ХИМИЯ ПОЧВЫ

БУФЕРНОСТЬ ПОЧВ. Актуальная реакция почвы. Методы определения буферности почв

Одним из важнейших свойств почвенного раствора является его реакция, которая определяется активной концентрацией водородных ионов (рН),— так называемая актуальная реакция почвы.

Величина актуальной реакции почвы, как и другие свойства почвенного раствора, находится в тесной связи со свойствами твердых фаз почвы и, прежде всего, со свойствами ее коллоидной фракции благодаря адсорбционным равновесиям, устанавливающимся между частицами и раствором. Разные типы почв соответственно характеру их коллоидов обладают разными величинами рН почвенного раствора. Так, при наличии ионов Н или А1 среди обменных катионов рН почвенного раствора имеет низкие значения, присутствие Na-ионэ в компенсирующем слое, наоборот, приводит к повышенным значениям рН. Реакция почвенного раствора не является постоянной. Целый ряд процессов, идущих в почве (процессы выветривания, жизнедеятельность микрофлоры, микрофауны, корневых систем высших растений), влечет за собой образование избытка кислот или оснований. Кроме того, в почву вносят удобрения, которые в результате неравномерного использования растениями анионов и катионов приводят к появлению физиологической кислотности или щелочности почвенного раствора. Известь вносят специально для повышения рН почвы.

При изучении различных почв было замечено, что для некоторых из них колебания рН невелики, что реакция их раствора более или менее стабильна и не легко поддается смещению. Другие почвы характеризуются большей легкостью сдвига реакции. Принято называть буферностью почвы ее способность противостоять изменению реакции: чем больше почва буферит, тем труднее сместить ее реакцию в кислую или щелочную сторону. Буферность почвы — очень существенная ее характеристика, которую необходимо принимать во внимание в ряде случаев, особенно в связи с применением минеральных удобрений.

Буферность почвы в основном определяется свойствами ее твердых фаз и, главным образом, ее коллоидов Появляющиеся в растворе кислота или щелочь тотчас же вступают во взаимодействие с почвенными коллоидами, как наиболее активной частью твердых фаз. В результате этого взаимодействия часть кислоты или щелочи исчезает из раствора, нейтрализуется, и, следовательно, сдвиг реакции ослабляется.

Рассмотрим возможные реакции взаимодействия между почвенными коллоидами, с одной стороны, и кислотами и щелочами,— с другой.

а) Когда мы приводим почву в соприкосновение с кислотой, прежде всего происходит реакция обмена между обменными катионами почвы и Н+-кислоты:

Мы видим, что в результате взаимодействия с почвой кислота исчезает из раствора (нейтрализуется): ее водородный ион оказывается связанным с твердой фазой почвы, а в растворе появляются нейтральные соли.

б) При взаимодействии почвы со щелочью Н или А1 компенсирующего слоя отрицательных коллоидов обмениваются с катионами щелочи:

Щелочь нейтрализуется, вместо нее появляется вода (2) или выпадает осадок А1 (ОН)3 (3).

Кроме того, допустимо предположение, что NaOH или Са(ОН)2 при их добавлении к почве могут быть поглощены в двойном электрическом слое без обмена

Таким образом, возможен целый ряд реакций между почвенными коллоидами и растворами кислот и щелочей. Чем в большей мере осуществляются эти реакции, тем полнее происходит нейтрализация, тем меньше сместится реакция почвы и тем, следовательно, большей буферностью обладает почва.

Помимо почвенных коллоидов, твердые фазы почвы могут содержать и некоторые другие факторы буферности, а именно: малорастворимые простые соли основного или кислого характера; эти соли более или менее легко взаимодействуют с растворами и ослабляют сдвиг реакции. Среди таких солей наибольшее значение имеет СаС03 и менее распространенный MgC03, присутствие которых не позволяет реакции сдвинуться в сторону кислой.

Существует несколько методов определения буферности почв. Опишем здесь кратко метод, предложенный О. Аррениусом, который заключается в следующем: в ряд маленьких конических колб вносят навески почвы, по 10 г каждая; затем в часть колб приливают убывающее количество НС1, а в другие — возрастающие количества Са(ОН)2; объем жидкости доводится водой до 20 мл в каждой колбочке. Таким образом, получаем ряд:

№ колб 1, 23456789 10 11 мл Са(ОН2) (в пересчете на 0,1 н)   НС1—0,1 н.

