Міністерство сільського господарства РФ
ФГОУВПО «Кубанський державний аграрний університет»
Анапскій філія
Курсова робота
Тема: «Грунтовий розчин і родючість грунту»
Дисципліна: Грунтознавство з основами геології
Виконав: Студент спеціальності
«Плодоовочівництво та виноградарство»
Перевірив:
Зміст:
Введення
1. Методи виділення грунтового розчину
2. Хімічний склад грунтових розчинів
3. Динаміка концентрації грунтового розчину
4. Окислювально-відновні процеси в грунтах
5. Роль грунтового розчину у продукційних процесах
6. Грунтовий розчин в біогеохімічному кругообігу
Висновок
Список використаної літератури
Введення
Грунтовим розчином називається волога, що знаходиться в грунті і містить в розчиненому стані органічні і мінеральні речовини, гази і найтонші колоїдні золі. В. І. Вернадський вважав грунтові розчини однією з найважливіших категорій природних вод, «основним субстратом життя», «основним елементом механізму біосфери». У вивчення складу і динаміки грунтових розчинів, а також у розробку методів виділення внесли істотний внесок К. Гедройц, О. Дояренко, А. Шмук, С. Захаров, А. Роде, П. Крюков, М. Комарова, Є. Шилова та інші .
Грунтовий розчин утворюється в результаті взаємодії води, що надходить в грунт, з її твердою фазою і розчинення деяких органічних і мінеральних речовин і їх похідних. Найбільш істотним джерелом грунтових розчинів є атмосферні опади. Дощова вода, що надходить в грунт, містить певну кількість розчинених речовин: газів атмосферного повітря (кисень, вуглекислий газ, азот тощо), а також з'єднань, що знаходяться в повітрі у вигляді пилу. Грунтові води також можуть брати участь у їх формуванні. У залежності від типу водного режиму грунту участь грунтових вод може бути систематичним (випотной або застійний водний режим) та періодичним (періодично випотной водний режим). При зрошенні додатковим джерелом вологи для грунтових розчинів стають поливні води.
Атмосферні опади, поверхневі води, роси, грунтові води, потрапляючи в грунт і переходячи в категорію рідкої її фази, змінюють свій склад при взаємодії з твердої і газоподібної фазами грунту, з кореневими системами рослин і живими організмами, що населяють грунт. Утворений грунтовий розчин, у свою чергу, грає величезну роль у динаміці грунтів, харчуванні рослин і мікроорганізмів, бере активну участь у процесах перетворення мінеральних і органічних сполук у грунтах, в їх пересуванні за профілем.
Зміст вологи в грунтах і кількість грунтового розчину можуть коливатися в дуже широких межах, від десятків відсотків, коли вода займає практично всю порозность грунту, і до часток відсотка, коли в грунті знаходиться лише адсорбована вода. Фізично прочносвязанная вода (гігроскопічна і почасти максимальна гігроскопічна) представляє собою нерастворяющій обсяг грунтової води, тому вона не входить до складу грунтового розчину як такого. Не встигають стати специфічним грунтовим розчином і гравітаційні води, швидко просочуються через грунтові горизонти по великих тріщин і ходам коренів. Грунтовий розчин включає всі форми капілярної, пухко-і щодо прочносвязанной води грунту.
Грунтовий розчин має величезне значення у генезі грунтів та їх родючості. Він бере участь у процесах перетворення (руйнування і синтез) мінеральних і органічних сполук, у складі грунтового розчину за профілем грунтів переміщуються різноманітні продукти грунтоутворення. Виключно велика роль грунтового розчину в живленні рослин. Тому важливо знати його склад, властивості (реакція, буферність, осмотичний тиск) і динаміку.
1. Методи виділення грунтового розчину
Для виділення та вивчення грунтових розчинів залежно від умов і завдань дослідження застосовуються різні методи.
1 група методів: виділення і вивчення грунтових розчинів за допомогою витяжок, тобто витяг розчину додаванням у грунт води у кількості, що значно перевищує наважку грунту (найбільш часто вживане співвідношення грунт: вода - 1:5).
Склади грунтових розчинів і водних витяжок досить сильно різняться між собою. Тому в даний час водні витяжки використовуються в основному для характеристики в грунтах легкорозчинних солей і іноді для визначення ряду легкодоступних рослинам поживних елементів.
2 група методів: виділення розчину з грунту в порівняно незмінному вигляді. Для виділення грунтового розчину із зразка грунту попередньо відібраного з грунту, необхідно подолати силу взаємодії твердої та рідкої фаз грунту. Тому всі методи грунтуються на застосуванні зовнішньої сили:
1.Давленіе, створюване пресом;
2.давленіе стиснутого газу;
3.центробежная сила;
4.витесняющая здатність різних рідин.
Кількість виділяється грунтового розчину залежить від водоутримуючих властивостей грунту і ступеня її зволоження.
Отримати грунтові розчини центрифугованих можливо лише в грунтах з вологістю, близькою до повної вологоємності.
Практично в сучасних грунтових дослідженнях найбільш часто застосовуються перший і останній методи, тобто отпрессовиваніе розчину чи витіснення замещающей рідиною. Виділення грунтового розчину заміщенням його іншою рідиною полягає в тому, що через колонку, заповнену досліджуваної грунтом з природною вологістю, зверху просочується витісняє рідина. Найбільш зручний для цієї мети етиловий спирт. Для поліпшення фільтраційних властивостей важких грунтів їх рекомендується змішувати з добре відмитим кварцовим піском.
При використанні цих методів після виділення розчину в грунті залишається ще певна кількість вологи. Переваги даних методів - можливість отримання розчинів при вологості, характерною для грунтів у вегетаційний період, тому практично динаміку грунтового розчину можна вивчити лише цими методами. Недолік їх - деяке порушення карбонатної рівноваги і окислювально-відновного стану розчину при його відокремлення від грунту.
3 група методів: т.зв. лізіметріческіе методи, які діють за принципом заміщення і витіснення розчинів грунтових розчинів талими і дощовими водами. Для кількісного обліку та вивчення складу просочуються крізь грунт розчинів застосовують лізіметри різного пристрою: лізіметри-контейнери з бетонованими стінками і дном, лізіметри-моноліти, лізіметри-лійки, плоскі лізіметри закритого типу, в найменшій мірі порушують природне залягання грунту, лізіметріческіе хроматографічні колонки.
Недолік всіх лізіметріческіх установок - можливість отримання розчинів лише в періоди сильного зволоження грунтів. Крім того, в лізіметріческіх установках, особливо типу підставних воронок, порушується в певній мірі природний хід фільтрації, що не дозволяє отримувати суворо кількісної характеристики виносу тих чи інших компонентів грунту. Тому при вивченні динаміки складу грунтових розчинів бажано поєднувати лізіметріческій метод з іншими методами виділення грунтових розчинів (отпрессовиваніе та ін.)
4 група методів: безпосередні дослідження водної фази грунтів в грунті природного залягання в польових умовах. Перші методи з застосуванням електродів, що занурюються в грунт, для визначення вологості і електропровідності грунтів (облік запасу солей) були проведені ще в кінці 19 століття. Довгий час в грунтах визначали лише активність іонів водню та окисно-відновний потенціал. В останні роки розвитку потенціометричних і, зокрема, іонометріческіх методів дозволяє більш широко проводити ці дослідження, визначати широкий набір іонів (Ca, Mg, K, Na, NO 3, Cl), вимірюючи їх активність у грунті.
2. Хімічний склад грунтових розчинів
Грунтовий розчин знаходиться в постійному і тісній взаємодії з твердою і газовою фазами грунту і корінням рослин, тому склад і концентрація його - результати біологічних, фізико-хімічних і фізичних процесів, що лежать в основі цієї взаємодії. Темп та спрямування зазначених процесів схильні значною сезонної мінливості, тому і склад грунтового розчину надзвичайно динамічний.
Формування складу грунтових розчинів - складний процес, який зумовлюється і регулюється як абіотичними, так і біотичними факторами і компонентами грунту та екосистеми в цілому. Склад грунтових розчинів залежить від кількості і якості атмосферних опадів, від складу твердої фази грунту, від кількості та якісного складу живого і мертвого рослинного матеріалу у надземних та підземних ярусах біогеоценозу, від життєдіяльності мезофауни і мікроорганізмів. Склад грунтових розчинів постійно знаходиться під впливом життєдіяльності вищих рослин - вилучення з нього корінням певних іонів і з'єднань, і навпаки, надходження речовин з кореневими виділеннями.
З органічних сполук в грунтовому розчині можуть бути водорозчинні речовини органічних залишків і продукти їх розкладу, продукти життєдіяльності рослин і мікроорганізмів, (органічні кислоти, цукру, амінокислоти, спирти, ферменти, дубильні речовини тощо), а також гумусові речовини.
Зміст окремих компонентів грунтового розчину суттєво змінюється також за генетичними горизонтів одного і того ж типу грунтів.
Максимум органічних речовин знаходиться в грунтовому розчині органогенних і гумусових горизонтів. Вниз по профілю грунтів кількість органічних речовин різко падає в результаті з закріплення і мінералізації у верхніх горизонтах. У чорноземах, каштанових грунтах, сіроземах і солонцях у складі грунтових розчинів нижніх горизонтів помітно зростає вміст мінеральних сполук - карбонатів, гіпсу і легкорозчинних солей.
Мінеральні, органічні та органо-речовини, що входять до складу рідкої фази грунтів, можуть мати форму істинно розчинених або колоїдно-розчинних сполук. Колоїдно-розчинні речовини представлені золями кремнекислоти і полутораоксідов заліза і алюмінію, органічними і органомі-мінерали сполуками. За даними Гедройца, колоїди становлять від 1 / 10 до ј від загальної кількості речовин, що знаходяться в грунтовому розчині.
До найважливіших катіонів грунтового розчину відносяться Са 2 +,
Mg 2 +, Na +, K +, NH 4 +, H +, Al 3 -, Fe 3 +, Fe 2 +. Серед аніонів переважають
HCO 3 -, CO 3 2 -, NO 3 -, NO 2 -, Cl -, SO 4 2 -, H 2 PO 4 -, HPO 2 - 4. Найбільш важливе значення для рослин мають NO 2 -, SO 4 2 -, фосфат-іони.
Вміст нітратів визначається умовами нітрифікації в грунті (обогащенность органічними речовинами, гідротермічний режим грунтів і умови аерації). У грунтових розчинах незасолених грунтів SO 4 2 - небагато (зазвичай не більше декількох міліграмів на літр). Ще менше фосфат-іонів (1-2 мг / л), що пояснюється енергійним їх поглинанням рослинами, мінеральними сполуками грунту і слабкою розчинністю грунтових фосфатів.
Залізо, алюміній і багато мікроелементів (Cu, Ni. V, Cr та інші) у грунтових розчинах містяться головним чином у вигляді комплексних органо-з'єднань, де органічна частина комплексів представлена гумусовими і низькомолекулярними органічними кислотами, поліфенолами, та ін органічними речовинами.
Концентрація грунтових розчинів невелика, і в різних типах грунтів коливається від десятків міліграмів до декількох грамів речовини на літр розчину. Тільки в засолених грунтах вміст розчинених речовин може досягати десятків і навіть сотень грамів на літр.
