5.3. Почвенный раствор, его состав и свойства

Дождевая вода, поступающая в почву, содержит некоторое количество растворенных веществ: газов атмосферного воздуха (О₂, СО₂, N₂, NH₄ и др.) и других химических соединений (например, солей). Вода в почве активно взаимодействует с отдельными компонентами газообразной и твердой фаз и, таким образом, представляет собой почвенный раствор.

Почвенный раствор является средой, в которой осуществляется миграция и дифференциация химических элементов в процессе почвообразования. Он участвует в процессах преобразования минеральных и органических соединений, питания растений.

Состав и концентрация почвенного раствора зависят от характера почвы, материнской породы, растительности, времени года и т.д. и существенно изменяются по генетическим горизонтам одного и того же типа почв. В нем в виде ионов, молекул и коллоидов содержатся минеральные, органические и органоминеральные вещества. Кроме того, в почвенном растворе присутствуют растворенные газы: кислород, углекислый газ и др.

Основные анионы (, и ) поступают в почвенный раствор преимущественно в результате биологических процессов.

Концентрация ионов , Cl^–, , обусловлена растворением соответствующих минералов и разрушением растительных остатков. Почвенный раствор содержит постоянно значительные количества катионов Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, , K⁺, H⁺, в некоторых почвах Al³⁺, Fe³⁺, Fe²⁺. Помимо минеральных соединений, в почвенном растворе всегда присутствуют водорастворимые органические соединения: фульвокислоты, аминокислоты, сахара, спирты и др.

Концентрация почвенного раствора обычно невелика и не превышает нескольких граммов вещества на литр. Исключение составляют засоленные почвы, где концентрация может достигать десятков и сотен граммов на литр.

Важнейшими свойствами раствора являются его реакция (кислая, нейтральная или щелочная) и величина осмотического давления. Осмотическое давление раствора определяется количеством частиц (ионов, молекул или коллоидных частиц), находящихся в единице объема раствора. Поэтому растворы, содержащие легкорастворимые соли, обладают высоким осмотическим давлением. В засоленных почвах оно в 3-4 раза выше, чем в незасоленных. Если осмотическое давление почвенного раствора равно или больше, чем давление клеточного сока растений, то прекращается поступление воды в растение и оно погибает от физиологической сухости.

6. Газовая фаза почвы

6.1. Состав и свойства газовой фазы почвы

Наряду с твердым веществом и почвенным раствором важной составляющей почвы является почвенный воздух. Суммарный объем почвенных пор (порозность) составляет от 25 до 60 % объема почвы. Часть порового пространства, не занятая влагой, заполнена воздухом. Соотношение между почвенным воздухом и водой определяется степенью увлажнения почвы.

Состав почвенного воздуха существенно отличается от атмосферного:

Компонент	Азот	Кислород	Диоксид углерода
воздух, % по объему:
атмосферный	78	21	0,03
почвенный	78-80	0,1-20,9	0,1-15

Это явление объясняется биологическими процессами, совершающимися в почве. Корни растений, микроорганизмы и почвообитающие животные потребляют кислород и выделяют диоксид углерода (СО₂). Незначительная часть кислорода расходуется на химические процессы окисления.

Воздух в почве находится в нескольких состояниях: свободном (в крупных капиллярных и некапиллярных порах); защемленном (в порах, изолированных водными пробками); адсорбированном (на поверхности частиц) и растворенном (в почвенной воде). Лучше всего растворяются в воде аммиак, сероводород, диоксид углерода. По способности сорбироваться газы располагаются в следующей последовательности: N₂ < O₂ < CO₂ < NH₃. Более активно, чем газы, частицы почвы поглощают пары воды.

Азот. Содержание азота зависит от развития микробиологических процессов; в частности, оно может уменьшаться в результате связывания его свободно-живущими азотфиксирующими организмами и клубеньковыми растениями, а увеличиваться вследствие распада белков и денитрификации азотсодержащих веществ под действием микроорганизмов. В болотных и заболоченных почвах почвенный воздух может содержать заметные количества NH₃, CH₄, H₂, H₂S.