10 864202468 10 мл Н20 10 12 14 16 18 20 18 16 14 12 10

После встряхивания колбы оставляют стоять до следующего дня, а затем производится фильтрование и определение рН в фильтратах. Результаты определений используются для построения графика, причем на оси ординат откладывают величины рН, а на оси абсцисс — соответствующие им количества кислоты или щеЛочи; получается так называемая кривая титрования. Для суждения о размере буферности почвы на тот же график наносится кривая титрования для материала, лишенного всякой буферной способности (чистый кварцевый песок). Чем больше буферит почвы, тем резче ее кривая титрования или кривая буферности будет отставать от кривой титрования песка ( 36).

Для выражения буферности среди других способов предложено определение буферной площади — площади между кривой титрования для данной почвы и основной кривой для песка. На  36 видно, что эта площадь разбивается на две части: для кислой и щелочной области. Для первой почвы буферность в щелочкой среде равняется 7,29 см2, а в кислой стороне — 5,24 см2. Для второй почвы эти же величины: 14,60 и 12,97 см2 соответственно. Таким образом, вторая почва обладает большей буферностью и в кислой, и в щелочной среде, чем первая. Это значит, что одинаковые количества кислоты или щелочи производят более значительный сдвиг рН в первой почве, чем во второй.

Рассмотрим теперь, от каких свойств почвы зависит ее буферность и как она выражена в различных почвах.

а) Влияние количества коллоидов (механического состава почвы). Так как буферность почвы в основном определяется, как мы видели выше, взаимодействием кислоты или щелочи с почвенными коллоидами, то совершенно ясно, что в первую очередь буферность связана с количеством коллоидов, т. е. с механическим составом почвы. Чем больше коллоидов в почве, тем выше ее буферность. Легкие песчаные почвы почти не обладают буферностью и приближаются в этом отношении к песку. Наоборот, в глинистых почвах буферность выражена сильнее.

Малая буферность песчаных почв заставляет быть чрезвычайно осторожным при применении на них удобрений. Физиологически кислые соли, такие, как (NH4)2S04, могут значительно снизить их рН. Известь при несоответствующей буферности дозе слишком резко повышает их рН.

б) Значение состава внутренней части (гранулы) почвенных коллоидов. Отчетливее всего связь между составом внутренней части почвенных коллоидов частиц (гранул) и буферностью почвы проявляется для аморфных гелей. При этом ацидоиды и базоиды обладают совершенно различными буферными свойствами. Для того чтобы исключить влияние обменных ионов, изучение буферности в зависимости от состава гранулы проводится с электродиализован- ными коллоидами L. Маттсон (19326) получал кривые титрования для искусственных алюмосиликатов. Компенсирующий слой чистого электродиализованного геля А1(ОН)3 состоит из ОН--ионов. Такой коллоид буферит почти исключительно в кислом интервале ( 37, кривая /). Чистый электродиализованный ацидоид (H2Si03) содержит в диффузном слое только Н+-ион и буферит в щелочном интервале ( 37, кривая II). Аморфные алюмосиликаты, представляющие собой комплексные частички, имеют различные отношения ацидоидов к базоидам (А : В). Их буферные свойства в зависимости от состава гранулы приближаются или к свойствам ацидоидов, или к свойствам базоидов.

Коллоид, содержащий больше А1203 и меньше Si02(Al203-0,37Si02) ( 37), дает кривую титрования, приближающуюся к кривой чистого

геля А1(ОН)3 (кривая III). Второй коллоид с преобладанием Si02(Al203 X x2,8Si02) по кривой титрования ближе к гелю Si02.

в) Значение состава обменных катионов. Решающее влияние на характер почвенной буферности оказывает состав ионов компенсирующего слоя, причем, поскольку в почвах преобладают отрицательные коллоиды, нас в первую очередь интересуют обменные катионы. Из тех схем реакций между почвами и растворами, которые даны выше (стр. 198)-, ясно, что наличие большого количества катионов Са, Mg , Na и др. создает значительную буферность в кислую сторону. С другой стороны, почвы, имеющие Н+ или А13+ на поверхности и способные поглощать щелочь, сильно буферят в щелочную сторону.

Черноземы, дерновые почвы, солонцы, содержащие на поверхности много «нейтральных» катионов (или оснований), очень стойки к подкислению: небольшие количества кислоты сразу нейтрализуются ими. Подзолистые почвы, красноземы, наоборот, легко подкисляются. Вот почему на черноземах вполне допустимо применение физиологически кислых удобрений, а на подзолистых почвах эти удобрения требуют осторожности и при систематическом использовании заставляют известковать почвы для нейтрализации накапливающейся кислотности. С другой стороны, если мы хотим повысить рН почвы, то количество извести, нужное для этого, различно в зависимости от буферности почвы в щелочную сторону. Чем эта буферность больше, тем больше кислотность почвы, тем большие дозы извести надо применять для нейтрализации почвы ().