Описание физико химических свойств почвы
Обновлено: 18.09.2024
Способность почвы поглощать ионы и молекулы различных веществ из раствора, а также коллоидно-распыленные частички минерального и органического вещества, живые микроорганизмы и грубые суспензии и удерживать их называется поглотительной способностью почв.
Различают пять видов поглотительной способности: биологическую, механическую, физическую, химическую, физико-химическую или обменную.
Биологическая поглотительная способность связана с наличием в почве живых корней растений и микроорганизмов, которые избирательно поглощают из почвенного раствора азот и зольные элементы и переводят их в различные органические соединения своих тел. Вследствие этого питательные вещества предохраняются от выщелачивания из почвы. В результате биологической деятельности в почве накапливается органическое вещество, азот и зольные элементы.
Используя в качестве пищи и энергетического материала органические вещества, микроорганизмы разлагают их, переводят содержащиеся в них элементы питания в минеральную, доступную для растений форму. В то же время они сами потребляют некоторое количество питательных веществ для построения своих тел, переводят их в органическую форму и в этом смысле являются конкурентами растений.
При внесении в почву удобрений некоторая часть содержащихся в них питательных веществ также потребляются почвенными микроорганизмами. Считается, что биологическое поглощение азота и других элементов питания явление временное, так как после отмирания микроорганизмов их плазма быстро минерализуется, содержащиеся в ней элементы питания освобождаются в минеральной форме и могут использоваться растениями.
Однако если в почве находится достаточное количество легкодоступных органических веществ, служащих источником энергии для микроорганизмов, то происходит усиленное их размножение – часть поглощенного микроорганизмами азота передается из поколения в поколение и длительное время не освобождается в минеральной форме. Если процесс биологического поглощения питательных веществ микроорганизмами выражен слишком сильно, то это может неблагоприятно отразиться на питании культурных растений. Таким образом, в зависимости от конкретных условий биологическое поглощение питательных веществ микроорганизмами может иметь положительное значение или же играть отрицательную роль в питании растений.
Механическая поглотительная способность – это свойство почвы задерживать из раствора взмученные частицы твердого вещества. При фильтрации суспензии через почву частицы взвесей задерживаются в тонких и извилистых порах почвы.
Механическое поглощение – важное свойство почвы. Потоки весенних талых вод обычно несут большое количество взмученных почвенных частиц; но фильтруясь через почвы, они очищаются, и мелкозем, задержанный почвой, предохраняется от выноса в реки и моря. Вносимые в почву тонко размолотые удобрения (например, фосфоритная мука) не вымываются из её верхнего слоя вследствие механического поглощения.
Физическая поглотительная способность – это положительная или отрицательная адсорбция частицами почвы целых молекул различных веществ. Физическое поглощение главным образом зависит от суммарной поверхности твердых частиц почвы.
Энергетическим фактором, обусловливающим, явление адсорбции, служит свободная энергия молекул и ионов, находящихся на поверхности твердой фазы почвы. Почва стремится уменьшить величину свободной поверхностной энергии.
Уменьшение величины свободной поверхностной энергии происходит в основном за счет уменьшения поверхностного натяжения (ПН).
Благодаря этой поверхностной энергии почва способна адсорбировать газы, жидкости, твердые вещества.
Поглощение паров и газов может осуществляться только сухими почвами.
Кроме воды и газов на поверхности частиц могут сорбироваться растворимые в ней соли и органические вещества.
Если молекулы растворимого вещества притягиваются частицами почвы сильнее, чем молекулы воды, то у самой поверхности частиц, в пленке окружающего его раствора, создается повышенная концентрация этого вещества, а на некотором расстоянии от поверхности частиц концентрация будет ниже. В этом случае отмечается положительное физическое поглощение. Положительно поглощаются спирты, органические кислоты и пестициды, высокомолекулярные органические вещества. Из минеральных соединений почва положительно поглощает только щелочи. Для растворимых минеральных солей и неорганических кислот характерна, наоборот, отрицательная молекулярное физическое поглощение.
