Почвенный раствор и почвенный воздух. Лекция 9

Почвенный раствор – это жидкая фаза почвы.
Почвенный раствор – включает в себя:
растворенные соли,
органно-минеральные соединения,
органические соединения,
растворенные газы,
коллоидные золи.
В. И. Вернадский считал, что почвенный раствор одна из важнейших категорий природных вод.
Почвенный раствор

Осадки,
грунтовые воды.
Атмосферная и грунтовая вода, попадая, в почву изменяет свой состав при взаимодействии с твердой и газообразной фазами почвы. Почвенный раствор включает в себя рыхлосвязанную и капиллярную воду.
Физически прочносвязанная вода (МГ) представляет так называемый нерастворяющий объем воды, и почвенным раствором не является.
Условно не является почвенным раствором и гравитационная вода, которая быстро просачивается через почвенную толщу. А условно потому, что уже осадки имеют растворенные вещества и представляют собой не чистую воду, а раствор.
Источники почвенного раствора:

Состав почвенного раствора зависит:
от количества и качества атмосферных осадков,
от состава твердой фазы почвы,
от количества и качества органического вещества,
от жизнедеятельности мезофауны и микроорганизмов,
находится под влиянием корней высших растений.
Состав почвенного раствора.

Минеральные, органические и органно- минеральные вещества имеют форму:
- истинных растворенных соединений,
- коллоидно – растворенных соединений.
Коллоидно- растворимые вещества представлены:
золями кремнекислоты, полуторооксидов железа и алюминия,
органическими и органно – минеральными соединениями.
По данным К. К. Гедройца коллоиды составляют 1/ 10 – 1/4 от общего количества веществ , находящихся в почвенном растворе.
К важнейшим ионам в почвенном растворе относятся:
- катионы –Ca, +2 Mg +2, Na +, K +, NH4 +, H +, Al +3, Fe +3, Fe +2,
-анионы – НСО3- СО3,-2, NО3-, NО2- Сl - SО4-2 Н2РО4-
- микроэлементы – Сu, Ni, Cl,

Наличие в почвенном растворе свободных кислот и оснований, а также солей определяет одно из основных для жизнедеятельности растений свойств – реакцию (актуальную) почвенного раствора. Обозначается индексом рН и изменяется в пределах от 2,5 до 9,0 , иногда и выше.
Концентрация почвенных растворов невелика и составляет 10 – 100 мг\л (литр) и только в засоленных почвах она может достигать несколько граммов на литр раствора. Наиболее низкая концентрация в почвах таежной зоны (подзолистые, болотные), в почвах влажных субтропиков (красноземы, желтоземы).
В почвах степей и полупустынь (черноземы, каштановые, сероземы), концентрация в почвенном растворе довольно высокая, как правило, выше 1 – 3 г\л.

температуры воздуха,
влажности почвы,
интенсивности химических процессов,
интенсивности биологических процессов.
Все эти факторы приводят к изменениям концентрации почвенного раствора в течение вегетационного периода и в течение суток. Для большинства почв отмечено увеличения концентрации раствора от весны к лету, что связано главным образом с уменьшением влажности за счет возрастания транспирации и испарения.
Резкое возрастание концентрации почвенного раствора в весенне-летний период наблюдается в засоленных почвах, что связано с резким уменьшением влажности почвы. Если осмотическое давление 350 – 400 г\л. Эту фазу называют фазой соленакопления.
Со второй половины лета, особенно с осени начинает возрастать количество осадков, что приводит к разбавлению солей в почвенном растворе и их концентрация уменьшается – эта фаза выщелачивания и опреснения.
почвенный раствор зависит от:

Почвенный раствор - источник питания растений.
К. К. Гедройц в 1906 году писал: «Дальнейшие успехи агрономии зависит от развития исследований почвенных растворов ввиду той важной роли, которую они играют и в почвообразовании, и в жизни растений»
Роль почвенных растворов.

Изменение концентрации почвенного раствора ведет к изменению режима питания растений, что выражается на их продуктивности.
Орошение позволяет разбавлять концентрацию раствора в почвах, осушение почв таежной зоны наоборот приводит к увеличению концентрации раствора.

