Кислотность почвы

Кислотность почвы, также реакция среды почвенного раствора, или реакция среды почвы, — свойство почвы, обусловленное наличием ионов водорода в почвенном растворе и обменных ионов водорода и ионов алюминия, железа (III), марганца в почвенном поглощающем комплексе (ППК).

Определение

Реакция среды почвенного раствора — соотношение концентрации ионов водорода H⁺ и гидроксид-ионов OH^- почвенного раствора, выраженное в виде показателя ионов водорода (pH) водной или солевой вытяжки. Показатель pH определяется по уравнению:

$${pH = - \lg (С_{H^+}),}$$

где C_H⁺ — концентрация ионов водорода в растворе, моль/дм³.

В чистой воде концентрация ионов водорода совпадает с концентрацией гидроксид-иона и равна 1⋅10^-7 моль/л, то есть pH = 7.

В почвенном растворе содержится углекислый газ, растворённый в воде (ошибочно называемый "углекислотой"), который диссоциирует на ионы водорода H⁺ и гидрокарбонат-ионы HCO₃^2-:

$${H_2O + CO_2 = H^+ + НСО_3^-.}$$

Кислотность, создаваемая в этом случае, нейтрализуется поглощёнными почвой основаниями и карбонатами кальция и магния:

$${Ca(HCO_3)_2 + 2H_2O = Ca(OH)_2 + 4H^+ + 2CO_3^{2-};}$$

$${Mg(HCO_3)_2 + 2H_2O = Mg(OH)_2 + 4H^+ + 2CO_3^{2-}.}$$

Образующиеся в результате этой реакции ионы водорода оказывают подкисляющее действие на почвенный раствор.

При наличии в поглощающем комплексе почвы натрия в раствор образуются гидрокарбонат и карбонат натрия:

$${Na^+ + H_2O + CO_2 = NaHCO_3 + H^+;}$$

$${NaHCO_3 + H_2O = NaOH + 2H^+ + CO_3^{2-}.}$$

Помимо углекислого газа, в почве могут содержаться органические кислоты, образующиеся в результате жизнедеятельности почвенной биоты и растений.

Кроме растворённого углекислого газа и органических кислот почвенный раствор могут подкислять соли алюминий, железо (III), марганца.

Значение

Реакция среды почвенного раствора оказывает влияние на питательный режим почв, деятельность микроорганизмов почвы, трансформацию питательных элементов удобрений и почвы, агрофизические, агрохимические, физико-химические и биологические свойства почв. Избыточная кислотность подавляет деятельность полезной микрофлоры почвы (аммонификаторов, нитрификаторов, азотобактера и др.) и благоприятствует развитию болезнетворных бактерий и грибов. Кислая реакция среды отрицательно отражается на росте и развитии растений. Высокая концентрация ионов водорода ухудшает физико-химическое состояние протоплазмы клеток корневой системы, препятствует её росту, нарушает проницаемость корневых мембран и обмен веществ в корнях, ухудшая тем самым условия питания растения.

Косвенно реакция почвенной среды влияет на плодородие: повышенная кислотность приводит к увеличению подвижности гумусовых соединений и вымыванию их за пределы пахотного слоя, воздействие ионов водорода H⁺ на минеральную часть почвы приводит к её обеднению коллоидными частицами. Закисление почвы вызывает недостаток обменных кальция и магния, что резко ухудшает структуру, ёмкость поглощения, буферность. Кислая среда повышает концентрацию токсичных для растений алюминия и марганца и уменьшает подвижность некоторых элементов, например, молибдена, создавая нарушения в питательном режиме почв. Повышенная кислотность угнетающе действует на почвенную биоту, прежде всего нитрифицирующие и азотфиксирующие бактерии, дождевых червей, клещей, ногохвосток. В целом, биологическая активность кислых почв существенно ниже, чем у нейтральных.

Почвы с избыточной кислотность характеризуются:

низким содержанием подвижных форм азота, фосфора, калия, микроэлементов;
неблагоприятными агрохимическими, агрофизическими свойства;
повышенным содержанием подвижных форм алюминия и марганца;
низкой биологической активностью;
негативным влиянием высокой концентрации ионов водорода H⁺ на физико-химическое состояние протоплазмы, рост корневой системы и обмен веществ растений;
развитием патогенной микрофлоры, например, грибов пенециллиума, фузариума, трикходерма;
мобилизацией тяжёлых металлов.

