К ХАРАКТЕРИСТИКЕ ФОРМ КИСЛОТНОСТИ ПОЧВ ПЕРМСКОЙ ОБЛАСТИ И ИХ ЭВОЛЮЦИЯ ПОСЛЕ ИЗВЕСТКОВАНИЯ

А.В.Накаряков, В.М.Фуфачева  // Вестн. Перм. ун-та. 2001. Вып. 4. Биология. С. 55-62.

 

В статье изложены взгляды авторов по результатам более чем 30-летних исследований почвенной кислотности Уральского региона. Предложен вариант иллюстративного пояснения картины соотношения форм кислотности почв и их изменения при известковании и после известкования. Предложены рекомендации по известкованию почв личных огородов.

 

Банк исходных данных для настоящей статьи формировался с 1971 г. Он содержит данные анализа 4 тысяч образцов агрокомитета (гипрозем, агрохимслужба) и примерно столько же образцов, проанализированных в ходе исследований по рекультивации земель (отработанных россыпей и выработанных торфяников), исследованию земель заказников (Троицкий и Предуралье) и заповедника «Басеги», окрестностей Перми в ходе практик по почвоведению и выполнения заказа облгипрозема.

Литературные материалы.

 

Методики использованы как общепринятые, так и специальные.

 

Возможности методик. По объяснению разных аспектов проблемы кислотности

 

Теоретические предпосылки определяются значимостью и возможностью методик в характеристике разных аспектов кислотности

 

Кислотность остается главным ограничивающим фактором в аграрном секторе Пермской области и России (Гуренев,1987, Мониторинг…,1993). Программы известкования, осущствлявшиеся до начала 90-х годов, не обеспечили радикального решения проблемы. Известкование велось недостаточно масштабно, даже не обеспечивало нейтрализации возрастания кислотогенеза за счет роста сжигиния энергоносителей. В колыбели исзвесткования Англии считается, что только для поддержания удовлетровтельного кальциевого режима почвы необходимо вносить 2,5 т/га извести каждые 4 года (Г.Гарднер,Г.Гарнер, 1954).

С началом реформ государственные работы по известкованию почв в Пермской области свернуты, не проводятся. В сохранившихся хозяйствах, даже наиболее крепких, собственных средств на известкование нет. Тем более нет их у частных земледельцев.

Проблема кислотности почв важна и для мелких участков личных хозяйств. С начала 90-х годов существенно возросла доля производства продовольствия в частном секторе, особенно картофеля и овощей на личных огородах. Почвы личных огородов не изучены, традиция их исследования, обычная в мире, у нас еще не сформировалась. Обследование не входило ни в планы Гипрозема, ни в планы агрохимслужбы, поэтому современные научные данные о свойствах почв, дающих основную часть картофеля, овощей, ягод и фруктов, практически отсутствуют. Такая ситуация тем более нерациональна, что картофель, овощи, ягоды и фрукты представляют собой продукты “прямого потребления”. У них в пищу идут вегетативные части, концентрирующие вредные вещества из почвы. Вода испаряется постоянно, а вещества остаются в растениях. Опасность токсического воздействия неблагоприятных свойств почвы на потребителя в этом случае существенно больше, чем, например, для зерновых. Семена защищены от  проникновения биологически вркедных веществ, например, тяжелых металлов и алюминия (Ильин, 1991).

Сложность проблемы с оптимиззацией свойств кислых почв в существенной мере определяется сложностью самой кислотности почв, как биогеохимического явления. Явление почвенной кислотности сложнее и шире химического понятия кислотности.

Авторами кислотность почв Уральского региона изучалась в течение более чем 30 лет. Выполнялись заказы областных аграрных подразделений, производственных предприятий по рекультивации земель, для заповедника «Басеги», заказников «Троицкий» и «Предуралье». Всего изучено около 4 тысяч образцов почв по заказам аграрных предприятий и примерностолько же в исследованиях по рекультивации земель и охраняемым территориям. Методики изучения почвенной кислотности использовались как стандартные, общепринятые во Всесоюзных исследованиях (рНс, ГК, ОК, S по Каппену), так и уточняющие, более подробные методики, больше используемые в академических исследованиях (ГК с ацетатом кальция и с многократной экстракцией ацетатом натрия, ОК с хлористым барием по Гедройцу, полный анализ состава ППК).

Массовые традиционные методики во многом устарели, но дело в том, что основной массив информации накоплен на них и не может быть обновлен. Переход в массовом масштабе на новые методики оправдан только тогда, когда информационный выигрыш и экономическая выгода перевешивают потери от неполной сопоставимости «новых» цифр со «старыми».

При общем восприятии проблемы почвенной кислотности важно иметь в виду, что все характеристики почвы влияют на кислотность, одни прямо (содержание водорода и алюминия в солевых вытяжках), а другие через противоположность (содержание кальция и магния в солевых вытяжках). И водород, вызывающий кислотность и натрий, вызывающий щелочность – катионы. Но обменный водород проявляет себя как ацидоген лишь в паре с сильными анионами (хлором); натрий с хлором образует нейтральную соль, а щелочность генерирует лишь в паре со слабыми анионами (в почве с карбонатом и бикарбонатом). Общим в отмеченном является то, что во всех случаях система (почва + влага) в целом остается электронейтральной. Состояние кислотности или щелочности определяется распределением активностей анионов и катионов в гетерогенной системе между твердой и жидкой фазами почвы.