кислород. Огромная роль кислорода в биосфере в целом и в почвенном воздухе в частности общеизвестна. Достаточное количество кислорода обеспечивает необходимый уровень микробиологической деятельности, дыхание корней растений и почвенных животных, при этом в почве преобладают аэробные процессы окисления. Дефицит кислорода угнетает развитие корневых волосков, вызывает массовую гибель всходов растений, провоцирует развитие болезнетворных микроорганизмов, вызывающих корневую гниль. Полный анаэробный процесс, согласно И.П. Гречину, начинается при снижении содержания кислорода до 2,5 %, однако длительное сохранение концентрации О₂ около 10-15 % уже угнетает воздухолюбивые культуры. При содержании кислорода менее 5 % большая часть растений гибнет. Концентрация кислорода в различных почвах в разные сезоны колеблется в широких пределах от десятых долей до 21 %. Оптимальные условия для развития растений создаются при его содержании около 20 %. Содержание кислорода в почвенном воздухе контролирует окислительно-восстановительный режим почв.

Углекислый газ. по мнению некоторых ученых, углекислый газ атмосферы на 90 % имеет почвенное происхождение. Процессы дыхания и разложения, непрерывно протекающие в почвах, постоянно пополняют атмосферные запасы СО₂. На протяжении суток почвы выделяют от 10-20 до 100 кг СО₂ с 1 га. Биологическое значение этого газа многосторонне. С одной стороны, он обеспечивает ассимиляционный процесс растений (искусственное повышение концентрации СО₂ в атмосфере теплиц вызывает увеличение скорости фотосинтеза и дает 50-100-процентный прирост урожая). В то же время, избыток СО₂ в составе почвенного воздуха (более 3 %) угнетает развитие процессов, замедляет прорастание семян, сокращает интенсивность поступления воды в растительные клетки. Таким образом, оптимальные уровни концентрации СО₂ в составе почвенного воздуха колеблются в пределах 0,3-3,0 %. Однако при оптимальном содержании кислорода вредное действие углекислого газа проявляется только при высокой его концентрации.

Почвенно-химическая и геохимическая роль диоксида углерода весьма существенна. Вода, насыщенная СО₂, растворяет многие труднорастворимые соединения: кальцит CaCO₃, доломит CaCO₃  MgCO₃, магнезит MgCO₃, сидерит FeCO₃. Это вызывает миграцию карбонатов в почвенном профиле и в сопряженных геохимических ландшафтах. Вынос (выщелачивание) карбонатов под действием увеличивающейся концентрации СО₂ в почвенном воздухе и в почвенном растворе называется процессом декарбонизации.

К воздушным свойствам почв относятся воздухоемкость и воздухопроницаемость.

Воздухоемкость – та часть объема почвы, которая занята воздухом при данной влажности. В сухих почвах она может колебаться в пределах 25-90 % от объема почвы. Однако в природных условиях почва всегда содержит влагу, и ее воздухоемкость ниже указанных пределов. Нормальная аэрация обеспечивается при воздухоемкости более 15 % от объема почвы.

Воздухоемкость почв зависит также от гранулометрического состава, сложения, степени оструктуренности. Различают капиллярную воздухоемкость, характерную для тяжелосуглинистых, бесструктурных, плотных, набухающих почв, и некапиллярную, т.е. воздухоемкость межагрегатных пор, трещин и камер, достигающую максимальных значений в хорошо оструктуренных, слабоуплотненных почвах.

Воздухопроницаемость – способность почвы пропускать воздух. Она зависит от гранулометрического состава почвы, ее оструктуренности, от объема и строения порового пространства. Воздух передвигается по порам, не заполненным водой и не изолированным друг от друга. Крупные поры аэрации способствуют лучшей воздухопроницаемости, увеличению в почвенном воздухе содержания кислорода и уменьшению углекислого газа. Наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости создаются в структурных почвах. Воздухопроницаемость в естественных условиях изменяется в широких пределах (от 0 до 1 л/с и выше).