Топырақтың қышқылдығы мен сілтілігінің өлшенуі

Кіріспе

Топырақтың қышқылдығы немесе сілтілігін өлшеу

Топырақтың pH-ы – топырақтың қышқылдық немесе сілтілік (alkalinity) деңгейін өлшейтін көрсеткіш. Топырақтың pH-ы – топырақ қасиеттеріне қатысты сапалық және сандық тұрғыдан ақпаратты талдау жасауға мүмкіндік беретін маңызды сипаттама. pH – ерітіндіштегі гидрон иондарының (немесе, дәлірек айтқанда, ) белсенділігінің ондық логарифмі бойынша алынған теріс мән. Топырақта pH сумен (немесе 0,01 CaCl2 сияқты тұз ерітіндісімен) араластырылған топырақ суспензиясында өлшенеді және әдетте 3-тен 10-ға дейін, 7-сі бейтарап болып табылады. Қышқыл топырақтың pH-ы 7-ден төмен, ал сілтілі топырақтың pH-ы 7-ден жоғары болады. Өте қышқыл топырақтар (pH < 3,5) және өте күшті сілтілі топырақтар (pH > 9) сирек кездеседі. Топырақтың pH-ы топырақтағы көптеген химиялық процестерге әсер ететіндіктен, маңызды фактор болып саналады. Ол әртүрлі қоректік заттардың химиялық формаларын бақылап, олардың химиялық реакцияларына әсер ету арқылы өсімдіктердің қоректік заттармен қамтамасыз етілуіне әсер етеді. Көптеген өсімдіктер үшін оңтайлы pH диапазоны 5,5 пен 7,5 аралығында болады.

pH диапазонының жіктелуі
Өте қышқыл < 3,5
Қышқыл 3,5–4,4
Күшті қышқыл 4,5–5,0
Қышқылды 5,1–5,5
Орташа қышқыл 5,6–6,0
Сәл қышқыл 6,1–6,5
Бейтарап 6,6–7,3
Сәл сілтілі 7,4–7,8
Орташа сілтілі 7,9–8,4
Күшті сілтілі 8,5–9,0
Өте күшті сілтілі > 9,0
0-ден 6-ға дейін – қышқыл, 7 – бейтарап, 8 және одан жоғары – сілтілі.

Қышқылдық көздері

Топырақтың қышқылдануына көптеген процестер әсер етеді. Олардың ішінде:
Жаңбыр: Жаңбырдың орташа pH 5,6-ға тең және еріген атмосфералық көмірқышқыл газының сумен қосылып көмір қышқылына айналуына байланысты орташа қышқылды болады. Бұл су топырақ арқылы өтетін кезде негізгі катиондардың бикарбонаттар түрінде шайылуына себеп болады; бұл басқа катиондарға қатысты олардың пайыздық үлесін арттырады. Тамырлардың тыныс алуы және микроорганизмдердің органикалық заттарды ыдыратуы көмірқышқыл концентрациясын арттыратын және одан кейін шайылуға әкелетін CO2 бөліп шығарады. Өсімдіктердің өсуі: Өсімдіктер иондар түрінде (мысалы, , , ) қоректік заттарды сіңіреді және көбінесе аниондарға қарағанда көбірек катиондарды сіңіреді. Дегенмен, өсімдіктер тамырларында бейтарап зарядты сақтауы керек. Артық оң зарядты өтеу үшін олар тамырдан иондарды бөліп шығарады. Кейбір өсімдіктер сондай-ақ тамырларының айналасындағы аймақты қышқылдандыру үшін топыраққа органикалық қышқылдарды бөліп шығарады, бұл темір (Fe) сияқты бейтарап pH-та ерімейтін металл қоректік заттарды ерітуге көмектеседі. Тыңайтқыштардың қолданылуы: Аммоний тыңайтқыштары топырақ ішінде нитрификация процесі арқылы нитратқа айналады және осы процесте иондар бөлінеді. Қышқыл жаңбыр: Қазылған отынды жағу нәтижесінде атмосфераға күкірт және азот оксидтері шығарылады. Бұл заттар атмосферадағы сумен әрекеттесіп, жаңбырда күкірт және азот қышқылын құрайды. Окистендіруші әсер: Кейбір бастапқы минералдардың, әсіресе сульфидтердің және құрамында бар минералдардың тотығуы қышқылдықты тудырады. Бұл процеске адамның әрекеті көбінесе үдеткіш әсер етеді:
Кен орындарының бұзылуы: Пириттің тотығуына байланысты кейбір кен орындарының жанындағы топырақтарда өте қышқыл жағдайлар қалыптасуы мүмкін. Су батқан жағалау және лимандарда табиғи түрде пайда болатын қышқыл сульфатты топырақтар кептірілген немесе қазылған кезде өте қышқылдануы мүмкін.

Топырақтың рН-мен байланысты судың болуы

Қатты сілтілі топырақтар содалы және дисперсивті болып келеді, судың сіңуі баяу, гидравликалық өткізгіштігі төмен және су сыйымдылығы нашар. Өсімдіктердің өсуі қатты шектеледі, себебі топырақ ылғал болғанда ауа алмасу нашарлайды; ал құрғақ жағдайда өсімдіктерге қажетті су тез сарқылып, топырақ қатты әрі кесек болады (топырақтың жоғары беріктігі). Топырақтың pH деңгейі неғұрлым жоғары болса, өсімдіктер мен оларға тәуелді организмдерге таралатын судың мөлшері де соғұрлым азаяды. pH төмендесе, өсімдіктердің суды әдеттегідей сіңіруіне кедерес келтіреді. Бұл олардың фотосинтез процесін жүзеге асыруына мүмкіндік бермейді. Ал қатты қышқыл топырақтардың көпшілігінде мықты агрегаттану, жақсы ішкі дренаж және суды жақсы ұстау қасиеттері байқалады. Дегенмен, көптеген өсімдік түрлері үшін алюминийдің зияны тамырлардың өсуін қатты шектейді, тіпті топырақ салыстырмалы түрде ылғалды болған жағдайда да ылғал тапшылығы туындауы мүмкін. «Болашаққа арналған өсімдіктер» дерекқоры арқылы көптеген өсімдіктерге тән топырақтың pH диапазонын анықтауға болады. Сондай-ақ, британдық өсімдіктерге қатысты Ellenberg көрсеткіштері сияқты құжаттарды да қарастыруға болады. Алайда, өсімдік белгілі бір механизм нәтижесінде нақты бір топырақтағы нақты бір pH деңгейіне төзбеуі мүмкін, ал бұл механизм басқа топырақтарда қолданылмайтын болуы мүмкін. Мысалы, молибденге жеткіліксіз топырақ 5,5 pH деңгейінде соя өсімдіктері үшін қолайсыз болуы мүмкін, бірақ жеткілікті молибдені бар топырақ осы pH деңгейінде оңтайлы өсуге мүмкіндік береді. Тағы бір қиындық – бір түрдің әртүрлі сорттарының топырақтың pH диапазоны әртүрлі болуы мүмкін. Өсімдіктер селекционері осы мүмкіндікті пайдаланып, әлгі түр үшін қолайсыз саналатын жағдайларға төзімді сорттарды шығаруға болады. Мысалы, қатты қышқыл топырақта азық-түлік өндірісі үшін алюминийге және марганецке төзімді дәнді дақылдардың сорттарын өсіру жобалары бар. Төмендегі кестеде USDA PLANTS деректер базасынан алынған, кеңінен өсірілетін кейбір өсімдіктерге тән топырақтың pH диапазондары келтірілген. Көпшілікке белгілі және тәжірибелік нәтижелермен расталған, бірақ pH деңгейімен өсімдік түрлерінің байлығының артуын түсіндіру әлі де нақтылай түсуді қажет етеді. pH диапазондары үстіртен келісетін өсімдік түрлері арасындағы бәсекелестік, pH градиенттері бойымен өсімдік құрамындағы байқалатын өзгерістерге ықпал етеді.