Наявність в грунтовому розчині вільних кислот і підстав, кислих і основних солей визначають одне з найважливіших для життєдіяльності рослин і процесів грунтоутворення його властивість - актуальну реакцію грунтового розчину. Реакція грунтового розчину визначається активністю вільних водневих (Н +) і гідроксильних іонів (ОН -) і вимірюється рН - негативним логарифмом активності вільних іонів. РН грунтового розчину різних типів грунтів коливається від 2,5 (кислі сульфатні грунту) до 8-9 і вище (карбонатні і засолені грунти), досягаючи максимуму в лужних солонцях і содових солончаках (10-11).
Найбільш низькими концентраціями і кислою реакцією характери-ся грунтові розчини підзолистих та болотних грунтів тайговій зони. Концентрація їх складає кілька десятків міліграмів на один літр розчину при рН від 5 до 6. Зміст основних катіонів та аніонів вимірюється одиницями або десятками мг / літр. Приблизно такі ж кількості головних компонентів грунтового розчину характерні і для сильно вилужених грунтів вологих тропіків і субтропіків. Вміст органічного вуглецю у грунтових розчинах тайговій зони досягає декількох десятків міліграмів на один літр; під хвойними лісами це рапстворенное6 органічна речовина в основному представлено фульвокислот. З глибиною кількість органічної речовини в рідкої фази грунту поступово зменшується, що говорить про закріплення мігруючих воднорастворімих речовин у грунтовому профілі. Разом з органічною речовиною мігрує і залізо (у дво-і тривалентне формі). Железоорганіческіе комплекси присутні в грунтових розчинах в широкому діапазоні рН. У грунтових розчинах приблизно 80-95% заліза і міцно пов'язано в органомінеральні комплекси.
У степових грунтах (чорноземах, солонцях і ін) концентрація грунтових розчинів істотно вище, ніж в підзолистих і болотних грунтах (не десятки, а сотні міліграмів 1-3 грам на літр). У зв'язку з більш високою біологічною активністю цих грунтів, у них суттєво підвищується вміст гидрокарбонатного іона, реакція стає нейтральною або слабощелочной. Більш високе потрапляння хімічних елементів з високозольного опадом трав'янистих степових рослин забезпечує підвищення концентрації та інших катіонів та аніонів (кальцію, магнію, хлору, сульфат-іона). У солодях і особливо солонцях різко зростає кількість іонів натрію, з'являється іон CO 3 2 -, що забезпечує в солонцях, зокрема, лужну реакцію грунтових розчинів. Максимальний вміст солей (до десятків і сотень грамів на один літр) спостерігається у грунтових розчинах солончаків. Концентрація солей у грунтових розчинах солончаків в кілька разів перевищує їх вміст у морській воді.
Якщо для більшості грунтів характерний гідрокарбонатнокаль-ціевий склад грунтових розчинів (переважання цих двох іонів), то у грунтових розчинах засолених грунтів переважна частка належить хлоридам і сульфатам магнію та натрію. Для характеристики ступеня і характеру засолення грунтів широко застосовується аналіз водної витяжки. Цей вид аналізу дає можливість проводити масові визначення і в той же час дозволяє виділяти з грунту максимальні кількості солей, що знаходяться в тому числі і у вигляді осаду у твердій фазі грунту. Водна витяжка (відношення води до грунту 5:1) розчиняє всі легкорозчинні солі, частину важкорозчинних солей і частина солей, що утворилися в результаті обміну катіонів важкорозчинних солей з натрієм і магнієм поглинаючого комплексу.
Дуже ретельне дослідження співвідношення солей, видобутих водними витяжками і знаходяться у водних розчинах, були проведені П. Шавригіним. З досліджень випливає, що загальна сума воднорастворімих речовин у водних витяжках вище, ніж у грунтових розчинах; ці відмінності тим вище, чим менше розчинність солей. Так, наприклад, вміст сульфату кальцію у грунтових розчинах не перевищує 8-12% від його кількості в водній витяжці. Відмінності у складі солей грунтових розчинів і водних витяжок найбільше відноситься до кальцієвим солей і в малій мірі до хлорид-іону.
Метод водних витяжок, залишаючись основним для контролю сольового стану грунтів, одночасно дозволяє також шляхом розрахунків отримати і дані по концентрації грунтових розчинів, що характеризують дійсні умови існування рослини в даному грунті. Розрахунок концентрації солей за даними аналізу водної витяжки зручно виробляти відносно вологості грунту, відповідної найменшої вологоємкості (НВ). Н. Г. Мінашіной запропонована наступна формула розрахунку концентрації грунтового розчину за даними аналізу водної витяжки:
S * 1000
C = ----------------
V
де С-концентрація суми токсичних солей у грунтовому розчині, р / л;
S-% токсичних солей на сухий грунт за даними аналізу водної витяжки; V-НВ у відсотках за масою за вирахуванням гігроскопічної води (розчиняє солі об'єм).
Розрахункові та істинні концентрації грунтового розчину для грунтів Мургабского оазису Середньої Азії, Н. Г. Мінашіной, виявилися досить близькими. Виняток склали грунту з високим вмістом гіпсу, де розрахункові концентрації по водній витяжці були вище, ніж справжня концентрація грунтового розчину.
3. Динаміка концентрації грунтового розчину ФГОУВПО «Кубанський державний аграрний університет»
Анапскій філія
Курсова робота
Тема: «Грунтовий розчин і родючість грунту»
Дисципліна: Грунтознавство з основами геології
Виконав: Студент спеціальності
«Плодоовочівництво та виноградарство»
Перевірив:
Зміст:
Введення
1. Методи виділення грунтового розчину
2. Хімічний склад грунтових розчинів
3. Динаміка концентрації грунтового розчину
4. Окислювально-відновні процеси в грунтах
5. Роль грунтового розчину у продукційних процесах
6. Грунтовий розчин в біогеохімічному кругообігу
Висновок
Список використаної літератури
Введення
Грунтовим розчином називається волога, що знаходиться в грунті і містить в розчиненому стані органічні і мінеральні речовини, гази і найтонші колоїдні золі. В. І. Вернадський вважав грунтові розчини однією з найважливіших категорій природних вод, «основним субстратом життя», «основним елементом механізму біосфери». У вивчення складу і динаміки грунтових розчинів, а також у розробку методів виділення внесли істотний внесок К. Гедройц, О. Дояренко, А. Шмук, С. Захаров, А. Роде, П. Крюков, М. Комарова, Є. Шилова та інші .
Грунтовий розчин утворюється в результаті взаємодії води, що надходить в грунт, з її твердою фазою і розчинення деяких органічних і мінеральних речовин і їх похідних. Найбільш істотним джерелом грунтових розчинів є атмосферні опади. Дощова вода, що надходить в грунт, містить певну кількість розчинених речовин: газів атмосферного повітря (кисень, вуглекислий газ, азот тощо), а також з'єднань, що знаходяться в повітрі у вигляді пилу. Грунтові води також можуть брати участь у їх формуванні. У залежності від типу водного режиму грунту участь грунтових вод може бути систематичним (випотной або застійний водний режим) та періодичним (періодично випотной водний режим). При зрошенні додатковим джерелом вологи для грунтових розчинів стають поливні води.
Атмосферні опади, поверхневі води, роси, грунтові води, потрапляючи в грунт і переходячи в категорію рідкої її фази, змінюють свій склад при взаємодії з твердої і газоподібної фазами грунту, з кореневими системами рослин і живими організмами, що населяють грунт. Утворений грунтовий розчин, у свою чергу, грає величезну роль у динаміці грунтів, харчуванні рослин і мікроорганізмів, бере активну участь у процесах перетворення мінеральних і органічних сполук у грунтах, в їх пересуванні за профілем.
Зміст вологи в грунтах і кількість грунтового розчину можуть коливатися в дуже широких межах, від десятків відсотків, коли вода займає практично всю порозность грунту, і до часток відсотка, коли в грунті знаходиться лише адсорбована вода. Фізично прочносвязанная вода (гігроскопічна і почасти максимальна гігроскопічна) представляє собою нерастворяющій обсяг грунтової води, тому вона не входить до складу грунтового розчину як такого. Не встигають стати специфічним грунтовим розчином і гравітаційні води, швидко просочуються через грунтові горизонти по великих тріщин і ходам коренів. Грунтовий розчин включає всі форми капілярної, пухко-і щодо прочносвязанной води грунту.
Грунтовий розчин має величезне значення у генезі грунтів та їх родючості. Він бере участь у процесах перетворення (руйнування і синтез) мінеральних і органічних сполук, у складі грунтового розчину за профілем грунтів переміщуються різноманітні продукти грунтоутворення. Виключно велика роль грунтового розчину в живленні рослин. Тому важливо знати його склад, властивості (реакція, буферність, осмотичний тиск) і динаміку.
1. Методи виділення грунтового розчину
Для виділення та вивчення грунтових розчинів залежно від умов і завдань дослідження застосовуються різні методи.
1 група методів: виділення і вивчення грунтових розчинів за допомогою витяжок, тобто витяг розчину додаванням у грунт води у кількості, що значно перевищує наважку грунту (найбільш часто вживане співвідношення грунт: вода - 1:5).
Склади грунтових розчинів і водних витяжок досить сильно різняться між собою. Тому в даний час водні витяжки використовуються в основному для характеристики в грунтах легкорозчинних солей і іноді для визначення ряду легкодоступних рослинам поживних елементів.
2 група методів: виділення розчину з грунту в порівняно незмінному вигляді. Для виділення грунтового розчину із зразка грунту попередньо відібраного з грунту, необхідно подолати силу взаємодії твердої та рідкої фаз грунту. Тому всі методи грунтуються на застосуванні зовнішньої сили:
1.Давленіе, створюване пресом;
2.давленіе стиснутого газу;
3.центробежная сила;
4.витесняющая здатність різних рідин.
Кількість виділяється грунтового розчину залежить від водоутримуючих властивостей грунту і ступеня її зволоження.
Отримати грунтові розчини центрифугованих можливо лише в грунтах з вологістю, близькою до повної вологоємності.
Практично в сучасних грунтових дослідженнях найбільш часто застосовуються перший і останній методи, тобто отпрессовиваніе розчину чи витіснення замещающей рідиною. Виділення грунтового розчину заміщенням його іншою рідиною полягає в тому, що через колонку, заповнену досліджуваної грунтом з природною вологістю, зверху просочується витісняє рідина. Найбільш зручний для цієї мети етиловий спирт. Для поліпшення фільтраційних властивостей важких грунтів їх рекомендується змішувати з добре відмитим кварцовим піском.
При використанні цих методів після виділення розчину в грунті залишається ще певна кількість вологи. Переваги даних методів - можливість отримання розчинів при вологості, характерною для грунтів у вегетаційний період, тому практично динаміку грунтового розчину можна вивчити лише цими методами. Недолік їх - деяке порушення карбонатної рівноваги і окислювально-відновного стану розчину при його відокремлення від грунту.
3 група методів: т.зв. лізіметріческіе методи, які діють за принципом заміщення і витіснення розчинів грунтових розчинів талими і дощовими водами. Для кількісного обліку та вивчення складу просочуються крізь грунт розчинів застосовують лізіметри різного пристрою: лізіметри-контейнери з бетонованими стінками і дном, лізіметри-моноліти, лізіметри-лійки, плоскі лізіметри закритого типу, в найменшій мірі порушують природне залягання грунту, лізіметріческіе хроматографічні колонки.
