Введение

Показатель кислотности или щелочности почвы

pH почвы – это мера кислотности или щелочности (основности) почвы. pH почвы является ключевой характеристикой, которую можно использовать для информативного качественного и количественного анализа характеристик почвы. pH определяется как отрицательный логарифм (основание 10) активности ионов гидроксония (или, точнее, ) в растворе. В почвах он измеряется в суспензии почвы, смешанной с водой (или солевым раствором, таким как 0,01 CaCl2), и обычно находится в пределах от 3 до 10, при этом 7 является нейтральным. Кислые почвы имеют pH ниже 7, а щелочные почвы – выше 7. Ультракислые почвы (pH < 3,5) и сильнощелочные почвы (pH > 9) встречаются редко. pH почвы считается главным параметром, определяющим многие химические процессы в почве. В частности, он влияет на доступность питательных веществ для растений, контролируя химические формы различных питательных веществ и влияя на химические реакции, в которые они вступают. Оптимальный диапазон pH для большинства растений составляет от 5,5 до 7,5.

Диапазон pH-определенияУльтракислый < 3,5Чрезвычайно кислый 3,5–4,4Очень сильно кислый 4,5–5,0Сильно кислый 5,1–5,5Умеренно кислый 5,6–6,0Слабо кислый 6,1–6,5Нейтральный 6,6–7,3Слабо щелочной 7,4–7,8Умеренно щелочной 7,9–8,4Сильно щелочной 8,5–9,0Очень сильно щелочной > 9,0Менее 6 = кислый, 7 = нейтральный и 8 и выше – щелочной.

Источники кислотности

Многие процессы способствуют закислению почвы. К ним относятся:
Осадки: Средний дождь имеет pH 5,6 и умеренно кислый из-за растворенного атмосферного углекислого газа, который соединяется с водой, образуя угольную кислоту. Когда эта вода протекает через почву, это приводит к выщелачиванию основных катионов в виде бикарбонатов; это увеличивает процент и относительно других катионов. Корневое дыхание и разложение органического вещества микроорганизмами выделяют CO2, что увеличивает концентрацию угольной кислоты и последующее выщелачивание. Рост растений: Растения поглощают питательные вещества в форме ионов (например, , , , ), и они часто поглощают больше катионов, чем анионов. Однако растения должны поддерживать нейтральный заряд в своих корнях. Чтобы компенсировать избыточный положительный заряд, они выделяют ионы из корней. Некоторые растения также выделяют органические кислоты в почву, чтобы подкислить зону вокруг своих корней, помогая растворять металлические питательные вещества, которые нерастворимы при нейтральном pH, такие как железо (Fe). Использование удобрений: Аммонийные удобрения реагируют в почве в процессе нитрификации, образуя нитраты, и в процессе высвобождают ионы. Кислотные дожди: Сжигание ископаемого топлива выделяет в атмосферу оксиды серы и азота. Они реагируют с водой в атмосфере, образуя серную и азотную кислоты в дожде. Окислительное выветривание: Окисление некоторых первичных минералов, особенно сульфидов и содержащих , генерирует кислотность. Этот процесс часто ускоряется деятельностью человека:
Отвалы горных пород: В почвах вблизи некоторых отвалов могут формироваться сильно кислые условия из-за окисления пирита. Кислотные сульфатные почвы, образующиеся естественным образом в заболоченных прибрежных и устьевых средах, могут стать сильно кислыми при осушении или разработке.

Наличие воды в зависимости от рН почвы

Сильнощелочные почвы содические и дисперсные, с медленной инфильтрацией, низкой гидравлической проводимостью и низкой доступной влагоемкостью. Рост растений сильно ограничен из-за плохой аэрации при увлажнении почвы; в сухих условиях же доступная для растений вода быстро истощается, а почва становится твердой и комковатой (высокая прочность почвы). Чем выше pH почвы, тем меньше воды доступно для растений и организмов, зависящих от нее. Снижение pH, наоборот, затрудняет поглощение воды растениями в нормальном объеме, что препятствует фотосинтезу. Многие сильнокислые почвы, напротив, обладают хорошей агрегацией, внутренним дренажем и влагоудерживающей способностью. Однако для многих видов растений токсичность алюминия серьезно ограничивает рост корней, и водный стресс может возникать даже при относительно влажной почве. Для определения подходящего диапазона pH почвы для широкого спектра растений можно использовать ресурс Plants for a Future. Также полезно обратиться к таким документам, как индикаторные значения Элленберга для британской флоры. Однако растение может быть невосприимчиво к определенному pH в одних почвах из-за специфического механизма, который может не проявляться в других почвах. Например, почва с низким содержанием молибдена может быть неподходящей для сои при pH 5,5, но почвы с достаточным содержанием молибдена обеспечивают оптимальный рост при этом pH. Другой усложняющий фактор заключается в том, что разные сорта одного и того же вида часто имеют различные оптимальные диапазоны pH почвы. Селекционеры могут использовать это для выведения сортов, способных переносить условия, которые обычно считаются непригодными для данного вида – примерами являются проекты по выведению сортов зерновых культур, устойчивых к алюминию и марганцу, для производства продуктов питания на сильнокислых почвах. В таблице ниже приведены подходящие диапазоны pH почвы для некоторых широко культивируемых растений, согласно базе данных USDA PLANTS. Хотя об увеличении видового богатства растений с повышением pH широко сообщается и подтверждается экспериментальными данными, четкого объяснения этого явления пока нет. Вероятно, конкурентное исключение видов растений с перекрывающимися диапазонами pH вносит вклад в наблюдаемые изменения в составе растительности вдоль градиентов pH.

Влияние рН на биоту почвы

Биота почвы (микрофлора почвы, почвенные животные) чувствительна к pH почвы, либо непосредственно при контакте, либо после проглатывания почвы, либо косвенно через различные свойства почвы, на которые влияет pH (например, обеспеченность питательными веществами, токсичность металлов, форма гумуса). В соответствии с различными физиологическими и поведенческими адаптациями биоты почвы, видовой состав микробных и животных сообществ почвы изменяется в зависимости от pH почвы. Вдоль высотных градиентов изменения в распределении видов почвенных животных и микробов могут быть, по крайней мере частично, обусловлены изменением pH почвы. Переход от токсичных к нетоксичным форм алюминия при pH около 5 знаменует собой переход от устойчивости к кислотности к неустойчивости к кислотности, при этом видовой состав почвенных сообществ выше этого порога мало меняется, даже в известковых почвах. Почвенные животные проявляют выраженные предпочтения к pH, когда им предоставляется возможность выбора в диапазоне значений pH, что объясняет, почему различные полевые распределения почвенных организмов, включая подвижные микробы, могут по крайней мере частично быть результатом активного перемещения вдоль градиентов pH. Подобно растениям, предполагается, что конкуренция между устойчивыми к кислоте и неустойчивыми к кислоте почвенными организмами играет роль в наблюдаемых изменениях видового состава в диапазоне pH. Противостояние между устойчивостью к кислоте и неустойчивостью к кислоте часто наблюдается на уровне видов внутри рода или на уровне рода внутри семейства, но также встречается и на гораздо более высоких таксономических уровнях, например, между почвенными грибами и бактериями, где также значительную роль играет конкуренция. Предполагалось, что почвенные организмы, более устойчивые к кислотности почвы и, следовательно, обитающие преимущественно в почвах с pH менее 5, являются более примитивными, чем неустойчивые к кислотности почвы. Кладистический анализ рода коллембол Willemia показал, что устойчивость к кислотности почвы коррелирует с устойчивостью к другим стрессовым факторам и что устойчивость к стрессу является предковым признаком этого рода. Однако общность этих выводов еще предстоит установить. При низком pH окислительный стресс, вызванный алюминием (Al3+), воздействует на почвенных животных, тело которых не защищено толстым хитиновым экзоскелетом, как у членистоногих, и поэтому они находятся в более прямом контакте с почвенным раствором, например, простейшие, нематоды, ротиферы (микрофауна), энхитреиды (мезофауна) и дождевые черви (макрофауна). Влияние pH на биоту почвы может быть опосредовано различными функциональными взаимодействиями в почвенных пищевых сетях. Экспериментально было показано, что коллембола Heteromurus nitidus, обычно обитающая в почвах с pH выше 5, может быть выращена в более кислых почвах при условии отсутствия хищников. Ее привлечение к экскрементам дождевых червей (слизи, моче, фекалиям), опосредованное выделением аммиака, обеспечивает пищу и укрытие в норах дождевых червей в формах гумуса, связанных с менее кислыми почвами.

Влияние биоты почвы на рН почвы

Биота почвы влияет на pH почвы напрямую через выделение продуктов жизнедеятельности и косвенно, воздействуя на физическую среду. Многие почвенные грибы, хотя и не все, подкисляют почву, выделяя щавелевую кислоту – продукт их дыхательного метаболизма. Щавелевая кислота осаждает кальций, образуя нерастворимые кристаллы оксалата кальция и тем самым лишая почвенный раствор этого необходимого элемента. В противоположность этому, дождевые черви оказывают буферное воздействие на pH почвы благодаря выделению слизи, обладающей амфотерными свойствами. Перемешивая органическое вещество с минеральным веществом, в частности с частицами глины, и добавляя слизь в качестве связующего вещества, роющие в почве животные, такие как роющие грызуны, кроты, дождевые черви, термиты, некоторые многоножки и личинки мух, способствуют снижению естественной кислотности исходного органического вещества, как это наблюдается в мулльных формах гумуса.

Повышение рН кислой почвы

Мелкий сельскохозяйственный известняк часто применяется к кислым почвам для повышения pH почвы (известкование). Количество известняка или мела, необходимое для изменения pH, определяется размером фракции известняка (насколько он мелко измельчен) и буферной емкостью почвы. Высокий номер сетки (60 mesh = 0,25 мм; 100 mesh = 0,149 мм) указывает на мелко измельченный известняк, который быстро реагирует с кислотностью почвы. Буферная емкость почвы зависит от содержания глины в почве, типа глины и количества присутствующего органического вещества, и может быть связана с катионно-обменной способностью почвы. Почвы с высоким содержанием глины обладают большей буферной емкостью, чем почвы с низким содержанием глины, а почвы с высоким содержанием органического вещества – большей буферной емкостью, чем почвы с низким содержанием органического вещества. Почвам с более высокой буферной емкостью требуется большее количество известняка для достижения эквивалентного изменения pH. Буферизация pH почвы часто напрямую связана с количеством алюминия в почвенном растворе и его занятием обменных позиций в составе катионно-обменной способности. Содержание этого алюминия можно определить при проведении почвенного анализа, в ходе которого он извлекается из почвы солевым раствором и затем количественно определяется в лаборатории. Затем, используя исходный pH почвы и содержание алюминия, можно рассчитать количество известняка, необходимое для повышения pH до желаемого уровня. К веществам, помимо сельскохозяйственного известняка, которые можно использовать для повышения pH почвы, относятся древесная зола, промышленный оксид кальция (жженая известь), оксид магния, основная шлак (силикат кальция) и раковины устриц. Эти продукты повышают pH почвы посредством различных кислотно-основных реакций. Силикат кальция нейтрализует активную кислотность в почве, реагируя с ионами H+ с образованием моносилициевой кислоты (H4SiO4) – нейтрального растворенного вещества.

Снижение рН щелочной почвы

pH щелочной почвы можно снизить, добавляя подкисляющие вещества или кислые органические материалы. Элементарная сера (90–99% S) используется в нормах внесения – она медленно окисляется в почве с образованием серной кислоты. Подкисляющие удобрения, такие как сульфат аммония, нитрат аммония и мочевина, могут помочь снизить pH почвы, поскольку аммоний окисляется до азотной кислоты. К кислым органическим материалам относятся торф или сфагнум. Однако в почвах с высоким pH и высоким содержанием карбоната кальция (более 2%) попытки снизить pH с помощью кислот могут быть очень дорогостоящими и/или неэффективными. В таких случаях часто более эффективно добавлять фосфор, железо, марганец, медь и/или цинк, поскольку недостаток этих питательных веществ является наиболее частой причиной плохого роста растений в известковых почвах.