Систематическое внесение физиологически кислых удобрений, например, аммиачной селитры, ухудшает агрохимические свойства почвы, что снижает урожай культур.

Таблица. Влияние агрохимических свойств почвы на урожай ячменя (после 18 лет применения аммиачной селитры).

Урожай, ц/га	Сумма поглощённых оснований, ммоль на 100 г почвы	Обменная кислотность, ммоль на 100 г почвы	Гидролитическая кислотность, ммоль на 100 г почвы	Степень насыщенности основаниями, %
25-30	12-15	0,5	3,5	86-90
20-25	8-15	1	3-4	60-90
15-20	6-13	1,5-2,0	3-8	50-60
10-15	4-5	2,0	7-8	50
5-10	4-5	2,5	7-8	50
5	4-5	3,0	9-10	40-50
Коэффициент корреляции	+0,81	-0,89	-0,65	+0,85

Виды кислотности почвы

Кислотность почвы различают на актуальную и потенциальную (обменную и гидролитическую).

Актуальная кислотность

Актуальная кислотность почвенного раствора обусловлена наличием ионов водорода и гидрокарбонат-ионов, а также растворимыми органическими кислотами и гидролитически кислыми солями. На актуальную кислотность почв также влияет образующаяся в процессе жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий азотная кислота и физиологически кислые удобрения, например, NH₄Cl, (NH₄)₂SO₄.

Определяется как pH почвенного раствора или водной вытяжки из почвы.

Потенциальная кислотность

Потенциальная кислотность обусловлена обменно-поглощёнными почвенным поглощающим комплексом (ППК) ионами водорода, алюминия, железа (III) и марганца. В зависимости от способности к обменному вытеснению этих ионов другими ионами потенциальная кислотность подразделяется на обменную и гидролитическую.

Обменная кислотность

Обменная кислотность обусловлена наличием в ППК ионов водорода, алюминия, железа и марганца, которые могут вытесняться катионами нейтральных солей, в том числе от удобрений, например, KCl, КNO₃, K₂SO₄:

$${Al^{3+} + 3H_2O = Al(ОН)_3 + 3H^+;}$$

$${Fe^{3+} + 3H_2O = Fe(ОН)_3 + 3H^+.}$$

В слабокислых почвах обменная кислотность незначительная, в щелочных — отсутствует. Обменная кислотность кислых почв переходит в актуальную при взаимодействии твёрдой фазы почвы с водорастворимыми удобрениями, мелиорантами и солями, растворёнными в почвенном растворе.

Величина обменной кислотности служит показателем необходимости известкования почв. Величину обменной кислотности выражают в pH солевой вытяжки (pH_сол), то есть суспензии почвы в 1 н. растворе КCl, или в миллиграмм-эквивалентах на 100 г почвы. При обработке почвы раствором нейтральной соли (KCl) в почвенной суспензии наряду с имевшейся актуальной кислотностью, появляются вытесненные из ППК катионы, обусловливающие обменную кислотность, поэтому величина обменной кислотности всегда больше, чем актуальной.

Гидролитическая кислотность

Гидролитическая кислотность обусловлена частью катионов ППК потенциальной кислотности, которые могут вытесняться при обработке почвы 1 н. раствором щелочной соли, например ацетатом натрия CH₃COONa:

$${CH_3COONa + H_2O = CH_3COOH + Na^+ + OH^-.}$$

Щелочная реакция водного раствора этой соли позволяет более полно, чем нейтральная КCl, вытеснить из ППК ионы водорода, алюминия, железа и марганца:

$${ППК \begin{array}{c} HH \\ Al \\ FeFe \end{array} + 14CH_3COONa + 12H_2O \to ППК \begin{array}{c} 2Na \\ 6Na \\ 6Na \end{array} + 14CH_3COOH + 2Al(OH)_3 + 2Fe(OH)_3.}$$

Гидролитическая кислотность (H_г) определяется как кислотность, включающая актуальную, обменную и гидролитическую. Она больше обменной и выражается в миллиграмм-эквивалентах на 100 г почвы.