Strongly alkaline soils are sodic and dispersive, with slow infiltration, low hydraulic conductivity and poor available water capacity. Plant growth is severely restricted because aeration is poor when the soil is wet; while in dry conditions, plant available water is rapidly depleted and the soils become hard and cloddy (high soil strength). The higher the pH in the soil, the less water available to be distributed to the plants and organisms that depend on it. With a decreased pH, this does not allow for plants to uptake water like they normally would. This causes them to not be able to photosynthesize. Many strongly acidic soils, on the other hand, have strong aggregation, good internal drainage, and good water holding characteristics. However, for many plant species, aluminium toxicity severely limits root growth, and moisture stress can occur even when the soil is relatively moist. and Plants for a Future can be used to look up the suitable soil pH range of a wide range of plants. Documents like Ellenberg's indicator values for British plants can also be consulted. However, a plant may be intolerant of a particular pH in some soils as a result of a particular mechanism, and that mechanism may not apply in other soils. For example, a soil low in molybdenum may not be suitable for soybean plants at pH 5.5, but soils with sufficient molybdenum allow optimal growth at that pH. Another confounding factor is that different varieties of the same species often have different suitable soil pH ranges. Plant breeders can use this to breed varieties that can tolerate conditions that are otherwise considered unsuitable for that species – examples are projects to breed aluminium tolerant and manganese tolerant varieties of cereal crops for food production in strongly acidic soils. The table below gives suitable soil pH ranges for some widely cultivated plants as found in the USDA PLANTS Database. Although widely reported and supported by experimental results, the observed increase of plant species richness with pH is still in need of a clearcut explanation. Competitive exclusion between plant species with overlapping pH ranges most probably contributes to the observed shifts of vegetation composition along pH gradients.

Топырақ биотасына әсері

Топырақтың биотасы (топырақтың микрофлорасы, топырақтағы жануарлар) топырақтың pH-ына тікелей, топыраққа сіңгеннен кейін немесе pH-қа байланысты топырақтың әртүрлі қасиеттері арқылы (мысалы, қоректік заттардың жағдайы, металлдың зияндылығы, гумус түрі) сезімтал. Топырақ биотасының әртүрлі физиологиялық және мінез-құлықтық бейімделуіне сәйкес, топырақтың микробалық және жануарлар қауымдастықтарының түр құрамы топырақтың pH-ына байланысты өзгереді. Биіктік бойынша өзгеретін жағдайларда, топырақтағы жануарлар мен микробтар қауымдастықтарының түрлерінің таралуындағы өзгерістердің себебі топырақтың pH-ының өзгеруі болуы мүмкін. pH 5 шамасында алюминийдің зиянды формасынан зиянды емес формаға өтуі қышқылға төзімділіктен қышқылға төзімсіздікке өтуді көрсетеді, ал осы шектен жоғарыда топырақ қауымдастықтарының түр құрамында аз өзгерістер болады, тіпті әктасты топырақта да. Топырақ жануарлары pH-тың әртүрлі мәндерін таңдау мүмкіндігіне ие болғанда, pH-қа қатысты нақты артықшылықтарды көрсетеді, бұл топырақ организмдерінің, соның ішінде жылжымалы микробтардың, далалық таралуының pH градиенттері бойынша белсенді қозғалыс нәтижесі болуы мүмкін екенін түсіндіреді. Өсімдіктердегідей, топырақтағы қышқылға төзімді және қышқылға төзімсіз организмдер арасындағы бәсекелестік pH диапазонында байқалатын түрлердің құрамындағы өзгерістерге әсер етеді деп болжануда. Қышқылға төзімділік пен қышқылға төзімсіздік арасындағы қарама-қарсылық әдетте бір туыста немесе бір отбасыдағы туыс деңгейінде байқалады, бірақ ол топырақ саңырауқұлақтары мен бактериялар арасындағы сияқты жоғары таксономиялық деңгейде де кездеседі, мұнда да бәсекелестік маңызды рөл атқарады. Топырақ қышқылдығына төзімді топырақ организмдері, сондықтан негізінен 5 pH-тан төмен топырақта өмір сүретін, топырақ қышқылдығына төзімсіз организмдерге қарағанда көне түр болуы мүмкін. Коллемболалардың Виллемия туысына жасалған кладистік талдау топырақ қышқылдығына төзімділік басқа стресс факторларына төзімділікпен байланысты екенін және стресске төзімділік осы туыстың ата-бабалық қасиеті екенін көрсетті. Алайда, осы тұжырымдардың жалпылығын анықтау қажет. Төмен pH-та алюминийдің (Al3+) тудырған тотығу стресі денесі қалың хитинді экзоскелетпен қорғалмаған және осылайша топырақ ерітіндісімен тікелей байланыста болатын топырақ жануарларына әсер етеді, мысалы, протостар, нематодалар, ротиферлер (микрофауна), энхитреидтер (мезофауна) және құрттар (макрофауна). pH-тың топырақ биотасына әсері топырақ азық-тізбегінің әртүрлі функционалдық өзара әрекеттесуі арқылы жүзеге асуы мүмкін. Эксперимент жүргізілгенде, әдетте 5 pH-тан жоғары топырақта өмір сүретін коллемболаның Heteromurus nitidus түрі, хищниктер болмаған жағдайда, қышқыл топырақта да өсірілуі мүмкін екені анықталды. Аммиактың шығарылуы арқылы қырттардың экскреттеріне (мұз, зәр, нәжіс) тартылуы, қышқыл топырақпен байланысты мулл гумус түріндегі қырттардың илеулерінде азық пен баспананы қамтамасыз етеді.

Soil biota (soil microflora, soil animals) are sensitive to soil pH, either directly upon contact or after soil ingestion or indirectly through the various soil properties to which pH contributes (e. g. nutrient status, metal toxicity, humus form). According to the various physiological and behavioural adaptations of soil biota, the species composition of soil microbial and animal communities varies with soil pH. Along altitudinal gradients, changes in the species distribution of soil animal and microbial communities can be at least partly ascribed to variation in soil pH. The shift from toxic to non toxic forms of aluminium around pH5 marks the passage from acid tolerance to acid intolerance, with few changes in the species composition of soil communities above this threshold, even in calcareous soils. Soil animals exhibit distinct pH preferences when allowed to exert a choice along a range of pH values, explaining that various field distributions of soil organisms, motile microbes included, could at least partly result from active movement along pH gradients. Like for plants, competition between acido tolerant and acido intolerant soil dwelling organisms was suspected to play a role in the shifts in species composition observed along pH ranges. The opposition between acido tolerance and acido intolerance is commonly observed at species level within a genus or at genus level within a family, but it also occurs at much higher taxonomic rank, like between soil fungi and bacteria, here too with a strong involvement of competition. It has been suggested that soil organisms more tolerant of soil acidity, and thus living mainly in soils at pH less than 5, were more primitive than those intolerant of soil acidity. A cladistic analysis on the collembolan genus Willemia showed that tolerance to soil acidity was correlated with tolerance of other stress factors and that stress tolerance was an ancestral character in this genus. However the generality of these findings remains to be established. At low pH, the oxidative stress induced by aluminium (Al3+) affects soil animals the body of which is not protected by a thick chitinous exoskeleton like in arthropods, and thus are in more direct contact with the soil solution, e. g. protists, nematodes, rotifers (microfauna), enchytraeids (mesofauna) and earthworms (macrofauna). Effects of pH on soil biota can be mediated by the various functional interactions of soil foodwebs. It has been shown experimentally that the collembolan Heteromurus nitidus, commonly living in soils at pH higher than 5, could be cultured in more acid soils provided that predators were absent. Its attraction to earthworm excreta (mucus, urine, faeces), mediated by ammonia emission, provides food and shelter within earthworm burrows in mull humus forms associated with less acid soils.

Топырақ биотасының pH-ға әсері

Топырақ биотасы топырақтың pH-ына тікелей экскреция арқылы, ал жанама түрде физикалық ортаға әсер ету арқылы ықпал етеді. Көптеген топырақ саңырауқұлақтары, барлығы емес, оксал қышқылын бөліп шығару арқылы топырақты қышқылдандырады, ол олардың тыныс-олу метаболизмінің өнімі. Оксал қышқылы кальцийді тұншықтырып, кальций оксалатының ерімейтін кристалдарын түзетіп, топырақ ерітіндісін осы қажетті элементтен айырады. Керісінше, құрттар амфотерлік қасиеттері бар шырышты бөліп шығару арқылы топырақтың pH-ына буферлік әсер етеді. Органикалық заттарды минералды заттармен, әсіресе сазды бөлшектермен араластырып, ал кейбіреулеріне желім ретінде шырыш қосу арқылы, топыраққа қазған жануарлар – мысалы, жер қазғыш кеміргіштер, тышқандар, құрттар, термиттер, кейбір мыңжаяулар және шыбыздың дернәсілдері – шикі органикалық заттардың табиғи қышқылдығын төмендетуге көмектеседі, бұл гумустың түрлерінде байқалады.