Отрицательное физическое поглощение наблюдается при взаимодействии почвы с растворами хлоридов и нитратов.
Отрицательное физическое поглощение хлоридов и нитратов обуславливает их высокую подвижность в почве. Поэтому при внесении удобрений, содержащих хлор и азот в нитратной форме это надо учитывать, т.е. хлорсодержащие удобрения желательно вносить с осени под основную обработку почвы, а удобрения, содержащие нитратный азот, — весной перед посевом.
Химическая поглотительная способность – это закрепление в почве ионов почвенного раствора в виде труднорастворимых соединений.
Химическое поглощение анионов и катионов в почве зависит от их способности образовывать нерастворимые или труднорастворимые соли при их взаимодействии, это следует учитывать при внесении удобрений в почву.
При химическом поглощении, в результате образования нерастворимых соединений, изменяется состав, соотношение и общая концентрация ионов в почвенном растворе. Образование нерастворимых солей в почве приводит к значительному снижению их доступности сельскохозяйственным растениям.
Соли, состоящие из двухвалентных катионов и анионов, как правило, слаборастворимые. Для поливалентных металлов характерно образование труднорастворимых комплексных органических и минеральных соединений. Например, химическое поглощение анионов фосфорной кислоты в почве происходит в результате образования широкого спектра труднорастворимых солей практически со всеми двух- и трехвалентными катионами.
При внесении в почву растворимых фосфорсодержащих удобрений в присутствии карбонатов происходит ретроградация (переход в нерастворимую форму) фосфора.
В кислых дерново-подзолистых, серых лесных почвах, отличающихся высоким содержанием подвижных форм алюминия, железа и марганца, химическое поглощение фосфора преимущественно связано с образованием нерастворимых фосфатов железа, алюминия и марганца.
Таким образом, в результате химического поглощения растворимый фосфор минеральных и органических удобрений переходит в почвах в менее доступные для растений фосфаты.
В карбонатных почвах степной и сухостепной зоны с нейтральной, слабощелочной реакцией среды химическое поглощение тяжелых металлов происходит в результате образования труднорастворимых гидроксидов и карбонатов металлов, что значительно снижает их поступление в растения.
Физико-химическая или обменная поглотительная способность – это способность мелкодисперсных коллоидных частиц почвы, как минеральных, так и органических, несущих отрицательный заряд, поглощать различные катионы из раствора. При этом поглощение одних катионов сопровождается вытеснением в раствор эквивалентного количества других, ранее поглощенных твердой фазой почвы.
Обменному поглощению подвержены как катионы, так и анионы. Но в силу того, что в почвах преобладают отрицательно заряженные коллоиды, имеющие в диффузном слое мицеллы катионы, катионный обмен в почвах имеет наибольшее проявление.
При этом виде поглощения концентрация почвенного раствора не изменяется, а меняется только его состав, в то время как при химическом поглощении изменяются и состав, и общая концентрация почвенного раствора.
Основные закономерности обмена.
1. Обмен катионов происходит строго эквивалентно. Эквивалентность обмена катионами означает, что ионы почвенного раствора обмениваются с ионами диффузного слоя коллоидной частицы в строгом соотношении: грамм-эквивалент одного на грамм-эквивалент другого. Если, например, к почве, содержащей в коллоидной части в поглощенном состоянии катион кальция, прилит раствор нейтральной соли (например, KNO3), то реакция пойдет следующим образом:
Калий из раствора поглотится почвой, а в растворе в эквивалентном количестве появится кальций.
Эквивалентность обмена катионов имеет большое значение. Она позволяет точно рассчитывать дозы мелиорирующих веществ.
2. Реакция обмена обратима и протекает в почве с большой скоростью.
3. Разные катионы обладают неодинаковой энергией к обменному поглощению. Энергия обмена зависит от валентности катионов. Чем выше валентность, тем выше энергия обмена, тем активнее катион обменивается с почвой и прочнее ею удерживается. В соответствии с этим имеется следующий ряд поглощения:
7Li 23 Na 18 NH4 + 39 K 89 Pb 24 Mg 40 Ca 27 Al 56 Fe
(NH4 + – исключение: имея меньшую массу, он занимает третье место после натрия).
