Кислотность и щелочность почв

Природа почвенной кислотности и щелочности

Реакция среды имеет существенное значение для направленности почвенных процессов и уровня почвенного плодородия. Кислотно-щелочные условия зависят от типов почв, их подтиповых, родовых различий и могут колебаться в широких пределах. Черноземы, коричневые почвы, сероземы характеризуются нейтральными условиями. Щелочная реакция наблюдается у солонцов и солонцеватых почв. Кислые условия типичны для почв влажных лесов (подзолистые, серые и бурые лесные, красноземы, желтоземы и др.). Кислотность почвы вызывается ионами водорода. Различают актуальную и потенциальную кислотность.

Актуальная кислотность почв — это концентрация ионов Н⁺ в почвенном растворе в граммах-эквивалентах (моль) на 1 литр, выражаемая величинами pH, где pH = -lg [Н⁺].

Чистая вода неэлектропроводна, но тем не менее при 25 °C из одного моля воды диссоциирует на ионы 0,1, или 1(10″ ⁷, моль воды. Так как число ионов в чистой воде Н⁺ = ОН", то диссоциацию воды характеризуют ионным произведением:

Коэффициент К — константа — показывает, что эта величина не изменяется при любых изменениях количества ионов Н⁺ и ОН". Допустим, что при добавлении щелочи концентрация ионов ОН" стала равна 10'⁴, значит концентрация ионов Н⁺ будет 10'¹⁰. Другой случай: добавили кислоту. Концентрация ионов стала 10″ ⁴, значит концентрация ионов ОН" будет 10~¹⁰. Это ионное произведение воды принято обозначать показатлем pH, причем отрицательным логарифмом (степень, в которую возводится 10, записывается с обратным знаком). Пишут: pH = 6. Это значит, что в растворе концентрация [Н+] = 10″⁶ моль/л и, следовательно, концентрация [ОН-] = 10'⁸ моль/л, т. е. ионов ОН" в 100 раз меньше, чем ионов Н⁺. Среда кислая. При pH = 9 концентрация ионов водорода в растворе 10″⁹, а гидроксид-ионов — 10″ ⁵, т. е. их в 10 000 раз больше, чем ионов Н⁺. Среда щелочная. Таким образом, за цифрами показателя pH необходимо научиться видеть и учитывать количество ионов Н⁺ и дополнительное к нему, согласно ионному произведению воды, количество ионов ОН", представляемое в грамм-эквивалентах (моль) на 1 литр.

Жизнь животных и растений может протекать при pH от 2,5—3 до 10—10,5. За пределами этих концентраций ионов водорода проявление жизни крайне ограничено. Этот же, даже несколько больший, размах pH мы встречаем и в почвах.

Величина pH является наиболее устойчивым генетическим показателем конкретной почвы. Варьирование pH в границах типичных значений составляет 5—10%. Всякое изменение реакции среды приводит к резкой смене характера почвообразования. Ряд почвенных процессов имеет строгую приуроченность к определенным пределам водородного показателя. Это солонцовый процесс, оподзоливание, пептизация и коагуляция коллоидов, ферраллитизация, микробиологические явления и т. д. Антропогенетические изменения pH происходят при окультуривании или деградации почв. Для всех почв величина их pH считается существенным диагностическим критерием.

Потенциальная кислотность — это количество обменных ионов Н⁺ и А1³⁺ в составе почвенного поглощающего комплекса (ППК), выражаемое в миллиэквивалентах на 100 граммов почвы (мэкв/100 г).

В водной среде происходят следующие реакции:

В результате реакций обмена поглощенные ионы Н⁺ и А1³⁺ определяют концентрацию ионов Н⁺ в почвенном растворе, или его pH, т. е. потенциальная кислотность есть скрытая в ППК кислотность.

Потенциальная кислотность разделяется на обменную и гидролитическую. Обменная кислотность проявляется при взаимодействии с почвой нейтральных солей. Обычно для ее определения используют раствор КС1. Образующаяся в растворе кислота оттитровывается щелочью, а сама кислотность выражается в миллиэквивалентах на 100 г почвы. При взаимодействии почв с нейтральной солью не все протоны переходят в раствор, так как в системе устанавливается динамическое равновесие:

Гидролитическая кислотность обнаруживается при воздействии на почву гидролитически щелочной соли:

Уксусная кислота, как слабогидролизуемая соль, практически связывает все водородные ионы, и происходит практически полное вытеснение протонов из почвенного поглощающего комплекса. Поэтому во всех агромелиоративных расчетах пользуются данными определения гидролитической кислотности для установления доз СаС0₃ при ликвидации избыточной кислотности. Этот прием называют известкованием почв. В присутствии углекислоты известь переходит в растворимый бикарбонат и происходит необменное поглощение Н⁺:

Нуждаемость почв в известковании определяют по степени насыщенности почв основаниями, по соотношению между поглощенными Са²⁺ + Mg²⁺ и Н⁺ + А1³⁺.

Эта степень насыщенности почв основаниями выражается в процентах от емкости обмена:

где V — степень насыщенности почв основаниями, %; S — сумма обменных оснований, мэкв/100 г; Е — емкость поглощения, мэкв/100 г; Н — гидролитическая кислотность, мэкв/100 г.

На основании полевых опытов установлено следующая примерная шкала нуждаемости почв в известковании:

• • V ниже 50 — сильно нуждаются в извести;
• • V от 50 до 70 — средненуждаемые;
• • V от 70 до 80 — слабонуждаемые;
• • V выше 80 — не нуждаются в извести.

Различают также актуальную и потенциальную щелочность. Актуальная щелочность почв обусловлена присутствием в почве гидролитически щелочных солей: Ыа₂С0₃, ИаНСОз, Са (НС0₃)₂, 1У^С0₃, 1У^(НС0₃)₂ и др. Пример реакции, в которую вступают соли, следующий:

Эти соли увеличивают концентрацию ионов ОН" в почвенном растворе, pH становится щелочной.

Потенциальная щелочность характерна для почв солонцеватых, содержащих обменный натрий:

Следовательно, потенциальная щелочность — не что иное, как солонцеватость почв.

Значение солей, встречающихся в почвах, в формировании реакции почвенной среды иллюстрирует табл. 1.26.

Сильнокислую реакцию среды (pH = 2+4) могут создавать при окислении различные сульфиды, которые содержатся в засоленных приморских болотах или отвалах угольных карьеров и шахт:

В создании определенной реакции среды велика роль органических остатков. Лесная подстилка подзолистых и серых лесных почв имеет обычно pH = 3,5-^-5,0. Гумусовые же вещества, образующиеся в этой подстилке, более кислы — pH = 3,(НЗ, 5. Особенно кислы продукты разложения мхов — pH = 2,5-^3,0. При разложении растительного опада.

Таблица 1.26

Реакция (pH) растворов соединений, встречающихся в почвах.

в лесных биогеоценозах образуются и свободные органические кислоты типа уксусной, щавелевой, лимонной и др.

Антропогенные подкисления почв вызываются кислыми продуктами фабричных и заводских отходов, попадающих в атмосферу: хлор и соляная кислота, сероводород и сернистый ангидрид, оксиды азота, соединения алюминия, углекислота. Западноевропейские и скандинавские исследователи отмечают pH атмосферных осадков 4,0, 3,0, 2,0.