Для питания растений большую роль играет осмотическое давление почвенного раствора.
Если осмотическое давление раствора равно или выше давления клеточного сока растений, то поступление воды в растение прекращается.
Осмотическое давление зависит от концентрации почвенного раствора.
В незасоленных почвах осмотическое давление низкое, составляет не более 10 МПа.
При уменьшении влажности от НВ до ВЗ концентрация раствора увеличивается в 5 – 6 раз, соответственно возрастает и давление, и растения испытывают голод.
Наиболее высоким осмотическим давлением характеризуются засоленные почвы.
В среднезасоленных почвах давление раствора составляет 30 – 40 МПа, а при увеличении концентрации до 20 - 50–г/л,
в сильнозасоленных – 56 - 60 МПа.
Осмотическое давление может возрастать до 150 – 260 МПа, при таком давлении почвенный раствор для растений не доступен.
На предельные значения осмотического давления, при которых влага перестает поступать в растения, существенное влияние оказывает состав растворов.
На песчаных почвах при сульфатном засолении предельное осмотическое давление, при котором растения начинают ощущать острый дефицит влаги, составляет 150 МПа,
а при хлоридном засолении - 260 МПа.

Почвенный воздух (газовая фаза почвы) – называется смесь газов и летучих органических соединений, заполняющих поры почвы, свободные от воды.
ПОЧВЕННЫЙ ВОЗДУХ

Источники почвенного воздуха – атмосферный воздух и газы, образующиеся в самой почве. С атмосферным воздухом в почву поступает кислород, который необходим для дыхания корней растений и для жизнедеятельности большинства микроорганизмов (аэробы). В процессе дыхания растительности кислород потребляется, а углекислый газ (СО2) выделяется.
Большинство растений не могут существовать без непрерывного притока кислорода к корням и вывода углекислого газа. Если изолировать почву от атмосферы, то кислород в ней исчезнет через несколько суток. Поэтому обмен между почвой и атмосферой должен быть обеспечен постоянно.

При недостатке кислорода и излишка углекислоты:
замедляется рост корней,
снижается поглощение воды и питательных веществ Отсутствие кислорода приводит к отмиранию корней.

П р о ц е с с о б м е н а п о ч в е н н о г о в о з д у х а с а т м о с ф е р н ы м н а з ы в а ю т г а з о о б м е н о м и л и а э р а ц и е й .
Аэрация почвы – важнейший фактор, определяющий продуктивность почв.
Несмотря не исключительно важную роль газовой фазы почвы, она до настоящего изучена недостаточно. Интерес к ней резко возрос в настоящее время, так как научившись обеспечивать почву водой (полив) и питательными веществами (внесение удобрений), слабая аэрация становится главным препятствием повышения плодородия почвы.

Почвенный воздух находится в почве в трех состояниях:
1) Свободный почвенный воздух
2) Адсорбированный почвенный воздух
3) Растворенный почвенный воздух

1) Свободный почвенный воздух – размещается во всех почвенных порах, способен свободно перемещаться в почве и обмениваться с атмосферным воздухом. Наибольшее значение имеет воздух в почве так называемых некапиллярных пор, которые практически всегда свободны от воды. Такой воздух называется защемленным, Его значение в аэрации невелико. Величина колеблется от 6% до 12% от общего объема почвенного воздуха. Определяется как разность от общего объема пор и полной влагоемкости (ПВ).

– газы в виде молекул, сорбированы поверхностью твердой фазы. Адсорбция воздуха сильнее проявляется в почвах с тяжелым механическим составом, а также в почвах, богатых органикой. Активность адсорбирования идет в следующей последовательности:
N < O2 < CO2 < NH3 (последний аммиак)
В сухих почвах адсорбция газов выше, чем во влажных, так как твердые частицы, сильнее адсорбируют воду, газы.
Адсорбированный почвенный воздух

Растворенный почвенный воздух – это газы, растворенные в почвенном растворе, Растворенность газов увеличивается с увеличением их концентрации в почвенном воздухе и с понижением температуры почвы. Хорошо растворяется в почве аммиак (NH3), сероводород, углекислый газ. Кислород растворяется слабее. (см.таблицу)
Таблица
Растворимость газов в воде (г\л.) при различной температуре.
Температура to О2 СО2 Н2S NH3
--------------------------------------------------------------------------------------
10 0,038 1,134 3,329 910
15 0,034 1,019 2,945 802
20 0,031 0,878 2,582 711
-----------------------------------------------------------------------------------------

