Рівень кислотності ґрунту: вплив вмісту певних поживних елементів

У першій частині статті доктора біологічних наук Сергія Хаблака було висвітлено можливі негативні впливи на ґрунт азотних, фосфорних і калійних добрив та яких властивостей вони набувають залежно від насичення кальцієм та магнієм. У другій частині мова піде про залежність рівня кислотності від вмісту певних елементів у ґрунті.

Типи ґрунтів та їхні властивості у різних природних зонах України

Підвищений вміст кальцію і магнію характерний для ґрунтів Степу (чорноземи звичайні, південні, темно-каштанові), середній — ґрунтів Лісостепу (чорноземи типові), низький — ґрунтів Полісся (дерново-підзолисті). Високий вміст кальцію і магнію мають глинисті ґрунти. Особливо бідні на кальцій і магній сильноопідзолені кислі ґрунти легкого гранулометричного складу.

Вплив мінеральних добрив на властивості ґрунту та ҐВК

Головною рисою більшості ґрунтів зони Лісостепу є однорідність материнських порід (леси) та суглинковий гранулометричний склад. ґрунти Лісостепу (чорноземи типові), на відміну від ґрунтів Полісся, містять більше гумусу (1,5-4,5%), поживних речовин (середній вміст рухомого фосфору, середній вміст рухомого калію), неглибоке залягання карбонатів, близько до нейтральної реакцію ґрунтового розчину, мають кращі водно-фізичні та біологічні властивості. Реакція ґрунтового розчину слабокисла або близька до нейтральної (рНсол 5,6-6,8). Ґрунти насичені основами кальцію і магнію. Ємність обмінних катіонів досить висока (26-35 мг-екв на 100 г ґрунту), ступінь насиченості основами 90-95%.

Ґрунти Степу (чорноземи звичайні, південні та темно-каштанові) утворилися внаслідок розкладання рослинних решток в умовах непромивного режиму (рис. 1). Гранулометричний склад чорноземів звичайних важкосуглинкові та легкосулинкові види. Сума вбирних основ становить від 20 до 50 мг-екв./100 г ґрунту. Вміст гумусу в основних ґрунтах цієї зони становить від 2,3 до 4,5%, реакція ґрунтового розчину близька до нейтральної, насиченість основами висока. Ґрунти мають низький вміст рухомого фосфору, високий вміст рухомого калію.

Поліська і лісостепова зони забезпечені рухомими фосфатами краще, ніж степова. Низький вміст рухомого фосфору у ґрунтах Степу залежить від складу катіонів у ґрунтовому вбирному комплексі і пов’язаний з зав’язуванням фосфат-іонів (Н 2 РО _{4 –} , НРО _{4 –} , РО _{4 –} ) іонами Са, Мg, Fe і АI. У кислих дерново-підзолистих ґрунтах утворюються малорозчинні фосфати Fe і АI. В нейтральних і карбонатних ґрунтах (чорноземи, сіроземи) основними фіксаторами фосфору є кальцій і магній. Фосфор, зв’язаний з АI, в 1-6 разів доступніший для рослин, ніж фосфати Fe, а фосфати Fe у 8-18 разів доступніші, ніж фосфати Са. В темно-каштанових ґрунтах вміст обмінного натрію не перевищує 3-5%, однак у засолених ґрунтах він значно вищий. Чорноземи звичайні мають високу потенційну родючість, проте нестача опадів обмежує їх широке використання. Для більшості ґрунтів зони найефективнішим є фосфорні добрива, після них — азотні, а найнижча дія калійних.

Обсяги втрат кальцію і магнію ґрунтами залежить від багатьох факторів: гранулометричного складу ґрунту, суми опадів, доз мінеральних добрив, кислотності, вмісту кальцію та магнію в ґрунті, видового складу вирощуваних культур у сівозмінах та інших умов.

Найбільше кальцію і магнію втрачається з ґрунту внаслідок вимивання і виносу урожаєм. На різних за складом ґрунтах із ґрунту за рік може бути вимито від кількох десятків до 200-400 кг/га і більше кальцію. Щорічні витрати магнію можуть досягати 20-40 кг/га. Кальцій та магній в 1,5-2 і більше разів вимивається з легких за гранулометричним складом ґрунтів порівняно із важкими. Втрати карбонатів з орних ґрунтів значною мірою залежать від їх гранулометричного складу, зменшуючись від піщаних до глинистих ґрунтів.

Вплив виносу елементів живлення рослинами на формування системи удобрення

Немає жодного елементу, який у підзолистому ґрунті виносився б із нього в таких величезних кількостях, як кальцій. Вимивання обмінних основ із орних ґрунтів нерідко сягає 300-400 кг/га СаСО 3 і до 100 кг/га МgСО3, що набагато перевищує втрати азоту, фосфору, калію та інших елементів живлення. На супіщаних ґрунтах втрати становили 0,9-1,0 кг СаО і 0,14-0,19 кг МgО, а на суглинкових — 0,5 СаО і 0,06-0,07 кг МgО на 1,0 кг поживних речовин, внесених із мінеральними добривами.