Недолік всіх лізіметріческіх установок - можливість отримання розчинів лише в періоди сильного зволоження грунтів. Крім того, в лізіметріческіх установках, особливо типу підставних воронок, порушується в певній мірі природний хід фільтрації, що не дозволяє отримувати суворо кількісної характеристики виносу тих чи інших компонентів грунту. Тому при вивченні динаміки складу грунтових розчинів бажано поєднувати лізіметріческій метод з іншими методами виділення грунтових розчинів (отпрессовиваніе та ін.)
4 група методів: безпосередні дослідження водної фази грунтів в грунті природного залягання в польових умовах. Перші методи з застосуванням електродів, що занурюються в грунт, для визначення вологості і електропровідності грунтів (облік запасу солей) були проведені ще в кінці 19 століття. Довгий час в грунтах визначали лише активність іонів водню та окисно-відновний потенціал. В останні роки розвитку потенціометричних і, зокрема, іонометріческіх методів дозволяє більш широко проводити ці дослідження, визначати широкий набір іонів (Ca, Mg, K, Na, NO 3, Cl), вимірюючи їх активність у грунті.
2. Хімічний склад грунтових розчинів
Грунтовий розчин знаходиться в постійному і тісній взаємодії з твердою і газовою фазами грунту і корінням рослин, тому склад і концентрація його - результати біологічних, фізико-хімічних і фізичних процесів, що лежать в основі цієї взаємодії. Темп та спрямування зазначених процесів схильні значною сезонної мінливості, тому і склад грунтового розчину надзвичайно динамічний.
Формування складу грунтових розчинів - складний процес, який зумовлюється і регулюється як абіотичними, так і біотичними факторами і компонентами грунту та екосистеми в цілому. Склад грунтових розчинів залежить від кількості і якості атмосферних опадів, від складу твердої фази грунту, від кількості та якісного складу живого і мертвого рослинного матеріалу у надземних та підземних ярусах біогеоценозу, від життєдіяльності мезофауни і мікроорганізмів. Склад грунтових розчинів постійно знаходиться під впливом життєдіяльності вищих рослин - вилучення з нього корінням певних іонів і з'єднань, і навпаки, надходження речовин з кореневими виділеннями.
З органічних сполук в грунтовому розчині можуть бути водорозчинні речовини органічних залишків і продукти їх розкладу, продукти життєдіяльності рослин і мікроорганізмів, (органічні кислоти, цукру, амінокислоти, спирти, ферменти, дубильні речовини тощо), а також гумусові речовини.
Зміст окремих компонентів грунтового розчину суттєво змінюється також за генетичними горизонтів одного і того ж типу грунтів.
Максимум органічних речовин знаходиться в грунтовому розчині органогенних і гумусових горизонтів. Вниз по профілю грунтів кількість органічних речовин різко падає в результаті з закріплення і мінералізації у верхніх горизонтах. У чорноземах, каштанових грунтах, сіроземах і солонцях у складі грунтових розчинів нижніх горизонтів помітно зростає вміст мінеральних сполук - карбонатів, гіпсу і легкорозчинних солей.
Мінеральні, органічні та органо-речовини, що входять до складу рідкої фази грунтів, можуть мати форму істинно розчинених або колоїдно-розчинних сполук. Колоїдно-розчинні речовини представлені золями кремнекислоти і полутораоксідов заліза і алюмінію, органічними і органомі-мінерали сполуками. За даними Гедройца, колоїди становлять від 1 / 10 до ј від загальної кількості речовин, що знаходяться в грунтовому розчині.
До найважливіших катіонів грунтового розчину відносяться Са 2 +,
Mg 2 +, Na +, K +, NH 4 +, H +, Al 3 -, Fe 3 +, Fe 2 +. Серед аніонів переважають
HCO 3 -, CO 3 2 -, NO 3 -, NO 2 -, Cl -, SO 4 2 -, H 2 PO 4 -, HPO 2 - 4. Найбільш важливе значення для рослин мають NO 2 -, SO 4 2 -, фосфат-іони.
Вміст нітратів визначається умовами нітрифікації в грунті (обогащенность органічними речовинами, гідротермічний режим грунтів і умови аерації). У грунтових розчинах незасолених грунтів SO 4 2 - небагато (зазвичай не більше декількох міліграмів на літр). Ще менше фосфат-іонів (1-2 мг / л), що пояснюється енергійним їх поглинанням рослинами, мінеральними сполуками грунту і слабкою розчинністю грунтових фосфатів.
Залізо, алюміній і багато мікроелементів (Cu, Ni. V, Cr та інші) у грунтових розчинах містяться головним чином у вигляді комплексних органо-з'єднань, де органічна частина комплексів представлена гумусовими і низькомолекулярними органічними кислотами, поліфенолами, та ін органічними речовинами.
Концентрація грунтових розчинів невелика, і в різних типах грунтів коливається від десятків міліграмів до декількох грамів речовини на літр розчину. Тільки в засолених грунтах вміст розчинених речовин може досягати десятків і навіть сотень грамів на літр.
Наявність в грунтовому розчині вільних кислот і підстав, кислих і основних солей визначають одне з найважливіших для життєдіяльності рослин і процесів грунтоутворення його властивість - актуальну реакцію грунтового розчину. Реакція грунтового розчину визначається активністю вільних водневих (Н +) і гідроксильних іонів (ОН -) і вимірюється рН - негативним логарифмом активності вільних іонів. РН грунтового розчину різних типів грунтів коливається від 2,5 (кислі сульфатні грунту) до 8-9 і вище (карбонатні і засолені грунти), досягаючи максимуму в лужних солонцях і содових солончаках (10-11).
Найбільш низькими концентраціями і кислою реакцією характери-ся грунтові розчини підзолистих та болотних грунтів тайговій зони. Концентрація їх складає кілька десятків міліграмів на один літр розчину при рН від 5 до 6. Зміст основних катіонів та аніонів вимірюється одиницями або десятками мг / літр. Приблизно такі ж кількості головних компонентів грунтового розчину характерні і для сильно вилужених грунтів вологих тропіків і субтропіків. Вміст органічного вуглецю у грунтових розчинах тайговій зони досягає декількох десятків міліграмів на один літр; під хвойними лісами це рапстворенное6 органічна речовина в основному представлено фульвокислот. З глибиною кількість органічної речовини в рідкої фази грунту поступово зменшується, що говорить про закріплення мігруючих воднорастворімих речовин у грунтовому профілі. Разом з органічною речовиною мігрує і залізо (у дво-і тривалентне формі). Железоорганіческіе комплекси присутні в грунтових розчинах в широкому діапазоні рН. У грунтових розчинах приблизно 80-95% заліза і міцно пов'язано в органомінеральні комплекси.
У степових грунтах (чорноземах, солонцях і ін) концентрація грунтових розчинів істотно вище, ніж в підзолистих і болотних грунтах (не десятки, а сотні міліграмів 1-3 грам на літр). У зв'язку з більш високою біологічною активністю цих грунтів, у них суттєво підвищується вміст гидрокарбонатного іона, реакція стає нейтральною або слабощелочной. Більш високе потрапляння хімічних елементів з високозольного опадом трав'янистих степових рослин забезпечує підвищення концентрації та інших катіонів та аніонів (кальцію, магнію, хлору, сульфат-іона). У солодях і особливо солонцях різко зростає кількість іонів натрію, з'являється іон CO 3 2 -, що забезпечує в солонцях, зокрема, лужну реакцію грунтових розчинів. Максимальний вміст солей (до десятків і сотень грамів на один літр) спостерігається у грунтових розчинах солончаків. Концентрація солей у грунтових розчинах солончаків в кілька разів перевищує їх вміст у морській воді.
Якщо для більшості грунтів характерний гідрокарбонатнокаль-ціевий склад грунтових розчинів (переважання цих двох іонів), то у грунтових розчинах засолених грунтів переважна частка належить хлоридам і сульфатам магнію та натрію. Для характеристики ступеня і характеру засолення грунтів широко застосовується аналіз водної витяжки. Цей вид аналізу дає можливість проводити масові визначення і в той же час дозволяє виділяти з грунту максимальні кількості солей, що знаходяться в тому числі і у вигляді осаду у твердій фазі грунту. Водна витяжка (відношення води до грунту 5:1) розчиняє всі легкорозчинні солі, частину важкорозчинних солей і частина солей, що утворилися в результаті обміну катіонів важкорозчинних солей з натрієм і магнієм поглинаючого комплексу.
Дуже ретельне дослідження співвідношення солей, видобутих водними витяжками і знаходяться у водних розчинах, були проведені П. Шавригіним. З досліджень випливає, що загальна сума воднорастворімих речовин у водних витяжках вище, ніж у грунтових розчинах; ці відмінності тим вище, чим менше розчинність солей. Так, наприклад, вміст сульфату кальцію у грунтових розчинах не перевищує 8-12% від його кількості в водній витяжці. Відмінності у складі солей грунтових розчинів і водних витяжок найбільше відноситься до кальцієвим солей і в малій мірі до хлорид-іону.
Метод водних витяжок, залишаючись основним для контролю сольового стану грунтів, одночасно дозволяє також шляхом розрахунків отримати і дані по концентрації грунтових розчинів, що характеризують дійсні умови існування рослини в даному грунті. Розрахунок концентрації солей за даними аналізу водної витяжки зручно виробляти відносно вологості грунту, відповідної найменшої вологоємкості (НВ). Н. Г. Мінашіной запропонована наступна формула розрахунку концентрації грунтового розчину за даними аналізу водної витяжки:
S * 1000
C = ----------------
V
де С-концентрація суми токсичних солей у грунтовому розчині, р / л;
S-% токсичних солей на сухий грунт за даними аналізу водної витяжки; V-НВ у відсотках за масою за вирахуванням гігроскопічної води (розчиняє солі об'єм).
Розрахункові та істинні концентрації грунтового розчину для грунтів Мургабского оазису Середньої Азії, Н. Г. Мінашіной, виявилися досить близькими. Виняток склали грунту з високим вмістом гіпсу, де розрахункові концентрації по водній витяжці були вище, ніж справжня концентрація грунтового розчину.
Тісний зв'язок складу грунтових розчинів із змінами температури та вологості грунту, інтенсивністю діяльності мікрофлори і мікрофауни грунтів, метаболізмом вищих рослин, процесами розкладання органічних залишків в грунті визначають чітко виражену його добову і сезонну динаміку.
Для більшості типів грунтів характерне поступове, іноді вельми значне зростання концентрації грунтових розчинів, особливо у верхніх горизонтах, від весни до літа. Це пов'язано з концентруванням грунтової вологи за рахунок випаровування і транспірації, збільшенням інтенсивності розкладання органічних залишків у теплу пору року. Ця загальна закономірність порушується в ряді випадків через своєрідності режимів окремих видів грунтів. Так, наприклад, в тундрових мерзлотних грунтах найбільш істотне зростання концентрації грунтових розчинів спостерігається у верхніх горизонтах грунтів в кінці зими за рахунок криогенного підтягування розчинів з нижніх горизонтів грунту до більш холодного фронту. Танення снігу та літні дощі викликають деякий промивання грунту і розведення розчинів.