Растворенные газы проявляют высокую активность, С насыщением почвенного раствора СО2 повышается растворимость карбонатов, сульфатов (гипса) и других минеральных соединений. Растворенный кислород поддерживает окислительные свойства почвы.
Состав свободного почвенного воздуха.
В почве состав воздуха изменяется в основном за счет уменьшения кислорода и увеличения углекислого газа в отличие от состава воздуха атмосферы.
Напомним, что состав атмосферного воздуха довольно постоянен и представлен следующими основными газами:
Азот (N2.) – 78,08 %, кислород (O2) – 20,95 %,
Аргон ( Аr) – 0,93 %, углекислый газ (СО2) – 0,03 %.
Таблица
Содержание СО2 (числитель) О2 (знаменатель) в почвенном воздухе
разных почв (Гречин, Стратанович, 1968)
------------------------------------------------------------------------------------------------
Глубина Дерново-подзо- Дерново-подзо Дерново-подзо Черноземно
См листая, лес листая, пшеница листая глеевая луговая, пойма
10 0,4 \ 20,5 0,5 \ 20,4 2,5 \ 17,7 2,2 \ 19,8
25 0,5 \ 20,6 0,7 \ 20,3 2,7 \ 17,1 2,5 \ 18,5
50 06 \ 20,2 1,1 \ 19,9 2,2 \ 17, 5 3, 2 \ 17,8
100 2,5 \ 18,3 1,2 \ 19,9 1,4 \ 19,2 6,6 \ 13,8
150 3,1 \ 17,5 1,3 \ 18,7 1,4 \ 18,8 6,8 \ 13,4
200 3,5 \ 17,5 1,4 \ 19,5 1,4 \ 19,0 5,2 \ 15,5

В пахотных хорошо аэрированых почвах с благоприятными физическими свойствами СО2 не превышает 1 – 2 %, а кислород не понижается ниже 18%.
Во влажных почвах пахотных горизонтов тяжелого механического состава СО2 возрастает до 4 -6%, а О2 уменьшается до 15%. Азот почвенного воздуха мало отличается от атмосферного.
В болотных почвах именно отсутствие обмена О2 на СО2 затрудняет рост растений (кислородное голодание).
-Кислород поступает в почву диффузно. Диффузия – перемещение газов в соответствии их парциальным давлением. Поскольку в почвенном воздухе О2 меньше, СО2 больше, чем в атмосфере, то под влиянием диффузии создаются условия для непрерывного поступления О2 в почву, а СО2 из почвы в атмосферу.

корни растений,
аэробные микроорганизмы
почвенная фауна.
Небольшая часть кислорода используется на чисто химические процессы.
В условиях хорошей аэрации при поглощении кислорода выделяется эквивалентное или чуть – чуть меньше количество СО2.
Количество кислорода, потребляемое растениями, зависит:
от биологической активности растений,
от фазы развития растений,
от условий среды (температура, питательные вещества и т. Д.)
При увеличении температуры от 5 до 30оС интенсивность поглощения О2 увеличивается в 10 раз. Летом почвы поглощают О2 и выделяют СО2больше, чем ранней весной и осенью.
Оптимальные условия для продуктивности растений при содержании О2 – 20%.
При содержании кислорода в почве менее 14,5% растения прекращают рост и погибают. Это все прямое воздействие кислорода.
Основными потребителями кислорода являются:

Имеется и косвенное влияние О2 на продуктивность растений.
При недостатке кислорода в почве развиваются анаэробные процессы с образованием токсических для растений соединений (глееобразование). В результате чего снижается доступность питательных веществ. При наличии кислорода формируются аэробные процессы веществ для растений, ухудшаются физические свойства почвы
-Углекислый газ (СО2) – Высокая концентрация СО2 в почве (более 2 -3%) угнетает развитие растений.
Выделение СО2 из почвы в приземный слой атмосферы принято называть д ы х а н и е м почвы.
Поступающий из почвы СО2 потребляется растениями в процессе фотосинтеза.
Интенсивность дыхания почвы (выделение СО2) зависит :
от свойства почвы,
гидротехнических условий,
характера растительности,
главным образом от агротехнических мероприятий.