Великі втрати кальцію з фільтруючими водами, які досягають декілька сотень кілограмів елементу з 1 га в рік, відмічені в країнах Західної Європи (Німеччина, Англія, Франція), де випадає велика кількість атмосферних опадів. Цей фактор, безумовно, є вирішальним у процесі збіднення ґрунтів основами. В Англії і Уельсі внаслідок вимивання із ґрунту щорічно втрачається близько 2 млн. тонн СаСО₃, що приблизно відповідає загальній кількості внесених вапнякових добрив. При цьому втрати кальцію з гектара орних земель у 1,4 раза більше, ніж на луках і пасовищах. В Англії щорічно вилуговується від 56 до 336 кг/га кальцію (у середньому до 168 кг/га), що в перерахунку на карбонат складає 420 кг. Піщаний ґрунт щорічно втрачав з дренажними водами від 380 до 1000 кг/га СаСО₃ у залежності від дози внесеного вапна.

Однією з основних причин підкислення ґрунтів є вимивання обмінних основ атмосферними опадами у нижні горизонти. Також збільшення втрат кальцію з ґрунту, його підкислення, руйнування структури відбувається за впливу кислотних опадів, які утворюються в результаті викидів в атмосферу оксидів сірки і азоту промисловими підприємствами.

У Поліссі та на більшій частині території Лісостепу відновлення кислотності у провапнованих ґрунтах з часом пов’язане як з виносом обмінних основ Ca₂₊ і Mg₂₊ врожаями сільськогосподарських культур (150-180 кг/га щорічно), так і з підкисленням ґрунтів атмосферними опадами й особливо фізіологічно кислими азотними добривами (витрачається від 40 кг до 300 кг СаСО₃ на 100 кг добрив). Підкислююча дія азотних добрив виявляється не тільки в негативному впливі на реакцію ґрунтового середовища, але й у посиленні процесу вилуговування обмінних основ кальцію і магнію з ґрунту. Так, у західних районах ясно-сірі лісові ґрунти, залежно від системи удобрення культур і доз вапна, щорічно втрачали від 230 до 570 кг/га карбонату кальцію. Від 400 до 600 кг/га СаСО₃ втрачалося з орних ґрунтів північно-західної частини території Росії. У всіх наведених прикладах мова йде лише про орний шар ґрунту і про втрати за рахунок вилуговування опадами.

Тримай руку на пульсі важливих агрономічних новин та подій

Втрати кальцію і магнію з ґрунту від застосування мінеральних добрив ведуть до порушення ґрунтових процесів у вигляді підвищення кислотності та погіршення фізичних, фізико-хімічних і мікробіологічних його властивостей. На сірому лісовому ґрунті встановлено, що при збільшенні дози азотного добрива з 60 кг діючої речовини до 240 кг/га інтенсивність вилуговування кальцію збільшилась у 4 рази. Це, насамперед, пов’язано з обмінними фізикохімічними реакціями добрив з твердою фазою ґрунту, що зумовлює надходження у ґрунтовий розчин значної кількості аніонів сильних кислот. Ґрунт підкислюється, що зумовлює підвищення рухомості поживних речовин та інших простих солей і винесення їх низхідним просоченням води у нижні шари і за межі ґрунтового профілю.

Крім того, значна кількість обмінних основ кальцію і магнію виноситься врожаями сільськогосподарських культур (150–180 кг/га щорічно). Лише цукрові буряки за врожаю 400 ц/га виносять з ґрунту 70,0 кг/га кальцію і 25,0 кг магнію. Менше споживають кальцій з ґрунту зернові культури і льон (20–40 кг СаО на 1 га), дуже багато виносять капуста, конюшина, люцерна, люпин (до 250 кг СаО і більше), багато потребує його картопля (85-170 кг СаО). Потреба рослин у магнії також залежить від культур сівозміни. Багато виносять його із ґрунту цукрові і кормові буряки (60-70 кг), картопля (40-60 кг МgО на 1 га). Зернові культури потребують 10-14 кг, злакові трави — 20-30 кг, бобові трави — 33-49 кг і люпин — 20-40 кг МgО на 1 га. Бідні цим елементом піщані і супіщані ґрунти, у яких запаси його в орному шарі складають 30-180 кг МgО на 1 га. Тому важливою умовою є застосування кальцієвих і магнієвих добрив для досягнення оптимального співвідношення Ca:Mg. За внесення одних кальцієвмісних меліорантів може скластися несприятливе співвідношення, унаслідок чого погіршується засвоєння магнію рослинами, виникає його дефіцит.

На фото нижче показано поле сої з дерново-підзолистими кислими ґрунтами, що мають низький уміст рухомих сполук калію, кальцію і магнію, але містять високий вміст водню та алюмінію та до середньої кількості доступного фосфору.

Ґрунти характеризуються вкрай несприятливими фізичними властивостями і поживним режимом. Це пухка, незв’язна маса піску, яка розпадається на окремі механічні елементи, а тому повністю позбавлена структури. При цьому водопроникність їх висока, а вологоємність — низька. Атмосферні опади в них не затримуються, вони легко просочуються вниз, ґрунт швидко висихає до стану критичної вологості, внаслідок чого він не може створити необхідний для рослин запас продуктивної вологи. На фотографії видно пожовтіння країв листової пластинки сої. Це типовий недолік калію у ґрунті. При чому спостерігається крайній ступінь нестачі калію в ґрунті, що значною мірою позначається на зменшенні врожайності.

Роль Ca i Mg у підвищенні кислотності ґрунту

Кальцій і магній є найважливішими елементами у складі катіонів ҐВК. Перш ніж починати будь-яку програму удобрення культур, слід встановити не вміст рН ґрунту, не кількість макро- і мікроелементів, а відсоток насичення ґрунту основами Са та Mg відносно повної обмінної ємкості.

Для більшості типів ґрунтів оптимальний середній відсоток насиченості ґрунту кальцієм повинен бути 65%, а магнієм — 15%. При цьому не лише важливо усунути як дефіцит цих двох елементів у складі ҐВК, так і їх надлишок. Багато господарств через велику вартість фосфорних та калійних добрив вносять у ґрунт тільки азотні добрива. При цьому під впливом азоту ґрунт втрачає кальцій, що призводить до змін в оптимальному складі катіонів ҐВК, погіршення родючості і важливих властивостей ґрунту. Кальцій витісняється з ґрунту надмірною кількістю азоту. Азот у вбирному комплексі ґрунту призводить до зменшення вмісту кальцію і зростання вмісту магнію. Це одна із причин, чому вважається, що азот з безводного аміаку підвищує щільність ґрунту.

Гроші на вітер. Чому точне землеробство без аналізу ґрунту безглузде

Насправді, саме надмірна кількість магнію через зменшення кількості кальцію і збільшення його вмісту ущільнює ґрунт. На кожен відсоток кальцію, втраченого під впливом азоту, на 1% зростає кількість магнію. Виведення із ґрунту 10% кальцію під дією азоту призводить до підвищення рівня магнію на 10%. Якщо вміст магнію або кальцію у ґрунті зависокий, рослини не можуть засвоїти достатньо калію. За підвищенням вмісту кальцію або магнію іони К + , Na + , H + витісняються з вбирного комплексу і вимиваються з ґрунту. Кальцій і магній є антагоністами калію, водню і натрію в ҐВК. Надмірне внесення кальцієвих або магнієвих добрив може спричинити нестачу не тільки катіонів Н, Na, але і калію у ґрунті. Тому надмірне внесення кальцію у ґрунт і досягнення рН ґрунтового середовища вище 6,5 потребує також внесення калію у ґрунт при його низького вмісту невеликими дозами добрив через можливість вимивання данного катіону із вбирного комплексу. Внаслідок антагонізму кальцію і калію виникає потреба збільшення доз калійних добрив за низького його вмісту під час вапнування на ґрунтах з реакцією, близькою до нейтральної. Одночасно з поліпшенням калійного режиму ґрунту підвищується також ефективність вапнування.

Регулювання вмісту калію та магнію у ґрунті

Чорноземні ґрунти Лісостепу і Степу містять значну кількість доступного для рослин калію. Вони також багаті на необмінний калій, який активно переходить у рухомі форми, тому ефективність калійних добрив на цих ґрунтах незначна. Особливо чітко це простежується на ґрунтах важкого гранулометричного складу. Проте перехід необмінного калію у рухомі форми до складу ҐВК при його низькому вмісті на ґрунтах важкого гранулометричного складу при рН ґрунту вище 6,5 значно ускладнений. ґрунти Полісся мають низький вміст рухомого калію. В ґрунтах легкого гранулометричного складу калій у значній кількості мігрує по його профілю.

Специфіка і секрети стартових мінеральних добрив

Є думка, що надмірне внесення калійних добрив може спричинити нестачу магнію. Потрапивши у ґрунтовий розчин, іони магнію сильно гідратуються, тому слабко поглинаються ґрунтом і, на відміну від калію, легко вимиваються атмосферними опадами. Через це у разі внесення калію хлористого збільшуються втрати магнію внаслідок вимивання. Проте катіони Mg 2+ несуть подвійний позитивний заряд і є сильнішими по силі витіснення у порівнянні з катіонами К + , які мають один позитивний заряд, і здатні в ҐВК виштовхувати катіони з одним позитивним зарядом.

Надлишок катіонів магнію із ґрунту можна вивести за допомогою достатньої кількості кальцію під час вапнування, а також внесення у ґрунт сірки. У першому випадку внесене у ґрунт вапнякове добриво сприяє насиченню ҐВК катіонами обмінного кальцію, який витісняє більш слабші катіони Mg, котрі поступово надходять у водний розчин з наступною їх інфільтрацією вниз по ґрунтовому профілю. У другому випадку негативно заряджені аніони сірки (SO4 2- ) притягуються до позитивно заряджених катіонів магнію вбирного комплексу, і здатні їх рухати вниз з дренажними водами та вимивати в підземні води. Речовини, що мігрують в ґрунті (негативно заряджені аніони), здатні виводити надмірну кількість увібраних катіонів з ҐВК. Азот в нітратній формі зазвичай здатен виводити із ґрунту катіони кальцію, а сірка — усі основні обмінні катіони ҐВК (Са ₂₊ , Mg ₂₊ , Na + , H + , К + ). Проте сірка в ущільненому ґрунту буде витісняти Са, а не зможе знизити вміст магнію або калію, натрію, водню до тих пір, поки кальцію не буде принаймні 60% насичення вбирного комплексу. Доки не буде досягнуто насичення ґрунту кальцієм 60%, азот і сірка сприятимуть втратам кальцію. Після коригування у вбирному комплексі вмісту кальцію, магнію, калію, натрію, водню, сірка буде знижувати необхідні рівні всіх увібраних катіонів. Тому важливо припинити внесення сірки за відсутності надлишку катіонів у складі насиченості ґрунту основами.

Підвищення кислотності внаслідок вимивання кальцію

Головне джерело втрат кальцію з ґрунту — вимивання його з фільтрувальними водами. Середньорічні втрати кальцію з орного шару ґрунту внаслідок його вимивання коливаються від 50 до 250 кг/га в перерахунку на СаО. Більші втрати спостерігаються на дерново-підзолистих ґрунтах і менші — на опідзолених та вилугуваних чорноземах. Внесення мінеральних добрив призводить до значного збільшення втрат кальцію внаслідок вимивання. Застосування кислих мінеральних добрив зумовлює збільшення вмісту кальцію в ґрунтовому розчині та міграцію його з кореневмісного шару ґрунту. На втрати кальцію з фільтрівними водами найбільше впливають азотні добрива, особливо сульфат амонію. Після внесення 100 кг/га азоту у формі сульфат амонію з орного шару може вимиватися близько 250-290 кг/га СаО, а після внесення такої самої кількості азоту у формі нітрату амонію — 70-90 кг/га СаО. Втрати кальцію внаслідок вимивання збільшуються при внесенні фізіологічних кислих азотних добрив разом з калійними. Легкорозчинні аніони SO₄ 2- , NO _{3 –} , Сl – , які не сорбуються з ґрунтом і зав’язують еквіваленту кількість катіонів, здебільшого Ca ₂₊ , Mg ₂₊ , призводять до підвищення вимивання цих катіонів з фільтрівними водами з ҐВК та підвищення кислотності ґрунту. Підвищення кислотності ґрунту та потреба проведення повторного або підтримувального вапнування не завжди зумовлюється переважно втратами кальцію внаслідок виносу його з урожаєм рослин і вимиванням з орного шару ґрунту опадами у більш глибокі шари, але залежить також від складу і кількості інших катіонів в ҐВК.

Водень у складі ҐВК повинен дорівнюватися між 10-15% насичення ґрунту основами. В межах такого рівня рН ґрунту водень дає більше кислотності ґрунту, в результаті фосфати, калій ті інші поживні речовини стають більш доступними. Водень в цьому інтервалі дещо підвищує кислотність, щоб рослини могли краще поглинати елементи живлення. Наприклад, фосфор зазвичай поглинається рослинами при рН сол. 5,6-7, рН вод. 6,1-7 у вигляді Н ₂ РО _{4 –} та НРО ₄ 2- . Коли рН ґрунту перевищує 7, фосфор фіксується у ґрунті за рахунок кальцію в нейтральних і карбонатних ґрунтах (чорноземи). При нижчих рівнях реакції ґрунтового середовища (рН сол. менше 5,6, рН вод. менше 6,1) фосфор зазвичай зв’язується з розчинним алюмінієм та залізом в кислих дерново-підзолистих ґрунтах.

Наступна, остання частина статті буде більш детально присвячена темі кислотності ґрунту, але з іншого боку — а саме її впливу на доступність поживних елементів і, відповідно, на урожайність культур. Дочекайтеся.

Підтримайте наші агромедіа

Будь-яка сума допоможе працювати на інформаційному аграрному фронті для вас

Кислотність або рН ґрунту — основа ґрунтової хімії. Як підвищити урожайність

Кислотність ґрунтів — це властивість, обумовлена наявністю в ґрунтовому розчині водневих (Н+) іонів. Представляється через рН (від’ємний логарифм концентрації водневих іонів). Кислі ґрунти мають рН менше 7, нейтральні — близько 7, а лужні — понад 7.

Кислотність є основою ґрунтової хімії та у першу чергу впливає на активність у ґрунті елементів живлення і їхнє засвоєння рослинами. Також рН впливає на усю ґрунтову біоту (мікроорганізми, водорості, гриби).

Навіть сьогодні, на початку 21 століття, більше третини аграріїв не знають точно кислотність ґрунтів на власних посівних площах, а між іншим саме цей показник здатен помітно знизити показники продуктивності вирощування сільгоспкультур.

Факти про кислотність ґрунту

• Надмірно високий (вище 9) або низький (нижче 4) рівень рН є токсичним для коренів рослин.
• Для більшості рослин оптимальним значенням кислотності ґрунту є 6,0-7,0.
• Більшість макро- та мікроелементів максимально доступні за кислотності 6,6-6,9.
• Розкислення ґрунту лише на одиницю значення (від 5,0 до 6,0) сприяє підвищенню урожайності до 50%.
• В кислих ґрунтах (pH 4,0-5,5) залізо, алюміній і марганець досягають токсичного рівня концентрацій. При цьому надходження у рослини фосфору, калію, сірки, кальцію та магнію значно ускладнюється.
• В лужних ґрунтах (pH 7.5-8.5) фосфор, залізо, марганець, мідь, цинк, бор стають менш доступними рослинам через утворення нерозчинних гідроксидів.
• При плануванні технології вирощування рН потрібно брати до уваги в першу чергу, ще до проведення аналізу ґрунту.

В Україні ґрунти, що мають рН 5,5 і трохи вище, зазвичай не вапнують. Проте більшість культур реагують на вапнування вже в перший рік. Зокрема, кукурудза, яка є однією з основних вирощуваних сільгоспкультур.

Що потрібно робити?

По-перше, варто визначити кислотність ґрунту, розрахувати потребу у вапні (гіпсі) і внести відповідну норму вапна (гіпсу), щоб змінити кислотність (лужність) до оптимального рівня і тим самим збільшити доступність наявних макроелементів.

По-друге, зробити аналіз ґрунту, визначити наявність NPK, розрахувати потребу в NPK і внести відповідну норму добрив.

Зазвичай вітчизняні агровиробники починають роботу з другого пункту, що не можна назвати правильним.

Для зменшення кислотності на 1 (одиницю) з pH 5.6 до 6.6, необхідно внести одноразово наступну кількість вапнякових матеріалів в перерахунку на СаО (закордонні рекомендації):

Наступні кожні 3 роки на піщаних і суглинистих грунтах слід вносити відповідно по 0,6-1,2 т/га та 1,5-1,8 т/га СаО, та кожні 5 років на глинистих важких ґрунтах 2,5-3 т/га СаО. Для досягнення максимального ефекту вапнування краще проводити восени перед основним обробітком ґрунту.

Дози вапна, що застосовують один раз на 6-8 років, т/га

Механічний склад ґрунту

суглинковий

5.2: Кислотність ґрунту та регулювання рН ґрунту

Управління рН ґрунту має важливе значення для створення ідеальних умов росту для більшості рослин. Це пояснюється тим, що рН ґрунту контролює розчинність поживних речовин, а також токсичних металів. Через це більшість рослин мають кращий діапазон рН ґрунту. У більшості випадків вапнувальні агенти додають в грунт, щоб підняти рН до потрібного діапазону. Однак в деяких випадках бажаний більш низький рН ґрунту, що може бути досягнуто за допомогою ґрунтових поправок, таких як елементна сірка (S) або сульфат алюмінію (частіше називають «квасцов»). У будь-якому випадку для досягнення бажаної зміни рН рН цільових видів рослин, властивості ґрунту та властивості поправки ґрунту слід враховувати для досягнення бажаної зміни рН ґрунту.

Матеріали

• Грунти з низьким рН
• рН-метр з pH-електродом
• pH тест-смужки
• мензури
• Скляні стрижні для перемішування
• Чистий реагент класу карбонат кальцію
• Чистий реагент класу оксиду кальцію
• Чистий реагент сульфат кальцію (гіпс)
• Доломітовий вапняк, крупнозернистий (просіяний за допомогою сита 20-40 меш)
• Доломітовий вапняк, дрібний (просіяний за допомогою сита 100+ меш)

Рекомендоване читання та перегляд

• Огляд рН ґрунту (CropWatch — Молодіжний, 2013c)
• Тест на рН ґрунту (CropWatch – Молодіжний, 2013d)
• РН ґрунту (USDA-NRCS, 2011)
• РН ґрунту (USDA-NRCS, 2014a)
• Вапнування кислотних ґрунтів (Уїтні та Ламонд, 1993)

Використовуючи рекомендоване читання та введення в цю лабораторію, розглянемо питання, перераховані нижче. Ці визначення/питання нададуть стислий виклад основних концепцій, розглянутих в лабораторії. Вони також корисні як навчальні записки до іспитів.

1. Визначте рН і pH. Показати формули, які використовуються для обчислення обох.
2. Чому алюміній вважається кислим катіоном? Покажіть відповідні реакції.
3. Перерахуйте чотири негативні наслідки низького рН (кислотного) стану в грунті. Перерахуйте два негативні наслідки високого рН (основних) умов в грунті.
4. Визначте буферну ємність. Як буферна ємність пов’язана з ємністю катіонного обміну?
5. Визначте активну кислотність, сольозамінну (обмінну) кислотність і залишкову кислотність.
6. Перерахуйте різні грунтові поправки, які використовуються для підвищення рН кислого грунту?
7. Напишіть хімічну реакцію, що зображує, як типовий вапнувальний матеріал (кальцитичний вапняк, обпалене вапно тощо) діє для нейтралізації кислотності.
8. Перерахуйте різні поправки до ґрунту, які використовуються для підкислення ґрунту та зменшення рН.
9. Що впливає на те, скільки матеріалу потрібно для підвищення рН кислого грунту?

Вступ

Кислотність грунту в значній мірі контролюється складом іонів на обмінних ділянках на колоїдній фракції. Катіони H + є кислими за визначенням, а катіони Al 3+ вважаються кислими, оскільки вони реагують з H ₂ O для отримання Al (OH) ₃ та 3H + . Катіони Ca 2+ , Mg 2+ , K +, Na + вважаються основними, оскільки вони утворюють сильно дисоційовані основи, реагуючи з OH – . Ці обмінні катіони на обмінному комплексі знаходяться в рівновазі з катіонами в грунтовому розчині. Тому характер обмінних катіонів впливає на склад ґрунтового розчину.

Кислі катіони, адсорбовані на місцях негативного обміну, називають резервною (також залишковою або потенційною) і солезаменяемой (також обмінною) кислотністю. Резервна і солезаменяемая кислотність контролює рівень розчинної або активної кислотності в грунтовому розчині. Тільки активна кислотність вимірюється при звичайному визначенні рН. Резервна і солезаменяемая кислотність завжди у багато разів вище активної кислотності.

Грунт – це кислота, коли в грунті переважають іони водню. Ступінь кислотності виражається через рН, який визначається як негативний логарифм активності іонів водню. Тому рН 0,01-молярного розчину іонів водню становить

При рН 7 концентрації іонів Н+ і ОН- іонів рівні, а грунт або розчин нейтральні. При значеннях рН менше 7 грунт кислий; при значеннях більше 7 грунт лужний. Більшість грунтів варіюються по рН приблизно від 4 до 10. Грунти в районах з великою кількістю опадів, як правило, кислі з рН менше 7. Грунти, розроблені в високовапняних покладах, часто будуть лужними Ґрунти з високим вмістом кальцію рідко мають значення рН вище 7,5, але наявність великої кількості карбонату кальцію може призвести до того, що рН досягає 8,5. Там, де рН вище 8,5, велика ймовірність надлишку натрію.

Найбільш бажаний рН ґрунту для більшості сільськогосподарських культур в Канзасі становить 6,8. Однак такі культури, як чорниця, потребують більш низького рН, а інші культури, такі як люцерна, потребують більш високого рН. При рН грунту менше 5,8 може виникнути кілька проблем:

• Токсичність всіх і Mn
• Пригнічений ріст N-фіксуючих бактерій
• Можливі недоліки в Mg і/або Ca.
• Дефіцит Р (Р реагує з Fe і Al)
• При рН більше 7,5 можуть виникнути і інші проблеми:
• Дефіцит Fe, Mn, Cu або Zn
• Дефіцит Р (Р реагує з Са)

Буферизація Ємність

Буферна здатність – це міра здатності ґрунту протистояти зміні рН, безпосередньо пов’язана з величиною обмінної ємності. Невеликі коливання вмісту кислоти або основи можуть відбуватися без помітної зміни рН, оскільки катіони адсорбуються або виділяються з обмінного комплексу. Грунти з найбільшою здатністю катіонічного обміну мають найбільшу буферизацію зміни рН. Іншими словами, два ґрунти можуть мати однаковий рН (активна кислотність в грунтовому розчині), але той, що має найбільшу здатність катіонічного обміну, матиме найбільшу кислотність, що зберігається в запасі, і, отже, найвищу буферну здатність або здатність протистояти зміні рН. З цієї причини для збільшення рН піщаного ґрунту (низький ЦВК) на задану кількість потрібно менше вапна, ніж потрібно для збільшення рН глинистого ґрунту (вище ЦВК) тієї ж кількості.

Джерела кислотності грунту

Контроль рН ґрунту є життєво важливим для оптимального використання та продуктивності ґрунтів. Додавання вапна – найефективніший і практичний спосіб підвищення рН кислих грунтів. Для зниження рН ґрунту можна використовувати елементарну сірку, сульфат заліза або сульфат алюмінію. Оскільки кислотність викликає занепокоєння в Канзасі, ми зосередимося на підвищенні рН ґрунту. Розуміння наступних рівнянь повинно допомогти вам зрозуміти джерела кислотності ґрунту та реакції ґрунту на вапно.

Катіони кислот, адсорбовані в колоїди, можуть виділятися в розчин за допомогою катіонного обміну, в якому катіони, такі як Ca 2+ , Mg 2+ , K + тощо, можуть витісняти H + і Al 3+ , змушуючи їх у ґрунтовий розчин, переміщаючи ці катіони кислоти з солі- змінний басейн кислотності до басейну з активною кислотністю. Зверніть увагу, що реакція є оборотною, тому наявність великої кількості катіонів кислот у розчині також може спричинити витіснення катіонів основи з місць колоїдного обміну.

Одним з продуктів дихання є СО ₂. У грунті дихання бактерій, грибів, протестів, коренів і т.д. сприяє дуже висока концентрація СО ₂ в грунтовому повітрі. Коли СО ₂ розчиняється в грунтовому розчині, він вступає в реакцію з водою з утворенням вугільної кислоти – слабкої кислоти, яка може виділяти Н + в розчин, тим самим знижуючи рН грунту. Відзначимо, що дана реакція оборотна.

Нітрифікація відбувається в аеробних умовах. Окисленню NH ₄ + до кінцевого продукту NO ₃ — сприяють нітросомони та нітробактерні бактерії. Чиста реакція показана нижче. Зверніть увагу, що ця реакція не є оборотною, і що на кожні два родимки NH ₄ + виділяється чотири родимки Н + .

Сірку можна використовувати як поправку грунту для зниження рН грунту. Поширеним прикладом є вирощування рослин, які віддають перевагу кислим умовам, наприклад, лохини, на грунтах, нейтральних до лужних. У цій реакції елементарна сірка окислюється з утворенням сірчаної кислоти – сильної кислоти. Це мікробний опосередкований процес.

Алюміній вважається кислим катіоном через виділення Н + при гідролізі алюмінію. На кожен моль Al 3+ виділяють в розчин три молі Н + . Відзначимо, що дана реакція оборотна.

Підвищення рН грунту вапном

Стандартне сільськогосподарське вапно, яке в першу чергу є карбонатом кальцію (_{СаСО 3}), додають в ґрунти для підвищення рН ґрунту. CaCo ₃ реагує з водою, як показано нижче.

Ca 2+ може витісняти інші катіони на катіонному обміні, включаючи H+ і Al 3+ (сольообмінна кислотність), тим самим вивільняючи його в розчин. Однак Ca 2+ не реагує (нейтралізує) катіони кислоти. Катіони кислоти нейтралізуються HCO ₃ – і OH – . Приклад загальної хімічної реакції після додавання вапна в кислі грунти представлений нижче.

Існують вапнування агенти, крім СаСО ₃. Оскільки більшість цих інших вапнувальних агентів мають різні хімічні формули, хімічні реакції різні. Це також означає, що ефективність різних вапнувальних засобів відрізняється від ефективності CaCo ₃.

Фактори, що впливають на показники вапнування

Основні фактори, що впливають на швидкість вапна (кількість вапна, необхідну для підвищення рН ґрунту до цільового рН), включають потребу врожаю; тип, розмір та чистоту вапнувального агента; катіонічна обмінна здатність ґрунту; і рН ґрунту.

Більшість рослин мають діапазон рН грунту, в якому вони найбільше здоров’я, або дають найвищий урожай. Це тому, що рН ґрунту впливає на доступність поживних речовин. Наприклад, деякі рослини, такі як люцерна і буркун, вимагають більше кальцію, ніж інші, і, таким чином, вимагають більш високих показників вапнування. Інші, такі як азалії, журавлина та чорниця, потребують більшої кількості заліза; яке більше розчиняється при меншому рН. Тому для підняття ґрунту до бажаного рН ґрунту для люцерни знадобиться більша норма внесення вапна, ніж для чорниці.

Потрібен час, щоб вапняк розчинився і замінив водень або алюміній на ґрунтообмінних позиціях. Менші частинки вапна мають більшу площу поверхні, яка піддається впливу і доступна для реакції, що зменшує час, необхідний для реакції всього вапна. Тому більш дрібні вапнувальні засоби більш ефективні при підвищенні рН ґрунту. Багато вапняків є переважно карбонатом кальцію (CaCo ₃), а деякі містять як CaCo ₃, так і MgCo ₃. Однак більшість вапняків містять деяку кількість домішок і інертний матеріал. Таким чином, вапнувальний агент з великою кількістю домішок (і меншою кількістю вапна) менш ефективний при підвищенні рН ґрунту. Очевидно, що чим чистіше СаСО ₃, тим ефективніше вапно.

Ґрунти з однаковим рН можуть вимагати різної кількості вапняку через відмінності в ЦВК, що означало б різницю в буферній здатності. _{Для прикладу розглянемо кількість вапняку, необхідне для підвищення насиченості основи двох грунтів з 70% до 90%, коли один ґрунт має ЦВК 15 смоль с/кг, а інший має ЦВК 40 смоль с/кг.}

Нарешті, рН ґрунту регулюється насиченістю основи. Якщо інші фактори постійні, чим нижче рН, тим більше вапна потрібно для досягнення бажаного рН. Це пояснюється тим, що при низькому рН більший відсоток ЦВК зайнятий катіонами кислот, що вимагає більшої кількості вапна для нейтралізації.

Діяльність 1: Визначення рН за допомогою індикаторних смужок (метод поля)

З декількох методів, доступних для визначення рН, одним, який можна легко використовувати в польових умовах, є метод індикаторної смуги. Ця методика використовує принцип чутливості до рН певних барвників, які викликають відмінності в кольорі в діапазоні рН. З наданими грунтами завершіть наступне визначення рН:

Зважте 10,0 г грунту в невеликий пластиковий стаканчик. Додайте 20 мл дистильованої води і розмішайте. Дати постояти 5 хвилин, періодично помішуючи.

Використовуючи передбачені смужки індикатора рН, занурте смужку в чашку, поки наконечник не буде змочений. Визначте рН, порівнявши зміну кольору тест-смужки pH з кольоровою діаграмою.

Запишіть рН грунту в таблиці 14.1.

Діяльність 2: Визначення рН ґрунту за допомогою рН-метра

Лабораторні рН-метри більш точні, ніж рН-барвники та смужки. РН-метр вимірює активність іонів водню [H + ] шляхом вимірювання електричного потенціалу через тонку пористу скляну мембрану біля основи електрода. Цей потенціал змінюється у відповідь на [Н + ], і стандартизуючи прилад з буферами відомого рН, ми можемо виміряти рН будь-якого розчину, включаючи грунтові розчини.

Використовуючи зразки, підготовлені в Діяльності 1, акуратно помістіть електрод в суспензію. Акуратно закрутіть електрод в розчині, і зверніть увагу на показання рН. Зачекайте, поки рН-метр досягне стійкого показання, позначеного словом «готовий» на екрані.

Запишіть значення для цієї грунтово-водної суспензії 1:2 в таблиці 14.1.

Діяльність 3: Визначення необхідності додавання вапняку в грунт

Щоб вирішити, чи потрібна грунті вапно, потрібно знати лише рН, або активну кислотність ґрунтового розчину. Якщо рН менше або дорівнює 5,8, зазвичай рекомендується вапно (рН, нижче якого потрібно вапно, змінюється залежно від регіону та цільових культур).

Для кожного ґрунту, проаналізованого в діяльності 2, визначте, чи потрібен вапняк, і запишіть своє рішення в таблиці 14.1.

Таблиця 14.1. Результати діяльності 1-4: Визначення рН ґрунту та потреби вапняку

Діяльність 4: Визначення того, скільки вапна потрібно

Щоб вирішити, скільки вапна потрібен грунт, необхідно визначити кількість резервної кислотності в грунті. Цю резервну кислотність часто називають обмінною кислотністю, оскільки вона може бути дисоційована від комплексу катіонообміну, через який вона надходить в ґрунтовий розчин. Для визначення обмінної кислотності в грунт додають буферний розчин відомого рН. Цей буферний розчин містить катіони, які замінять H + і Al 3+ на обмінному комплексі. Кислі катіони, що видаляються з обмінного комплексу, знижують рН доданого буфера. Рисунок 14.1 ілюструє зниження рН буферного розчину при додаванні кислоти. Після того, як залежність визначена (показана нахилом лінії), можна додати грунт в буферний розчин (або буферний розчин в грунт) для визначення обмінної кислотності.

Малюнок 14.1. Зміна рН буферного розчину в міру додавання кислоти. Діаграма люб’язно надано King et al. (2003).

У цій вправі ми будемо використовувати буфер SMP – буферний розчин, який використовує лабораторія випробувань ґрунту K-State. Цей буферний розчин був розроблений для забезпечення швидкості вапнування при використанні наступних формул, залежно від регіону та цільового рН (див. Кулі).

• Глибина в дюймах
• Використовується для всіх культур у Південно-Східному Канзасі (на схід від Флінт-Хіллз та на південь від шосе 56)
• Використовується для люцерни та конюшини в Північно-Східному Канзасі
• Вапно рекомендується, якщо рН < 6,4

• Глибина в дюймах
• Використовується для всіх культур у північно-східному Канзасі, крім люцерни та конюшини
• Використовується для всіх культур у Центральному та Західному Канзасі
• Вапно рекомендується, якщо рН < 5,8

• Глибина в дюймах
• Використовується, якщо грошовий потік обмежений або в проблемних зонах доступності вапна в Центральному та Західному Канзасі
• Вапно рекомендується, якщо рН < 5,5

Цей буфер містить хром (Cr), токсичний важкий метал. Тому інструктор вашої лабораторії виконає аналіз буфера SMP. Як клас визначають, які грунтово-водні суміші з Активності 1 потребують вапна (рН ≤ 6,4). До цих розчинів додайте 10 мл буферного розчину СМП і розмішайте скляною паличкою. Дайте сумішам постояти протягом 30 хвилин, що повинно вистачити часу для витіснення катіонів кислоти з ЦВК і витісняються в розчин. Зчитуйте рН на лічильнику.

Припускаючи, що бажаний рН дорівнює 6,0, обчисліть потребу вапна та запишіть свої результати в таблиці 14.1.

Діяльність 5: Оцінка вапнування матеріалів

Тип вапнувального матеріалу та розмір або тонкість матеріалу визначають, наскільки ефективно вапнувальні матеріали підвищують рН ґрунту. Цей експеримент був фактично розпочато раніше в семестрі, щоб дати час для вапнування агентів реагувати. Внесення змін до ґрунту кількома різними вапнувальними агентами дозволяє оцінити вплив розміру частинок та вапнування матеріалу на основі відносних змін ґрунту. Процедури включали наступне:

• Реагент класу CaCo ₃
• Реагент класу CaO
• Реагент класу CaSO ₄
• Доломітовий вапняк грубий (35 меш)
• Дрібний доломітовий вапняк (120 меш)
• Контроль (без змін)

Коли цей експеримент був розпочато, кожна секція лабораторії була розділена на шість груп, причому кожна група відповідала за одне з шести процедур. Ваш інструктор лабораторії призначив лікування вашій групі, і ви виконали наступні кроки:

1. Етикетка чотири пластикові пакети
2. Зважте 20 г повітряно-сухого грунту в кожен поліетиленовий пакет.
3. Зважте 0,1 грам призначеного вапнувального матеріалу на папері для зважування.
4. Додайте вапнувальний матеріал у грунт і ретельно перемішайте, щоб рівномірно розподілити в грунті.
5. Додайте кілька мл води в кожен пакетик і перемішайте.
6. Закрийте мішки, щоб почати інкубацію.

Тепер, коли вапнують агенти встигли відреагувати, ви будете збирати результати.

1. Додайте в поліетиленовий пакет 40 мл дистильованої води і перемішайте. Дайте йому постояти п’ять хвилин, періодично перемішуючи.
2. Обережно помістіть електрод у суспензію, викрутіть електрод і визначте рН, як ви робили раніше в Activity 2.
3. Запишіть рН для цього водно-ґрунтового розчину 2:1 в таблиці 14.2 нижче.

Таблиця 14.2. Результати експерименту з вапнування матеріалу

Запишіть дані вашої групи на столі на дошці. Потім запишіть всі дані класу в таблицю вище.

Діяльність 6: Як характеристики ґрунту впливають на реакцію вапнування

Щоб проілюструвати вплив текстури ґрунту та органічної речовини на регулювання рН, інструктор лабораторії додав різні норми доломітового вапняку до піщаного ґрунту, глинистого ґрунту та органічного ґрунту. Норми вапняку коливалися від нуля до 10 тонн/акр. Через кілька місяців були виміряні наступні значення рН:

Таблиця 14.3. Отримані значення рН після додавання вапна

Помістіть результати в таблиці 14.3 на рис. 14.2 для всіх трьох ґрунтів і з’єднайте точки даних, щоб сформувати лінію для кожного з трьох грунтів. Використовуючи наступний графік для побудови результатів рН проти тонн вапна, доданої для кожного з ґрунтів, дайте відповідь на питання щодо цього графіка.

Малюнок 14.2. Реакція рН ґрунту на норми вапнування для трьох ґрунтів.

Яка залежність між кількістю вапна, необхідного для підвищення рН ґрунту, і катіонообмінною здатністю ґрунту?

Чи повинні цілі рН для глинистого ґрунту та органічного ґрунту завжди бути однаковими? Поясніть свою відповідь. ПІДКАЗКА: Органічні ґрунти містять дуже мало Al.

Якщо піщаний та глинистий ґрунт вапнували для досягнення однакового рН, який ґрунт, ймовірно, потребує вапна раніше? Чому?

Вікторина для цієї лабораторії буде доступна в Інтернеті. Будь ласка, перейдіть до нього відповідно до вказівок вашого інструктора.