Тема 5. ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ
Газообразная и жидкая фазы почв обладают большой динамичностью, наибольшей изменчивостью, тогда как большая часть ее твердой фазы инертна, так как входящие в ее состав соединения не растворимы в воде. Лишь некоторая часть твердой фазы почв способна все же принимать участие в целом ряде быстро протекающих реакций, так как имеет большую удельную поверхность, которая зависит от размера частиц.
Часть твердой фазы почв, способную принимать участие в быстрых реакциях обмена с элементами почвенных растворов, выделяют как почвенные коллоиды или почвенно-коллоидный комплекс. С почвенно-коллоидным комплексом тесно связана поглотительная способность почвы.
Поглотительная способность почв – это способность почв обменно либо необменно поглощать различные твердые, жидкие и газообразные вещества или увеличивать их концентрацию у поверхности содержащихся в почве коллоидных частиц.
Поглотительная способность почв во многом определяет свойства, плодородие, генезис почв.
К.К. Гедройц (1887–1932) является основоположником развития учения о почвенных коллоидах, поглотительной способности почв.
К.К. Гедройц, отметив, что почва обладает способностью «задерживать те или другие вещества, приходящие в соприкосновение с ее твердой фазой через циркулирующие в ней воды», предложил различать несколько видов поглотительной способности: механическую, физическую, физико-химическую (обменную), химическую и биологическую.
Механической поглотительной способностью К.К. Гедройц назвал «свойство почвы, как всякого пористого тела, не пропускать через себя, задерживать частицы, взмученные в фильтрующейся через почву воде, раз эти частицы больше некоторой величины».
Физической поглотительной способностью почв К.К. Гедройц назвал способность почв поглощать из растворов «целые молекулы растворенных в почвенной влаге электролитов, а также основные продукты гидролитического расщепления солей слабых кислот и сильных оснований». При этом могут поглощаться не только целые молекулы, но и коллоиды вследствие их коагуляции.
Физико-химическая (обменная) поглотительная способность почв – способность почв «обменивать некоторую часть содержащихся в твердой ее фазе катионов на эквивалентное количество катионов, находящихся в соприкасающемся с нею растворе… Поглощаемый из раствора при этом катион или поглощаемые катионы, если в растворе их несколько, в том или другом количестве исчезают из раствора и становятся в соединения твердой фазы почвы, а вместо них в раствор… переходит из твердой фазы почвы эквивалентное количество другого или других катионов» (Роде, 1955). Обменно почвой могут поглощаться не только катионы, но и анионы, хотя подобное встречается значительно реже.
Химическая поглотительная способность почв, согласно К.К. Гедройцу, заключается в том, что «те анионы растворенных солей, которые дают с катионами, находящимися в почвенном растворе, нерастворимые или малорастворимые соли будут выпадать из раствора в виде соответствующих солей». Например, находящийся в растворе ион фосфорной кислоты РО4-3 поглотится почвой в результате образования фосфата железа.
Биологическая поглотительная способность почв связана с наличием в ней микроорганизмов и корней растений. «Те и другие, – подчеркивает К.К. Гедройц, – в процессах жизнедеятельности поглощают из почвенного раствора различные вещества». Отличительной ее чертой является избирательность, то есть микроорганизмы и корни растений усваивают те или иные ионы в количествах, совершенно иных, чем они находятся в почве.
К.К. Гедройц установил законы, определяющие физико-химическую (обменную) поглотительную способность почв. Он ввел такие понятия, как обменные катионы, емкость обмена, показал, насколько велико влияние обменных катионов на реакцию почв, способность к ее набуханию, структуру, фильтрационную способность, дисперсность и ряд других показателей почв. Им установлено, что носителем обменной способности почв является коллоидальная часть почвы, которую он назвал почвенно-поглощающим комплексом. К.К. Гедройц доказал, что определенному типу почв характерен свой состав обменных катионов. Им была разработана классификация почв, основанная на их коллоидно-химических признаках.
Почвенно-поглощающий комплекс (ППК) – это совокупность минеральных, органических и органоминеральных соединений в высокой степени дисперсности, нерастворимых в воде и способных поглощать и обменивать поглощенные ионы (Розанов и др., 1988).
Коллоидным состоянием вещества называют его состояние в высокой степени дисперсности или раздробления.