При отсутствии актуальной и обменной кислотности гидролитическая кислотность не вредна для растений и микроорганизмов. Это отмечается на всех чернозёмах, кроме южных.

Гидролитическая кислотность имеет значение при определении степени насыщенности почв основаниями (Г) и для обоснования замены суперфосфатов фосфоритной мукой (фосфоритование). Для кислых почв, таких как болотные, подзолистые и дерново-подзолистые, серые лесные, краснозёмы, желтозёмы величина гидролитической кислотности позволяет определить оптимальную норму внесения извести.

Классификация почв по реакции среды

Суммарная площадь пахотных земель стран СНГ с повышенной кислотностью составляет около 40-45 млн га, нуждающихся в известковании — более 55-60 млн га. Прежде всего к ним относятся дерново-подзолистые, светло-серые и серые лесные, болотные почвы и краснозёмы.

Реакция почвенных растворов может колебаться от pH = 2,5-3,5, характерная для сфагновых торфов и лесных подстилок сфагновых лесов, до pH = 9-11 у солонцов.

По реакции среды (pH) почвы делятся на:

очень сильнокислые — <4,0 (pH_сол),
сильнокислые — 4,1-4,5,
среднекислые — 4,6-5,0,
слабокислые — 5,1-6,0,
нейтральные — 6,1-7,4,
слабощелочные — 7,5-8,5 (pH_вод),
сильнощелочные — 8,6-10,0,
резкощелочные — >10,0.

Свойства

Реакция почвенного раствора различных почв зависит от состава поглощённых катионов и содержания карбонатов. Если в поглощающем комплексе высокое содержание натрия (солонцы, солончаки), то реакция почвенного раствора определяется наличием карбонатов натрия. У этих почв она достигает 8-8,5. При преобладании в поглощающем комплексе катионов кальция или карбонатов кальция и магния (карбонатные почвы, многие чернозёмы), реакция обуславливается преимущественно гидрокарбонатом кальция; pH таких почв 7-8. Если в почве, кроме кальция и магния, содержится алюминий и водород (выщелоченные и деградированные чернозёмы, дерново-подзолистые почвы) реакция почвенного раствора обуславливается одновременным присутствием ионов водорода и гидрокарбоната кальция, а также растворимых органических кислот и их солей. Чем меньше концентрация кальция и больше водорода, тем больше реакция среды будет смещаться в кислую сторону.

Оптимальная кислотность почвы

Для большинства возделываемых сельскохозяйственных культур благоприятны почвы с нейтральной или близкой к нейтральной реакцией. Интервал pH 6,0-7,0 соответствует наиболее агрономически благоприятной структуре почвы, высокому качеству гумуса, оптимальному водному режиму и условий жизнедеятельности почвенной биоты.

Группы культур по отношению к кислотности почв и известкованию

Для некоторых культур оптимальная реакция может смещаться в более кислую сторону или находится в широком диапазоне pH. Все растения в течение первых 2-3 недели с момента прорастания чувствительны к неблагоприятной реакции среды. Например, люцерна, сахарная свёкла и хлопчатник не переносят кислых почв, другие напротив, предпочитают слабокислую реакцию: люпин, картофель, гречиха, лён.

По отношению к кислотности почвы и отзывчивости на внесение извести сельскохозяйственные культуры условно подразделяются на пять групп.

