Mовечето агрономи смятат калция и магнезия, в сравнение с азота, фосфора и калия, за вторични хранителни вещества за растенията. Но всъщност за почвата, като се има предвид тяхното количество и биохимична роля, те са първостепенни елементи. Калцият е основният елемент на почвеното плодородие и агрономическите й свойства поради високото съдържание на масовата фракция на обменяемия Ca в състава на почвения абсорбционен комплекс (GVK).
GVK е набор от минерални, органични и органично-минерални компоненти на твърдата част на почвата (колоиди), които имат йонообменен капацитет. GVK включва също катиони, способни на обменни реакции, които могат да се обменят в еквивалентни количества за катиони на почвен разтвор. Абсорбционният капацитет на почвата зависи от съдържанието на най-малките почвени частици (колоиди), които образуват почвения абсорбционен комплекс. Колоидите са частици от твърдата фаза на почвата с размер от 0,1 до 0,001 микрона. Те съставляват една от фракциите на елементите с размер на частиците на почвата. Колоидната фракция в различните почви варира от 2% в леки почви до 30-50% в тежки почви.
Почвените колоиди са отрицателно заредени, а съдържащите се в тях химични елементи имат положителен заряд. Отрицателно заредената глина и хумусните колоидни частици привличат и задържат положително заредени части. Колкото повече глина и хумус колоиди има в почвата, толкова повече отрицателно заредени частици има за привличане на положително заредени частици според магнитния принцип. Абсорбцията на торове зависи от почвените колоиди. За да бъдат задържани от почвения колоид, торовете трябва да бъдат положително заредени.
Положително заредените елементи образуват катиони. Отрицателно заредените, като азот (нитрати), фосфор и сяра, образуват аниони. Отрицателните йони не се привличат от почвения колоид. Това обяснява високата мобилност на нитратите (NO3-) и други аниони в почвата, които не се адсорбират от нейните колоидни частици и лесно се отмиват от почвата, ако предварително се прилагат нитратни азотни торове.
Почвените колоиди лесно се губят от почвата. Бучките почва, по-големи от 1 мм, са устойчиви на вятър, а по-малко от 1 мм са опасни от ерозия. Когато в горния слой на почвата има повече от 1% частици по-малки от 50 мм, започва ерозия. Това е прагът за съпротивлението на вятъра на почвата. А именно, по време на оранта се образуват значителен брой частици с диаметър по-малък от 1 мм. Освен това, с оборота на слоя, стърнищата и растителните остатъци се унищожават и почвата става незащитена. Ако беше възможно да се събере прах, който се пренася от вятъра или се отмива от вода за анализ, би се оказало, че той има най-високо съдържание на хранителни вещества сред всички почвени компоненти. Най-плодородната част на почвата (колоидни частици) винаги е първата, която се губи от водна или ветрова ерозия. Колкото по-дълго трае ерозията, толкова по-лоша става почвата.
Ниската част на полето почти винаги има най-богато съдържание на хранителни вещества, защото там се събира по-голямата част от лекия колоиден прах, който се пренася през полето от вятъра или се отмива от водата. По хълмовете и по-високите части на полето, независимо от това къде тече водата или духа вятърът, почвените колоиди, съдържащи хранителни вещества, се издухват и измиват по-интензивно. Такива области от почвата на полето имат по-лошо плодородие и по-ниско съдържание на хранителни вещества.
Натрупването на растителни хранителни вещества в почвата е свързано с физикохимичния (метаболитен) абсорбционен капацитет на почвата. Същността му се крие във факта, че абсорбираните катиони или аниони, фиксирани от колоидната частица, могат да бъдат заменени с други катиони или аниони от разтвора.