Все применяемые методики оценки кислотных свойств почвы искажают ситуацию по сравнению с природной. В природе в почве никогда не бывает столько влаги, как в применяемых вытяжках (но за сезон в пахотный горизонт поступает воды в несколько раз больше массы этого горизонта). Переход на анализ в состоянии пасты не снимает проблемы несоответствия полностью, потому что возрастют ошибки не границе объекта с датчиком измеряющего прибором.

Общая важная черта почвенной кислотности – высокая динамичность и контрастная пространственная неоднородность в объеме почвы. Результаты специальных исследовавний в микропробах показывают, что на расстоянии в несколько см рН может меняться на 2-3 единицы, т.е. кислотность меняется в 100-1000 раз (Федоровский, 1986). Подобное зафиксировано и в исследованиях авторов.

Пахотный слой почвы профильтровывает дождевой воды столько близкой к нейтральной по раекции, что кислотность должна бы “развестись” и вымыться, а она накапливается в почвенных коллоидах. После каждого цикла осадков ритмически происходят очень существенные пространственные изменения концентрации ионов в жидкой фазе и на поверхности.

При характеристике форм (фракций) почвенной кислотности логично отметить то, что до сих пор отсутствует иллюстративное оформление их распределения и соотношения, позволяющее наглядно показать природу сложности, неоднородности и динамичности фракций кислотности в почве. Столбиковые и кружковые диаграммы и схемы, до сих пор приводимые в учебниках, дают лишь грубое статичное представление об этих сторонах проблемы. Для сведения противоречивых оценок в систему требуется привести краткую современную трактовку форм почвенной кислотности.

Под актуальной кислотностью (Н_а; АК) понимается активность ионов водорода в природной (нативной) почвенной влаге или в суспензиях (преобладает в России и в Европе) и пастах (в США), приготовляемых в лабораторных условиях с водой. При этом базой высокой активности ионов водорода в водной фазе выступает комплекс слабых анионов (углекслота, органические и минеральные анионы, гидролитически кислые соли и комплексные анионы и некотороя небольшая часть мицелл почвенных коллоидов). В виду малых величин эта форма кислотности численно характеризуется практически только логарифмическими показателями (рН водной вытяжки, суспензии, или пасты). Актуальная кислотность очень динамична, быстро меняется пропорционально общему количеству влаги в почве. По весне и после дождей эта кислотность появляется также в нейтральных и слабощелочных почвах степи и лесостепи. Это обстоятельство выступает базой формирования кислых почв степи – солодей. Сильно кислые солоди формируются не не нейтральных черноземах, а при осолодении щелочных солонцов.

Обменная кислотность (применяются абреватуры Но; ОК; ОКв; ОКал) проявляется лишь в искусственных экспериментальных условиях, при взаимодействии почвы с раствором средней соли. В России стандартизован хлористый калий 1,0–нормальной концентрации с соотношением почва : раствор как 1 : 2,5. Этим достигается вытеснение части ацидогенных ионов с коллоидов в раствор, но в небольшой доле. В Германии стандартизован 0,1-нормальный хлорид калия, а в США отдают предпочтение 0,1-нормальному раствору нитрата калия. К.К.Гедройц характеризовал обменную кислотность с хлоридом бария. Сильный анион определяет быстрое достижение химического равновесия в системе раствор - почва, так как сильные минеральные кислоты в малых концентрациях диссоциируют практически на 100%.

Обменная кислотность больше актуальной и численно характеризуется двояко, как логарифмически, через рН солевой суспензии или пасты, так и химически, в виде количества эквивалентов на единицу массы почвы. Фактически эквивалентная характеристика означет число штук “кислых” валентностей на стандартную массу почвы. Математической основой этого выступает число Авогадро, через него химия связывается с математикой и упрощается объяснение, восприятие смысла эквивалентности.

Гидролитическая кислотность (Нг; ГК) также определяется экспериментально, в реакции почвы с раствором соли слабого аниона. В России стандартизован 1,0-нормальный ацетат натрия с рН ≈ 8,2 при соотношении почва : раствор, равном 1 : 2,5. Для гомогенизации применяется часовое взбалтывание с фильтрованием или отстаиванием, либо пятиминутное взбалтывание с последующим суточным настаиванием для достижения равновесия и полноты реакции. Гидролитической кислотность названа потому, что определяется в реакциях с гидролитически щелочной солью. Это не совсем точно определяет суть явления. В анализах с гидролитически нейтральным ацетатом кальция величина ГК получается больше, чем с ацетатом натрия. Это превышение существенно в минеральных почвах и достигает половины в торфяных органогенных почвах, для которых в России ацетат кальция ГОСТирован. Дело, таким образом не в слабощелочной реакции соли-реактива, а в слабости используемого аниона. Ацетат с вытесненным водородом дает уксусную кислоту, которая в условиях анализа практически не диссоциирует и этим достигается более полное вытеснение ацидогенных ионов из коллоидов почвы, обратная реакция не идет.

Причина возрастания ГК в ацетате кальция по сравнению с ацетатом натрия, как это можно заключить из наблюдей в сотнях анализов, в том, что при реакции ионов кальция с почвой меньше объем суспензии, чем в случае применения ацетата натрия. Кальций как более сильный каогулятор, “отжимет “ уксусную кислоту, которая в случает реакции с ацетатом натрия остется в разбухшей почвенной массе. Разбухшие почвенные коллоиды обладают высоким физическим поглощением.

По материалам исследований и наблюдений авторами предложена иллюстративная схема структуры почвенной кислотности (Рис.1). Основу ее естественным образом составляет  энергия удержания ионов коллоидами почвы, она отображается по вертикали. По закону Кулона с удалением от поверхности коллоидных мицелл сила притяжения уменьшается пропорционально квадрату расстояния, т.е. по гиперболе. Сложность состоит в условности понятия “поверхность почвенных коллоидов”. Почвенные коллоиды – самые сложные коллоиды природы. Они сложнее коллоидных систем живых организмов, потому что включают их в качестве части (микрорганизмы, корневые волоски растений и т.д.). Поверхность почвенных коллоидов динамична, меняется в циклах увлажнения – высыхания. Очень разнообразен состав абиогенной части почвенных коллоидов. Этот состав неоднородно распределен в пространстве почвенных агрегатов. Перечисленные факторы определяют то, что в среднем для всей почвы картина описывается гибридными кривыми, между параболой и гиперболой.

При изложенном подходе ацидогенный комплекс ионов актуальной кислотности (Н_а) занимает крайнее правое положение на графике (А). Аналогично обменная кислотность (Н_о) располагается в центре, а гидролитическая (Н_г) на левом фланге. Резкой границы между формами кислотности нет, они отделяются промежуточными буферными зонами (на схеме – серые прямоугольники). При удалении, (например известкованием или промывкой нейтральной водой) актуальной или части обменной кислотности нарушается ионное равновесие и по закону действия масс часть ацидогенных ионов перемещается на более низкий энергетический уровень, т.е. смещается вправо.

Предложенная схема достаточно удачно поясняет весь комплект из более, чем десятка тысяч цифр, характеризующих почвенную кислотность. Существенный интерес составляет и возможность пояснения эволюции почвенной кислотности после известкования. В этом обстоятельстве наиболее важными представляются два момента: почему полевые результаты нейтрализации кислотности обычно в два и более раза ниже расчетных (в Англии минимальный повышающий полевой коэффициэнт равен двум, Гарднер, Гарнер, 1954) и почему кислотность известкованных почв быстро восстанавливливается. Представляется возможным сформулировать объяснение по этому поводу.

 

 

Нг

Но

На

Нг

Но

На

Нг

Но

На

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Распределение почвенной кислотности по формам (фракциям): до известкования (А), вскоре после известкования (Б) и после установления нового равновесия (В).

          Серые прямоугольники – пограничные зоны между формами почвенной кислотности. Центральная утолщенная кривая соответствует средним значениями, а верхняя и нижняя характеризуют варьирование.

 

В позиции «Б», после известкования, требует пояснения сохранение левой части кислотности, актуальной и обменной, которые должны бы нейтрализоваться полностью. Их часть сохряняется из-за невозможности равномерного перемешивания почвы и извести, а также в пространственных локусах внутри структурных агрегатов.

В позиции «В», после стабилизации новой системы равновесий ионов в почвенной среде, стабилизируются, перестают быстро изменяться, и формы почвенной кислотности. В этом отношении имеют значение два обстоятельства. С одной стороны нейтрализуется часть обменной и актуальной кислотности, сохранявшаяся неизменной на момент внесения извести не в соответствии с законами «действия масс» и химического равновесия, а в связи с пространственной изоляцией сгустков порошка извести. Гомогенное перемешивание порошка извести с комками (структурными агрегатами) почвы в принципе невозможно. С другой стороны, восстанавливается часть активной кислотности, нейтрализованная относительно избыточными сгустками извести в местах их концентрации.

 

Библиографический список

 

Гарднер Г., Гарнер Г. Известкование почв в Англии (пер. с англ.). М. Изд-во ИЛ, 1954. 227 с.

Гуренев М.Н. Проблемы плодородия и окультуренности почв Предуралья//Рациональное использование и охрана почв Нечерноземья. Пермь, 1987. С. 5-12.

Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва – растение. Новосибирск. Наука. 1991. 149 с.

Научные основы мониторинга земель Российской Федерации. М. Агропромиздат, 1993. 194 с.

Основные направления охраны окружающей среды и рационального природопользования в Пермской области на 1991-1995 гг. и перспективу до 2005 г. Пермь, 1990. 114 с.

Петухов М.П., Прокошев В.Н. Применение удобрений в Предуралье. Пермь, 1964, 362 с.