Культуры первой группы характеризуются наибольшей чувствительностью к реакции среды, оптимальной является слабощелочная среда с pH_вод = 7,0-8,0; pH_KCl = 6,8-7,5. К ним относятся: сахарная, кормовая и столовая свёкла, капуста белокочанная, горчица, люцерна, эспарцет, рапс, лук, чеснок, сельдерей, шпинат, перец, пастернак, соя, конопля, смородина, хлопчатник. Эти культуры на очень кислых почвах снижают урожайность в 2-3 раза, растения сильно поражаются болезнями. Почвы, предназначенные для возделывания культур первой группы, подлежат известкованию в первую очередь.
Культуры второй группы характеризуются оптимальной реакцией почвы близкой к нейтральной, с оптимальным значением pH_KCl = 6,0-6,5. Понижение кислотности до pH 4,5 приводит к снижению урожайности культур этой группы в 1,5-2 раза, повышает заболеваемость. К культурам второй группы относятся: пшеница, ячмень, кукуруза, клевер, горох, вика, фасоль, нут, чина, чечевица, цветная и кормовая капуста, кольраби, турнепс, брюква, салат, лук-порей, огурец, костёр, лисохвост. Хорошо отзываются на известкование.
Культуры третьей группы переносят умеренно кислую и щелочную почвы, не имеют выраженного оптимального значения реакции среды. На их рост влияют сопутствующие факторы. При благоприятном питательном режиме они могут давать хорошие урожаи в диапазоне pH_KCl от 5 до 7,5. Оптимальной принято считать слабокислую среду с pH 5,5-6,0. Растения третьей группы положительно реагируют на известкование сильно- и среднекислых почв. К культурам третьей группы относятся озимая рожь, овёс, гречиха, томат, подсолнечник, морковь, тыква, кабачки, петрушка, редька, репа, ревень, топинамбур, тимофеевка.
Культуры четвертой группы относятся культуры хорошо переносящие умеренно кислую реакцию почвы, оптимальное значение pH_KCl = 5,1-5,6. Для льна оптимальные значения находятся в диапазоне pH 5,5-6,0, картофеля и ягодных культур — pH 4,5-6,5. Эти культуры положительно отзываются на известкование при сохранении оптимального соотношения между кальцием, калием, магнием, бором и другими питательными веществами. Избыток кальция вызывает снижение урожайности и качества продукции, у картофеля увеличивается поражаемость паршой, льна — бактериозом. Нейтрализация избыточной кислотности снижает доступность для этих культур бора, меди, цинка, а избыток кальция затрудняет поступление калия и магния. Известкование под культуры четвертой группы эффективно при сильнокислой реакции среды. К культурам этой группы относятся картофель, лён-долгунец, просо, сорго, малина, земляника и крыжовник.
Культуры пятой группы характеризуются оптимальным значением реакции почвы при pH_KCl = 4,5-4,8. Малочувствительны к избыточной кислотности, известкование проводят только на очень сильнокислых почвах с pH_KCl < 4,0, так как кальций может отрицательно влиять на рост этих культуры, особенно при прорастании и в начальные фазы роста. К культурам пятой группы относятся: щавель, чай, кофе, какао, люпин жёлтый и синий, козлятник, сераделла.

Для большинства сельскохозяйственных культур при прорастании и в начальные фазы роста требуется среда близкая к нейтральной — pH_KCl 5,8-6,2 или pH_вод — 6,4-7,0.

Оптимальные значения pH для роста и развития одной и той же культуры могут отличаться в зависимости от типа почвы. На почвах с повышенным содержанием органического вещества и лёгкого гранулометрического состава оптимальный интервал pH смещается в кислую сторону.

Физиологический (биологический) оптимум реакции среды для растений может отличаться от экологического (технологического), который связан с подвижностью элементов питания и условиями развития болезней. Например, для растений картофеля и льна, если почва не заражена болезнями, биологический оптимум составляет pH_KCl 6,0-6,2, однако в условиях поражения болезнями (картофель при нейтральной и слабощелочной реакции поражается паршой, вызываемой актиномицетами, лён — фузариозом), в полевых условиях урожайность и качество этих культур выше при pH_KCl 5,2-5,6, то есть при экологическом оптимуме. Несовпадение биологического и экологического оптимума реакции среды для многих сельскохозяйственных культур обусловливается изменением доступности питательных веществ при изменении pH почвы.

Оптимальные уровни кислотности в севооборотах

Следует учитывать изменение доступности макро- и микроэлементов при известковании. Известкование почвы с pH выше 6,6 неэффективно, так как увеличивается вынос и вымывание кальция из почвы и снижается подвижность микроэлементов, за исключением молибдена. Известковые удобрения имеют длительное действие, поэтому учитывают отношение к ней всех (или ведущих) культур севооборота, то есть специализацию севооборота и гранулометрический состав почвы.