Агрономическите свойства и плодородието на почвата (съдържание на хранителни вещества, киселинност и алкалност на почвената среда) зависят от това кои катиони се намират на повърхността на колоидната частица и колко от тях има. Абсорбцията и обменът се случват само на повърхността на колоидните частици. Колкото по-голяма е повърхността, т.е. колкото повече колоиди има в почвата, толкова повече катиони се абсорбират. В тази връзка при глинестите почви абсорбиращият комплекс е по-голям, а в песъчливите почви е по-малък. В обменно състояние в почвите обикновено се намират: Ca2+, Mg2+, K+, NH4+, Na+, H+, Al3+, Fe3+, Fe2+. При наличието на значително количество H+ и Al3+ в почвено-абсорбционния комплекс, колоидите лесно се разрушават в резултат на киселинна хидролиза, а почвите са слабо структурирани. Ако значителна част от обменните катиони принадлежат към Na+ (солени почви, алкални почви), тогава колоидите лесно се пептизират, почвите се характеризират с алкална реакция, лошо структурирани, имат неблагоприятни водно-физични свойства – повишена плътност, лоша водопропускливост, слаба загуба на вода, ниска наличност на почвена влага.
Физичните и физикохимичните свойства на почвата се влияят не само от размера на абсорбиращия комплекс и броя на абсорбираните катиони, но и от техния състав. Различните видове почви съдържат различен състав на абсорбираните катиони в GVK. Всеки вид почва има специфични катиони. Например, черноземите и кестеновите почви съдържат много Ca++ и Mg++, подзолните почви съдържат H+ и Al+++, засолените почви съдържат Na+, а блатните почви съдържат Fe+++. Почвите в естественото си състояние съдържат най-много катиони като калций, магнезий, натрий, водород и калий.
Показател за състава на катионите в GVK е насищането на основите. Базовото насищане (BS) е параметър, който характеризира процента на основните обменяеми почвени катиони (калций, магнезий, калий, натрий и водород) в GVK. Степента на назъбване на основата, % е съотношението на сумата от обменните бази към капацитета на поглъщане. При високи стойности на BS (%) на някои катиони могат да се направят следните изводи: H повече от 33% е голям проблем с киселинността на почвата, необходимо е вар, Na повече от 5% трябва да се гипсира, Mg повече от 33% трябва да се гипсира.
Индивидуалните абсорбирани катиони в GVK имат много забележим ефект върху процеса на формиране на почвата, физичните свойства и плодородието на почвата. В зависимост от състава на абсорбираните катиони, всички почви могат да бъдат разделени на наситени и ненаситени основи. Първата група включва почви, чийто абсорбиращ комплекс е доминиран от калциеви, магнезиеви и натриеви катиони, а втората група включва тези, в които заедно с калций и магнезий в абсорбиращия комплекс присъстват и водородни и алуминиеви катиони. Почвите, наситени с калций и магнезий, са благоприятни за развитието на растенията, имат най-добри физични свойства и добре дефинирана структура.
Оптималният процент на насищане с калций в почвата трябва да бъде в диапазона от 60-70%. На песъчливи почви 60% от калциевите катиони трябва да бъдат прикрепени към GVK колоиди. На глинести почви 70% от обменяемите калциеви катиони трябва да бъдат част от абсорбиращия комплекс. За да се постигне максимално усвояване на хранителните вещества от растенията, трябва да има по-малко от 60% насищане с калций в почвата около кореновите косми. Когато калцият достигне 85% базово насищане в GVK, желязото, магнезият, калият, борът, цинкът и медта се блокират. Ако почвата е наситена с Ca бази над 80%, не е необходимо да се извършва варуване, но ако насищането е по-малко от 50%, необходимостта от него е висока.
В сравнение с калция, съдържанието на магнезий в почвите е по-ниско. Магнезият, заедно с калция, е много важен катион за достъпа на въздух и вода до почвата. Той помага да се задържат частиците на почвата заедно. Магнезият се нарежда на второ място след калция по съдържание на насищане на почвата. Магнезиевите катиони в състава на GVK трябва да бъдат в диапазона от 10 до 20%. На тежка глинеста почва 10% е оптимално, а на лека песъчлива почва – 20%. Идеалното общо съдържание на калций и магнезий в състава на GVK трябва да бъде равно на 80%. На почви с високо съдържание на глина тя трябва да бъде Ca + Mg = 70 + 10 = 80 %, докато на лека песъчлива почва трябва да бъде Ca + Mg = 60 + 20 = 80 %.