Ступінь динамічності складу грунтових розчинів різних генетичних горизонтів грунтів неоднакова. Вміст мікроорганізмів, а отже, і інтенсивність біохімічних процесів найбільш високі в підстилці і гумусоаккумулятівном горизонті. У цих же горизонтах і найбільш контрастні температурні умови і режим зволоження. Відповідно до цього хімічний склад грунтових розчинів верхніх горизонтів найбільш динамічний.
Дослідження на звичайних чорноземах показали, що сезонна динаміка загальної концентрації грунтових розчинів чорноземів не має чітко виражених закономірностей; максимуми концентрації можуть спостерігатися у різні моменти вегетаційного періоду. Було відзначено, що причини підвищення концентрації грунтового розчину можуть бути принципово різними. Найбільш очевидною причиною є випарне концентрування, що спостерігається в найбільш жаркі і сухі періоди року. Однак концентрація грунтових розчинів може підвищуватися і у весняно-раннелетний період, коли відбувається бурхливий приріст фітомаси степової рослинності, в розчин надходять рясні кореневі виділення та різноманітні продукти розкладання органічного опаду. Загальна концентрація грунтового розчину в цей період може зростати до 2 г / л.
Поєднане вивчення складу і динаміки грунтових розчинів з динамікою процесів приросту фітомаси і розкладання осаду в степах і широколистяних лісах показало, що вирішальний вплив на на склад грунтових розчинів теплого періоду року надає біологічний фактор. Фізико-хімічні процеси випарного концентрування або розбавлення грають у цей час другорядну роль.
Своєрідна динаміка солей у грунтових розчинах засолених грунтів. У весняний період у міру підвищення температури повітря і грунту починається поступове випаровування грунтової вологи. Відповідно підвищується концентрація всіх розчинених у грунті солей. Цей процес досягає свого максимального вираження НД настанням літньої спеки і сильного осушення грунту. У цей період концентрація легкорозчинних солей MgCl 2 Na 2 SO 4. MgSO 4 гідрокарбонатів і сульфатів кальцію близька до точки насичення ними розчину. Концентрація грунтових розчинів солончаків може досягати в цей період 350-400 г / л. Ця фаза сезонного циклу сольового режиму може бути названа фазою соленакопленія.
У період осінньо-зимових дощів атмосферні опади розбавляють грунтовий розчин і розчиняють частина солей, що випали влітку з розчину в тверду фазу грунту, - настає фаза розбавлення грунтових розчинів. Коли під впливом атмосферних опадів вологість грунту починає перевищувати найменшу вологоємність, грунтовий розчин переміщається вниз. При цьому він сильно розбавляється у верхніх горизонтах грунту, а нижні горизонти грунту і верхні шари грунтових вод набувають підвищену мінералізацію. Цю третю фазу сольового режиму можна назвати фазою вилуговування і опріснення грунтового профілю.
Зміни концентрації грунтового розчину засолених грунтів в річному циклі можуть бути ілюстровані наступними показниками в горизонтах про-5 см середньозасолених світлого сіроземи концентрація від зими до літа зростає від 7 до 150 г \ л, в пухкому солончаку - від 16 до 410 г \ л відповідно. В умовах зрошення сольовий режим грунтових розчинів ускладнюється, хоча загальний хід річного режиму зберігається. Кожен полив у слабкому ступені створює умови для настання фази вилуговування і опріснення. Після закінчення поливу внаслідок інтенсивного випаровування грунтово-грунтових вод починається процес підвищення концентрації солей у грунтовому розчині.
Використання нових методів дослідження грунтових розчинів за допомогою іоноселективних електродів дозволило в останні роки отримати дані про добову динаміку ряду іонів у грунтових розчинах.
Дослідження на чорноземах показали, що особливо різкого коливання схильна активність іонів кальцію. Максимум концентрації іонів кальцію припадає на денні години, мінімум - на нічні. Це пов'язано з більш активним виділенням вдень вуглекислоти грунтової біотою, зміщенням гідрокарбонатно-кальцієвого рівноваги в бік розчинення кальцію і витіснення його з грунтового поглинаючого комплексу. Добова динаміка нітрат-іона в поверхневому горизонті цілинного чорнозему протилежна динаміці кальцію. Найбільша концентрація нітратів спостерігається в нічні години, рано вранці і увечері, вдень, у період інтенсивної фотосинтетичної діяльності вищих рослин, вона мінімальна. Ці два приклади показують, наскільки варіабельний склад грунтового розчину в добовому циклі і як тісно він пов'язаний з функціонуванням всієї екосистеми в цілому.
4. Окислювально-відновні процеси в грунтах
У грунті широко розвинені окислювально-відновні процеси.
Процесами окислення називаються:
1) приєднання кисню
O 2
2KNO 2 2KNO 3
2) віддача водню
СН 2 СООН СН - СООН
+ Н 2
СН 2 СООН СН - СООН
3) віддача електронів без участі водню і кисню
Fe 2 + - e------- Fe 3 +
Зворотні процеси об'єднують в поняття «відновлення». Окислювальні процеси широко розвинені при явищах перетворення органічної речовини в грунті. Так, можливо окислення тирозину та інших ароматичних амінокислот у меланіни; окислення смол і з'єднань непредельного ряду; окислення дубильних речовин, цукрів, амінокислот, білків та інших сполук, що входять до складу рослинних залишків. Гуміфікація - в цілому процес окисний.
Більшість реакцій окиснення органічних речовин грунту належить до групи незворотних. Оборотними окислювально-відновними реакціями є широко розвинені в грунті реакції окислення і відновлення заліза (Fe 3 + - === Fe 2 +), марганцю (Mn 4 + - === Mn 2 +) , Азоту (N 5 + === N 3 +). У грунті відбувається окислення і відновлення кисню і водню (O === O 2 -, H === H +, S 6 + === S 2 -). Оскільки велика частина цих реакцій має біохімічну природу і найтіснішим чином пов'язана з проявом мікробіологічних процесів, то їх інтенсивність у грунті безпосередньо впливає на на розвиток окислювально-відновних процесів.
Основним окислювачем у грунті виступає молекулярний кисень грунтового повітря, грунтового розчину. Тому розвиток окислювально-відновних процесів у грунтах тісно пов'язано з умовами їх аерації і залежить від усіх властивостей грунту, що визначають стан газообміну (структура, щільність, механічний склад тощо), і насамперед від вологості.
Головні умови, що визначають інтенсивність і спрямованість окисно-відновних процесів - стан зволоження й аерації грунтів, вміст у них органічної речовини і температура, при якій протікають біохімічні реакції. Погіршення аерації в результаті підвищення вологості грунту, її ущільнення, утворення кірки та інших причин веде до зниження окислювально-відновного процесу. Найбільш різко він падає в грунтах при вологості, близькій до повної вологоємності, коли порушується нормальний газообмін грунтового повітря з атмосферним. Так, різке зменшення потенціалу в гумусових горизонтах дерново-підзолистих грунтів (А п, А 1) спостерігається при зволоженні грунту вище 90% її повної вологоємності. При підвищенні вологості від 10 до 90% повної вологоємності зниження потенціалу йде повільно і поступово.
І.П. Гречин в модельних дослідах встановив, що при пропусканні через грунт газової суміші з 99,5% азоту і 0,5% кисню спостерігається розвиток стійких відновних процесів, що супроводжуються інтенсивним відновлення нітратів і утворенням значних кількостей закису заліза. При оптимальній температурі і вологості в орному горизонті дерново-підзолистого грунту перехід від аеробних умов до анаеробних відбувається при вмісті кисню у грунтовому повітрі 2,5 - 5%.
У дослідах М.В. Курликовой під багаторічними травами в суглинної дерново-підзолистого грунті при вологості її вище 80% повної вологоємності і пористості аерації 6% настав стійкий анаеробіозіс. Істотно впливають на ОВ процеси грунті зміст і форми органічних речовин. Зниження потенціалу при перезволоженні грунту швидко відбувається тільки в гумусових горизонтах. Свіже неразложившиеся органічна речовина, багате білками та розчинними вуглеводами, будучи кращим матеріалом для життєдіяльності мікрофлори, сприяє інтенсивному розвитку відновних процесів в надмірно зволоженому грунті.
Для кількісної характеристики окислювально-відновного стану грунту користуються визначенням окислювально-відновного потенціалу, який відображає сумарний ефект різноманітних окисно-відновних систем грунту в даний момент. Він характеризується наступним рівнянням (мВ):
RT (оксиди)
Еов = Ео + ---- 1n -----------
nF (восст)
де R - універсальна газова стала, Дж, Т - абсолютна температура, ТК; F - число Фарадея, Кл: n - число зарядів, що переносяться однією частинкою (іоном), (оксиди) і (восст) - концентрація окисників і відновників даної системи.
Чим вище концентрація окислювача, тим більше потенціал. Якщо активні концентрації окислювача і відновника рівні, то ставлення
(Оксиди)
----------- = 1, і тоді Еов = Ео.
(Восст)
Потенціал системи, в якій активність окислювача і відновника однакова і дорівнює 1, називається нормальним потенціалом окисно-відновної системи.
Окисно-відновних потенціал по відношенню до водню називають Eh
RT (H +) 2
Eh = Ео + ------ 1n -----
nF (H 2)
Потенціал обчислюють до умовно обраному стандартному електроду; в електрохімії таким прийнятий водневий електрод. Потенціал стандартного нормального водневого електрода умовно вважають рівним нулю. Величину і знак потенціалу будь-якого електрода, що застосовується при визначенні окисно-відновного потенціалу системи, порівнюють з водневим електродом. Наприклад, потенціал насиченого каломельного електрода дорівнює по відношенню до нормального водневого електроду +250 мВ при 18 градусах за Цельсієм. Величина ОВ потенціалу виражається в мілівольтах.
Напруженість окислювально-відновних процесів у грунтах в певною мірою пов'язана з умовами середовища (рН): реакція середовища впливає на інтенсивність і спрямованість мікробіологічних процесів; від неї залежить перехід у розчин компонентів деяких окислювально-відновних систем грунту. Для отримання порівнянних даних по окислювально-відновним умов у середовищах з різними величинами рН Кларк запропонував ввести показник rH 2, що представляє негативний логарифм тиску молекулярного водню і обчислюється за формулою:
Eh
rH 2 =-------+ 2 рН
30
Таким чином, кількісна характеристика окисно-відновного стану грунту може бути виражена через Eh в мілівольтах і через умовну величину rH 2. При rH 2 більше 27 переважають окисні процеси, менше 27 (22-25) - відновні, при інтенсивному розвитку відновних процесів rH 2 менше 20. При визначенні ОР в грунтах стаціонарно встановлюються за профілем електроди.
Прояви окислювально-відновних процесів у грунті залежить від її генетичних властивостей і стану водно-повітряного і температурних режимів. Тому існує розбіжність у розвитку окисно-відновних процесів.
У підзолистих і дерново-підзолистих грунтах нормального зволоження ОВ потенціал складає 550-750 мВ; в чорноземах - 400-600; в сіроземах - 350-450 мВ. Найнижчі потенціали в довгостроково затоплюваних грунтів рисових полів і болотних грунтів. При падінні rH 2 до 200 мВ і нижче починається інтенсивний розвиток відновлювальних процесів з типовими ознаками глееобразованія.
