содержание солей, в несколько раз превышающее их содержание в морской воде (до десятков и сотен г/л) наблюдается в почвенных растворах солончаков. Для большинства почв характерен гидрокарбонатно-кальциевый состав почвенных растворов, но в засолённых почвах преобладают хлориды и сульфаты Mg²⁺ и Na⁺.

Осмотическое давление почвенного раствора имеет важное значение для растений. Если оно равно или выше осмотического давления клеточного сока растений, то поступление воды в растение прекращается, и оно погибает. Осмотическое давление зависит от концентрации почвенного раствора и степени диссоциации растворенных веществ. Наиболее высокое осмотическое давление почвенного раствора у засоленных почв, особенно тяжелых по механическому составу, с высокой поглотительной способностью.

Для сельскохозяйственных растений весьма неблагоприятна также щелочная реакция почвенного раствора и высокое содержание в нём соды (Na₂CO₃). Например, при содержании соды 4 г/л почвенного раствора рН = 10. Это безусловно токсично для сельскохозяйственных культур. Такие почвы нуждаются в химической мелиорации.

Почвенные растворы служат непосредственным источником питания растений.

Окислительно-восстановительные процессы широко развиты в почве, поэтому её можно рассматривать как сложную окислительно-восстановительную систему.

Процессами окисления называются:

1. присоединение кислорода: 2КNО₂ + O₂ ® 2КNО₃;

2. отдача водорода: СН₃–СН₃ ® СН₂=СН₂ + Н₂;

3. отдача электронов без участия водорода и кислорода: Fe²⁺ - е^- ® Fe³⁺.

Обратные процессы объединяют в понятие «восстановление». Реакции окисления и восстановления всегда протекают одновременно. Донор электронов называется восстановителем (он окисляется) , а акцептор – окислителем (он восстанавливается). Общая схема реакции окисления-восстановления: Ox + nе^- « Red,

где Ох – окислитель; Red – восстановитель; е^- – электроны; п – число электронов, участвующих в реакции.

Для количественной характеристики окислительно-восстановительного состояния почвы (также как и других сред) пользуются понятием окислительно-восстановительного потенциала. Окислительно-восстановительным потенциалом почвы (ОВП) называют разность потенциалов, возникающую между почвенным раствором и электродом из инертного металла (платины), помещенным в почву.

Главные условия, определяющие интенсивность и направленность ОВ процессов – состояние увлажнения и аэрации почв, содержание в них органического вещества и температура, при которой протекают биохимические реакции.

Различают следующие типы ОВ режима почв:

1. почвы с абсолютным господством окислительной обстановки – автоморфные почвы степей, полупустынь и пустынь (черноземы, каштановые, серо-коричневые, бурые полупустынные, сероземы и др.);

2. почвы с господством окислительных условий при возможном проявлении восстановительных процессов в отдельные влажные годы или сезоны (автоморфные почвы таежно-лесной зоны, влажных субтропиков, лиственно-лесной зон);

3. почвы с контрастным окислительно-восстановительным режимом (полугидроморфные почвы различных зон, почвы рисовых полей). Наиболее контрастной динамикой ОВ процессов характеризуются почвы с временным избыточным увлажнением. Такие почвы широко распространены среди подзолистых, дерново-подзолистых, солодей, солонцов и других типов почв;

4. почвы с устойчивым восстановительным режимом (болотные почвы и гидроморфные солончаки).

Окислительно-восстановительные процессы оказывают большое влияние на почвообразовательный процесс и плодородие почв.

Поглотительная способность почвы – это её свойство обменно или необменно поглощать различные твёрдые, жидкие и газообразные вещества или увеличивать их концентрацию у поверхности содержащихся в почве коллоидных частиц. Поглотительная способность почвы – одно из её важнейших свойств, определяющее плодородие и характер процессов почвообразования. Она обеспечивает и регулирует питательный режим почвы, способствует накоплению многих элементов минерального питания растений, регулирует реакцию почвы, ее водно-физические свойства.

1. Механическая поглотительная способность – свойство почвы задерживать в своих порах поступающие с водным или воздушным потоком твердые частицы. Механическое поглощение зависит от гранулометрического состава и сложения почвы. Глинистые и суглинистые почвы поглощают даже тонкодисперсные частицы. У песчаных почв рыхлое крупнопористое сложение, поэтому они слабее поглощают взвешенные частицы.

Ø Вода, проходя сквозь почвенную толщу, очищается от взвесей. Это свойство почв и рыхлых пород используют для очистки питьевых и сточных вод.

Ø При строительстве оросительных систем свойство почв поглощать твердые частицы используется для заиливания дна и стенок каналов в целях уменьшения потерь воды на фильтрацию (кольматирование каналов, водохранилищ).

2. Химическая поглотительная способность – образование в результате происходящих в почве химических реакций труднорастворимых соединений, выпадающих из раствора в осадок. Поступающие в почву в составе атмосферных, грунтовых поливных вод катионы и анионы могут образовывать с солями почвенного раствора нерастворимые или труднорастворимые соединения.

3. Биологическая поглотительная способность - обусловлена избирательным поглощением растениями и микроорганизмами необходимых для их жизни элементов (N, Р, К и др.). Усваиваемые растворимые соединения превращаются в белковые вещества, клетчатку и другие компоненты живых тканей. Накопленные элементы частично задержи-ваются в почве ® почва постепенно обогащается органическим веществом и зольными элементами питания. Биологическая поглотительная способностьхарактеризуется избирательностью поглощения из-за специфической для каждого вида организмов потребности в элементах питания.

4. Физическая поглотительная способность – увеличение концентрации молекул различных веществ у поверхности тонкодисперсных частиц. Поверхностная энергия таких частиц стремится к наибольшему сокращению. Это реализуется или уменьшением поверхности твердой фазы (укрупнение частиц), или понижением поверхностного натяжения путем адсорбции на поверхности частиц некоторых веществ. Вещества, понижающие поверхностное натяжение – поверхностно-активные вещества (органические кислоты, многие высокомолекулярные органические соединения). Они притягиваются к поверхности тонкодисперсных частиц, т. е. испытывают положительную физическую адсорбцию. Многие минеральные соли, кислоты, щелочи, некоторые органические соединения повышают поверхностное натяжение воды, вызывая отрицательную физическую адсорбцию (уменьшение концентрации данных веществ по мере приближения к поверхности частицы). Понижение поверхностного натяжения достигается в данном случае избирательной адсорбцией молекул воды, а не растворенных в ней веществ.

5. Физико-химическая (обменная) поглотительная способность –способность почвы поглощать и обменивать ионы, находящиеся на поверхности коллоидных частиц, на эквивалентное количество ионов раствора, взаимодействующего с твердой фазой почвы. Это свойство почвы обусловлено наличием в ней т. н. почвенного поглощающего комплекса, связанного с почвенными коллоидами.

Почвенный поглощающий комплекс (ППК) – это совокупность минеральных, органических и органоминеральных соединений высокой степени дисперсности, нерастворимых в воде и способных поглощать и обменивать поглощенные ионы.

Дисперсные вещества образуют дисперсные системы, в которых различают дисперсную фазу и дисперсионную среду. Частицы дисперсной фазы распределены в дисперсионной среде. Выделяют грубодисперсные системы с частицами дисперсной фазы > 0,2 мкм и коллоидно-дисперсные системы с частицами от 0,2 мкм до 1 нм. Более мелкие дисперсные частицы – это крупные молекулы, образующие молекулярно-дисперсные системы. Т. о., коллоидное состояние характеризуется определенными размерами частиц.

Коллоидно-дисперсные системы представлены различными комбинациями дисперсионной среды и дисперсной фазы:

Почва – гетерогенное полидисперсное образование, для которого коллоидное состояние вещества имеет большое значение. Особенно важны коллоидно-дисперсные системы, дисперсионной средой которых является жидкость (вода), а дисперсной фазой – твердое вещество. Эти системы называются золями или коллоидными растворами.

Поглотительной способностью обладают как коллоидные частицы (0,2 – 0,001 мкм), так и предколлоидная фракция (0,2 – 1 мкм). Диаметр частиц в 1 мкм – это грань, отделяющая механические элементы с резко выраженной поглотительной способностью.

Почвенные коллоиды образуются в процессе выветривания и почвообразования в результате дробления крупных частиц или путем соединения молекулярно раздробленных веществ. В почве хорошо развита поверхность раздела между твердой (дисперсная фаза), жидкой и газообразной (дисперсионная среда) фазами. Между ними постоянно происходят процессы взаимодействия, устанавливается динамическое равновесие.

Характерной особенностью почвенных коллоидов является наличие большой суммарной и удельной поверхности, т. е. поверхности почвенных частиц (в м² или см²), приходящейся на единицу массы или объема почвы. Чрезвычайно мелкие размеры и соответственно большая удельная поверхность коллоидных частиц обусловливают их особые свойства. Удельная поверхность – один из параметров, определяющих химическую активность почв, т. к. с увеличением дисперсности частиц их химическая активность возрастает.

Явление притяжения под влиянием остаточных сил ионов, наход-ся на поверхности твердого тела, называется адсорбцией.

Основной механизм физико-химической (обменной) поглотительной способности почв – сорбция. Неспецифическая (обменная) сорбция катионов – способность катионов диффузного слоя почвенных коллоидов обмениваться на эквивалентное количество катионов соприкасающегося с ним раствора. Обменные катионы составляют небольшую часть от их общего содержания в почве. В обменном состоянии в почвах обычно находятся Са²⁺, Mg²⁺, K⁺, NH₄⁺, Na⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Fе³⁺ H⁺, A1³⁺. В незначительных количествах могут встречаться другие катионы (Li⁺, Sr²⁺ и т. д.).

Основные закономерности обменной сорбции катионов:

Ø эквивалентность обмена между поглощенными катионами почвы и катионами взаимодействующего раствора;

Ø в ряду разновалентных ионов энергия поглощения (относительное количество поглощённых катионов при одинаковой их концентрации в растворе) возрастает с увеличением валентности иона:

Li⁺ < Na⁺ < K⁺<< NH₄⁺< Cs+ < Mg²⁺ < Ca²⁺ < A1³+ < Fe³⁺;

Ø Е_погл определяется радиусом негидратированного иона: чем меньше радиус, тем слабее связывается ион (из-за большей плотности заряда ® большая гидратированность иона). Гидратные оболочки изменяют свойства ионов: уменьшают их чувствительность к электростатическому притяжению, изменяют соотнош. между размерами ионов;

Ø внутри рядов ионов одной валентности Е_погл возрастает с увеличением атомной массы (атомного номера).

Кислотно-основная характеристика почвы Реакция почвы обусловлена наличием и соотношением в почвенном растворе водородных (Н⁺) и гидроксильных (ОН^-) ионов и характеризуется рН – отрицательным логарифмом активности водородных ионов в растворе. Почвы могут иметь нейтральную (рН = 7), кислую (рН < 7) или щелочную (рН > 7) реакцию.

Реакция почвы зависит от совокупного действия ряда факторов: химического и минералогического состава минеральной части почвы, наличия свободных солей, содержания и качества органического вещества, состава почвенного воздуха, влажности почвы, жизнедеятельности организмов.

* Важнейшим регулятором реакции почвы являются находящиеся в ней соли. Нейтральные, кислые, щелочные соли, переходя из твердой фазы в раствор при увлажнении и обратно при иссушении, оказывают соответствующее влияние на характер реакции почвенного раствора, что сказывается и на плодородии почв.

* Одной из наиболее распространенных в почве минеральных кислот является угольная кислота. В зависимости от термодинамических условий и биологической активности она может поддерживать рН почвы в пределах 3,9 – 5,7. Режим углекислоты в почвах тесно связан с суточно-сезонными ритмами погоды и активностью микроорганизмов.

Различают актуальную (активную) и потенциальную кислотность почв в зависимости от того, при каком взаимодействии она проявляется и измеряется.

Актуальная кислотностьпочвы обусловлена наличием Н⁺ (протонов) в почвенном растворе, активность которых зависит от свойств (ионной силы) раствора, влияющих на коэффициент активности иона. Актуальная кислотность почвы измеряется при взаимодействии почвы с дистиллированной водой (водный рН, рНн₂о) при разбавлении 1 : 2,5 либо в пасте. Иногда рН почвы измеряют непосредственно в почве при естественной влажности, но для этого она должна быть достаточно увлажненной и гомогенной для обеспечения надежного контакта с измерительным электродом. Можно измерять актуальную кислотность почвы и колориметрически или путем титрования.

Потенциальная кислотность – способность почвы при взаимодействии с растворами солей проявлять себя как слабая кислота. Потенциальная кислотность определяется свойствами твердой фазы почвы, обусловливающей появление дополнительного количества Н⁺ в растворе при взаимодействиях с удобрениями или химикатами.

Кислая реакция солевых вытяжек из почв объясняется появлением в растворе ионов водорода (гидроксония Н₃О⁺) в результате вытеснения из ППК, а также взаимодействия с водой молекулярных кислот и гидратированных катионов. Гидратированные катионы при этом можно рассматривать как кислоты (Бренстед – Лоури). Наиболее сильные кислотные свойства в воде проявляют двух- и особенно трехзарядные катионы металлов: Аl(Н₂O)₆³⁺ +Н₂O « Аl(Н₂О)₅ОН²⁺ + Н₃О⁺.

В зависимости от характера взаимодействующего с почвой раствора различают две формы потенциальной кислотности почв – обменную и гидролитическую, характеризующиеся как последовательные этапы выделения в раствор дополнительных количеств протонов из твердой фазы.

Обменная кислотность обнаруживается при взаимодействии с почвой растворов нейтральных солей.

Гидролитическая кислотность обнаруживается при воздействии на почву раствора гидролитически щелочной соли сильного основания и слабой кислоты, при котором происходит более полное вытеснение поглощенных Н⁺ и других кислотных ионов.

Основным методом повышения продуктивности кислых почв, снижения их кислотности служит известкование.

Щелочная реакция почвенных растворов и водных вытяжек может быть обусловлена различными по составу соединениями: карбонатами и гидрокарбонатами щелочных и щелочно-земельных элементов, силикатами, алюминатами, гуматами Na. Общая щелочность почв всегда является комплексной, отличается большим разнообразием химических соединений и протекающих в почве химических реакций. Различают актуальную (активную) и потенциальную щелочность почвы.

Актуальная щёлочностьобусловлена наличием в почвенном растворе гидролитически щелочных солей, при диссоциации которых образуется в значительных количествах ОН^-. При характеристике актуальной щелочности природных вод и почвенных растворов различают общую щёлочность, щёлочность от нормальных карбонатов и щёлочность от гидрокарбонатов. Эти виды щёлочности различаются по граничным значениям рН. Щёлочность почвы определяется путем титрования водной вытяжки или почвенного раствора кислотой в присутствии различных индикаторов и выражается в миллиграм-эквивалентах/100 г почвы.

Кроме общего содержания гидролитически щелочных солей, на общую щёлочность влияют и анионы – основания. Щёлочность от нормальных карбонатов является результатом обменных реакций почв, содержащих поглощенный Na⁺. Она появляется также в результате жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий, восстанавливающих в анаэробных условиях и в присутствии органического вещества сернокислые соли Na⁺ с образованием соды. На щёлочность влияет и наличие анионов-оснований: S^2-, PO₄^3-, HSiO₃^-, SiO₃^2-, Н₂ВО₃^-, гидроксокомплексов некоторых металлов, например Аl(Н₂О)₂(ОН)₄: А1 (Н₂О)₂(ОН)₄^- + Н₂О « А1 (Н₂О)₃(ОН)₃^- + ОН^-.

Потенциальная щёлочность проявляется у почв, содержащих поглощён-ный Na+. При взаимодействии почвы с углекислотой поглощенный Na⁺ в ППК замещается Н⁺ и появляется сода, которая подщелачивает раствор:

[ППК^2-] 2Na⁺ + Н₂СО₃ « [ППК^2-] 2Н⁺ + Na₂CO₃.

Сильнощелочная реакция неблагоприятна для большинства растений. Высокая щёлочность обусловливает низкое плодородие многих почв, неблагоприятные физические и химические их свойства. При рН ~ 9 - 10 почвы отличаются большой вязкостью, липкостью, водо-непроницаемостью во влажном состоянии; значительной твердостью, цементированностью и бесструктурностью в сух