К СОСТАВЛЕНИЮ ОБОБЩЕННОЙ МОДЕЛИ СОСТОЯНИЯ ОБМЕННЫХ ИОНОВ

К СОСТАВЛЕНИЮ ОБОБЩЕННОЙ МОДЕЛИ СОСТОЯНИЯ ОБМЕННЫХ ИОНОВ
(НА МАТЕРИАЛАХ ПО УРАЛЬСКОМУ РЕГИОНУ)

А.В.Накаряков, Пермский университет

// Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации. М.: Изд-во МГУ. 2003. С. 232-235.

В исследованиях автора за 1970-2003 гг получено много аналитического материала по характеристике ионообменных свойств почв Урала. Более четырех тысяч проб проанализировано по общепринятым методикам. Часть в расширенном варианте: 1) более 2000 проб полного анализа вытяжки «по Каппену» с определением не только «S», но и Ca,Mg,K,Na, (тесно коррелируют с вытяжкой в ацетате NH₄), Fe,Al,NH_4,Р; 2) несколько сотен проб с кипячением в 1,0 серной кислоте; 3) более тысячи проб после мокрого сжигания «по Гинзбург». Т.е. после определения «стандартных» показателей (S, фиксированного К, гидролизуемого азота, валового фосфора) мы не выбрасывали остальное, а делали полный анализ. В результате накопился ряд обобщений, которые автору представляются интересными в общетеоретическом отношении.

1. Состояние вопроса (констатирующая часть).

Концепция ионообменных свойств почвы - одна из важнейших в почвоведении. Она широко используется в теоретических работах и активно применяется в практике (химическая мелиорация почв, оценка запасов минеральной пищи и др.).

Теоретически к обменным ионам относятся те, которые соответствуют физико-химической поглотительной способности почвы, т.е. диссоциируют с поверхности коллоидов, при этом «парный противозаряд» остается на поверхности мицелл.

Практическое значение в том, что часть обменных ионов, особенно кальций и магний не только являются макроэлементами питания, но и определяют способность почвы выступать партнером в обмене веществ с живой материей (в существенной мере это есть обмен между мембраной корневых волосков и мицеллой), т.е. поддерживают «работоспособность» почвы. Калий и аммоний изучаются не только как обменные ионы, но и как распределенные по резервам элементы минерального питания растений, опубликовано много материалов с характеристикой всего спектра подвижности – воднорастворимые, обменные, фиксированные, валовые формы.

Анионообменным свойствам почвы уделяется меньше внимания, чем катионообменным. Абсолютно катионов в десятки раз больше, чем обменных анионов, но обменные анионы есть всегда. Полная нейтрализация положительных анионообменных позиций невозможна в силу пространственной обособленности их в коллоидах. Распределение фосфатов и серы, по подвижности важно для минерального питания, нитратов и хлора для экологии, а карбонатно-гидрокарбонатный комплекс важен в формировании реакции среды.

В целом в России, видимо, наибольшее число характеристик ППК, получено в анализах «по Каппену», ГК и вычислением V от суммы ГК и S, - в десятки раз больше, чем всех остальных цифр, вместе взятых

2. Дискуссионные обстоятельства.

Коллоиды, как носитель обменных ионов, в почве представлены очень разными субстратами, которые подразделяются на три группы, органические, минеральные и органо-минеральные комплексы. Каждая из этих групп очень гетерогенна. В анализах получаются усредненные цифровые характеристики.

Фактически все применяемые методики дают характеристики не «чисто» обменных ионов, а некоторые усредненные суммы. Один факт, что в высушенных образцах обменных ионов на 10-40% больше, чем в образцах полевой влажности, показывает условность оценок и большой дапазон варьирования. С катионами натрием и водородом связано формирование в почве противоположных свойств щелочности и кислотности. Дело, видимо, в общем свойстве гидрофильности кислых и щелочных почв. Во всех методиках применяется столько воды, сколько в нативной почве не бывает. Даже определение в пасте SAR и других сорбционных характеристик проводится при таком количестве воды, при котором мезофиты не растут ни в природе ни в культуре.

Агрохимслужба отбирает образцы только из пахотного горизонта. Специалисты «Уралгипрозема» часть образцов берут из полных разрезов, но доля их из горизонтов глубже пахотного составляет не более 10% от общего числа, а по пашне – менее 5%.

Показательна ситуация в колхозе «Ленинский путь» Верещагинского района Пермской области. По данным анализа 21 разреза на пашне, если судить по Апах, то ситуация вполне благополучна. Только в 9% случаев рНс менее 4,5 и в 4% рНс в диапазоне 4,5-5,0. Следовательно, в известковании нуждаются всего 13%, в том числе 9% - срочно. Если же почвы оценивать по показателям всего продукционного горизонта (0-75 см), то ситуация в этом передовом хозяйстве – суперкритическая. Величина рНс менее 4,5 фиксируется в 78% разрезов, в том числе почти в половине разрезов рНс менее 4,0. На таких почвах инвестиции не имеют шансов на успешность. Цифры также доказательно иллюстрируют, что снижение кислотности в пахотном горизонте известкованных почв сопровождается резким ростом всех форм кислотности в подпахотных горизонтах, т. е. кислотность не нейтрализуется, а выталкивается вглубь. Несомненно, что в этом одна из важных причин быстрого восстановления кислотности на известкованных почвах.

Есть неясности в методиках: а) К.К.Гедройц применял оксалатный контроль полноты отмывки по кальцию. Комплекснонометрический контроль показывает наличие кальция, когда оксалатная проба его уже не обнаруживает; б) время контрольной пробы. Если по достижении полной отмывки по Са сделать перерыв, а потом продолжить, то Са снова появляется в фильтрате; в) если после отмывки солью или кислотой отмывать водой, то катионы снова появляются в растворе, более других – натрий.

3. Возможный вариант графической модели общего состояния обменных ионов почвы. Такая модель полезна для объяснения эластичности, диффузности почвенно-химических показателей, иллюстрирует общую связь почвенно-химической активности элементов.

Состояние обменных ионов почвы описывается кривой, гибридной между параболой и гиперболой. По вертикали откладывается количество ионов, а по горизонтали активность их диссоциации. При этом водорастворимые ионы находятся в крайнем правом положении. Параболичность определяется общим действием закона Кулона. Гиперболичность кривой придает то, что коллоиды почвы полисубстратны и пространственно организованы в агрегаты, геометрическое положение мицелл в агрегатах и нарушает «чистоту» параболы. Самая левая часть, «область валового содержания элементов» изображена условно и отражает, не ионообменную активность, а «выветриваемость». Вещества, не переходящие в раствор при сжигании «по Гинзбург» можно считать почвенно-инертными.

Библ.: Накаряков А.В. // Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации. М., МГУ, 2003. С. 232 - 235. nakaryakov@psu.ru; nakaryakov@mail.ru