В таблице представлены ориентировочные оптимальные уровни pH_KCl почв для севооборотов с различной специализацией. Оптимальными на дерново-подзолистых и серых лесных почвах являются нормы внесения извести, близкие к полным по гидролитической кислотности, обеспечивающие реакцию pH_сол 5,4-5,8.

Таблица. Ориентировочные оптимальные уровни реакции почв (pH_KCl) для севооборотов различных типов.

Гранулометрический состав почвы	Типы севооборотов					Культурные пастбища и сенокосы
Гранулометрический состав почвы	1	2	3	4	5	злаковые	бобово-злаковые
Песчаные и супесчаные	5,0-5,3	5,3-5,5	5,8-6,0	5,5-6,0	5,8-6,0	5,2-5,4	5,4-5,6
Лёгко- и среднесуглинистые	5,5-5,6	5,5-6,0	6,0-6,2	5,8-6,0	6,0-6,2	5,4-5,6	5,6-5,9
Тяжелосуглинистые и глинистые	5,5-5,8	5,8-6,2	6,2-6,5	6,0-6,2	6,2-6,5	5,6-5,8	6,0-6,2
Торфяные	4,6-4,8	4,8-5,2	5,2-5,8	5,0-5,4	5,2-5,6	4,6-4,8	5,0-5,2

Факторы, увеличивающие кислотность почвы

Кислотность почвы может быть обусловлена внесением физиологически кислых минеральных удобрений, которые в результате поглощения растениями, накапливают ионы водорода в почве.

К основным факторам закисления почв относится вынос с урожаем и вымывание кальция и магния. Вынос кальция и магния может достигать от десятков до сотен килограммов с 1 га. Наибольшим выносом характеризуются капуста, люцерна, клевер, отличающиеся высокой чувствительностью к кислотности почвы.

На потерю кальция и магния от вымывания оказывает промывной водный режим почвы, зависящий от обилия атмосферных осадков. Например, на кислых почвах вымывание может составить 200-300 кг/га, на карбонатных — существенно больше. Лёгкие по гранулометрическому составу почвы при промывном водном режиме теряют значительно больше кальция и магния.

Управление

Главным агротехническим приёмом регулирования кислотности почв является — известкование — внесение карбоната кальция CaCO₃.

Для щелочных солонцовых почв применяют гипсованием — внесением сульфата кальция CaSO₄ (гипс).

Щёлочность

В щелочных почвах, таких как южные чернозёмы, каштановые и солонцовые, различают актуальную и потенциальную щёлочность.

Актуальная щёлочность

Актуальная щёлочность обусловлена наличием в почвенном растворе гидролитически щелочных солей, например, Na₂CO₃, K₂CO₃, NaHCO₃, KHCO₃, Mg(HCO₃)₂, Ca(HCO₃)₂, MgCO₃.

Актуальная щёлочность определяется в водной вытяжке почвы. Выражается в мг·экв/100 г почвы или pH_вод.

Актуальная щёлочность служит показателем нуждаемости почв в нейтрализации избыточной щёлочности путём гипсования или кислования.

Потенциальная щёлочность

Потенциальная щёлочность проявляется в почвах, ППК которых в обменно-поглощённом состоянии содержится натрий, способный при его вытеснении в раствор увеличивать щёлочность почвенного раствора:

$${ППК \begin{array}{c} Ca \\ Na \\ Na \end{array} + Ca(HCO)_3 \rightleftarrows ППК \begin{array}{c} Ca \\ Ca \end{array} + 14NaHCO_3.}$$

По содержанию натрия в ППК определяют необходимость почвы в нейтрализации избыточной щёлочности и нормы расхода гипсосодержащих материалов или технических кислот.

Литература

Баздырев Г. И., Лошаков В. Г., Пупонин А. И. и др. Земледелие. Учебник для вузов. М.: Издательство «Колос». 2000
Минеев В. Г., Сычёв В. Г., Гамзиков Г. П. и др. Агрохимия. Учебник. / Под ред. Минеева В. Г. М.: Изд-во ВНИИА им. Д. Н. Прянишникова. 2017
Ягодин Б. А., Жуков Ю. П., Кобзаренко В. И. Агрохимия. / Под ред. Б. А. Ягодина М.: Колос. 2002