Отдача и присоединение протонов гидрокомплексами алюминия и полимерами гидроксидов алюминия. Если концентрация Н⁺ в почвенном растворе возрастает до такой степени, что рН становится больше либо равно 5, то из силикатной решетки растворяется большое количество алюминия и в водном растворе появляются ионы гексаква-алюминия [Аl(Н₂ О)₆ ]³⁺ , которые стабильны только в сильнокислой среде. Если рН несколько выше, чем это требуется для поддержания гексаква-ионов, из водных молекул гидратной сферы выделяются протоны и появляются ионы гидроксо-комплекса алюминия:

[Аl(Н₂ О)₆ ]³⁺ [Аl(Н₂ О)₆ ОН]²⁺ = Н⁺ [Аl(Н₂ О)₄ (ОН)₂ ]⁺ + Н⁺ .

Эта система ведет себя как кислотно-щелочной буфер. В более щелочной среде гидроксокомплексы полимеризуются, затем полимеры присоединяются к глинистым минералам и нейтрализуют часть перманентных зарядов. При дальнейшем подщелачивании положительный заряд полимеров постепенно уменьшается и блокированные места зарядов снова освобождаются. Под влиянием кислоты (в результате присоединения протона) заряд полимера, или свободный заряд, приходящийся на один ион алюминия, возрастает, а в сильнокислой среде соединение [Аl(Н₂ О)₆ ]³⁺ деполимеризуется до аквакомплексионов.

Образование и разрушение органических металлических комплексов сопровождается переходом протона:

М^{z +} + H_z LML + zH⁺ ,

где L – комплексообразующий лиганд.

В насыщенных почвах преобладают Са- и Mg-комплексы, в кислых почвах – Al-комплексы.

Буферное влияние системы СаСО₃ –Са(НСО₃ )₂ –СО₂ –Н₂ О. Реакцию среды системы регулирует равновесие реакции

СаСО₃ + [H⁺ + HCO^- ₃ ] Са(НСО₃ )₂ Ca²⁺ + 2ОН^- + Н₂ СО₃

Соответственно этому в карбонатных почвах растворение СаСО₃ снижает прибавку Н⁺ , а образование (выпадение в осадок) СаСО₃ – избыток ОН^- .

То, в какой области рН наиболее эффективна та или другая буферная система, определяется постоянной диссоциацией протонированной формы функциональных групп, ведущих себя как слабые кислоты. Чем слабее кислота, чем сильнее связывает протоны протонированная форма, тем при более высоких значениях рН вступает в действие система. В различных фазах подкисления или подщелачивания – в зависимости от содержания коллоидов, их качества и насыщенности – в почве получают ведущую роль те или другие буферные системы [2, 12].

Б. Ульрихом (1980, 1983, 1986) разработана концепция буферных зон почв, в соответствии с которой те или иные компоненты почвы ответственны за создание буферности почвы, к кислоте в разных диапазонах значений рН, причем в пределах каждого диапазона ведущая роль принадлежит только одной буферной реакции.

Карбонатная буферная зона имеет значение только в почвах, содержащих карбонаты, и соответственно имеющих рН более 6,2. Основной буферной реакцией является растворение карбонатов.

Силикатная буферная зона играет наибольшую роль в диапазоне значений рН от 5,0 до 6,2. Основным механизмом буферности является замещение протонов щелочных и щелочноземельных металлов, входящих в кристаллическую решетку минералов. Буферная емкость в пределах этой зоны зависит от минералогического состава почвы, который определяет содержание оснований.

Ионообменная буферная зона соответствует диапазону значений рН от 4,2 до 5,0. Основной буферной реакцией является вытеснение кальция протоном из почвенного поглощающего комплекса. Прогрессивное подкисление вызывает переход почвы в состояние, соответствующее следующей – алюминиевой – буферной зоне.

Алюминиевая буферная зона соответствует диапазону значений рН 4,2-3,2. Основной буферной реакцией является освобождениеалюминия из глинистых силикатов.

Железистая буферная зона характеризуется очень низкими значениями рН (менее 3,2), при которых начинается растворение гидроксидов железа, которое является основной буферной реакцией [18].

Буферность и буферные свойства почв заключают в себе определенную, притом немалую, информацию о процессах почвообразования, которую можно использовать при решении вопросов диагностики и классификации почв. Информация об устойчивости почв относительно подкисления и подщелачивания может служить в качестве теоретической основы при решении общеэкологических задач и многих практических вопросов химизации земледелия [19].

2 Природно-климатические условия исследования

2.1 Агроклиматические условия

По биоклиматическим показателям территория Челябинской области подразделяется на подзоны: горно-лесная зона, северная лесостепь, южная лесостепь, степь; в Курганской отсутствует горно-лесная. Южная лесостепная подзона – это Агаповский, Верхнеуральский Еткульский, Троицкий и Увельский районы Челябинской области; Альменевский, Сафакулевский, Кетовский, Юргамышский районы. Расположена она также в пределах зауральского пенеплена Западно-Сибирской низменности и имеет типичный равнинный характер[20].

Южная лесостепная почвенно-климатическая подзона характеризуется относительно большим количеством тепла и явным дефицитом влаги.

Сумма эффективных температур более 10 °C составляет 2000-2150 °С. Этот уровень теплообеспеченности наступает 5-8 мая, заканчивается 19 сентября, то есть период активной вегетации растений продолжается 130-135 дней. Весной заморозки прекращаются обычно 17-20 мая, осенью случаются в третьей декаде августа. Такой температурный режим позволяет выращивать не только зерновые, но и многие другие, более теплолюбивые культуры.

По количеству атмосферных осадков южная лесостепь значительно уступает северной и тем более горно-лесной зоне. Здесь за вегетационный период их выпадает 190-225 мм. Гидротермический коэффициент (по Селянинову) не превышает 0,9-1,0, запасы влаги в почве к началу сева яровых зерновых бывают недостаточные – 115-135 мм в метровом слое, или 45-60 % от потребности сельскохозяйственных культур. Засуха и суховеи в районах южной лесостепи бывают практически ежегодно. Наиболее засушливый месяц – июнь. В этих условиях эффективное ведение земледелия возможно только при применении агротехнических приемов по накоплению, сохранению и экономичному использованию влаги.

Устойчивый снежный покров формируется в первой декаде ноября и сохраняется в течение 145-150 дней. Высота его увеличивается медленно. В начале декабря снежный покров достигает 10 см, в январе 15-20 см и только к концу февраля 30-40 см. При сильных морозах, достигающих в январе – 44-48 °С, почва глубоко (до 150-170 см) и сильно промерзает, а весной поздно оттаивает.

2.2 Почвенный покров

Южная лесостепь расположена в пределах зауральского пенеплена Западно-Сибирской низменности. Рельеф зоны типично равнинный.

В почвенном покрове преобладают черноземы выщелоченные, на долю которых приходится 34,8 % общей площади, 46 % пашни и 45,9 % сельхозугодий. Второе место занимают черноземы обыкновенные, распространение которых характеризуется соответственно такими показателями: 21,3, 30,7 и 26,7 %.

Большие площади занимают солонцы – 14,9 % общей площади, 12,2 % пахотных земель и 19,5 % сельхозугодий. более 3 % от площади почвенного покрова, 2,2 % пашни и 2,4 % естественных сельхозугодий приходится на серые лесные осолоделые почвы [21].

Чернозёмные почвы в лесостепной зоне представлены оподзоленными, выщелоченными и типичными черноземами.

Среди черноземных почв в каждой подзоне развиты их полугидроморфные аналоги – лугово-черноземные почвы. Они формируются в условиях повышенного увлажнения з