Для більшості грунтових типів характерна неоднорідність ОВ стану їх профілю. Це проявляється в кількох видах: в мінливості ОВ стану за генетичним горизонтам грунтового профілю, в межах одного горизонту в окремих його ділянках і в мінливості ОВ стану профілю грунтів і окремих його горизонтів у часі. Так, багато аморфні грунти характеризуються зниженими показниками ОВ потенціалу у верхніх гумусових горизонтах з поступовим їх збільшенням вниз за профілем. Такий тип розподілу ОВ потенціалу за профілем обумовлений тісним зв'язком окислювально-відновних процесів з мікробіологічної діяльністю та особливою роллю органічної речовини як чинника мікробіологічної активності. У полугідроморфние грунтах з грунтовим додатковим зволоженням найбільш низький потенціал властивий нижнім оглеєних горизонтів.
Для гідроморфних грунтів типова деяка гетерогенність ОВ стану їх профілю при переважанні відновлювальних умов. Неоднорідність ОВ стану в мікрозонах одного і того ж горизонту грунту обумовлена різної мікробіологічної активністю в окремих ділянках у зв'язку з неоднорідним розподілом органічної речовини, різними умовами зволоження і газообміну і т.д. Так, встановлено відмінність у ВВ стані усередині і на поверхні структурних отдельностей гумусових горизонтів грунтів.
Сезонна мінливість водно-повітряного, температурного та мікробіологічного режимів визначає динаміку окислювально-відновних процесів у грунтах, тобто їх окислювально-відновний режим. Під окислювально-відновним режимом грунтів слід розуміти співвідношення окисно-відновних процесів в грунтовому профілі в річному циклі грунтоутворення. Конкретне вираження окислювально-відновного режиму визначається проявом зазначених форм неоднорідності (мінливості) окислювально-відновного стану грунтів у зв'язку з їх генетичними властивостями, особливостями складу і режимів, обумовлених також господарським впливом людини на грунт. Розрізняють такі типи окислювально-відновного режиму грунтів:
1) грунту з абсолютним пануванням окисної обстановки - автоморфні грунту степів, напівпустель і пустель (чорноземи, каштанові, сіро-коричневі, бурі напівпустельні, сіроземи, сіро-бурі та ін);
2) грунту з пануванням окисних умов при можливому прояві відновних процесів в окремі вологі роки або сезони (автоморфні грунту тайгово-лісової зони, вологих субтропіків, листяно-лісової і буроземно-лісової зон);
3) грунту з контрастним окислювально-відновним режимом (полугідроморфние грунту різних зон). Найбільш контрастною динамікою окислювально-відновних процесів характеризуються грунту з тимчасовим надлишковим зволоженням. Такі грунти широко поширені серед підзолистих, дерново-підзолистих, бурих лісових, солод, солонців та інших типів грунтів;
4) грунту з стійким відновлювальних режимом (болотні і гідроморфние солончаки).
Найбільш мінливі показники ОВ потенціалу у верхніх, збагачених органічною речовиною, горизонтах, де спостерігається найбільше коливання в зволоженні грунту і інтенсивніше протікають мікробіологічні процеси. Нижні, бідні органічною речовиною горизонти, де слабо розвинені мікробіологічні процеси і тому немає інтенсивного витрати кисню, зазвичай характеризуються і більш високими показниками потенціалу.
У мінеральних грунтах сталого грунтового заболочування найменший потенціал спостерігається в нижніх горизонтах.
Окислювально-відновні процеси мають вплив на грунтоутворювального процес і родючість грунтів. З ними тісно пов'язані перетворення рослинних залишків, темпи накопичення та складу утворених органічних речовин, а отже, і формування профілю грунтів.
Надмірне зволоження і низькі значення ОВ потенціалу уповільнюють розкладання рослинних залишків, сприяють утворенню найбільш рухливих і активних форм органічних речовин, переходу гумінових кислот у фульвокислоти. З розвитком окисно-відновних процесів пов'язано також перетворення сполук азоту, сірки, фосфору, заліза і марганцю в грунтах.
Оптимальні умови для нітрифікації при Eh = 350 - 500 мВ, при різкому падінні потенціалу розвивається денітрифікація.
Зниження окислювально-відновного потенціалу до 200-250 мВ, а в грубогумусових підзолистих грунтах і до 350-400 мВ призводить до утворення помітних кількостей закисного заліза і рухомого Mn 2 +.
Знання ОВ потенціалу грунтів дозволяє судити про загальну спрямованості окисно - відновних процесів і визначати необхідність застосування заходів щодо регулювання окисно - відновного режиму грунту.
5. Роль грунтового розчину в продукційного процесу
Грунтові розчини служать безпосереднім джерелом живлення рослин. К. Гедройц ще в 1906 році писав, що подальші успіхи агрономії залежать від розвитку досліджень грунтових розчинів з огляду на ту важливу роль, яку вони грають і в грунтоутворенні, і в житті рослин. Зміна концентрації та складу розчинів веде до зміни режиму водного та мінерального живлення рослин, що, природно, безпосередньо відбивається на їхньому розвитку і продуктивності. Тому людина своїми різноманітними впливами на грунт у процесі сільськогосподарського виробництва по суті завжди прагне регулювати тим чи іншим способом склад грунтового розчину, зробити його складу оптимальним для одержання найбільш високої продуктивності агроценозів.
Зрошення та осушення грунтів поряд зі створенням сприятливого водного режиму та режиму аерації дозволяють в одному випадку розбавити занадто концентровані розчини, в іншому - знизити концентрацію оксидних сполук заліза та інших елементів, токсичних для рослин. Внесення добрив сприяє оптимальному утримання у грунтових розчинах елементів-біофіліі. Успіх цих заходів в значній мірі визначається правильністю і точністю інженерних та агрономічних прийомів і, відповідно, функціонуванням агроценозу в цілому.
Для живлення рослин велику роль відіграє осмотичний тиск грунтового розчину. Якщо осмотичний тиск грунтового розчину одно осмотичного тиску клітинного соку рослин або вище його, то надходження води в рослини припиняється. Сосущая сила коріння більшості сільськогосподарських рослин не перевищує 100-120 МПа.
Осмотичний тиск залежить від концентрації грунтового розчину і ступеня дисоціації розчинених речовин. У незасолених грунтах осмотичний тиск складає не більше 10 МПа; великі дози добрив можуть підвищити його до 15-20 МПа. Осмотичний тиск сильно змінюється при зміні вологості грунту, тому що концентрація грунтового розчину при цьому сильно варіює. При зменшенні вологості від НВ до В3 (волога завядания) концентрація розчину змінюється в 5-6 разів і відповідно зростає осмотичний тиск. При підвищення осмотичного тиску грунтового розчину порушується нормальний розвиток сільськогосподарських культур. У пшениці, наприклад, спостерігається затримка кущіння, але прискорюється колосіння, цвітіння і дозрівання, зменшується врожайність, але збільшується вміст білка в зерні.
Осмотичний тиск визначається криоскопическим методом по точці замерзання грунтового розчину.
Найбільш високим осмотичним тиском грунтового розчину характеризуються засолені грунти, особливо важкі за механічним складом, з високою поглинаючою здатністю. У грунтових розчинах середньозасолених грунтів воно складає 30-40 МПа, в Сильнозасолені - 50-60 МПа. При концентрації грунтового розчину 20-50 г / л осмотичним тиск може зростати до 150-260 МПа. На граничне значення осмотичного тиску, при яких волога перестає надходити в рослини, істотний вплив надає склад розчинів. Так, у піщаних грунтах при сульфатно засоленні граничне осмотичний тиск, при якому рослина починає відчувати гострий дефіцит вологи, становить 150 МПа, а при хлоридном засоленні - 260 МПа.
Осмотичний тиск грунтового розчину суттєво відрізняється в різних типах грунтів і в окремих горизонтах однієї і тієї ж грунту:
Вплив засолення грунтів на культурні рослини добре простежується на прикладі бавовнику. Дослідження в Середній Азії показали, що сходи бавовнику переносять концентрацію грунтового розчину, що не перевищує 5-8 г / л. Нормальний розвиток бавовнику в наступних фазах розвитку вимагає, щоб загальна концентрація солей грунтового розчину в орному горизонті не перевищувала 10-12 г / л. Існують два переломних моменти в реакції рослин на підвищення концентрації грунтового розчину. При хлоридно-сульфатно засоленні до концентрації 12 г / л грунтові розчини не токсичні для бавовнику, при концентрації розчину від 12 до 25 г / л бавовник гине. Крайній межа концентрації грунтового розчину, коли рослина бавовнику вже гине - 30 г / л (у цих дослідах грунтові розчини виділялися пресом при тиску 1530 МПа і вологості, рівної НВ).
Для сільськогосподарських рослин вельми несприятливі також лужна реакція грунтового розчину і високий вміст у ньому соди (Na 2 CO 3). Такі умови створюються, зокрема, на засолених лугових грунтах. Грунтовий розчин стовпчастого горизонту солонці містить до 2 г / л соди при рН 8,6, а розчин подсолонцового горизонту має 4 г / л соди при рН 9,1 - 10,0. Ці кількості, безумовно, токсичні для сільськогосподарських культур. Грунти цього типу потребують хімічних меліорацій.
6. Грунтовий розчин в біогеохімічному кругообігу
Грунтовий розчин бере участь в у процесах абіотичних взаємодій і масспереноса в грунтах: сорбційно, комплексо-і хелатообразованіі, фізико-хімічному розкладанні речовин, а також у процесах абіотичного переміщення речовин у грунтах.
Сорбційні процеси характеризуються перерозподілом речовини в іонної і молекулярної формах між твердої, рідкої і газоподібної формами грунту. Тверда фаза грунту завдяки розвиненій поверхні, наявності різних функціональних груп, являє собою складний поліфункціональний сорбент, здатний до одночасного поглинання катіонів. Аніонів та нейтральних молекул. При цьому міцність які виникають зв'язків, механізм поглинання, можливість зворотного переходу сорбованих грунтом часток у розчин або газоподібну фазу дуже сильно варіюють. Зазвичай в грунтах виділяють кілька типів сорбційних взаємодій.
Обмінна і необмінним поглинання іонів, головним чином катіонів, характерно для всіх типів грунтів. Різні грунту залежно від гранулометричного складу, вмісту органічної речовини та інших особливостей, здатні поглинати від одиниць до десятків міліграмів-еквівалентів катіонів на 100 гр. Грунти. При цьому для більшої частини поглинених катіонів дотримується правило оборотності та еквівалентність іонного обміну. Згідно з цим правилом, поглинені катіони твердої фази можуть заміщатися іншими катіонами з грунтового розчину в еквівалентних кількостях. Таким чином, обмінно сорбовані катіони здатні легко переходити в грунтовий розчин, поглинатися рослинами, мігрувати в результаті дифузії, переміщатися з грунтовою вологою і т.д. У той же час поряд з обмінним поглинанням деякі катіони здатні необмінним поглинатися твердою фазою грунту, або, як іноді кажуть, фіксуватися.
Склад поглинених катіонів робить істотний вплив на кореневе живлення, а отже, і на життя рослин. Так, надмірний вміст обмінних водню та алюмінію в кислих грунтах тайговій зони і вологих субтропіків може надавати гальмівну дію на багато культурні рослини і має бути усунуто вапнуванням. Надлишковий вміст обмінних натрію і магнію в засолених грунтах також надає несприятливу дію на родючість грунтів і усувається різними прийомами хімічної меліорації, наприклад, гіпсування. Грунти також обмінно і необмінним поглинають аніони, хоча ця здатність виражена помітно слабкіше, оскільки в грунтах переважають функціональні групи, що несуть негативний заряд. Обмінні і необмінним поглинання іонів показують, що сорбція не тільки массперенос речовини на колоїдному і мікроагрегатного рівні, але і один з видів трансформації речовини, що приводить до виникнення якісно нових поверхонь в грунтах, зміни концентрації іонів у грунтових розчинах. У принципі будь-який тип сорбційного взаємодії в грунті може розглядатися як трасформаціонний абиотический процес.
У грунтах також широко представлені інші види сорбційних взаємодій - поглинання молекул за типом фізичної взаємодії, хімічної взаємодії з утворенням різних за характером і міцності зв'язку сорбційних систем і т.д. Процеси сорбційного закріплення молекул мають виключно важливе значення у збереженні та відносної стабілізації грунтового гумусу, детоксикації багатьох пестицидів, що вносяться в орні грунти.
Комплексо - і хелатообразованіе широко представлено в грунтах завдяки наявності в них багатьох речовин, особливо органічних, здатних здатних утворювати особливий клас більш складних хімічних сполук, що відрізняються характерним будовою, зокрема, наявністю атома металу (рідше неметалла) у певному валентному стані, пов'язаного з одним або кількома здатними до самостійного існування іонами або молекулами. Речовини типу хелатів являють собою особливу групу комплексних сполук.
Комплексо-і хелатообразованіе може протікати в грунтовому розчині практично без участі твердої фази. У результаті цих процесів суттєво змінюються властивості молекул та іонів, що беруть участь у взаємодії. Наприклад, іони металів, що входять до складу комплексних сполук, можуть повністю втратити здатність до обменномк поглинанню, і за рахунок цього суттєво збільшити здатність до переміщення в складі грунтового розчину. Змінюється і здатність до біологічного поглинання закомплексованого іона. В даний час комплексообразованию надається важливе значення в процесах трансформації і міграції речовини у багатьох грунтах.
У грунтах також можуть протікати реакції комплексоутворення, що супроводжуються переходом продуктів взаємодії, що утворюють комплекс, в тверду фазу грунту. У цьому випадку має місце так звана комплексообразовательная сорбція.
Фізико-хімічне розкладання речовини в грунті найбільш вивчено для деяких речовин, що у грунт ззовні, Наприклад, органічних пестицидів, молекула яких розпадаються на більш прості з'єднання. Відомо, що в цьому розпаді певну роль може грати гідроліз, зокрема, за участю гідролітичних ферментів, що утворюються мікробілогіческім шляхом. Деякі компоненти грунту, наприклад гумус, можуть грати роль каталізаторів, істотно прискорюють хімічні процеси. Певна роль відводиться і фоторазложенію - розпаду речовини під дією сонячного світла. Грунтові з'єднання також схильні до розкладання під впливом абіогенних фізико-хімічних чинників, в т.ч. процесів кислотного та лужного гідролізу деяких мінералів.
Грунтові розчини також беруть участь у процесах переміщення речовини. У грунтах, розташованих на територіях з достатньою кількістю атмосферних опадів, спостерігається більш-менш інтенсивне спадний переміщення грунтової вологи, разом з якою переміщаються і розчинені речовини, а також зважені тонкодіс-персние частинки. Цим потокам традиційно відводилося дуже дуже велике місце у формуванні багатьох типів грунтів.
У природних біогеоценозах на грунтах підзолистого типу, в меншою мірою в інших типах грунтів, завдяки низхідній абіогенної міграції здійснюється повернення в кореневмісному шар біофільних елементів, винесених на поверхню грунту біологічним шляхом. Основні ланки біогеохімічного кругообігу речовин у грунтах включають біологічне переміщення речовини знизу вгору і абіотичних міграцію його у зворотному напрямку. Завдяки абіотичної низхідній вертикальної міграції відбувається переміщення добрив, сільськогосподарських отрутохімікатів, різних забруднень за профілем грунтів і часткове їх надходження в грунтові води.
Шляхи вертикальної міграції речовини в грунтах досить складні. У грунтах здійснюється не суцільний фронтальний перенесення вологи і розчинених речовин, а переміщення локалізовано по тріщинах, ходам коренів і т.д. Крім того, напрям потоків внаслідок неоднорідності грунту, наявності постійних і тимчасових водотривів та з інших причин часто більш-менш значно відхиляється від строго вертикального, переходячи в ряді випадків в бічні латеральні потоки.
У процесі міграції змінюється склад грунтового розчину. Це пов'язано з тим, що середня швидкість переміщення розчиненого речовини нижче швидкості переміщення води, тому що вода переміщається по порожнинах і обсягами грунту, не заповненим твердою фазою, а грунтовий розчин внаслідок більшою чи меншою сорбуємість, пемещаясь по тих же каналах, що й вода, періодично входить до складу твердої фази, тобто Одночасно з переміщенням речовини в складі рідкої фази протікають процеси його сорбції та десорбції. При дослідженні швидкості і шляхів переміщення грунтових розчинів зручно використовувати ізотопно-індикаторний, а також лізіметріческій методи. При цьому вдається спостерігати траєкторії переміщення речовини, оцінювати середні швидкості переміщення і т.д. Використовується також метод лізіметріческіх хроматографічних колонок, розроблений Каурічевим і Ноздруновой.
Аналіз сорбованого речовини дозволяє встановити, яке його кількість може виноситися з певної частини грунту або вноситься в неї за час спостереження.
Переміщення речовини з висхідними потоками грунтової вологи зазвичай спостерігається в аридних регіонах, наприклад, в зоні сухих степів, з обмеженою кількістю опадів. Після весняного сніготанення і зволоження грунту в період встановлення жаркої сухої погоди волога починає інтенсивно випаровуватися з поверхні грунту. У цьому випадку при наявності єдиної непорушеною капілярної системи, що характерно для цілинних грунтів, збагачених тонкодисперсними частками (глини, суглинки) відбувається переміщення вологи в значній товщі грунту, порядку декількох десятків сантиметрів і більше. У деяких випадках в переміщення залучаються засолені грунтові води. Таким шляхом формуються поверхневі скупчення солей, іноді утворюють суцільні сольові скоринки.
У незначних масштабах подібні механізми переміщення спостерігалися навіть в орних грунтах гумідної областей (тайгова зона). При цьому було виявлено не тільки переміщення розчинених речовин, але і мулистих часток самого грунту з сорбованих на цих частках речовинами. Висхідний переміщення розчинених речовин є головною причиною розвитку процесів вторинного засолення, яке спостерігається в умовах непомірного зрошення орних грунтів при з'єднанні грунтової вологи з засоленими грунтовими водами. Це явище, пов'язане з помилками при зрошенні, може принести значної шкоди сільському господарству.
Експериментальне дослідження висхідних потоків у грунті проводиться тими ж методами, що і при низхідній вертикальної міграції.
Грунтові розчини беруть участь також в поверхневих і внутріпочвенного переміщеннях речовини, які спостерігаються практично у всіх грунтах. Однак місцеві умови істотно впливають на прояв цих процесів. Так, поверхневий стік особливо розвинений на грунтах важкого механічного складу, що залягають на схилах.
Поверхневого стоку сприяють зливовий характер опадів, інтенсивне танення снігу навесні при більш-менш значній зимовому промерзанні грунту. З поверхневим стоком відбуваються найбільш масштабні абіотичні переміщення речовини в сучасних грунтах, як орних, так і цілинних. Наприклад, винос речовини з еродіруемой ріллі може досягати десятків тонн на гектар у рік. Принципово важливою особливістю міграції речовини з поверхневим стоком є незворотній характер переміщення і виносу речовини з грунту, оскільки основна маса мігруючих сполук потрапляє у води річкового стоку, виноситься в океан, накопичується в донних відкладеннях річок і струмків. У випадку вертикальної низхідній міграції частина речовини може потрапляти в грунтові води і також назавжди губитися з грунту, однак розміри даного виносу для сорбуємість речовин вкрай незначні в порівнянні з винесенням речовини з грунту з поверхневим стоком. При вертикальної міграції речовини в грунтах переважно спостерігається перерозподіл речовини в межах грунтового профілю, а з поверхневим переміщенням - незворотній винос з грунту.
Бічне, або латеральне, переміщення речовини може бути не лише поверхневим, а й внутрішньогрунтовий. Сприятливі для розвитку останнього грунту на так званих двочленних відкладеннях, особливо якщо вони залягають на схилах. У таких грунтах створюється як би внутрішньопрофільна водоупор, зазвичай збігається з іллювіальним горизонтом, по якому і відбувається внутріпочвенного бічне переміщення грунтового розчину. Бічне внутріпочвенного переміщення приблизно порівняти з вертикальною міграцією речовини в грунтах підзолистого типу. Експериментальний матеріал по боковому переміщенню як з проверхностним, так і внутріпочвенного стоком, отримана з використанням стічних майданчиків, що представляють собою обмежену ділянку території (від декількох сотень до декількох тисяч квадратних метрів) на схилі, у нижній частині якого встановлені спеціальні ємності, куди збираються стоки, потім проводиться хімічний аналіз зібраних вод. Використовується також ізотопно-індикаторний метод.
Схематична модель біогеохімічного кругообігу в самому загальному вигляді включає в себе наступні ланки:
1. хімічні форми елемента в грунті;
2. надходження в рослини його доступних форм;
3. перерозподіл елемента по наземних органам і кореневої системи рослин (біологічна міграція);
4. повернення елемента в грунт в трансформованій формі в складі прижиттєвих виділень і з мертвими залишками;
5. утилізація і трансформація рослинних залишків грунтовими тваринами і мікроорганізмами в поєднанні з абіогенним процесами трансформації та міграції речовин до досягнення вихідного стану.
Біогеохімічний круговорот є необхідною умовою існування життя в глобальному масштабі, подібно до того, як обмін речовин є необхідною умовою життя окремого організму. Без грунтового розчину біогеохімічний кругообіг не може здійснитися.
Висновок
Грунтовий розчин - це рідка частина грунту, виключно динамічна за обсягом та складом, що заповнює поровий простір грунту. Зміст і властивості грунтового розчину залежать від водно-фізичних властивостей грунту і від її стану в даний момент відповідно до умов грунтового і атмосферного зволоження при даному стані погоди. У районах з низькими зимовими температурами в холодний сезон рідка фаза грунту переходить в твердий стан (замерзає), перетворюючись на лід, при підвищенні температури частина грунтового розчину може випаруватися, перейти в газову фазу грунту. Рідка фаза - це «кров» грунтового тіла, що служить основним чинником диференціації грунтового профілю, оскільки головним чином шляхом вертикального та латерального пересування води в грунті відбувається в ній переміщення тих чи інших речовин у вигляді суспензій або розчинів, істинних або колоїдних. Грунтовий розчин служить основним і безпосереднім джерелом елементів живлення для рослин. Так як з нього рослини засвоюють більшість поживних речовин. Він створює певне середовище, у якій розвиваються мікроорганізми, і служить, тому основним регулятором мікробіологічної діяльності.
Але в ряді випадків грунтовий розчин може мати несприятливий вплив на умови життя і геофізичне процес.