Тежката глинеста почва трябва да има повече калций, докато леката песъчлива почва трябва да има повече магнезий. Колкото по-високо е нивото на калций в почвата, толкова повече порьозност има и толкова по-лесно влагата напуска почвата. Двувалентните Ca2+ катиони причиняват елементарни почвени частици да се слепват на бучки, което води до подобрени физични свойства на почвата. Калцият се нарича „пазител на плодородието на почвата“, защото допринася за образуването на структура и намаляването на киселинността на почвата.
Магнезият уплътнява почвата. Увеличаването на съдържанието на магнезий води до увеличаване на количеството вода, задържана от почвата. Колкото по-високо е съдържанието на магнезий в глинестата почва, толкова по-вискозна и лепкава ще бъде, когато е мокра, и толкова по-трудно ще бъде, когато е суха. Натрият прави почвата по-твърда.
Повишено съдържание на калций и магнезий е характерно за почвите на степите. Глинестите почви имат високо съдържание на калций и магнезий. Особено бедни на калций и магнезий са силно кисели почви с разпределение на размера на леките частици. Повечето калций и магнезий се губят от почвата поради излужване и отстраняване от културата. На почви с различен състав, от няколко десетки до 200-400 кг / ха или повече калций може да се измие от почвата годишно. Годишната консумация на магнезий може да достигне 20-40 кг/дка. Калцият и магнезият се измиват от леките почви с 1,5-2 или повече пъти в сравнение с тежките почви.
Калцият и магнезият са най-важните елементи в състава на GVK катионите. Преди да започнете каквато и да е програма за торене на културите, е необходимо да се установи не съдържанието на рН на почвата, не количеството макро- и микроелементи, а процентът на насищане на почвата с основи Ca и Mg спрямо пълния обменен капацитет.
За повечето видове почви оптималният среден процент на насищане с калций в почвата трябва да бъде 65%, а магнезий 15%. В същото време е важно не само да се елиминира както дефицитът на тези два елемента в състава на GVK, така и техният излишък. Много ферми, поради високата цена на фосфорни и калиеви торове, прилагат само азотни торове в почвата. В същото време, под въздействието на азот, почвата губи калций, което води до промени в оптималния състав на GVK катиони, влошаване на плодородието и важни свойства на почвата. Калцият се измества от почвата чрез прекомерни количества азот. Азотът в абсорбиращия комплекс на почвата води до намаляване на съдържанието на калций и увеличаване на съдържанието на магнезий. Това е една от причините, поради които се смята, че азотът от безводен амоняк увеличава плътността на почвата. Всъщност, прекомерното количество магнезий, поради намаляване на количеството калций и увеличаване на съдържанието му, уплътнява почвата. За всеки процент калций, загубен от азота, количеството магнезий се увеличава с 1%. Отстраняването на 10% калций от почвата чрез азот води до 10% повишаване на нивата на магнезий. Ако съдържанието на магнезий или калций в почвата е твърде високо, растенията не могат да абсорбират достатъчно калий. С увеличаване на съдържанието на калций или магнезий, K+, Na+, H+ йоните се изместват от абсорбиращия комплекс и се измиват от почвата. Калцият и магнезият са калиеви, водородни и натриеви антагонисти в GVK. Прекомерното прилагане на калциеви или магнезиеви торове може да доведе до липса не само на H и Na катиони, но и на калий в почвата. Следователно, прекомерното прилагане на калций в почвата и достигането на рН на почвената среда над 6,5 също изисква въвеждането на калий в почвата при ниското му съдържание в малки дози торове поради възможността за извличане на този катион от абсорбиращия комплекс. Поради антагонизма на калций и калий е необходимо да се увеличат дозите на калиевите торове по време на варуване на почви с реакция, близка до неутрална. Едновременно с подобряването на режима на калий на почвата, ефективността на варуването също се увеличава.
Черноземните почви на горските степи и степи съдържат значително количество калий, достъпно за растенията. Те също са богати на необменяем калий, който активно се превръща в мобилни форми, така че ефективността на калиевите торове върху тези почви е незначителна. Това е особено очевидно при почви с тежко разпределение на размера на частиците.