В ряду катионов однозначной валентности активность их возрастает с увеличением атомной массы и уменьшением степени гидратации иона.
Исключение представляет водород; как одновалентный катион, он по своей активности приближается к трехвалентным ионам. Его активность объясняется тем, что он способен связываться только с одной молекулой воды и вступает в реакции обмена как гидроксоний (Н3О + ). Вследствие чего, он оказывается практически негидратированным и имеет очень малый размер.
Катионы с большой активностью быстрее поглощаются почвой и прочнее удерживаются ею.
4. Реакция обмена подчиняется закону действующих масс. Если в растворе имеются различные катионы, но одной валентности, то при установившемся равновесии по завершении реакции обмена отношение поглощенных катионов в почве будет пропорциональным отношению между ними в растворе.
В случае разновалентных катионов в почвенном растворе характер поглощения будет зависеть от концентрации раствора. При увеличении концентрации раствора относительно больше поглощается одновалентных катионов, а при уменьшении концентрации раствора активнее поглощаются двухвалентные катионы. Следовательно, если почва просыхает и теряет влагу, то концентрация раствора в ней повышается, а это повышает поглощение одновалентных катионов. При химической мелиорации солонцовых почв это обстоятельство необходимо учитывать и всеми возможными средствами поддерживать в почве высокую влажность, тем самым активизируя поглощения почвой двухвалентного катиона кальция.
На ход обменных реакций и характер поглощения существенное влияние оказывают и индивидуальные свойства коллоидов.
В обменном поглощении катионов принимают участие главным образом высокодисперсные частицы почвы, как минеральные, так и органические.
Всю совокупность высокодисперсных почвенных частиц, обладающих обменной поглотительной способностью, К.К. Гедройц назвал ППК.
Физико-химическое поглощение катионов играет существенную роль в почвенных процессах, определяет важные физические свойства, физико-химические свойства почвы, ее структурное состояние, реакцию, буферность, имеет большое значение при взаимодействии с удобрениями.
Поглощение катионов почвой может сопровождаться их закреплением и переходом в необменное состояние. Необменно поглощаться почвой могут все катионы, но наиболее сильно способность к закреплению в необменной форме характерна для катионов K + и NH4 + .
Необменное поглощение – явление неблагоприятное, так как калий и аммоний исключаются из раствора и становятся малодоступными для растений.
Необменная реакция обусловлена проникновением катионов в межпакетные пространства кристаллической решетки глинистых минералов. При последующем ее сокращении они оказываются замкнутыми.
2. Емкость катионного обмена (ЕКО)
Это одна из интегральных агрономических и экологических характеристик почв.
Общее количество способных к обмену поглощенных катионов в почве называется емкостью катионного обмена. Ее выражают в милиграмм-эквивалентах на 100 г почвы.
Величина емкости катионного обмена характеризует обменную поглотительную способность почв.
Емкость катионного обмена зависит от минералогического и гранулометрического составов почвы, от содержания гумуса в почве, от реакции почвы и соотношения в ней отрицательнозаряженных коллоидов к положительнозаряженным.
ЕКО обусловливает буферность почв по отношению к различным электролитам. Буферная способность почвы определяется зависимостью между концентрацией ионов, адсорбированных на твердой фазе, и концентрацией ионов в растворе. Ее рассчитывают по данным изотермы адсорбции.
С емкостью катионного обмена связывается устойчивость почв к техногенным воздействиям, в частности, к химическому загрязнению. По возрастающей степени устойчивости к антропогенному воздействию почвы разделяются на пять групп: 1) с ЕКО менее 10 мгэкв/100 г почвы; 2) 10…20; 3) 21…30; 4) 31…40; 5) более 40 мгэкв/100 г почвы.
Емкость катионного обмена у разных почв различная. Наиболее высокую емкость катионного обмена имеют богатые гумусом мощные черноземы. В почвах, расположенных к северу и к югу от типичного чернозема, количество емкость катионного обмена уменьшается. Различные почвы отличаются не только емкостью катионного обмена, но и по составу обменных катионов. Все почвы содержат в поглощенном состоянии Са и Мg. В черноземах на долю этих катионов приходится до 90 % емкости катионного обмена, а ионов водорода, алюминия и натрия содержится небольшое количество. В солонцах и солончаках наряду с Са и Мg присутствует много Na. В подзолистых и дерново-подзолистых почвах среди поглощенных катионов большое место занимают Н + и Al 3+ (до 50 %).
В оценке состава обменных катионов наибольшее значение имеют ионы Са 2+ , Mg 2+ , Na + , Н + , А1 3+ . Первые три относятся к обменным основаниям. Водород и алюминий обусловливают гидролитическую кислотность, поглощенный натрий и повышенное количество магния — солонцеватость почв. Состав обменных катионов во многом определяет физические свойства почв.
В зависимости от состава обменных катионов К.К. Гедройц разделил все почвы на две группы: почвы, насыщенные основаниями, в составе обменных катионов которых присутствуют Са 2+ , Мg 2+ и Na + , и почвы, ненасыщенные основаниями, содержащие наряду с Са 2+ и Мg 2+ катионы Н + и Al 3+ .
Состав поглощѐнных катионов в почвах зонального ряда (таблица 1) определяется условиями почвообразования и, прежде всего, водным режимом.
Для почв экстрагумидных и rумидных областей с коэффициентом увлажнения (Ку) > 1 в составе ППК основную роль играют катионы Са 2+ , Мg 2+ , Н + , Аl 3+ ; для семигумидных с Ку 2+ , Mg 2+ и для почв аридных областей с Ку 2+ , Мg 2+ , Na + , иногда с существенным участием К + .
Физико-химические свойства почв – совокупность свойств, определяющих способность почвы поддерживать физико-химическое равновесие между фазами почв, составом почвенных растворов и поглощенных оснований в почвенном поглощающем комплексе, кислотно- щелочной и окислительно-восстановительный потенциал, состав и количество доступных растению питательных веществ, буферность почв — способность противостоять изменению свойств почвы при поступлении в нее веществ извне. Каждый тип почв характеризуется своими показателями физико-химических свойств, отличающих его от других типов, что используется в диагностике почв при их классификации.
Поглотительной способностью почвы называется свойство задерживать или поглощать различные вещества, взаимодействующие и соприкасающиеся с ее твердой фазой. Почва способна задерживать или поглощать газы, различные соединения из растворов, минеральные или органические частицы, микроорганизмы и суспензии. Почвой энергично поглощаются и сохраняются главные элементы питания растений – K, N, Ca, Mg, P.
Механическая поглотительная способность – свойство почвы механически задерживать взвешенные в воде вещества, обусловлена механическим составом, структурой, сложением, пористостью и капиллярностью почвы. Почва как фильтр, способна закреплять фильтрующиеся через нее частицы в зависимости от их размеров, диаметров и расположения. Эта способность используется при кольматировании (заилении) песчаных почв и очистке бытовых и технических сточных вод.
Физическая поглотительная способность – свойство почвы поглощать из раствора молекулы электролитов, продукты гидролитического расщепления солей слабых кислот и сильных оснований, а также коллоиды при их коагуляции. При физическом поглощении происходит аполярная абсорция (сгущение молекул на поверхности раздела двух фаз – твердой и жидкой, твердой и газообразной), определяемая наличием ненасыщенной энергии на поверхности почвенных частиц. Эта энергия тем больше, чем тоньше механический состав почвы. Физическая поглотительная способность выше у суглинистых почв и слабее у песчаных. Физическое поглощение защищает водорастворимые соединения от вымывания. Такое поглощение нередко сопровождается коагуляцией коллоидных веществ под воздействием электролитов, что также предохраняет от вымывания водорастворимые соединения. Вот почему химическими мелиорациями можно способствовать коагуляции коллоидов и противодействовать пептизации их.
Химическая поглотительная способность – свойство почвы удерживать ионы в результате образования нерастворимых или труднорастворимых солей. Она заключается в выпадении из почвенных растворов осадков и закрепления их в почве. При взаимодействии растворимых и среднерастворимых солей возникают труднорастворимые соли, которые и присоединяются к твердой фазе почвы. Химическое поглощение происходит в том случае, если анион раствора дает нерастворимое соединение с ионами, находящимися на поверхности твердых частиц почвы.
Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность – свойство почвы обменивать некоторую часть катионов и в меньшей степени анионов из соприкасающихся растворов. Здесь наблюдается физическое и химическое поглощение. Происходит эквивалентный обмен катиононами. Катионы из раствора переходят в слой компенсирующих ионов мицелл почвенных коллоидов, а катионы из слоя компенсирующих ионов – в раствор. Изменяя искусственно реакцию почвенных растворов, можно направленно воздействовать на емкость поглощения, а из необменного состояния катионы перевести в обменные. Перевод в необменное состояние катионов совершается при периодическом высушивании почвы, что объясняется старением и частичной кристаллизацией гелей коллоидов.
Биологическая поглотительная способность связана с жизнедеятельностью организмов почвы (главным образом микрофлоры), которые усваивают и закрепляют в своем теле различные вещества, а при отмирании обогащают ими почву. Растворимые соединения, поступающие из раствора, а также вещества, ассимилируемые организмами из твердой и газообразной фазы почвы, переходят в нерастворимую форму в теле организмов. Благодаря такому поглощению в почве аккумулируются необходимые для растений элементы зольного и азотного питания. Это избирательная поглотительная способность по отношению к элементам питания растений. Особенно большое значение имеет для улучшения бедных питательными веществами легкопромываемых почв.
Почва задерживает бактерии и адсорбирует их как физическая среда. Это свойство более выражено у суглинистых и меньше у песчаных почв. Адсорбирующая способность почв различна по отношению к разным видам бактерий.
Поглотительная способность почв сильнее проявляется в условиях оптимальной влажности почв, когда накапливается перегной и элементы пищи растений и повышается плодородие почв.
Химические свойства почвы определяются процессами, происходящими в основном между ее твердой и жидкой фазами. По закону действующих масс в почве образуются и поступают в раствор различные вещества, в ней устанавливается подвижное равновесие между твердой частью и почвенным раствором. При уменьшении концентрации такого раствора часть веществ поступает в него из твердой фазы почвы и, наоборот, при увеличении концентрации часть веществ выпадает из раствора, присоединяясь к твердой фазе почвы.
В почвенной воде растворимы различные соли и кислоты, которые представляют так называемый почвенный раствор. Он образуется в процессе почвообразования в течение длительного времени в результате движения воды в почве и смачивания ее. Соли растворяются под действием кислот, коалинизации, окислительно- восстановительных процессов, гидролиза веществ и т.д. Почвенный раствор по составу и концентрации определяется взаимодействием почвы, воды и организмов, которое состоит в растворении минеральных и органических веществ, пептизации, коагуляции и обмене ионами растворов с почвенными коллоидами.
Реакция почвенного раствора создается при взаимодействии почвы с водой или растворами солей, характеризуется концентрацией водородных и гидроксильных ионов. Реакция может быть кислой, щелочной или нейтральной. В последнем случае концентрация ионов Н+ и ОН- одинакова. Реакция почвенного раствора выражается символом рН – десятичным логарифмом с обратным знаком, показывающим степень концентрации Н в почвенном растворе, или количеством Н- иона в листе раствора.
Различают активную (актуальную) и потенциальную кислотность. Активная кислотность возникает за счет слабых кислот (главным образом углекислоты, органических кислот), а также кислых солей и минеральных кислот, особенно H2SO4 . Эта кислотность обнаруживается действием воды на почву, поглощающий коллоидный комплекс которой не насыщен основаниями.
Способность почвенной суспензии противостоять изменению ее активной реакции (рН) при внесении в почву кислот или щелочей называется буферным действием. В следствие буферности почва обладает относительно устойчивой реакцией почвенного раствора. Буферное действие присуще твердой фазе почвы и зависит от ее химического, коллоидного и механического состава.
Читайте также: