тивном горизонте. В этих же горизонтах и наиболее контрастны температурные условия и режим увлажнения. В соответствии с этим химический состав почвенных растворов верхних горизон тов наиболее динамичен.
Исследования, выполненные Т.Л.Быстрицкой и сотр. (1981) на обыкновенных черноземах, показали, что сезонная динамика общей концентрации почвенных растворов черноземов не имеет четко выраженных закономерностей; максимумы концентрации могут наблюдаться в разные моменты вегетационного периода. Было отмечено, что причины повышения концентрации почвен ного раствора могут быть принципиально разными. Наиболее очевидной причиной является испарительное концентрирование, наблюдаемое в наиболее жаркие и сухие периоды года. Однако концентрация почвенных растворов может повышаться и в ве- сенне-раннелетний период, когда происходит бурный прирост фитомассы степной растительности, в раствор поступают обиль ные корневые выделения и разнообразные продукты разложения органического опада. Общая концентрация почвенного раствора в этот период может возрастать до 2 г/л.
Сопряженное изучение состава и динамики почвенных раство ров с динамикой процессов прироста фитомассы и разложения опада в степях и широколиственных лесах показало, что реша ющее влияние на состав почвенных растворов теплого периода года оказывает биологический фактор. Физико-химические про цессы испарительного концентрирования или разбавления играют в это время второстепенную роль
Своеобразна динамика солей в почвенных растворах засолен ных почв (В. А. Ковда, 1946) В весенний период по мере повы шения температуры воздуха и почвы начинается постепенное испарение почвенной влаги Соответственно повышается концен трация всех растворенных в почве солей. Этот процесс достигает своего максимального выражения с наступлением летней жары и сильного иссушения почвы В этот период концентрация легко растворимых солей MgCl2, Na2SO4, MgSO4 гидрокарбонатов и сульфатов кальция близка к точке насыщения ими раствора. Концентрация почвенных растворов солончаков может достигать в этот период 350—400 г/л. Эта фаза сезонного цикла солевого режима может быть названа фазой соленакопления.
В период осенне-зимних дождей атмосферные осадки разбав ляют почвенный раствор и растворяют часть солей, выпавших летом из раствора в твердую фазу почвы, — наступает фаза раз бавления почвенных растворов. Когда под влиянием атмосфер ных осадков влажность почвы начинает превышать наименьшую влагоемкость, почвенный раствор перемещается вниз. При этом он сильно разбавляется в верхних горизонтах почвы, а нижние горизонты почвы и верхние слои грунтовых вод приобретают повышенную минерализацию. Эту третью фазу солевого режима можно назвать фазой выщелачивания и опреснения почвенного профиля.
160
Изменения концентрации почвенного раствора засоленных почв в годовом цикле могут быть иллюстрированы следующими показателями (данные П. И. Шаврыгина, 1948): в гор. 0—5 см среднезасоленного светлого серозема концентрация от зимы к лету возрастает от 7 до 150 г/л, в пухлом солончаке — от 16 до 410 г/л соответственно. В условиях орошения солевой режим почвенных растворов осложняется, хотя общий ход годового режима сохраняется. Каждый полив в слабой степени создает условия для наступления фазы выщелачивания и опреснения. По окончании полива вследствие интенсивного испарения поч- венно-грунтовых вод начинается процесс повышения концентра ции солей в почвенном растворе.
Использование новых методов исследования почвенных раст воров с помощью ионоселективных электродов позволило в по следние годы получить данные о суточной динамике ряда ионов в почвенных растворах. Исследования на черноземах показали, что особенно резкому колебанию подвержена активность ионов кальция (Т Л. Быстрицкая и др., 1981). Максимум концентрации ионов кальция приходится на дневные часы, минимум — на ночные. Это связано с более активным выделением днем угле кислоты почвенной биотой, смещением гидрокарбонатно-кальцие- вого равновесия в сторону растворения кальция и вытеснения его из почвенного поглощающего комплекса (рис. 28). Суточная
Рис. 28. Суточная динамика концентрации ионов Са (по данным ионометрии) и рН почвенного раствора обыкновенного чернозема. Средние значения по дан ным за 3—5 дней наблюдений (Т. Л. Быстрицкая, 1981):
1 — 2—8 апреля 1977; 2 — 9—15 мая 1977; 3 — 23—29 июня 1977; 4 — 26 июля—4 ав густа 1977; 5 — 18—22 ноября 1977; 6 — 18—25 апреля 1978
fr-817 |
161 |
динамика нитрат-иона в поверхностном горизонте целинного черно зема противоположна динамике кальция. Наибольшая концент рация нитратов наблюдается в ночные часы, ранним утром и вечером; днем, в период интенсивной фотосинтетической деятель ности высших растений, она минимальна. Эти два примера пока зывают, насколько вариабелен состав почвенного раствора в суточном цикле и как тесно связан он с функционированием всей экосистемы в целом.
7.4.Роль почвенных растворов
впродукционном процессе
Почвенные растворы служат непосредственным источником питания растений. К. К. Гедройц еще в 1906 г. писал, что даль нейшие успехи агрономии зависят от развития исследований почвенных растворов ввиду той важной роли, которую они игра ют и в почвообразовании, и в жизни растений. Изменение кон центрации и состава растворов ведет к изменению режима вод ного и минерального питания растений, что, естественно, непо средственно отражается на их развитии и продуктивности. Поэтому человек своими разнообразными воздействиями на поч ву в процессе сельскохозяйственного производства по существу всегда стремился и стремится регулировать тем или иным спо собом состав почвенного раствора, сделать его состав оптималь ным для получения наиболее высокой продуктивности агроценозов.
Орошение и осушение почв наряду с созданием благоприят ного водного режима и режима аэрации позволяют в одном слу
чае разбавить слишком концентрированные растворы, в |
дру |
гом — понизить концентрацию оксидных соединений железа |
(II) |
и других элементов, токсичных для растений. Внесение удобрений способствует оптимальному содержанию в почвенных растворах элементов — биофилов. Успех этих мероприятий в значительной мере определяется правильностью и точностью инженерных и агрономических приемов и соответственно функционированием агроценоза в целом.
Для питания растений большую роль играет осмотическое давление почвенного раствора. Если осмотическое давление поч венного раствора равно осмотическому давлению клеточного сока растений или выше его, то поступление воды в растения прекращается. Сосущая сила корней большинства сельскохозяй ственных растений не превышает 100—120 МПа.
Осмотическое давление зависит от концентрации почвенного раствора и степени диссоциации растворенных веществ. В неза селенных почвах осмотическое давление составляет не более 10
МПа; большие дозы удобрений могут |
повысить его до 15— |
20 МПа. Осмотическое давление сильно |
изменяется при измене |
нии влажности почвы, так как концентрация почвенного раство ра при этом сильно варьирует. При уменьшении влажности
162
от НВ до ВЗ (Влага завядания) концентрация раствора изменя ется в 5—6 раз и соответственно возрастает осмотическое давле ние. При повышении осмотического давления почвенного раство ра нарушается нормальное развитие сельскохозйственных культур. У пшеницы, например, наблюдается задержка кущения, но ускоряются колошение, цветение и созревание, уменьшается уро жайность, но увеличивается содержание белка в зерне.
Наиболее высоким осмотическим давлением характеризуются засоленные почвы. В почвенных растворах среднезасоленных почв оно составляет 30—40 МПа, в сильнозасоленных — 50— 60 МПа. При концентрации почвенного раствора 20—50 г/л осмотическое давление может возрастать до 150—260 МПа. На пре дельные значения осмотического давления, при которых влага пере стает поступать в растения, существенное влияние оказывает состав растворов. Так, в песчаных почвах при сульфатном засо лении предельное осмотическое давление, при котором растения начинают ощущать острый дефицит влаги, составляет 150 МПа,
апри хлоридном засолении — 260 МПа (Г. А. Кочеткова,
Н.Г. Минашина, 1983).
Влияние засоления почв на культурные растения хорошо
прослеживается на примере хлопчатника. Исследования в Сред ней Азии показали, что всходы хлопчатника переносят концен трацию почвенного раствора, не превышающую 5—8 г/л. Нормальное развитие хлопчатника в последующие фазы разви тия требует, чтобы общая концентрация солей почвенного раст вора в пахотном горизонте не превышала 10—12 г/л. В. А. Ковда отметил два переломных момента в реакции растений на повыше-
Т а б л и ц а 28. |
Зависимость |
урожая |
хлопчатника |
от |
концентрации солей |
|||||
|
и осмотического давления в почвенном растворе |
|||||||||
|
|
|
|
(С. Н. Рыжов, 1970) |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Почвенные растворы при наименьшей влагоемкости |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Поле |
Участок |
|
Урожай, |
концентрация, г/л |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
осмотическое дав |
|||
|
|
|
ц/га |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сухой |
|
Cl— |
|
SO42— |
|
ление, Па |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
остаток |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
35,5 |
3,53 |
|
0,33 |
|
1,45 |
|
9,5•104 |
|
2 |
|
35,4 |
3,21 |
|
0,29 |
|
1,25 |
|
1,16•105 |
|
3 |
|
31,9 |
5,03 |
|
0,36 |
|
1,91 |
|
1,66•105 |
2 |
1 |
|
22,1 |
8,40 |
|
0,69 |
|
3,76 |
|
3,74•106 |
|
2 |
|
17,5 |
13,50 |
|
1,32 |
|
6,90 |
|
4,76•105 |
|
3 |
|
16,5 |
18,61 |
|
1,45 |
|
11,15 |
|
6,91•105 |
3 |
1 |
|
1,3 |
27,15 |
|
2,42 |
|
9,41 |
|
1,1•106 |
|
2 |
|
0,6 |
30,10 |
|
2,46 |
|
10,35 |
|
9,15•105 |
|
3 |
|
0,0 |
38,90 |
|
4,38 |
|
17,40 |
|
1,2•106 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
163
ние концентрации почвенного раствора. При хлоридно-сульфатном засолении до концентрации 12 г/л почвенные растворы не ток сичны для хлопчатника, при концентрации раствора от 12 до 25 г/л растения испытывают заметное угнетение, а при концен трации более 25 г/л хлопчатник гибнет. В табл. 28 представ лены данные С. Н. Рыжова, показывающие роль концентрации солей в почвенном растворе и значений осмотического давления в снижении урожайности хлопчатника. Крайний предел концен трации почвенного раствора, когда растение хлопчатника уже
гибнет, |
30 г/л |
(в |
этих опытах почвенные |
растворы выделя |
|
лись прессом |
при |
давлении |
1530 МПа и |
влажности, рав |
|
ной НВ). |
|
|
|
|
|
Для |
сельскохозяйственных |
растений весьма неблагоприятны |
|||
также щелочная реакция почвенного раствора и высокое содер жание в нем соды (Na2CО3). Такие условия создаются, в част ности, на засоленных луговых почвах. Почвенный раствор столб
чатого горизонта солонца |
содержит до 2 г/л соды при |
рН |
8,6, |
а раствор подсолонцового |
горизонта имеет 4 г/л соды |
при |
рН |
9,1 —10,0. Эти количества, безусловно, токсичны для сельскохо зяйственных культур. Почвы этого типа нуждаются в химических мелиорациях.
Глава восьмая
ПОЧВЕННЫЙ ВОЗДУХ
Почва — пористая система, в которой практически всегда в том или ином количестве присутствует воздух, состоящий из смеси газов, заполняющих свободное от воды норовое простран ство почвы. Воздушная фаза — важная и наиболее мобильная составная часть почв, изменчивость которой отражает биологи
ческие и |
биохимические ритмы почвообразования. Количество |
и состав |
почвенного воздуха оказывают существенное влияние |
на развитие и функционирование растений и микроорганизмов, на растворимость и миграцию химических соединений в почвен ном профиле, на интенсивность и направленность почвенных процессов. Кроме того, почва является поглотителем, сорбиру ющим токсичные промышленные выбросы газов и очищающим атмосферу от техногенного загрязнения. Поэтому естественно то большое внимание, которое уделяется детальному изучению га зовой фазы почв.
8.1. Формы почвенного воздуха
Газы и летучие органические соединения находятся в почве в нескольких физических состояниях: собственно почвенный воз дух — свободный и защемленный, адсорбированные и растворен ные газы.
Свободный почвенный воздух — это смесь газов и летучих органических соединений, свободно перемещающихся по систе-
164
мам почвенных пор и сообщающихся с воздухом атмосферы. Свободный почвенный воздух обеспечивает аэрацию почв и газо обмен между почвой и атмосферой.
Защемленный почвенный воздух — воздух, находящийся в по рах, со всех сторон изолированных водными пробками. Чем бо лее тонкодисперсна почвенная масса и компактней ее упаковка, тем большее количество защемленного воздуха она может иметь. В суглинистых почвах содержание защемленного воздуха до стигает более 12% от общего объема почвы или более четвертой части всего ее порового пространства. Защемленный воздух не подвижен, практически не участвует в газообмене между почвой и атмосферой, существенно препятствует фильтрации воды в поч ве, может вызывать разрушение почвенной структуры при коле баниях температуры, атмосферного давления, влажности.
Адсорбированный почвенный воздух — газы и летучие орга нические соединения, адсорбированные почвенными частицами на их поверхности. Чем более дисперсна почва, тем больше со держит она адсорбированных газов при данной температуре. Количество сорбированного воздуха зависит от минералогиче ского состава почв, от содержания органического вещества, влажности. Песок поглощает воздуха в 10 раз меньше, чем тяже лый суглинок: соответственно 0,75±0,20 и 6,99±0,08 см3/г. Мелкодисперсный кварц сорбирует СO2 в 100 раз меньше, чем гумус: соответственно 12 и 1264 см3/г. Количество адсорбиро ванных газовых компонентов (Г) можно рассчитать, используя уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра:
(24)
где — предельное значение адсорбции насыщения на единицу поверхности адсорбента, мг; С— равновесная концентра ция газа в системе, мг/л; k — эмпирический коэффициент.
Растворенный воздух — газы, растворенные в почвенной воде. Растворенный воздух ограниченно участвует в аэрации почвы, так как диффузия газов в водной среде затруднена. Однако растворенные газы играют большую роль в обеспечении физио логических потребностей растений, микроорганизмов, почвенной фауны, а также в физико-химических процессах, протекающих в почвах. Количество растворенных газов подчиняется закону фазового равновесия Генри:
C=λp/10.2, |
(25) |
где С—массовая концентрация газа, растворенного |
в воде, |
мг/л; р — парциальное давление газа в почвенном |
воздухе, |
МПа; 10,2 — нормальное атмосферное давление, МПа; λ — коэф фициент растворимости газа в воде, мг/л.
Все четыре почвенные фазы — твердая, жидкая, газообраз ная и живая — тесно связаны между собой и находятся в слож-
165