Дисперсные системы по величине частиц делятся на три группы: предколлоидные системы (диаметр частиц 0,001–0,0001 мм), коллоидные системы (диаметр частиц 0,0001–0,000001 мм), молекулярные растворы (диаметр частиц меньше 0,000001 мм).
Поглотительной способностью обладают как коллоидные, так и предколлоидные частицы. Образуются почвенные коллоиды двумя путями – конденсационным и дисперсионным.
Конденсационный путь – соединение молекулярно раздробленных веществ, а дисперсионный – это образование почвенных коллоидов в процессе выветривания и почвообразования в результате дробления крупных частиц.
В материальном отношении почвенные коллоиды подразделяются на три группы: минеральные, органические и органоминеральные. В большинстве почв преобладают минеральные коллоиды, состоящие преимущественно из глинистых минералов.
Органические коллоиды представлены главным образом гумусовыми веществами.
Органоминеральные коллоиды часто представлены соединением фульвокислот с оксидом железа и алюминия.
Характерной особенностью почвенных коллоидов является их большая поверхность. Для примера рассмотрим динамику поверхности грани кубика объемом 1 см3 твердого вещества при его измельчении. При длине ребра кубика 1 см общая поверхность кубика составляет 6 см2; при длине ребра 0,1 см общая поверхность возрастает до 60 см2, а при длине ребра 0,000001 см общая поверхность всех кубиков составит 60000000 см2 или 0,6 га.
Если учесть, что в реакциях обмена участвуют только молекулы и ионы, входящие в состав поверхностного слоя частиц, то станет понятным, почему появляются коллоидные свойства, степень выраженности которых нарастает с уменьшением размера почвенных частиц.
А.А. Роде и В.Н. Смирнов (1972) так описывают строение почвенных коллоидов (рис. 5). Внутри коллоидной частицы находится ядро, представленное пластинчатым кристаллом какого-нибудь глинистого минерала. Некоторые ионы, входящие в поверхностный слой ядра, имеют свободные заряды (энергетически ненасыщенные валентности), совокупность которых и определяет заряд самого ядра. Слой поверхностных ионов ядра называется внутренним или потенциалопределяющим слоем, так как от него зависит величина и знак заряда ядра. Большинство коллоидов, находящихся в почве, имеют отрицательный заряд.
В потенциалопределяющем слое могут быть ионы ОН-, РО4---,SiO3--. Отрицательный заряд ядра уравновешивается расположенными вокруг него положительно заряженными катионами (Са++, Mg++, H+, Fe+++, Al+++), образующими слой компенсирующих ионов.
Компенсирующие ионы расположены вокруг гранулы (гранула – это совокупность ядра и потенциалопределяющего слоя) двумя слоями. Один – внутренний – неподвижный слой, непросредственно прилегает к потенциалопределяющему слою (гранула с неподвижным слоем называется коллоидной частицей) и второй – внешний – так называемый диффузный слой компенсирующих ионов. Ионы компенсирующего слоя обладают способностью к эквивалентному обмену на ионы того же знака заряда из окружающего почвенного раствора. Наиболее легко обмениваются ионы диффузного слоя, несколько труднее – ионы неподвижного слоя. Коллоидная частица совместно с диффузным слоем образует мицеллу.
 Рис. 5. Схема строения коллоидных почвенных частиц (по Н.И. Горбунову): а – минеральный, б – органический
Коллоидная мицелла в целом нейтральная. Основная масса мицеллы принадлежит грануле, поэтому заряд последней рассматривается как заряд всего коллоида.
Свойства почвенных коллоидов. Коллоиды, в потенциалопределяющем слое которых содержатся отрицательно заряженные ионы и диссоциирующие в раствор водородные ионы, называются ацитоидами (кислотоподобными коллоидами). Сюда относятся почвенные коллоиды, представленные кремнекислотой, фульвокислотами, кристаллическими глинистыми минералами.
Базоидами называются почвенные коллоиды, несущие положительный заряд и диссоциирующие в раствор ионы гидроксила (ОН-). Они обладают свойствами оснований. Базоиды способны к поглощению и обмену анионов. К группе базоидов относятся почвенные коллоиды, представленные белками, гидратами окислов железа и алюминия.
Некоторые коллоиды способны менять знак заряда: в кислой среде они заряжены положительно, а в щелочной – отрицательно. Такие коллоиды называются амфолитоидами. К ним относятся гидраты окислов железа и алюминия. В кислой среде они выступают как базоиды, а в щелочной – как ацитоиды.
По отношению к воде коллоиды подразделяются на гидрофильные и гидрофобные. Гидрофильные коллоиды способны гидратироваться, т.е. удерживать на своей поверхности большие пленки воды, а гидрофобные слабо гидратируются. К первым относятся монтмориллонит, кремнекислота, гуминовые кислоты, фульвокислоты, белки, а ко вторым – гидроокись железа, каолинит.
Почвенные коллоиды при одних условиях могут находиться в состоянии золя (коллоидного раствора), а при других могут осаждаться из растворов в виде студнеобразного осадка – геля.
Переход коллоидов из состояния золя в состояние геля называется коагуляцией, или свертыванием, а обратный переход из геля в золь – пептизацией. Предпосылкой коагуляции является либо дегидратация (в ходе высушивания почвы, замораживания), либо изменение электрокинетического потенциала частиц вследствие прибавления в коллоидный раствор электролитов.
Состав обменных катионов и емкость поглощения почв зависят от состава и свойств ППК, а также от свойств растворов, взаимодействующих с почвой.
Способность катионов при обменном поглощении внедряться в компенсирующий слой ионов неодинакова. Наиболее распространенными в почвах обменными катионами являются Ca++, Mg++, Na+, K+, NH4+, Al+++, H+. Способность поглощения нарастает с увеличением атомного веса и валентности катионов. Степень поглощения иона водорода наибольшая, у кальция она несколько ниже, чем у иона водорода, но выше, чем у остальных вышеперечисленных катионов.
Состав обменных катионов различных типов почв неодинаков. В черноземах обменными катионами преимущественно являются кальций и магний, у подзолистых помимо них есть водород и алюминий, для засоленных почв характерно наличие среди поглощенных оснований натрия, а у красноземов в числе обменных катионов преобладают алюминий и водород.
Почвы, в зависимости от состава поглощенных катионов, подразделяются на насыщенные и ненасыщенные. Насыщенные основаниями почвы не содержат водорода и алюминия (черноземы, каштановые почвы). Ненасыщенные основаниями почвы содержат кроме кальция и магния поглощенный водород и алюминий (подзолы, красноземы).
Сумма поглощенных оснований и емкость поглощения являются параметрами, характеризующими поглотительную способность почв.
Суммой поглощенных оснований называют общее количество поглощенных оснований. Суммарное количество способных к обмену поглощенных катионов называется емкостью поглощения почвы. Сумма поглощенных оснований и емкость поглощения выражаются в миллиграм-эквивалентах (мг/экв) на 100 г почвы.
Емкость поглощения зависит от содержания гумуса, механического, минералогического состава почв, от ее реакции.
Глинистые минералы имеют различную емкость поглощения: каолинит от 3 до 15 мг/экв, гидрослюды 20–40 мг/экв, монтмориллонит от 60 до 100 мг/экв на 100 почвы, тогда как у гуминовых кислот она составляет 350–450 мг/экв.
Содержание поглощенных оснований, их качественный состав оказывают большое влияние на физико-химические свойства почвы, реакцию среды, подвижность органического вещества, степень дисперсности минеральной части почвы, ее агрегированность.
Почвенная кислотность и щелочность. Физико-химическая поглотительная способность почв и почвенная кислотность и щелочность тесно взаимосвязаны.
Носителем кислотности могут быть почвенные коллоиды, а также почвенные растворы.
Кислотность определяется ионами водорода. Различают актуальную (активную) и потенциальную (обменную) формы кислотности.
Актуальная кислотность обусловливается ионами водорода почвенного раствора. Он появляется в почвенном растворе в ходе диссоциации фульвокислот, угольной, уксусной, щавелевой, лимонной и других кислот.
Реакция почвенного раствора характеризуется концентрацией ионов водорода в г/л и выражается величиной рН, представляющей отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода. При кислой реакции раствора величина рН меньше 7, при щелочной – больше 7 и при нейтральной – равна 7. При этом по величине рН различают: сильнокислые почвы – 3,0–4,5; кислые – 4,5–5,5; слабокислые – 5,5–6,5; нейтральные 6,5–7,0; слабощелочные 7,0–7,5; щелочные – 7,0–8,5; сильнощелочные – 8,5 и более.
Потенциальная кислотность обусловливается поглощенными ионами водорода и алюминия. Она обнаруживается в ходе взаимодействия почвы с растворами солей, когда катионы этих солей вытесняют ионы водорода и алюминия в раствор. Различают две формы потенциальной кислотности – обменную и гидролитическую.
Обменная кислотность проявляется при обработке почвы раствором нейтральной соли. Схематически реакцию обмена можно выразить так:
[ППК] Н+ + КСl ↔ [ППК] К+ + НСl.
Ионы водорода, перешедшие в раствор, и обусловили подкисление водного раствора. Несколько иначе выглядит схема взаимодействия с поглощенным алюминием:
[ППК] Al+++ + 3КСl ↔ [ППК]3K+ + AlСl3.
Хлористый алюминий подвергается гидролизу, в результате которого в растворе появляется соляная кислота:
AlСl3 + 3Н2О ↔ Al(ОН) 3 ↓ + 3НСl.
Величину обменной кислотности выражают в единицах рН солевой вытяжки.
Гидролитическая кислотность проявляется при воздействии на почву гидролитически щелочных солей. При обработке почвы раствором нейтральной соли вытесняются не все поглощенные ионы водорода и алюминия. Более полное вытеснение происходит при обработке почвы раствором гидролитически щелочной соли, например СН3СООNa. Эту реакцию можно представить так:
[ППК]Н+ + СН3СООNa ↔ [ППК]Na+ + СН3СООН.
Количество уксусной кислоты характеризует величину гидролитической кислотности, она больше обменной, выражается в мг/экв на 100 г почвы и обозначается символом Н.
Доля участия в ППК поглощенных водорода и алюминия определяется степенью насыщенности основаниями.
Степень насыщенности основаниями (V) – это количество обменных оснований (обычно Са+++Mg++), выраженное в процентах от емкости поглощения:
 или  ,
где V – степень насыщенности основаниями, %; S – сумма обменных оснований, мг/экв на 100 г почвы; Е – емкость поглощения, мг/экв на 100 г почвы; Н – гидролитическая кислотность, мг/экв на 100 г почвы.
В разных почвах степень насыщенности основаниями колеблется от 5 до 100%. При степени насыщенности основаниями ниже 50% нуждаемость почв в известковании сильная, от 55 до 70 % – средняя, от 70 до 80 % – слабая.
Для установления оптимальной реакции почвенного раствора разработаны способы, основой которых является регулирование состава обменных оснований. Наиболее известный способ уменьшения кислотности – известкование. В присутствии углекислоты известь переходит в растворимый бикарбонат: СаСО3 + Н2О + 2СО2 = Са (НСО3)2 и происходит необменное поглощение Н+. Кальций бикарбоната замещает поглощенный водород.
[ППК]2Н+ + Са(НСО3)2 ↔ [ППК]Са++ + 2Н2О + 2СО2.
Щелочность. Различают актуальную и потенциальную щелочность.
Актуальная щелочность обусловливается присутствием в почве гидролитически щелочных солей – Na2СО3, NaНСО3, Са(НСО3)2, MgСО3, Mg(НСО3)2 и других, которые при диссоциации обусловливают появление в почвенных растворах гидроксил-ионов.
Na2СО3 + 2НОН ↔ Н2СО3 + 2Na+ + 2ОН-.
Актуальная щелочность обычно выражается величиной рН.
Потенциальная щелочность обнаруживается в почвах, содержащих поглощенный натрий. При взаимодействии почв с угольной кислотой поглощенный натрий ППК замещается водородом и появляется сода, подщелачивающая раствор:
[ППК]2Na+ + Н2СО3 ↔ [ППК]2Н+ + Na2СО3.
Известно, что щелочная реакция, обусловливая неблагоприятные физические и химические свойства почв, негативно сказывается на их плодородии. Так, при рН 9–10 почвы во влажном состоянии выделяются большой вязкостью, липкостью, слабой водопроницаемостью, а в сухом состоянии – значительной твердостью, цементированностью и бесструктурностью (Белицина и др., 1988). Для химической мелиорации содово-засоленных почв для устранения избыточной щелочности проводится гипсование:
[ППК]2Na+ + СаSО4 = [ППК]Са++ + Na2SО4
Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы
1. Назовите типы поглотительной способности и дайте их определение.
2. Охарактеризуйте состав и строение почвенных коллоидов.
3. Рассмотрите свойства почвенных коллоидов.
4. Дайте определение видов почвенной кислотности.
5. В каких пределах изменяется значение рН почвы?
6. Как определяется степень насыщенности почв основаниями?
7. Какова роль известкования и гипсования в регулировании рН почвы?
|