При високій концентрації грунтового розчину настає так звана фізіологічна сухість, коли наявні в розчині елементи живлення не можуть бути засвоєні мікроорганізмами і рослинами, тому що осмотичний тиск концентрованого грунтового розчину значно перевищує осмотичний тиск соку в клітинах коренів або плазмі мікроорганізмів.
Кисла і лужна реакції грунтового розчину пригнічують розвиток і діяльність мікроорганізмів. До цього ж призводить і присутність в грунтовому розчині ряду сполук, які навіть при малій концентрації згубні для рослин - це сода, сірководень і закисное форми заліза.
Грунтовий розчин відіграє велику роль у грунтоутворенні. Кисла його реакція сприяє подзолообразованію, а висока концентрація легкорозчинних солей призводить до утворення солончаків.
Концентрацію грунтового розчину зменшують промиванням грунту прісними водами. Склад його змінюють внесенням добрив, а реакцію - гіпсування та вапнування. Ці заходи дозволяють створити штучне родючість грунтів. Вплив на родючість грунтів грунтується на тому, що всі фактори життя рослин (елементи живлення, вода, кисень) рівнозначні. Не можна підвищити врожайність, покращуючи лише один з режимів - поживний, водний або повітряний. Однобічно вплив на один з факторів привід до поступового зменшення ефекту (закон спадної родючості.)
Вичерпна знання змісту і властивостей грунтового розчину дозволяють впливати на родючість грунту в умовах сільськогосподарського виробництва, давати обгрунтовані розробки, спрямовані на поліпшення поживного, водного режимів грунтів, на безпечне застосування сільськогосподарських отрутохімікатів, знаходити ефективні прийоми захисту грунтів та інших природних об'єктів від забруднюючих речовин.
Список використовуваної літератури:
1. «Грунтознавство» п / р С. Каурічева, Москва, Агропромиздат, 1989р.
2. «Землеробство з почвоведением» А.М. Ликова, А.А. Короткова, Г.І. Баздирєва, А.Ф. Сафонова Москва, «Колос», 2000 р.
3. «Грунтознавство» «Грунт, біосфера і життя на Землі» А.Д. Фокін Москва, «Наука», 1986 р.
Зниження окислювально-відновного потенціалу до 200-250 мВ, а в грубогумусових підзолистих грунтах і до 350-400 мВ призводить до утворення помітних кількостей закисного заліза і рухомого Mn 2 +.
Знання ОВ потенціалу грунтів дозволяє судити про загальну спрямованості окисно - відновних процесів і визначати необхідність застосування заходів щодо регулювання окисно - відновного режиму грунту.
5. Роль грунтового розчину в продукційного процесу
Грунтові розчини служать безпосереднім джерелом живлення рослин. К. Гедройц ще в 1906 році писав, що подальші успіхи агрономії залежать від розвитку досліджень грунтових розчинів з огляду на ту важливу роль, яку вони грають і в грунтоутворенні, і в житті рослин. Зміна концентрації та складу розчинів веде до зміни режиму водного та мінерального живлення рослин, що, природно, безпосередньо відбивається на їхньому розвитку і продуктивності. Тому людина своїми різноманітними впливами на грунт у процесі сільськогосподарського виробництва по суті завжди прагне регулювати тим чи іншим способом склад грунтового розчину, зробити його складу оптимальним для одержання найбільш високої продуктивності агроценозів.
Зрошення та осушення грунтів поряд зі створенням сприятливого водного режиму та режиму аерації дозволяють в одному випадку розбавити занадто концентровані розчини, в іншому - знизити концентрацію оксидних сполук заліза та інших елементів, токсичних для рослин. Внесення добрив сприяє оптимальному утримання у грунтових розчинах елементів-біофіліі. Успіх цих заходів в значній мірі визначається правильністю і точністю інженерних та агрономічних прийомів і, відповідно, функціонуванням агроценозу в цілому.
Для живлення рослин велику роль відіграє осмотичний тиск грунтового розчину. Якщо осмотичний тиск грунтового розчину одно осмотичного тиску клітинного соку рослин або вище його, то надходження води в рослини припиняється. Сосущая сила коріння більшості сільськогосподарських рослин не перевищує 100-120 МПа.
Осмотичний тиск залежить від концентрації грунтового розчину і ступеня дисоціації розчинених речовин. У незасолених грунтах осмотичний тиск складає не більше 10 МПа; великі дози добрив можуть підвищити його до 15-20 МПа. Осмотичний тиск сильно змінюється при зміні вологості грунту, тому що концентрація грунтового розчину при цьому сильно варіює. При зменшенні вологості від НВ до В3 (волога завядания) концентрація розчину змінюється в 5-6 разів і відповідно зростає осмотичний тиск. При підвищення осмотичного тиску грунтового розчину порушується нормальний розвиток сільськогосподарських культур. У пшениці, наприклад, спостерігається затримка кущіння, але прискорюється колосіння, цвітіння і дозрівання, зменшується врожайність, але збільшується вміст білка в зерні.
Осмотичний тиск визначається криоскопическим методом по точці замерзання грунтового розчину.
Найбільш високим осмотичним тиском грунтового розчину характеризуються засолені грунти, особливо важкі за механічним складом, з високою поглинаючою здатністю. У грунтових розчинах середньозасолених грунтів воно складає 30-40 МПа, в Сильнозасолені - 50-60 МПа. При концентрації грунтового розчину 20-50 г / л осмотичним тиск може зростати до 150-260 МПа. На граничне значення осмотичного тиску, при яких волога перестає надходити в рослини, істотний вплив надає склад розчинів. Так, у піщаних грунтах при сульфатно засоленні граничне осмотичний тиск, при якому рослина починає відчувати гострий дефіцит вологи, становить 150 МПа, а при хлоридном засоленні - 260 МПа.
Осмотичний тиск грунтового розчину суттєво відрізняється в різних типах грунтів і в окремих горизонтах однієї і тієї ж грунту:
| Грунт | Горизонт | Осмотичний тиск грунтового розчину, Па | Грунт | Горизонт | Осмотичний тиск грунтового розчину, Па |
| Чорнозем | А + В 1 | 2,05 * 10 5 | Мокрий солончак | Перший | 11,2 * 10 5 |
| У 2 | 1,68 * 10 5 | Другий | 13,6 * 10 5 | ||
| У 3 | 3,80 * 10 5 | Солод | А 2 | 0,20 * 10 5 | |
| Солонець стовпчастий | А | 1,56 * 10 5 | У 2 | 1,90 * 10 5 | |
| У 1 | 0,40 * 10 5 | У \ З | 1,56 * 10 5 | ||
| У 2 | 6,38 * 10 5 |
Для сільськогосподарських рослин вельми несприятливі також лужна реакція грунтового розчину і високий вміст у ньому соди (Na 2 CO 3). Такі умови створюються, зокрема, на засолених лугових грунтах. Грунтовий розчин стовпчастого горизонту солонці містить до 2 г / л соди при рН 8,6, а розчин подсолонцового горизонту має 4 г / л соди при рН 9,1 - 10,0. Ці кількості, безумовно, токсичні для сільськогосподарських культур. Грунти цього типу потребують хімічних меліорацій.
6. Грунтовий розчин в біогеохімічному кругообігу
Грунтовий розчин бере участь в у процесах абіотичних взаємодій і масспереноса в грунтах: сорбційно, комплексо-і хелатообразованіі, фізико-хімічному розкладанні речовин, а також у процесах абіотичного переміщення речовин у грунтах.
Сорбційні процеси характеризуються перерозподілом речовини в іонної і молекулярної формах між твердої, рідкої і газоподібної формами грунту. Тверда фаза грунту завдяки розвиненій поверхні, наявності різних функціональних груп, являє собою складний поліфункціональний сорбент, здатний до одночасного поглинання катіонів. Аніонів та нейтральних молекул. При цьому міцність які виникають зв'язків, механізм поглинання, можливість зворотного переходу сорбованих грунтом часток у розчин або газоподібну фазу дуже сильно варіюють. Зазвичай в грунтах виділяють кілька типів сорбційних взаємодій.
Обмінна і необмінним поглинання іонів, головним чином катіонів, характерно для всіх типів грунтів. Різні грунту залежно від гранулометричного складу, вмісту органічної речовини та інших особливостей, здатні поглинати від одиниць до десятків міліграмів-еквівалентів катіонів на 100 гр. Грунти. При цьому для більшої частини поглинених катіонів дотримується правило оборотності та еквівалентність іонного обміну. Згідно з цим правилом, поглинені катіони твердої фази можуть заміщатися іншими катіонами з грунтового розчину в еквівалентних кількостях. Таким чином, обмінно сорбовані катіони здатні легко переходити в грунтовий розчин, поглинатися рослинами, мігрувати в результаті дифузії, переміщатися з грунтовою вологою і т.д. У той же час поряд з обмінним поглинанням деякі катіони здатні необмінним поглинатися твердою фазою грунту, або, як іноді кажуть, фіксуватися.
Склад поглинених катіонів робить істотний вплив на кореневе живлення, а отже, і на життя рослин. Так, надмірний вміст обмінних водню та алюмінію в кислих грунтах тайговій зони і вологих субтропіків може надавати гальмівну дію на багато культурні рослини і має бути усунуто вапнуванням. Надлишковий вміст обмінних натрію і магнію в засолених грунтах також надає несприятливу дію на родючість грунтів і усувається різними прийомами хімічної меліорації, наприклад, гіпсування. Грунти також обмінно і необмінним поглинають аніони, хоча ця здатність виражена помітно слабкіше, оскільки в грунтах переважають функціональні групи, що несуть негативний заряд. Обмінні і необмінним поглинання іонів показують, що сорбція не тільки массперенос речовини на колоїдному і мікроагрегатного рівні, але і один з видів трансформації речовини, що приводить до виникнення якісно нових поверхонь в грунтах, зміни концентрації іонів у грунтових розчинах. У принципі будь-який тип сорбційного взаємодії в грунті може розглядатися як трасформаціонний абиотический процес.
У грунтах також широко представлені інші види сорбційних взаємодій - поглинання молекул за типом фізичної взаємодії, хімічної взаємодії з утворенням різних за характером і міцності зв'язку сорбційних систем і т.д. Процеси сорбційного закріплення молекул мають виключно важливе значення у збереженні та відносної стабілізації грунтового гумусу, детоксикації багатьох пестицидів, що вносяться в орні грунти.
Комплексо - і хелатообразованіе широко представлено в грунтах завдяки наявності в них багатьох речовин, особливо органічних, здатних здатних утворювати особливий клас більш складних хімічних сполук, що відрізняються характерним будовою, зокрема, наявністю атома металу (рідше неметалла) у певному валентному стані, пов'язаного з одним або кількома здатними до самостійного існування іонами або молекулами. Речовини типу хелатів являють собою особливу групу комплексних сполук.
Комплексо-і хелатообразованіе може протікати в грунтовому розчині практично без участі твердої фази. У результаті цих процесів суттєво змінюються властивості молекул та іонів, що беруть участь у взаємодії. Наприклад, іони металів, що входять до складу комплексних сполук, можуть повністю втратити здатність до обменномк поглинанню, і за рахунок цього суттєво збільшити здатність до переміщення в складі грунтового розчину. Змінюється і здатність до біологічного поглинання закомплексованого іона. В даний час комплексообразованию надається важливе значення в процесах трансформації і міграції речовини у багатьох грунтах.
У грунтах також можуть протікати реакції комплексоутворення, що супроводжуються переходом продуктів взаємодії, що утворюють комплекс, в тверду фазу грунту. У цьому випадку має місце так звана комплексообразовательная сорбція.
Фізико-хімічне розкладання речовини в грунті найбільш вивчено для деяких речовин, що у грунт ззовні, Наприклад, органічних пестицидів, молекула яких розпадаються на більш прості з'єднання. Відомо, що в цьому розпаді певну роль може грати гідроліз, зокрема, за участю гідролітичних ферментів, що утворюються мікробілогіческім шляхом. Деякі компоненти грунту, наприклад гумус, можуть грати роль каталізаторів, істотно прискорюють хімічні процеси. Певна роль відводиться і фоторазложенію - розпаду речовини під дією сонячного світла. Грунтові з'єднання також схильні до розкладання під впливом абіогенних фізико-хімічних чинників, в т.ч. процесів кислотного та лужного гідролізу деяких мінералів.
Грунтові розчини також беруть участь у процесах переміщення речовини. У грунтах, розташованих на територіях з достатньою кількістю атмосферних опадів, спостерігається більш-менш інтенсивне спадний переміщення грунтової вологи, разом з якою переміщаються і розчинені речовини, а також зважені тонкодіс-персние частинки. Цим потокам традиційно відводилося дуже дуже велике місце у формуванні багатьох типів грунтів.
У природних біогеоценозах на грунтах підзолистого типу, в меншою мірою в інших типах грунтів, завдяки низхідній абіогенної міграції здійснюється повернення в кореневмісному шар біофільних елементів, винесених на поверхню грунту біологічним шляхом. Основні ланки біогеохімічного кругообігу речовин у грунтах включають біологічне переміщення речовини знизу вгору і абіотичних міграцію його у зворотному напрямку. Завдяки абіотичної низхідній вертикальної міграції відбувається переміщення добрив, сільськогосподарських отрутохімікатів, різних забруднень за профілем грунтів і часткове їх надходження в грунтові води.
Шляхи вертикальної міграції речовини в грунтах досить складні. У грунтах здійснюється не суцільний фронтальний перенесення вологи і розчинених речовин, а переміщення локалізовано по тріщинах, ходам коренів і т.д. Крім того, напрям потоків внаслідок неоднорідності грунту, наявності постійних і тимчасових водотривів та з інших причин часто більш-менш значно відхиляється від строго вертикального, переходячи в ряді випадків в бічні латеральні потоки.
У процесі міграції змінюється склад грунтового розчину. Це пов'язано з тим, що середня швидкість переміщення розчиненого речовини нижче швидкості переміщення води, тому що вода переміщається по порожнинах і обсягами грунту, не заповненим твердою фазою, а грунтовий розчин внаслідок більшою чи меншою сорбуємість, пемещаясь по тих же каналах, що й вода, періодично входить до складу твердої фази, тобто Одночасно з переміщенням речовини в складі рідкої фази протікають процеси його сорбції та десорбції. При дослідженні швидкості і шляхів переміщення грунтових розчинів зручно використовувати ізотопно-індикаторний, а також лізіметріческій методи. При цьому вдається спостерігати траєкторії переміщення речовини, оцінювати середні швидкості переміщення і т.д. Використовується також метод лізіметріческіх хроматографічних колонок, розроблений Каурічевим і Ноздруновой.
Аналіз сорбованого речовини дозволяє встановити, яке його кількість може виноситися з певної частини грунту або вноситься в неї за час спостереження.
Переміщення речовини з висхідними потоками грунтової вологи зазвичай спостерігається в аридних регіонах, наприклад, в зоні сухих степів, з обмеженою кількістю опадів. Після весняного сніготанення і зволоження грунту в період встановлення жаркої сухої погоди волога починає інтенсивно випаровуватися з поверхні грунту. У цьому випадку при наявності єдиної непорушеною капілярної системи, що характерно для цілинних грунтів, збагачених тонкодисперсними частками (глини, суглинки) відбувається переміщення вологи в значній товщі грунту, порядку декількох десятків сантиметрів і більше. У деяких випадках в переміщення залучаються засолені грунтові води. Таким шляхом формуються поверхневі скупчення солей, іноді утворюють суцільні сольові скоринки.
У незначних масштабах подібні механізми переміщення спостерігалися навіть в орних грунтах гумідної областей (тайгова зона). При цьому було виявлено не тільки переміщення розчинених речовин, але і мулистих часток самого грунту з сорбованих на цих частках речовинами. Висхідний переміщення розчинених речовин є головною причиною розвитку процесів вторинного засолення, яке спостерігається в умовах непомірного зрошення орних грунтів при з'єднанні грунтової вологи з засоленими грунтовими водами. Це явище, пов'язане з помилками при зрошенні, може принести значної шкоди сільському господарству.
Експериментальне дослідження висхідних потоків у грунті проводиться тими ж методами, що і при низхідній вертикальної міграції.
Грунтові розчини беруть участь також в поверхневих і внутріпочвенного переміщеннях речовини, які спостерігаються практично у всіх грунтах. Однак місцеві умови істотно впливають на прояв цих процесів. Так, поверхневий стік особливо розвинений на грунтах важкого механічного складу, що залягають на схилах.
Поверхневого стоку сприяють зливовий характер опадів, інтенсивне танення снігу навесні при більш-менш значній зимовому промерзанні грунту. З поверхневим стоком відбуваються найбільш масштабні абіотичні переміщення речовини в сучасних грунтах, як орних, так і цілинних. Наприклад, винос речовини з еродіруемой ріллі може досягати десятків тонн на гектар у рік. Принципово важливою особливістю міграції речовини з поверхневим стоком є незворотній характер переміщення і виносу речовини з грунту, оскільки основна маса мігруючих сполук потрапляє у води річкового стоку, виноситься в океан, накопичується в донних відкладеннях річок і струмків. У випадку вертикальної низхідній міграції частина речовини може потрапляти в грунтові води і також назавжди губитися з грунту, однак розміри даного виносу для сорбуємість речовин вкрай незначні в порівнянні з винесенням речовини з грунту з поверхневим стоком. При вертикальної міграції речовини в грунтах переважно спостерігається перерозподіл речовини в межах грунтового профілю, а з поверхневим переміщенням - незворотній винос з грунту.
Бічне, або латеральне, переміщення речовини може бути не лише поверхневим, а й внутрішньогрунтовий. Сприятливі для розвитку останнього грунту на так званих двочленних відкладеннях, особливо якщо вони залягають на схилах. У таких грунтах створюється як би внутрішньопрофільна водоупор, зазвичай збігається з іллювіальним горизонтом, по якому і відбувається внутріпочвенного бічне переміщення грунтового розчину. Бічне внутріпочвенного переміщення приблизно порівняти з вертикальною міграцією речовини в грунтах підзолистого типу. Експериментальний матеріал по боковому переміщенню як з проверхностним, так і внутріпочвенного стоком, отримана з використанням стічних майданчиків, що представляють собою обмежену ділянку території (від декількох сотень до декількох тисяч квадратних метрів) на схилі, у нижній частині якого встановлені спеціальні ємності, куди збираються стоки, потім проводиться хімічний аналіз зібраних вод. Використовується також ізотопно-індикаторний метод.
Схематична модель біогеохімічного кругообігу в самому загальному вигляді включає в себе наступні ланки:
1. хімічні форми елемента в грунті;
2. надходження в рослини його доступних форм;
3. перерозподіл елемента по наземних органам і кореневої системи рослин (біологічна міграція);
4. повернення елемента в грунт в трансформованій формі в складі прижиттєвих виділень і з мертвими залишками;
5. утилізація і трансформація рослинних залишків грунтовими тваринами і мікроорганізмами в поєднанні з абіогенним процесами трансформації та міграції речовин до досягнення вихідного стану.
Біогеохімічний круговорот є необхідною умовою існування життя в глобальному масштабі, подібно до того, як обмін речовин є необхідною умовою життя окремого організму. Без грунтового розчину біогеохімічний кругообіг не може здійснитися.
Висновок
Грунтовий розчин - це рідка частина грунту, виключно динамічна за обсягом та складом, що заповнює поровий простір грунту. Зміст і властивості грунтового розчину залежать від водно-фізичних властивостей грунту і від її стану в даний момент відповідно до умов грунтового і атмосферного зволоження при даному стані погоди. У районах з низькими зимовими температурами в холодний сезон рідка фаза грунту переходить в твердий стан (замерзає), перетворюючись на лід, при підвищенні температури частина грунтового розчину може випаруватися, перейти в газову фазу грунту. Рідка фаза - це «кров» грунтового тіла, що служить основним чинником диференціації грунтового профілю, оскільки головним чином шляхом вертикального та латерального пересування води в грунті відбувається в ній переміщення тих чи інших речовин у вигляді суспензій або розчинів, істинних або колоїдних. Грунтовий розчин служить основним і безпосереднім джерелом елементів живлення для рослин. Так як з нього рослини засвоюють більшість поживних речовин. Він створює певне середовище, у якій розвиваються мікроорганізми, і служить, тому основним регулятором мікробіологічної діяльності.
Але в ряді випадків грунтовий розчин може мати несприятливий вплив на умови життя і геофізичне процес.
При високій концентрації грунтового розчину настає так звана фізіологічна сухість, коли наявні в розчині елементи живлення не можуть бути засвоєні мікроорганізмами і рослинами, тому що осмотичний тиск концентрованого грунтового розчину значно перевищує осмотичний тиск соку в клітинах коренів або плазмі мікроорганізмів.
Кисла і лужна реакції грунтового розчину пригнічують розвиток і діяльність мікроорганізмів. До цього ж призводить і присутність в грунтовому розчині ряду сполук, які навіть при малій концентрації згубні для рослин - це сода, сірководень і закисное форми заліза.
Грунтовий розчин відіграє велику роль у грунтоутворенні. Кисла його реакція сприяє подзолообразованію, а висока концентрація легкорозчинних солей призводить до утворення солончаків.
Концентрацію грунтового розчину зменшують промиванням грунту прісними водами. Склад його змінюють внесенням добрив, а реакцію - гіпсування та вапнування. Ці заходи дозволяють створити штучне родючість грунтів. Вплив на родючість грунтів грунтується на тому, що всі фактори життя рослин (елементи живлення, вода, кисень) рівнозначні. Не можна підвищити врожайність, покращуючи лише один з режимів - поживний, водний або повітряний. Однобічно вплив на один з факторів привід до поступового зменшення ефекту (закон спадної родючості.)
Вичерпна знання змісту і властивостей грунтового розчину дозволяють впливати на родючість грунту в умовах сільськогосподарського виробництва, давати обгрунтовані розробки, спрямовані на поліпшення поживного, водного режимів грунтів, на безпечне застосування сільськогосподарських отрутохімікатів, знаходити ефективні прийоми захисту грунтів та інших природних об'єктів від забруднюючих речовин.
Список використовуваної літератури:
1. «Грунтознавство» п / р С. Каурічева, Москва, Агропромиздат, 1989р.
2. «Землеробство з почвоведением» А.М. Ликова, А.А. Короткова, Г.І. Баздирєва, А.Ф. Сафонова Москва, «Колос», 2000 р.
3. «Грунтознавство» «Грунт, біосфера і життя на Землі» А.Д. Фокін Москва, «Наука», 1986 р.