Смята се, че прекомерното прилагане на калиеви торове може да доведе до липса на магнезий. Веднъж попаднали в почвения разтвор, магнезиевите йони са силно хидратирани, така че те се абсорбират слабо от почвата и, за разлика от калия, лесно се измиват от валежите. Поради това, в случай на прилагане на калиев хлорид, загубите на магнезий поради излужване се увеличават. Въпреки това, Mg2+ катионите носят двоен положителен заряд и са по-силни в сила на изместване в сравнение с K+ катионите, които имат един положителен заряд и са способни да изтласкват катиони с един положителен заряд в GVK.
Излишните магнезиеви катиони от почвата могат да бъдат отстранени с достатъчно количество калций по време на варуване, както и прилагането на сяра в почвата. В първия случай варовиковият тор, приложен върху почвата, допринася за насищането на GVK с обменяеми калциеви катиони, което измества по-слабите Mg катиони, които постепенно навлизат във водния разтвор с последващата им инфилтрация надолу по почвения профил. Във втория случай отрицателно заредените серни аниони (SO42-) се привличат от положително заредените магнезиеви катиони на абсорбционния комплекс и са в състояние да ги преместят надолу с дренажната вода и да ги излеят в подземните води. Веществата, мигриращи в почвата (отрицателно заредени аниони), са в състояние да отстранят прекомерните количества абсорбирани катиони от GVK. Азотът в нитратна форма обикновено е в състояние да премахне калциевите катиони от почвата, а сярата е в състояние да премахне всички основни обменни катиони на GVK (Ca2 +, Mg2 +, Na+, H +, K +). Въпреки това, сярата в уплътнената почва ще измести Ca, и няма да може да намали съдържанието на магнезий или калий, натрий, водород, докато калцият не е най-малко 60% насищане на абсорбиращия комплекс. Докато се постигне насищане с калций в почвата от 60%, азотът и сярата ще допринесат за загубата на калций. След регулиране на съдържанието на калций, магнезий, калий, натрий, водород в абсорбиращия комплекс, сярата ще намали необходимите нива на всички абсорбирани катиони. Ето защо е важно да се спре прилагането на сяра при липса на излишък от катиони в състава на насищането на почвата с основи.
Водородът в състава на GVK трябва да бъде равен на между 10-15% от насищането на почвата с основи. В рамките на това ниво на рН на почвата, водородът дава повече киселинност на почвата, в резултат на което фосфатите, калият и други хранителни вещества стават по-достъпни. Водородът в този интервал леко увеличава киселинността, така че растенията да могат по-добре да абсорбират хранителните вещества. Например, фосфорът обикновено се абсорбира от растенията при pH sol. 5.6–7, рН на водата. 6.1–7 под формата на H2PO4- и HPO42-. Когато рН на почвата надвиши 7, фосфорът се фиксира в почвата поради калций в неутрални и карбонатни почви (черноземи). При по-ниски нива на реакция на почвата (рН по-малко от 5,6, рН по-малко от 6,1), фосфорът обикновено се свързва с разтворим алуминий и желязо в кисели подзолни почви.
Най-благоприятните условия за растежа и развитието на повечето култивирани растения и тяхното усвояване на елементите са рН на почвената среда и колоидите на много слабо кисела и неутрална почва (рН 5.6–7, рН на водата 6.1–7). Бактериите предпочитат неутрална и алкална реакция, докато гъбичките предпочитат кисела. При pH сол. под 5,6 и рН на водите. под 6.1, гъбичките растат повече в почвата, при високо pH sol. и води. Повече от 7,1 бактерии започват да се появяват. Чрез рН сол. 5.6–7 и рН на водата. 6,1–7 създава почвена среда, в която бактериите и гъбичките функционират добре заедно.
Когато нивото на обменна киселинност в почвата е 7 или по-високо, тогава съдържанието на водород в състава на GVK ще бъде нула. При спускане под нивото на рН на обменяемите 7, съдържанието на абсорбираните H+ катиони в почвата ще се увеличи и обменният водород ще започне да се увеличава. Ако рН на обмена е в диапазона 7-6,9, тогава водородът ще се увеличи до 1,5%. При рН 6,8 обменният водород в абсорбиращия комплекс ще се увеличи до 3%. За всяко понижение на pH 0,1 под pH 7, обменният водород ще се увеличава с 1,5% до достигане на pH 6. При 10,5% насищане на почвата с H+ катиони нивото на обменна киселинност ще бъде 6,3, а при 15% насищане на почвата с абсорбирани водородни катиони рН на почвената среда ще бъде равно на 6.
pH на почвата не може да служи като индикатор за необходимостта от калциеви торове и според повечето агрономи е една от основните характеристики на почвеното плодородие и неговите важни свойства, което значително влияе върху производителността. Оптималното ниво на рН на почвената среда не гарантира правилния баланс на абсорбираните катиони в състава на GVK. Почвата с високо съдържание на магнезий и ниско съдържание на калций може да покаже нормално рН от 6,5 и да съдържа абсолютно недостатъчни количества калций. Излишъкът от някой от основните катиони (калций, магнезий, калий и натрий) може да доведе до повишаване на рН, а липсата на някой от тях може да доведе до намаляване на нивото на почвения разтвор.
Магнезият има по-голям ефект върху рН на почвата, отколкото калция. Веднага щом в почвата има твърде много магнезий, нивото на рН рязко се повишава. Магнезият, в сравнение със същото количество калций, може да повиши рН до 1,67 пъти по-високо от калция. Калият може да повлияе на рН дори повече от калция и магнезия. Изключително високото съдържание на натрий води до изключително високо ниво на рН на почвената среда. Нивата на рН на почвата се влияят от всичките четири основни метаболитни катиони: калций, магнезий, калий и натрий. Необходимо е равновесие на обменните катиони на почвенопоглъщащия комплекс, в противен случай нивото на рН няма да има значение. Нивото на почвата се саморегулира, когато калций, магнезий, калий и натрий са в състояние на правилно равновесие. Равновесие на рН от 6,2 или 6,3 за културите, основано на баланса на тези четири елемента, ще насърчи растежа и правилните добиви според вида на растението и естеството на почвата.
Показателят за абсорбираните калиеви катиони в състава на GVK трябва да бъде от 2 до 5 %, а натрий – 0,5 – 3 %. Съответно останалите бази трябва да са между 2 и 4%. Те са необходими в почвата в много малки количества. Когато в почвата има повече натрий, отколкото калий, това ще доведе до разширяване на клетъчните стени. С комбиниран процент K и Na над 10%, растението няма да може да абсорбира достатъчно манган. Манганът е много важен за образуването на зърно.
Повечето калий се намира в глинести черноземни почви с неутрална реакция на почвената среда. В солените съдържанието му е много по-високо, така че доста често няма нужда да се използват калиеви торове върху тях. В почви с лек гранулометричен състав (песъчлива и песъчлива глинеста почва) с висока киселинност съдържанието на калий е много по-ниско. Торфените почви са най-бедни на калий, където съдържанието на този елемент е от 0,03 до 0,15%. Съдържанието на мобилен калий в почвата, който е основната форма за хранене на растенията, е само 0,5-2% от брутното.
Гореспоменатите параметри на оптималните проценти на насищане на почвата с основи в агрохимичния анализ на почвата дават информация за липсата или наличието на проблеми в състава на абсорбираните GVK катиони, които причиняват нежелани промени в реакцията на почвения разтвор, мобилността на хранителните вещества и тяхната наличност за растенията, физичните и физикохимичните свойства на почвата и ефективността на използването на торове. Почвата с дефицит на определен катион в абсорбиращия комплекс задължително ще има твърде много от втория абсорбиран катион. Трябва да се разбере, че например, насищайки почвата с калий до 7,5% и имайки 10% магнезий и 70% калций в състава на GVK, някои катиони трябва да бъдат изместени от абсорбиращия комплекс и да направят място за него. Тя може да бъде водород, ако нивото на рН е под 7. От състава на почвеното насищане с основи катионите K+, Na+, H+ имат само един положителен заряд „+“, а катионите Ca2+, Mg2+ носят двоен положителен заряд „++“. Ca2+, Mg2+ са силни катиони, които са способни да изтласкват катиони с един положителен заряд „+“. Според силата на изместване от GVK, катионите от силни към по-слаби могат да бъдат подредени в следния ред: Ca2+, Mg2+, K+, Na+, H+. При ниво на рН над 6,5, много малко колоиди с отрицателен заряд остават в състава на GVK. В същото време калиевите катиони няма да могат да изтласкат достатъчно количество водород и да се прикрепят към почвените колоиди. Рядко се наблюдава повишаване на съдържанието на калий в почвата при рН над 6,5. При рН на почвата от 6,5, нивото на насищане на почвата с H+ катиони ще бъде 7,5%. При ниво на рН над 6,5 е необходимо да се обмисли програма за поддържане на съдържанието на K2O в почвата с малки дози торове поради възможността за извличане от абсорбиращия комплекс. Не е необходимо да се работи за повишаване на нивото на калий в състава на GVK, докато няма намаляване на рН под 6,5. При нива на рН под 6,5, калият се задържа в почвения колоид. Това отчасти обяснява защо калият не се задържа в глинеста почва, когато нивото на рН е над 6,5.
Невъзможно е да се прилагат калиеви торове в големи дози за бъдеща употреба в депозит за няколко години предварително, също и върху песъчливи и песъчливи глинести кисели почви, от които се измива калий, но те трябва да се прилагат в малки количества. На леки песъчливи почви, поради извличането на катиони Ca2+, Mg2+, K+ в GVK, съдържанието на водород се увеличава, което увеличава киселинността. На песъчливи почви, които изискват варуване, прилагането на калиеви торове увеличава неутрализирането на киселинността на почвата, тъй като калият измества H+, Al3+ и Mn2+ йони в разтвора, което води до намаляване на рН на почвата. Калиевите торове стават още по-важни след варуване на кисели почви. Много по-лесно е да се насити добра песъчлива почва с калий с помощта на минерални торове, отколкото тежка почва. В средни или тежки почви, подложени на използване на минерални торове с ниско съдържание на калий, може да се прилага, когато в почвата има достатъчно място за задържане на този елемент от глинени колоиди при рН под 6,5.
Всеки тип почва се характеризира с разпределение на размера на частиците, специфично профилно разпределение на фракциите и определен състав на насищане на почвата с основи. Въз основа на дългогодишни изследвания бяха предложени почвени модели с оптимална комбинация от абсорбирани обменни катиони в състава на GVK. За повечето видове почви правилните средни проценти на насищане на почвата на абсорбираните катиони трябва да бъдат както следва: калций – 60–70%, магнезий – 10–20%, калий – 2–5%, натрий – 0,5–3%, водород – 10–15%, други основи – 2–4%. При леки песъчливи почви оптималните проценти на насищане на почвата с основи трябва да бъдат както следва: 60% калций, 20% магнезий, 2 до 5% калий, 10-15% водород, 0,5-3% натрий, 2-4% други основи. Съответно, на тежки глинести почви, показателите за оптимални проценти на насищане на почвата с основи трябва да бъдат, както следва: 70% – калций, 10% – магнезий, 2 до 5% – калий, 10-15% – водород, 0,5-3% – натрий, 2-4% – други основи. Според някои данни идеалните показатели за състава на катионите на почвено-абсорбиращия комплекс трябва да бъдат в следните процентни диапазони: калций – 65–80%, магнезий – 10–15%, калий – 1–5%, натрий – 0–1%, други бази – до 5%. Има и други предложения за типични базови диапазони на насищане: калций – 60–75%, магнезий – 10–20%, калий – 2–7%, натрий – 0–10%, водород – 0–10%.
Въз основа на почвени модели с оптимална комбинация от абсорбирани обменни катиони в състава на GVK е възможно да се характеризират различни видове почви, почвообразуващ процес, физични и физико-химични свойства и тяхното плодородие.
Фосфорните торове се прилагат най-ефективно в условия на недостатъчна влага върху обикновени и южни черноземи и върху кестенови почви. Калиевите торове работят най-добре върху торф, след това върху подзолни и сиви горски почви. Азотът, поташът и микроторовете обикновено са по-ефективни при леки почви, а фосфорните торове обикновено са по-ефективни при тежки почви.