Қышқыл топырақтың рН-ін арттыру

Топырақ pH-ын арттыру үшін қышқыл топыраққа ұсақ ұңғылған ауыл шаруашылығы әкі жиі қолданылады (кальцийлеу). pH-ты өзгерту үшін қажетті әк немесе сазды шаштың мөлшері әктің ұңғылғандығына (қалай ұсақ ұңғылған) және топырақтың буферлік сыйымдылығына байланысты анықталады. Жоғары ұңғылғандық (60 тор = 0,25 мм; 100 тор = 0,149 мм) әктің топырақтың қышқылдығымен жылдам әрекеттесетін ұсақ ұңғылған әк екенін көрсетеді. Топырақтың буферлік сыйымдылығы топырақтың балшық құрамына, балшық түріне және органикалық заттардың мөлшеріне байланысты, сондай-ақ топырақтың катион алмасу сыйымдылығымен байланысты болуы мүмкін. Жоғары балшық құрамы бар топырақтардың буферлік сыйымдылығы аз балшық құрамы бар топырақтарға қарағанда жоғары, ал жоғары органикалық заттар мөлшері бар топырақтардың буферлік сыйымдылығы аз органикалық заттар мөлшері бар топырақтарға қарағанда жоғары болады. Жоғары буферлік сыйымдылығы бар топырақтар pH-тың эквивалентті өзгеруіне жету үшін көбірек әк қажет етеді. Топырақ pH-ының буферлеуі көбінесе топырақтағы ерітіндідегі алюминий мөлшерімен және катион алмасу сыйымдылығының бөлігі ретінде алмасу орындарын қабылдауымен тікелей байланысты. Бұл алюминий топырақтан тұз ерітіндісімен шығарылып, зертханалық талдау арқылы мөлшерленеді. Содан кейін бастапқы топырақ pH-ы мен алюминийдің мөлшерін пайдаланып, pH-ты қажетті деңгейге көтеру үшін қажетті әк мөлшерін есептеуге болады. Топырақ pH-ын арттыру үшін ауыл шаруашылығы әкінен басқа қолданылатын өзгерістерге ағаш күлі, өнеркәсіптік кальций оксиді (қыздырылған әк), магний оксиді, негізгі шлак (кальций силикаты) және устрица қабықтары жатады. Бұл өнімдер әр түрлі қышқыл-негіздік реакциялар арқылы топырақтың pH-ын арттырады. Кальций силикаты топырақтағы белсенді қышқылдықты H+ иондарымен реакцияға түсіріп, бейтарап ерітінді – монокремний қышқылы (H4SiO4) құрайды.

Құнарлы топырақтың рН-ін төмендету

Құнарлы топырақтың pH-ін қышқылдандырушы заттарды немесе қышқыл органикалық материалдарды қосу арқылы төмендетуге болады. Элементар күкірт (90–99% S) қолдану ставкалары бойынша қолданылады – ол топырақта баяу тотығып, күкірт қышқылын түзетін болады. Амоний сульфаты, аммоний нитраты және мочевина сияқты қышқылдандыратын тыңайтқыштар топырақтың pH-ін төмендетуге көмектеседі, себебі аммоний тотығу кезінде азот қышқылын түзетін болады. Қышқылдандыратын органикалық материалдарға торф немесе шпагнум торф жатады. Дегенмен, pH-ы жоғары және кальций карбонатының мазмұны жоғары (2%-дан астам) топырақта қышқылдармен pH-ты төмендетуге тырысу өте қымбат және/немесе тиімсіз болуы мүмкін. Мұндай жағдайларда фосфор, темір, марганец, мыс және/немесе мырыш қосу тиімдірек, өйткені осы қоректік заттардың жетіспеушілігі – әктасты топырақта өсімдіктердің нашар өсуінің ең көп таралған себебі.