Физическая поглотительная способность это способность почвы поглощать

Обновлено: 19.09.2024

Большую роль в питании растений и в превращении внесенных в почву удобрений играет ее поглотительная способность. Под поглотительной способностью понимается способность почвы поглощать различные вещества из раствора, проходящего через нее, и удерживать их. Основы современных представлений о поглотительной способности почвы были заложены работами академика К. К. Гедройца. Он различал пять видов поглощения в почве.

Биологическая поглотительная способность связана с жизнедеятельностью растений и почвенных микроорганизмов, которые избирательно поглощают из почвы необходимые элементы минерального питания, переводят их в органическую форму и предохраняют тем самым от выщелачивания. После отмирания корней, растительных остатков и тел микроорганизмов происходят их разложение и постепенная гумификация. Минерализация и последующее использование растениями ранее закрепленного в почве в органической форме азота, фосфора и серы протекают довольно медленными темпами.

Интенсивность биологического поглощения зависит от аэрации, влажности и других свойств почвы, от количества и состава органического вещества, служащего источником пищи и энергетического материала для преобладающих в почве гетеротрофных микроорганизмов. Внесение в почву значительного количества бедного азотом органического вещества (соломы или соломистого навоза) вызывает быстрое размножение микроорганизмов, сопровождающееся интенсивным биологическим, закреплением минеральных форм азота, что приводит к ухудшению азотного питания растений и снижению урожая. В то же время биологическое поглощение способствует закреплению нитратного азота, который никаким другим путем в почве не удерживается и может вымываться, особенно на легких почвах в зонах достаточного увлажнения и орошаемого земледелия.

Механическая поглотительная способность обусловлена свойством почвы, как всякого пористого тела, задерживать мелкие частицы из фильтрующихся суспензий. Механическим поглощением объясняется сохранение и характер распределения в почве илистых частиц и вносимых нерастворимых удобрений (фосфоритной муки, извести). Благодаря механической поглотительной способности они не вымываются из верхнего слоя почвы.

Физическая поглотительная способность — это положительная или отрицательная адсорбция частицами почвы целых молекул растворенных веществ. Положительная физическая адсорбция почвой растворимых минеральных солей неизвестна. Отрицательная абсорбация наблюдается при взаимодействии почвы с растворами хлоридов и нитратов, что обусловливает высокую подвижность их в почве и возможность вымывания из ее верхнего слоя при повышенной влажности. Это имеет положительное значение для Сl - иона (избыток которого вреден для некоторых растений), но для нитратов оно нежелательно.

Химическая поглотительная способность связана с образованием нерастворимых и труднорастворимых в воде соединений в результате химических реакций между отдельными растворимыми солями в почве (ионами в почвенном растворе).

Особую роль химическое поглощение играет в превращении фосфора в почве. При внесении водорастворимых фосфорных удобрений — суперфосфата, содержащего фосфор в виде монокальцийфосфата Са(H₂PO₄)₂, аммофоса NH₄H₂PO₄ и др.- в почвах происходит интенсивное химическое связывание фосфора. В кислых почвах (в подзолистых и красноземах), содержащих много полуторных окислов, химическое поглощение фосфора идет с образованием труднорастворимых фосфатов железа и алюминия. В почвах, насыщенных основаниями и содержащих бикарбонат кальция в почвенном растворе (черноземы, сероземы), химическое связывание фосфора происходит в результате образования слаборастворимых фосфатов кальция.

Химическое поглощение (фиксация) фосфора обусловливает слабую подвижность его в почве и снижает доступность растениям этого элемента из внесенных в почву легкорастворимых форм удобрений. По способности к фиксации фосфора почвы располагаются в следующем порядке: красноземы далее дерново-подзолистые почвы далее сероземы далее черноземы.

Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность имеет особенно важное значение при взаимодействии удобрений с почвой. Физико-химическое поглощение — это способность мелкодисперсных (от 0, 2 до 0, 001 мкм) коллоидных частиц почвы поглощать из раствора различные катионы. Поглощение одних катионов сопровождается вытеснением в раствор эквивалентного количества других, ранее связанных твердой фазой почвы.

Вся совокупность органических и минеральных коллоидных частиц почвы (представленных гумусовыми веществами, глинистыми минералами и гидроксидами железа и алюминия), участвующих в обменном поглощении катионов, была названа К. К- Гедройцем почвенным поглощающим комплексом (ППК).

Способность органических и минеральных коллоидных частиц к обменному поглощению катионов обусловлена тем, что большая часть их имеет отрицательные заряды.

В естественном состоянии почвы всегда содержат определенное количество поглощенных катионов (Са 2+ , Mg 2+ , Н + , Аl 3+ , Na + , K + , NH₄ + и др.). Эти катионы могут обмениваться на другие катионы, находящиеся в растворе.

Обмен катионами между раствором и почвенным поглощающим комплексом происходит в строго эквивалентных количествах.

Реакция обмена катионов протекает быстро. При внесении в почву легкорастворимых удобрений (КСl, NH₄Cl, NH₄NO₃ и др.) они сразу же вступают во взаимодействие с ППК, катионы их поглощаются в обмен на катионы, ранее находившиеся в поглощенном состоянии.

Реакция обмена катионов обратима, так как поглощенный почвой катион может быть снова вытеснен в раствор:

В зависимости от концентрации раствора, его объема и природы обменивающихся катионов между катионами раствора и катионами почвенного поглощающего комплекса устанавливается некоторое подвижное равновесие. При изменении состава почвенного раствора это равновесие смещается, в результате одни катионы переходят из раствора в поглощенное состояние, а другие — из поглощенного состояния в почвенный раствор. При внесении минеральных удобрений, например KCl, концентрация почвенного раствора повышается, катионы удобрения вступают в обменную реакцию с катионами почвенного поглощающего комплекса и поглощаются почвой.

При усвоении какого-либо катиона растениями концентрация его в растворе уменьшается, он переходит из поглощенного состояния в раствор в обмен па другие катионы, содержащиеся в почвенном растворе. Чем выше степень насыщенности поглощающего комплекса данным катионом, тем легче и быстрее он вытесняется в раствор. Количество катионов, вытесняемых из поглощенного состояния в раствор, возрастает с повышением концентрации раствора, а при одинаковой концентрации — с увеличением объема раствора вытесняющей соли.

Разные катионы обладают неодинаковой способностью к поглощению. Чем больше заряд (валентность) катиона и его атомная масса, тем сильнее он поглощается и труднее вытесняется из поглощенного состояния другими катионами. Исключение из этого правила составляют ионы Н + , которые имеют наименьшую атомную массу, но обладают высокой энергией поглощения и способностью вытеснять другие катионы из ППК.

Емкость поглощения и состав поглощенных катионов у разных почв. Разные почвы содержат неодинаковое количество способных к обмену поглощенных катионов. Общее содержание в почве всех обменно-поглощенных катионов называется емкостью поглощения. Она обозначается буквой Т и выражается в миллиграмм-эквивалентах на 100 г почвы. Например, если в 100 г почвы в поглощенном состоянии содержится 200 мг Са 2+ , 24 мг Mg 2+ и 9 мг NH₄ + , то емкость поглощения этой почвы будет равна;

(где 20—эквивалентная масса кальция, 12 — магния, 18 — аммония).

Величина емкости поглощения характеризует поглотительную способность почв. Она зависит от механического и минералогического состава почвы и содержания в ней органического вещества. Почвы с малым количеством коллоидной фракции (песчаные и супесчаные) имеют невысокую емкость поглощения. Чем больше в почве минеральных и органических коллоидных частиц, тем выше ее поглотительная способность. У глинистых и суглинистых почв емкость поглощения больше, чем у песчаных и супесчаных. Более богатые органическим веществом черноземные почвы отличаются значительно более высокой емкостью поглощения (30—60 мэкв на 100 г), чем подзолистые почвы и сероземы (10—15 мэкв на 100 г).

Поглотительная способность почвы оказывает большое влияние на превращение в ней минеральных удобрений, определяет степень подвижности их в почве. На почвах с малой поглотительной способностью (песчаных и супесчаных) при внесении легкорастворимых удобрений возможно вымывание питательных веществ и излишнее повышение концентрации раствора, поэтому азотные и калийные удобрения на таких почвах лучше вносить небольшими дозами и незадолго до посева. На почвах с высокой поглотительной способностью вымывания питательных веществ и избыючного увеличения концентрации раствора не происходит.

Разные почвы отличаются не только по общей емкости поглощения, но и по составу поглощенных катионов.

В большинстве почв в составе поглощенных катионов преобладает Са 2+ , второе место занимает Mg 2+ и в значительно меньших количествах находятся К + и NH₄ + . Сумма Са 2+ и Mg 2+ обычно составляет около 90% общего количества обменно-поглощенных катионов. В кислых почвах (подзолистых и красноземах) среди поглощенных катионов значительную часть занимают Н + и А1 3+ , а в солонцовых почвах — Na +

Состав поглощенных катионов оказывает большое влияние па свойства почвы и условия роста растений. Кальций коагулирует органические и минеральные коллоиды. Поэтому преобладание в составе поглощенных катионов Са 2+ , например на черноземах, способствует поддержанию прочной структуры и обусловливает хорошие физические свойства почвы. Насыщение почвы натрием (у солонцовых почв) вызывает пептизацию коллоидов, что приводит к их вымыванию, разрушению структурных агрегатов и ухудшению физических свойств почвы (плотное сложение, вязкость и т. д.). Кроме того, при наличии натрия в почвенном поглощающем комплексе происходит вытеснение его в раствор в обмен на другие катионы с образованием соды, что вызывает щелочную реакцию раствора, неблагоприятную для развития растений:

Таблица №1.
Емкость поглощения у разных почв и содержание гумуса (по Н.П. Ремезову)

Почва	Содержание (%)
	гумуса	минеральных частиц диаметром
	гумуса	меньше 0,0025 мм	0,0025-0,001 мм
Дерново-подзолистая	2,5	2	-
Серая лесная	3	5	4
Чернозем выщелоченный	8	15	5
Чернозем типичный	10	5	10
Чернозем обыкновенный	6	5	10
Чернозем южный	4,5	5	10
Каштановая	2,5	3	5
Серозем	1	3	5

Таблица №1. (продолжение)
Емкость поглощения у разных почв и содержание гумуса (по Н.П. Ремезову)

Почва	Емкость поглощения катионов (мэкв на 100 г. почвы)	Содержание поглощенных катионов (мэкв на 100 г. почвы)
Почва	Емкость поглощения катионов (мэкв на 100 г. почвы)	Ca 2+ +Mg 2+	Na +	H +
Дерново-подзолистая	15	8	-	7
Серая лесная	20	16	-	4
Чернозем выщелоченный	50	40	-	10
Чернозем типичный	65	60	-	5
Чернозем обыкновенный	35	31	2	2
Чернозем южный	30	28	2	-
Каштановая	27	25	2	-
Серозем	15	14	1	-

При большом содержании в почвенном поглощающем комплексе ионов водорода и алюминия они могут переходить в раствор и подкислять его.

Повышенная кислотность раствора и особенно высокое содержание в нем алюминия оказывают вредное действие на растения.

Вы здесь: ЧАСТЬ 1. ОБЩЕЕ ПОЧВОВЕДЕНИЕ Глава 6. ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ

Глава 6. ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ

Большинство процессов, протекающих в почве, связаны с перераспределением веществ между твердой, жидкой и газообразной фазами, составляющими почву. Главным процессом взаимодействия между фазами является сорбция – поглощение твердой фазой газов, паров и растворенных веществ из жидкой фазы. Способность почвы поглощать различные веществ была известна давно, но только в начале XX века К.К.Гедройц разработал учение о поглотительной способности почв. Поглотительные процессы в почве обусловлены преимущественно ее тонкодисперсной частью и особенно коллоидами.

§1. Почвенные коллоиды, происхождение, строение и классификация

К почвенным коллоидам относятся частицы диаметром + ). К ним относятся глинистые минералы, гумусовые кислоты, органо-минеральные коллоиды, кремниевая кислота. Ацитоиды обладают способностью к поглощению и обмену катионов.

2) базоиды – коллоиды, несущие положительный заряд (в потенциалопределяющем слое катионы) и имеющие в диффузном слое анионы (ОН – ). К ним относятся гидраты окисей железа и алюминия. Базоиды способны к обмену анионов.

Большая часть почвенных коллоидов имеет отрицательный заряд, и, следовательно, способность почвы к поглощению и обмену катионов значительно больше, чем к анионам. Поэтому, говоря о поглотительной способности почв, имеют в виду именно поглощение катионов.

Поскольку почвенные частицы имеют заряд, они способны притягивать дипольные молекулы воды из окружающего раствора, образуя гидратные пленки. Толщина этой пленки зависит от величины заряда и состава поглощенных катионов. В связи с этим различают гидрофильные коллоиды (кремнекислота, глинистые минералы, органические коллоиды и коллоиды, насыщенные К, Na, Li), удерживающие многослойные пленки воды, и гидрофобные – слабогидратированные коллоиды (гидрооксид железа, коллоиды, насыщенные двух- и трехвалентными катионами). Гидрофильные коллоиды имеют сродство к воде, способны сильно набухать и оставаться устойчивыми в коллоидном растворе. Гидрофобные набухают незначительно, сворачиваются и выпадают в осадок.

Почвенные коллоиды могут находиться в двух разных физических состояниях: 1) в состоянии коллоидного раствора, или золя; 2) в состоянии студенистого, аморфного или хлопьевидного осадка, или геля. Переход коллоидов из состояния золя в состояние геля называется коагуляцией, или слипанием (свертыванием) коллоидов. Причиной данного перехода является потеря гидратной оболочки и заряда в результате следующих процессов: замораживания, высушивания, действия электролитов, взаимной коагуляции и тиксотропии.

По степени коагулирующей способности К.К.Гедройц расположил все катионы в следующем порядке:

Li + + + + 2 + + 2 + 2 + 3 + 3 +

Коагуляция может быть обратимой и необратимой, т.е. золь, перешедший в гель, снова может перейти в раствор либо его обратный переход затруднен или невозможен. Обратимая коагуляция вызывается одновалентными, необратимая – двух- и трехвалентными катионами. Под действием двух- и трехвалентных катионов почвенные частицы склеиваются в комочки, имеющие большую устойчивость и водопрочность, почва становится более структурной, улучшается ее физическое состояние.

Особым явлением представляется процесс тиксотропии коллоидов, чаще всего встречается в криогенных почвах и вызывает их плывунность. Коллоиды находятся в таких почвах в скоагулированном состоянии геля благодаря их своеобразной гексагональной ориентации. Гель не отделяется от дисперсной среды, а застудневает вместе с ней. Полученный гель может быть переведен в золь путем механического воздействия (встряхивания и др.), по прекращении которого с течением времени золь опять переходит в гель.

Пептизация – процесс, обратный коагуляции, когда коллоиды переходят из состояния геля в состояние золя. Пептизация коллоидов отрицательно воздействует на почвообразовательные процессы, поскольку обусловливает разрушение структуры и вымывание коллоидов из верхних горизонтов, что резко снижает их поглотительную способность, ухудшаются физические и химические свойства почвы.

§2. Виды поглотительной способности почв

Поглотительной способностью почв называют способность почвы поглощать твердые взвешенные частицы, целые молекулы веществ или их часть и удерживать их в себе. Носителем поглотительной способности почв является почвенный поглощающий комплекс (ППК) – вся совокупность почвенных компонентов, способных участвовать в процессах поглощения и обмена. Главную часть его составляют почвенные коллоиды.

К.К.Гедройц выделил пять видов поглотительной способности почв, каждый из которых играет определенную роль в почвообразовании и формировании свойств почвы: механическая, биологическая, химическая, физическая и физико-химическая, из которых две последние связаны с ППК.

Механическая поглотительная способность – способность почвы как всякого пористого тела задерживать взвешенные твердые частицы из фильтрующихся суспензий крупнее почвенных пор. Механическое поглощение напрямую зависит от гранулометрического состава и сложения почвы. Так, глинистые и суглинистые почвы способны поглощать даже тонкодисперсные частицы, а песчаные, имеющие крупнопористое сложение, взвешенные частицы поглощают значительно хуже. Механическая поглотительная способность возрастает с увеличением количества гумуса в почве. Благодаря ей, в почве удерживаются от выноса наиболее ценные с точки зрения плодородия элементы. Большое значение это имеет в областях с искусственным орошением или обильными осадками. Почва может также удерживать и частицы меньше диаметра пор благодаря наличию замкнутых и извилистых пор.

Биологическая поглотительная способность почвы обусловлена жизнедеятельностью растений и микроорганизмов почвы, которые поглощают из нее необходимые для жизни элементы и переводят их в органические соединения своего тела. В таком виде элементы питания не вымываются из почвы. Особенностью этого вида поглотительной способности является избирательность – растения и микроорганизмы поглощают необходимые им вещества строго в соответствии со своими потребностями. Благодаря этой избирательности почва систематически обогащается биологически ценными элементами, которые извлекаются из глубоких слоев, после отмирания живых организмов накапливаются в верхних горизонтах и используются следующими поколениями организмов. В естественных условиях почва чем старше, тем плодороднее. Однако избирательность может иметь и отрицательные последствия: при внесении удобрений в результате поглощения только некоторых ионов в почве возникают физиологическая кислотность и щелочность.

Особенно большое значение этот вид поглотительной способности имеет в отношении нитратов, так как они поглощаются и закрепляются только биологическим путем.

Химическая поглотительная способность – это способность почвы закреплять нерастворимые соединения, образующиеся в результате химических обменных реакций в почвенном растворе или при взаимодействии с твердой частью почвы. При взаимодействии с катионами кальция, алюминия, железа и других элементов растворимые в воде сульфаты, карбонаты, фосфаты образуют нерастворимые соединения. В таком виде вещества закрепляются и не вымываются из почвы:

Таким же образом могут закрепляться в почве и удобрения. Например, при внесении фосфатных удобрений (суперфосфат) в карбонатную почву он переходит в нерастворимый трифосфат кальция:

Физическая поглотительная способность – это способность почвы поглощать и удерживать в себе целые молекулы веществ на поверхности своих частиц. Она обусловлена силами молекулярного притяжения (из-за наличия свободной энергии у поверхностных молекул), за счет которых на поверхности коллоидных частиц адсорбируются вещества из раствора или газы, причем изменяется только концентрация веществ, но качественный состав не изменяется (поглощенное вещество не внедряется в твердую фазу почвы и не вступает в химическую реакцию, а накапливается на границе раздела фаз).

Способность адсорбции присуща всем телам природы. Чем сильнее степень раздробленности частиц, тем больше их общая поверхность, где сорбируются молекулы многих веществ.

Различают положительную и отрицательную адсорбцию. При нормальной (положительной) адсорбции к поверхности почвенных частиц притягиваются молекулы растворенного вещества, и концентрация раствора уменьшается. Таким путем поглощаются органические соединения, газы, щелочи, некоторые токсины. При отрицательной адсорбции на поверхности частиц закрепляются молекулы растворителя, и концентрация раствора увеличивается. Такому явлению подвержены неорганические кислоты и некоторые другие минеральные соединения. Так, нитраты почвой не поглощаются ни физическим, ни химическим путем, а только биологическим, поэтому вносить азотные удобрения необходимо только в период интенсивного роста растений, когда они наиболее нуждаются в азоте. Это предотвратит загрязнение водоемов нитратами.

Физико-химическая (обменная) поглотительная способность почв – это способность почвы поглощать из раствора различные катионы или анионы, отдавая в обмен эквивалентное количество ионов твердой фазы (из диффузного слоя мицеллы). Так как большинство почвенных коллоидов заряжены отрицательно, то и поглощаться будут из почвенного раствора в основном катионы, которые называются обменными. Эта поглотительная способность напрямую связана с ППК. В общем виде процесс обмена катионов можно представить следующим образом:

почва] Н + + КСl ↔почва] К + НСl.

К.К.Гедройц установил следующие законы обменной адсорбции:

● закон эквивалентности – процесс обмена катионов происходит в эквивалентных отношениях по законам химии;

● закон обратимости – реакция обмена катионов является обратимой, т.е. любой поглощенный катион при соответствующих условиях может снова перейти в раствор;

● закон концентрации – чем выше концентрация иона-вытеснителя в почвенном растворе, тем интенсивнее он будет поглощаться почвой и займет больший вес в составе поглощенных катионов (при постоянном объеме). В случае если концентрация раствора постоянна, количество катионов, вытесняемых из почвы в раствор, возрастает с увеличением объема последнего;

● закон скорости – реакции обменной адсорбции происходят быстро (равновесие устанавливается в течение нескольких минут);

● закон энергии – энергия адсорбционного поглощения почвой разных катионов неодинаковая и зависит от их валентности, а в пределах одной валентности – от атомной массы и ионного радиуса. Ряд энергии поглощения катионов в большинстве почв следующий (К.К.Гедройц):

Li + + + + 2 + + 2 + 2 + 3 + 3 + .

В почвенном растворе присутствуют две группы анионов, которые отличаются по характеру поглощения: 1) NO₃ – , NO₂ – , Cl – – в пределах возможных в почвах реакций не поглощаются почвой, так как легкорастворимы, закрепляются только биологическим путем; 2) SO₄ 2– , CO₃ 2– , PO₄ 3– – поглощаются химическим и физико-химическим путем. Особенно большое значение имеет поглощение фосфат-иона почвой, так как, с одной стороны, он становится недоступным для растений, с другой стороны, он извлекается из геологического круговорота и удерживается в почве. Поэтому фосфорные удобрения вносят в почву в гранулированном виде.

§3. Состав поглощенных катионов, емкость катионного обмена и степень насыщенности почв основаниями

Почвенный поглотительный комплекс всегда насыщен катионами, но их состав и количество неодинаковы в разных почвах. Важнейшей характеристикой ППК и почвы в целом является емкость катионного обмена (емкость поглощения) (ЕКО) – общее количество поглощенных катионов, находящихся в почве и способных к обмену. Выражается в мг·экв/100 г почвы и обозначается Т (Е), зависит от типа почвы, минералогического состава, гранулометрического состава, количества гумуса и реакции среды. Чем больше в почве глинистых минералов и гумуса, чем ближе к нейтральной реакция почвы, тем больше ЕКО. Песчаные малогумусные почвы имеют самую низкую емкость поглощения – 1 – 5, супесчаные – 7 – 8, суглинистые – 15 – 18, глинистые – 25 – 30 мг·экв/100 г. В гумусовых горизонтах ЕКО выше, чем в нижележащих горизонтах. В верхнем горизонте черноземов она достигает 50 – 60 мг·экв/100 г, так как здесь много гуминовых кислот, ЕКО которых в чистом виде – 350 – 400 мг·экв/100 г.

Емкость катионного обмена варьирует в широких пределах и ее величина в различных типах почв представлена в таблице 6.

Различные почвы существенно отличаются друг от друга по качественному составу поглощенных катионов, который обусловлен условиями почвообразования, водно-солевым режимом почв и хозяйственной деятельностью человека. В составе ППК находятся практически все катионы, необходимые для питания растений, но их доля от общего количества поглощенных катионов невелика – несколько процентов. Общее содержание всех обменных катионов, кроме Н + и Al 3+ , называют суммой обменных оснований (S). В зависимости от наличия поглощенного водорода и алюминия почвы подразделяют на насыщенные и ненасыщенные основаниями.

Поглотительная способность почв – свойство ее компонентов (твердой, жидкой, газовой, биологической фаз) обменно или необменно поглощать из окружающей среды вещества любого агрегатного состояния, отдельные молекулы, ионы.

Различают 5 видов поглотительной способности почв.

1. Механическая – свойство почв поглощать поступающие с водным или воздушным потоком твердые частицы, размеры которых превышают размеры почвенных пор. Почва действует как сито или губка, пропуская через себя все, что мельче почвенных пор. Водные суспензии освобождаются от взвесей. Почва, как всякое пористое тело, удерживает частицы, взмученные в фильтрующейся через почву воде. Это свойство почвы используют для первой стадии очистки питьевой и сточных вод.

Причины механического поглощения:

– частицы крупнее почвенных пор;

– частицы задерживаются в извилинах пор большего диаметра;

– контакт частиц взвеси и частиц, слагающие стенки пор.

2. Физическая (молекулярная) – способность почвы адсорбировать и удерживать растворенные в воде и газообразные вещества, концентрация или разжижение растворенных в почвенном растворе веществ у поверхности соприкосновения твердых частичек почвы с почвенной влагой, обусловленное поверхностной энергией твердых частиц. Она связана с изменением концентрации молекул, находящихся на поверхности твердых частиц почвы.

Поглощенные вещества не внедряются в агрегаты и не вступают с ними в химические реакции, а скапливаются на поверхности раздела фаз – твердой, жидкой, газообразной. Иногда они отталкиваются.

Различают два вида адсорбции:

– положительная молекулярная сорбция – поглощение аммиака, притяжение катиона аммония;

– отрицательная молекулярная сорбция – вымывание нитратов, хлоридов, отталкивание анионов.

3. Химическая (хемосорбция) – свойство удерживать и закреплять ионы, поступающие из почвенного раствора с образованием трудно растворимых соединений и комплексов с органическими веществами, которые выпадают в осадок и примешиваются к твердой фазе почвы:

3CaSO4 + 2Na3PO4 → Ca3(PO) 4 + 3Na2SO4

Осадочная – образование осадков на поверхности частиц при взаимодействии ионов, один из которых находится в поглощенном состоянии (обменно-сорбированные катионы).

Комплексообразовательная сорбция поливалентных катионов из почвенного раствора при их взаимодействии с сорбированным органическим веществом за счет образования координационных связей. Приводит к формированию глиногумусовых комплексов и взаимодействию алюмосиликатов с гумусом.

Адгезионная – взаимодействие минеральных и гумусовых компонентов.

Адгезия – склеивание поверхностей различного состава и строения под действием разнообразных сил.

4. Биологическая – поглощение живыми организмами (корни растений, микроорганизмы) различных веществ из почвенного раствора, обусловливающая их жизнедеятельность (рис. 41, 42);

Рис. 41. Биологическая поглотительная способность почв с помощью корней растений

Рис. 42. Биологическая поглотительная способность почв при участии животных

5. Физико-химическая или обменная – свойство обменивать некоторую часть катионов, содержащихся в твердой фазе (находящихся на поверхности коллоидных частиц, глинистых минералов и связанных в функциональных группах гумусовых соединений), на эквивалентное количество катионов, находящихся в соприкасающемся с почвой растворе. Материальным носителем катионообменной способности почв является почвенно-поглощающий комплекс (ППК).

ППК – совокупность минеральных, органических и органо-минеральных компонентов твердой фазы почвы, обладающая ионнообменной способностью.

Скорость и соотношение обменивающихся катионов зависят от дисперсности ППК, органо-минерального состава, окислительно-восстановительных условий.

Реакция рассоления, мелиорация солонцов:

Экологические особенности ППК

1. Его состав определяет реакцию почвенной среды и ее стабильность. Нейтральные, кислые и щелочные условия напрямую зависят от состава обменных катионов.

2. ППК – доступное для растений хранилище биофильных катионов, защищенное от вымывания атмосферной влагой в грунтовые воды.

3. Состав ППК предопределяет структурность, плотность, воздухоемкость, влагоемкость, поведение почвенной воды.

4. ППК – геохимический барьер для катионов – тяжелых металлов и радионуклидов. В почвах с непромывным режимом поглощенные катионы обменно усваиваются растениями и поступают в цепи питания. В почвах, промываемых водой, неизбежно обменное вытеснение ТМ водородом и их миграция в ландшафте.

Емкость катионного обмена (ЕКО, мг-экв/100 г почвы) – максимальное количество катионов, удерживаемое почвой в обменном состоянии при конкретных условиях, важнейшая характеристика ППК.

ЕКО гумусовых кислот составляет 200--300 мг-экв/100 г, монтмориллонитов – 80–120, каолинитов – 3–20, гидроксидов железа и алюминия – 2–3, гидроксида кремния – 0 (рис. 41).

В серой лесной почве ЕКО изменяется в пределах 15–30, черноземе типичном – 30–70, черноземе южном – от 20 до 50, в светло-каштановой почве от 20 до 30, в сероземе типичном – 8–20 мг-экв/100 г.

При величине ЕКО меньше 20 мг-экв/100 г почвы наиболее подвержены загрязнению, больше 50 – устойчивы.

Крайне низкая, 3–5. В сильно элювиированных горизонтах подзолов, почти целиком состоящих из кремнезема и кварца.

Очень низкая, 5–10. Пески, песчаные и супесчаные почвы, карбонатные лессы с преобладанием пылеватых фракций, малогумусные сероземы.

Низкая, 10–15. В почвах легкого гранулометрического состава, с обилием окислов железа и алюминия. Характерна для влажных тропиков и субтропиков, глин и суглинков без смектитовых минералов.

Средняя, 15–25. В почвах с промывным водным режимом и невысоким гумуса (серые и бурые лесные).

Выше средней, 25–35. Гумусовые горизонты сухостепных и полупустынных почв, лессовидные, покровные глины, суглинки с относительно равномерным содержанием минералов, гидрослюд, каолинита.

Высокая, 35–45. Большинство черноземов, слитоземы, глины, обогащенные смектитами, слитогенетические и иллювиальные горизонты.

Рис. 43. Характеристика ЕКО

Очень высокая, 45–60. Среднегумусные и тучные черноземы, гумусово-аккумулятивные дерновые горизонты почв.

Крайне высокая. Более 60. Типична для отдельных компонентов почвенной массы: гумуса, смектитов, вермикулита.

Экологическое значение поглотительной способности почв

1) Количество поглощенных катионов равно количеству катионов, вытесненных из ППК в почвенный раствор.

2) Чем меньше радиус катиона, тем слабее он связывается.

3) В ряду разновалентных катионов поглощение растет с увеличением валентности:

Li+ Pb > Zn > Hg. При снижении рН возрастает способность поглощать катионы в ряду: As > Se > Sb > Mo.

8) Почвы тяжелого гранулометрического состава (глинистые и тяжелосуглинистые) больше удерживают привнесенных веществ, чем почвы легкого гранулометрического состава (песчаные и супесчаные).

9) Главная функция ППК с точки зрения охраны почв: участие в обменных реакциях с тяжелыми металлами. Реакции обмена протекают в эквивалентных количествах и обратимы, если не сопровождаются хемосорбцией.

10) Защитная функция ППК – способность нейтрализовать кислотные осадки и ограничивать миграцию тяжелых металлов.

11) При одном и том же уровне содержания тяжелых металлов в почве признаки угнетения растений, проявляются в тех почвах, в которых в ППК мало активных центров, способных к обменным реакциям и низкое значение ЕКО.

12) В лесных экосистемах (деревья) накопление поллютантов значительно выше, чем в степных (травостой).

Поглотительная способность обуславливает накопление элементов питания растений, микроэлементов, регулирует реакцию почвы, буферность, водно-физические свойства, интенсивность накопления гумуса.

Экологическая значимость катионов

Макроэлементы – соединения, содержание которых в почвах превышает 0,1%. Почти половина приходится на кислород (49), треть – кремний (33), алюминий – 7,15, железа –3,8.

Кислород входит в состав большинства почвенных минералов, один из основных элементов органической части почв.

Кальций – хранитель плодородия. Он есть во всех почвах, оптимум – 80–90 % от ЕКО в типичных черноземах. Обеспечивает почти целиком коагуляцию коллоидных систем, что служит предпосылкой для структурообразования при активной деятельности корней и достаточной доле гумуса.

Магний. Всегда сопровождает кальций. Типичное их соотношение 5:1. В таких количествах его действие аналогично кальцию. Магний вызывает повышение щелочности в связи с наличием в почвенной среде карбонатов и бикарбонатов магния, в ППК поддерживает солонцеватость и может приводить к образованию особых почв – магниевых солонцов.

Калий. В питании растений – основной источник доступного калия.

Натрий. В количестве менее 3 % от ЕКО – необходимый компонент оптимального состояния почв, обеспечивает дисперсность коллоидов. Обменный натрий – активный пептизатор коллоидов при его концентрации в почвенном растворе ниже порога коагуляции.

Обменный водород – источник почвенной кислотности. Всегда есть в бескарбонатных почвах. Если поглощенного водорода более 5 %, то появляются кислотные свойства почв.

В обменном состоянии алюминий – интенсивный коагулятор коллоидов. При переходе в почвенный раствор образует гидролитически кислые соли, способствующие повышенной пептизации 3-х валентного А1.

Железо 3-х валентное. Интенсивный коагулятор коллоидов, как и А1 во влажных тропических почвах. Ожелезненные почвы малопластичны, не набухают.

Ион аммония – единственная возможная аккумуляция доступного растениям азота.

Микроэлементы – это соединения, содержание которых меньше 1•10-3 %: бор, марганец, молибден, медь, цинк, кобальт, йод, фтор и др. Они входят в состав ферментов, гормонов, витаминов. Микроэлементы играют важную физиологическую и биохимическую роль в жизни биоты. Установлена тесная связь между содержанием микроэлементов в почве и урожайностью, продуктивностью животных.

Количество их определяется содержанием в породе и влиянием почвообразовательного процесса на их перераспределение. В почве они содержатся в кристаллической решетке минералов в виде изоморфной подмеси, в форме солей и окисей, в составе органических соединений, в ионообменном состоянии и в растворимой форме в почвенном растворе.

В почвах коллоидными свойствами обладают частицы размером менее 0,001 мм (ил). Они образуются при выветривании и почвообразовании (в основном минеральные). Происходит процесс преобразования и изменения состава коллоидов материнской породы. Основное явление при формировании коллоидов: дробление крупных частиц и соединение молекулярно раздробленных.

Минеральные коллоиды – глинистые минералы, коллоидные формы кремнезема и полуторооксиды. Органические коллоиды – гумусовые и белковые соединения, полисахариды в коллоидно-дисперсном состоянии. Органо-минеральные коллоиды – соединения гумуса с глинистыми минералами и осажденными полуторооксидами.

По степени сродства к воде различают гидрофильные (высокое сродство) и гидрофобные. Гидрофильными являются коллоиды некоторых глинистых минералов, монтмориллонита, органические. Почвы с такими коллоидами вязкие, пластичные, сильно набухают при увлажнении, липкие. Гидрофобные – это коллоиды, содержащие железо и алюминий.

Коагуляция – соединение коллоидных частиц друг с другом с образованием более крупных коллоидов, дальнейшее осаждение – седиментация. Из раствора они выпадают в осадок под воздействием высыхания или увеличения концентрации простых солей в почвенном растворе. Частицы коллоидов сцепляются между собой, образуют пространственную структуру, в ячейках которой удерживается вода.

Обратный процесс переход коллоидов в раствор, геля в золь – пептизация. В основном коагуляция необратима и менее 0, 1 % коллоидов пептизируется. Для солонцов чередование коагуляции и пептизации – сущность почвообразовательного процесса.

Под физической поглотительной способностью понимают способность почвы изменять (увеличивать или уменьшать) концентрацию молекул различных веществ у поверхности соприкосновения тонкодисперсных частиц с почвенным раствором.
Явление физического поглощения связано с наличием свободной поверхностной энергии. Влажную почву можно рассматривать как дисперсную систему, у которой дисперсионная среда представлена почвенным раствором, а дисперсная фаза минеральными, органическими и органо-минеральными частицами. На границе раздела фаз имеется свободная поверхностная энергия, равная произведению поверхностного натяжения раствора и суммарной величины поверхности частиц. Чем выше степень дисперсности почвенных частиц, тем больше их поверхностная энергия вследствие увеличения общей удельной поверхности. Представление об общей поверхности частиц можно получить при подсчете площади всех сторон кубиков, образованных при дроблении 1 см’ твердого тела.

В почвах большая суммарная поверхность присуща илистым и особенно коллоидным частицам. Если в слое почвы мощностью 20 см содержится 10 % коллоидных частиц, то их суммарная поверхность на площади 1 га составит 70 000 га и поверхностная энергия будет весьма значительной.

Всякая дисперсная система стремится уменьшить свою поверхностную энергию. Это происходит при укрупнении частиц или при уменьшении поверхностного натяжения в результате адсорбции на поверхности частиц некоторых веществ. Такие вещества называют поверхностно-активными. К ним относятся спирты органические кислоты, многие высокомолекулярные органические соединения, в том числе и гумусовые кислоты. Эти вещества притягиваются к поверхности коллоидных частиц, причем они не внедряются в твердую фазу почвы и не вступают с ней в химическую реакцию, а лишь сгущаются в растворе па границе соприкосновения его с коллоидами. В этом месте наблюдается повышенная концентрация поверхностно-активных веществ по сравнению с остальным объемом раствора. Здесь будет иметь место положительная физическая сорбция, характерная особенность которой — удержание не отдельных ионов, а целых молекул недиссоциированных или слабодиссоциированных веществ.

Таким образом, создаются условия для последующего более прочного закрепления этих соединений минеральными компонентами путем адгезии (склеивания) при высыхании почв.

Большинство минеральных солей, кислот и щелочей увеличивает поверхностное натяжение воды, в связи с чем концентрация их по мере приближения к границе раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды снижается, т. е. проявляется отрицательная физическая сорбция. В этом случае уменьшение поверхностного натяжения достигается при избирательном поглощении молекул самой воды, а не растворенных в ней минеральных веществ. Благодаря отрицательной физической сорбции из почв с фильтрующей водой относительно легко вымываются различные водорастворимые соли, особенно хлориды и нитраты. Так как хлор вреден для растений, то это имеет положительное значение. Вынос нитратов ведет к обеднению почв азотом — одним из важных элементов питания.

ХИМИЧЕСКАЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ (ХЕМОСОРБЦИЯ)

Этот вид поглотительной способности заключается в образовании труднорастворимых соединений при взаимодействии отдельных компонентов почв с образованием новой твёрдой фазы.

Из катионов, находящихся в почвах, чаще всего нерастворимые соединения образуют катионы Са 2 , А1 3 , Fе 3 , а среди ионов — СО₃, РО₄ SO₄. Например, при внесении фосфорных удобрений в кислые почвы алюминий, присутствующий в почвенном растворе, образует с фосфат-ионом труднорастворимое соединение и выпадает в осадок: 2А1 3 + Са(Н₂Р0₄)₂ = 2А1Р0₄ ↓ + Са 2 + 4Н + .

При поступлении соды в почву, содержащую соли кальция, также образуется новая твердая фаза, представленная карбонатом кальция:

Образование осадков возможно и на поверхности почвенных частиц при взаимодействии ионов, способных к взаимному осаждению. Такая сорбция получила название осадочной. Типичный пример — сорбция фосфатов на поверхности гидроксидов железа и алюминия:

К химическому поглощению относится и комплексообразовательная сорбция. В этом случае за счет образования координационной связи происходит связывание поливалентных ионов почвенного раствора органическим веществом, сорбированным твердой фазой почвы.

Хемосорбция играет большую роль во взаимодействии гумусовых веществ с глинистыми минералами и в образовании сорбционного глиногумусового комплекса. При этом осуществляется и адгезионное взаимодействие минеральных и органических компонентов.

Химическая поглотительная способность — важнейший фактор аккумуляции в почвенном профиле органического вещества, анионов фосфорной кислоты, многих катионов, в том числе и микро- элементов. Благодаря ей почва способна предотвращать появление соды в почвенном растворе. В результате хемосорбции в почвах накапливаются гипс, карбонаты и другие соединения.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ, ИЛИ ОБМЕННАЯ, ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ
СПОСОБНОСТЬ (ИОНООБМЕННАЯ СОРБЦИЯ)

Под ионообменной сорбцией понимают способность почвы обменивать ионы, находящиеся в компенсирующем слое коллоидов, на эквивалентное количество ионов почвенного раствора. Главную роль в её проявлении играет ППК. В зависимости от знака заряда коллоида обмениваются катионы или анионы.

Обменная поглотительная способность, у коллоидов заряженных отрицательно проявляется по отношению к катионам. Положительно заряженные Коллоиды поглощают и обменивают анионы.

Поглощение почвами катионов. Обменные катионы в почвах представлены главным образом Na, K, NH₄, Ca, Mg, Al, H.

Fe, Zn, Cu, Mn и другие элементы обнаруживаются в незначительных количествах Катионный обмен наиболее подробно изучен для Са, и К. Для катионного обмена в почвах характерны следующие закономерности
• Эквивалентность и полная обратимость обмена между поглощенными катионами твердой фазы почвы и катионами почвенного раствора.

• При одинаковой концентрации ионов в растворе энергия их поглощения возрастает с увеличением валентности иона. Это связано с тем, что по мере увеличения валентности катионы образуют с анионами потенциалопределяющего слоя (СОО — , SiО2, АI2О3 и др.) менее диссоциированные соединения.

• У ионов с одинаковой валентностью энергия поглощения возрастает с увеличением атомной массы.

• Энергия поглощения зависит от радиуса негидратированного нона. Чем он меньше, тем больше плотность заряда иона, тем сильнее он гидратируется. Большие гидратные оболочки уменьшают способность катионов к взаимодействию с нонами потенциалопределяющего слоя.

Согласно этим закономерностям в зависимости от степени поглощения почвой катионы образуют следующий ряд:

Li + ). Ион гидроксония практически не гидратируется и энергично поглощается большинством почвенных коллоидов, поскольку со многими анионами потенциалопределящего слоя дает слабодиссоциированные соединения.

В некоторых случаях закономерности нонного обмена в почвах нарушаются, в результате чего происходит избирательное поглощение катионов одного рода в ущерб катионам другого рода. Это явление называется селективностью ионного обмена. Селективность, или избирательность поглощения, обусловлена как свойствами самих катионов, так и кристаллохимическими особенностями отдельных компонентов ППК. В результате проявления селективности порядок катионов в ряду поглощения может измениться.

Если для монтмориллонита и каолинита расхождение в рядах поглощения заключается только в положении К+ и Н + , то мусковит поглощает одновалентные катионы Rb, Cs и К в большей степени, чем двухвалентные — Mg + , Са 2+ и Sr 2+ .

В большинстве случаев селективность поглощения проявляется в отношении тех катионов, радиус которых с учетом гидратной оболочки соответствует кристаллохимическим особенностям структур центров поглощения. По этой причине мусковит поглощает одновалентные катионы в большей степени, чем двухвалентные.
При взаимодействии коллоидов с почвенным раствором обмен катионов происходит с разной скоростью. Подвижность катионов, поглощенных внешними поверхностями коллоидов, очень высокая. Они легко обмениваются на катионы почвенного раствора, при этом реакция обмена протекает практически мгновенно. Подвижность катионов, поглощенных в межпакетных пространствах глинистых минералов, значительно меньше, они вытесняются труднее, а реакция обмена может длиться несколько суток.

На скорость протекания обменных реакций сильно влияет влажность почвы. В природных условиях при низкой влажности почв и их агрегированности для установления равновесия обменной реакции требуется значительно больше времени, чем в лабораторных экспериментах. Так, по данным Н. И. Горбунова, при 75. 100%-ной влажности почвы реакция обмена поглощенных Mg + и Са 2+ на NН₄ длилась 10 дней.

Исходя из общих закономерностей ионообменной сорбции, выделено пять последовательных стадий протекания реакций обмена катионов раствора на катионы ППК:
• перемещение вытесняющего нона из объема раствора к поверхности ППК;

• перемещение вытесняющего иона внутри твердой фазы ППК к точке обмена;
• химическая реакция обмена катионов;

• перемещение вытесненного нона внутри твердой фазы от точки обмена к поверхности ППК;

• перемещение вытесненного иона от поверхности ППК в раствор.

Скорость обменнойреакции лимитирует наиболее медленно протекающая стадия. Собственно обмен ионов протекает очень быстро. Ограничения скорости связаны с перемещением ионов к точке обмена внутри твердой фазы (внутренняя диффузия) и в меньшей степени с Внешней диффузией ионов к поверхности ППК через окружающую частицу пленку жидкости.

Скорость большинства обменных реакций неодинакова во времени. Обычно впервые 5-10 мин обменивается от 70 до 90% обменных катионов, но истинное равновесие не устанавливается. В этом случае говорят лишь о кажущемся равновесии, при котором обмен ионов резко замедляется и реакция медленно приближается к состоянию равновесия, которое не всегда можно установить экспериментальным путем.

При внесении в почву удобрений, мелиорантов и других веществ скорость обменных реакций ограничивается не только диффузной кинетикой, но и скоростью растворения соединений, внесенных в почву. Обменные катионы легко поглощают корневые системы растений, они служат важным источником их минерального питания.

Необменно-поглощенные катионы (необменная сорбция).В почвах обычно небольшая часть обменных катионов со временем переходит в необменное (фиксированное) состояние. Необменно-поглощенные катионы труднодоступны для растений и микроорганизмов. Наиболее выражена способность к внеобменному поглощению почвенными коллоидами у калия и аммония. В меньшей степени фиксируются в почве другие катионы (кальция, магния, стронция, цезия и т. д.). По прочности связи фиксированные катионы занимают промежуточное положение между обменными катионами и катионами кристаллической решетки. Необменное поглощение катионов может быть временным, поскольку возможен переход катионов почвенных коллоидов из одного состояния в другое: катионы кристаллической решетки ↔ необменные катионы обменные катионы ↔ катионы почвенного раствора.

Способность к необменному поглощению катионов отчетливо выражена у минералов с расширяющейся кристаллической решеткой — монтмориллонита и вермикулита — за счет фиксации ионов в межпакетных пространствах. Этому способствует иссушение почвы и особенно чередование процессов увлажнения и иссушении. Необменное поглощение происходит в результате изоморфных замещений, например А1 в октаэдрах на магний или цинк. Фиксация катионов — следствие старения и частичной кристаллизации коллоидов и блокировки обменных катионов пленками полуторных оксидов и гумусовых веществ. Способность необменно фиксировать катионы зависит от гумусированности и гранулометрического состава почв. Чем больше гумуса содержат почвы и чем тяжелее их гранулометрический состав, тем выше способность почв к необменному поглощению катионов.

Почвы могут содержать значительное количество необменных катионов. Так, доля фиксированного аммония может доходить до 8% от валового запаса азота в верхних горизонтах почвы и до 40 % в нижних.

Поглощение почвами анионов.Поглощение почвами анионов зависит от состава и свойств ППК, особенностей самих анионов и реакции почвенного раствора. Сорбция анионов почвами возрастает по мере снижения реакции среды, увеличения доли коллоидов, несущих положительный заряд, и содержания компонентов, с которыми анионы способны образовывать труднорастворимые соединения. По способности поглощаться почвой анионы образуют следующий ряд:

Читайте также: