Поглотительная способность почв

Поглотительная способность почв

Поглотительная способность – это явление поглощения и удержания почвой веществ, растворенных в почвенном растворе, а также в виде коллоидных частиц, газов и паров. Поглотительная способность почвы зависит от ее гранулометрического состава, структурных свойств, содержащихся в ней химических соединений и живых организмов. Наиболее основательно проблемы поглотительной способности почв изучены К. К. Гейдройцем.

Поглощение почвой веществ, которые соприкасаются с ней, происходит в результате целого ряда процессов: физических, химических, физико-химических и биологических. В зависимости от происходящего процесса различают механическую, физическую, химическую, физико-химическую и биологическую поглотительные способности.

Механическая поглотительная способность – свойство почвы задер-живать взмученные частицы, содержащиеся в фильтрующейся через нее воде, размер которых крупнее почвенных пор. Эти частицы могут поступать в почву извне или образовываться в почве при ее увлажнении водой. Эта способность почвы зависит от ее механического состава и структурных свойств. Чем тяжелее по гранулометрическому составу почва и мельче пронизывающие ее поры, тем лучшей задерживающей способностью обладает эта почва. Суглинистые и глинистые почвы обладают большей сорбционной способностью, чем песчаные или каменистые почвы. По мере увеличения содержания гумуса механическая поглотительная способность почв увеличивается.

Физическая (молекулярная адсорбция) – это увеличение или уменьше-ние концентраций молекул растворенного вещества в пограничном слое раствора, который окружает почвенные коллоиды. Она связана со свойством почвы поглощать из почвенного раствора молекулы электролитов, газов вследствие того, что на границе соприкосновения почвенных частиц и почвенного раствора появляется свободная поверхностная энергия, величина которой тем больше, чем выше степень раздробленности твердого вещества и больше удельная поверхность частиц. Она вызывает притяжение или отталкивание поверхностью частиц целых молекул.

Поглощение, при котором молекулы вещества притягиваются из раствора твердыми почвенными частичками и концентрируются у самой их поверхности, называется положительной адсорбцией. При этом на границе раздела дисперсионной частицы и среды появляется повышенная концентрация молекул. Она характерна для органических кислот, спиртов, алкалоидов. В почве имеет место также отрицательная адсорбция, когда растворенные в воде вещества поглощаются почвой слабо или не поглощаются вообще, у поверхности частиц появляется более низкая концентрация по сравнению с остальным раствором. К таким веществам относятся хлориды и нитраты. Вследствие низкого поглощения они легко мигрируют по почвенному профилю и выносятся из почвы с водой.

При этом каждый катион диссоциированной молекулы несет положительный заряд, каждый анион – отрицательный. Молекулы NaCl распадаются на Na+ и Cl -, НCl на Н+ и Cl -. При взаимодействии твердой фазы почвы с почвенным раствором почвенные коллоиды, заряженные в большинстве случаев отрицательно, поглощают положительно заряженные ионы – катионы. Поглощенные катионы удерживаются на поверхности почвенных частиц весьма прочно и могут быть вытеснены обратно в раствор только другими катионами. Вследствие этого процесс поглощения ионов из раствора является процессом обмена катионов на поверхности коллоидов. Любой поглощенный почвой катион при соответствующих условиях может снова перейти в раствор:

ППКСа + 2KCl ↔ ППКК + СаCl2

Изучая обменную поглотительную способность почв, К. К. Гедройц установил следующие основные законы: 1) катионный обмен между почвой и раствором происходит в эквивалентных отношениях; 2) обмен катионов происходит очень быстро, почти мгновенно; 3) реакция обмена обратима.

Химическая поглотительная способность – это способность почвы закреплять поступающие в раствор ионы в форме труднорастворимых или нерастворимых соединений, которые выпадают в осадок. Закрепление ионов в результате химического поглощения происходит в том случае, когда в почвенном растворе содержится растворенная соль. Она способна вступать в химические реакции с ионами и образовывать нерастворимые или мало растворимые соединения, которые будут удерживаться в почве от вымывания.

Например, химическая реакция между находящимися в почвенном рас-творе легкорастворимыми солями Na3PO4 и CaCl2 дает нерастворимые соединения, прочно удерживаемые почвой.

2Na3PO4 + 3CaCl2 = Сa3(PO4 )2↓ + 6NaCl

Примером этого может служить  также уравнение:

2К3PO4 + 3Ca(NO3)2 = Сa3(PO4 )2↓ + 6KNO3

Биологическая поглотительная способность – поглощение и закрепление в телах живых организмов различных веществ из почвенного раствора. Минеральные соли, находящиеся в почве или поступившие туда из вне в виде удобрений, используются микроорганизмами и растениями, что предохраняет их от вымывания. После отмирания организмов эти соединения как бы поглощаются почвой и могут быть использованы повторно. Кроме этого, корневые системы и микроорганизмы выделяют СО2 и другие органические кислоты, которые растворяют нерастворимые в воде минералы и химические соединения. Особенностью этого поглощения является избирательность усвоения из растворов важнейших для организма веществ. При этом необходимые для организма вещества могут иметь минимальные концентрации по сравнению с другими соединениями. Поэтому в верхних горизонтах почв вместе с гумусом аккумулируется целый ряд химических элементов (азот, фосфор, кальций и др.), которые являются обязательными составляющими живой субстанции.

К. К. Гедройц многолетними исследованиями установил, что явления по-глощения в основном связаны с большой удельной поверхностью тонкодис-персных коллоидальных частиц почвы. По мере уменьшения диаметра частиц почвы возрастает удельная поверхность и, соответственно, возрастает количество поглощаемых катионов, которая достигает максимума при диаметре гранулометрических фракций < 0,22 m.

Всю массу тонко раздробленных частиц, состоящих из органических, органно-минеральных и минеральных соединений, обуславливающую поглоти-тельную способность почвы, называют почвенно-поглощающим комплексом (ППК). В основном ППК состоит из частиц и компонентов почвы, находящихся в состоянии коллоидов. Под коллоидами в широком смысле слова понимают любое вещество в состоянии высшей степени раздробленности (дисперсности) и представляющие собой агрегат из совокупности многих молекул. К коллоидам принято относить вещества, отдельные частички которых имеют размеры менее 0,1 μ (микрона).

Коллоидный раствор следует отличать от суспензий и молекулярных растворов. Коллоидные частички, в отличие от взвеси, не видны в микроскоп и проходят через бумажный фильтр. Однако в отличие от молекулярных (истинных) растворов, коллоидные растворы не проходят через растительные перепонки и поры животных. 

Почвенные коллоиды в природных условиях могут образовываться различными путями: а) путем дробления, разрушения и выветривания горных пород; б) в результате конденсации отдельных молекул, химических реакций (образование гидрозолей); в) вследствие накопление перегнойных веществ биологическим путем. С химической точки зрения почвенные коллоиды могут быть разделены на три группы: минеральные, органические, органо-минеральные.

Минеральные коллоиды представлены главным образом коллоидально-распыленными алюмосиликатами, гидратами окиси железа и алюминия, коллоидальной кремниевой кислоты, а также соединениями закиси железа, оксидов марганца и др.

Минеральная часть, преобладающая в составе почвенных коллоидов, со-стоит в основном из вторичных минералов и аморфных веществ, представленных окисями железа, алюминия, кремния, а так же продуктами их взаимодействия. В почвах могут образовываться промежуточные формы коллоидов между кристаллами и аморфными веществами. Относительное соотношение между кристаллическими и аморфными веществами коллоидных фракций различается в зависимости от типов почв. Органические коллоиды образуются в результате гумификации животных и растительных остатков.

По отношению к воде коллоиды можно разделить на две группы: гидрофильные и гидрофобные. Такие коллоиды, как кремниевая и гуминовая кислота, адсорбируют на своей поверхности молекулы жидкой фазы почвенного раствора и окружают себя водной оболочкой, относятся к гидрофильным коллоидам. В почве так же могут встречаться коллоиды, которые не могут адсорбировать молекулы воды, которые носят название гидрофобных.

В жидкой среде при образовании гидрозолей химическим путем в зависимости от характера ионной оболочки мицеллы ряд коллоидов получает определенный электрический заряд – положительный или отрицательный. Коллоиды, которые получают отрицательный заряд, образуют  кислотные золи – ацидоиды, положительный заряд – базоиды. Положительный или отрицательный заряд коллоидной частицы зависит от строения мицеллы.

Коллоидные молекулы окружены двумя слоями зарядов. Первый слой, отвечающий собственно заряду молекулы, примыкает к ее ядру и является замкнутым. У электроотрицательных коллоидов он имеет отрицательный заряд, у электроположительных - положительный. Второй слой противоположного знака соответствует поглощенным ионам. По мере удаления от центра молекулы он становится все более диффузными.

К группе ацидоидов относится коллоидальный кремнезем, глинистые минералы, перегнойные кислоты и вообще основная часть почвенных коллоидов. Почвенные суспензии, как правило, заряжены отрицательно. Базоиды в почве встречаются крайне редко. Положительный заряд часто имеют гидраты окиси Fe и Al. К амфолитоидам  относятся окислы Fe и Al, а также протеиновые вещества почвенного перегноя. Как правило, почвенные коллоиды имеют отрицательный заряд.

В почвах так же встречаются коллоиды, которые могут изменять свой заря на положительный или отрицательный в зависимости от реакции среды. Коллоидальный раствор обычно называют гидрозолем. Коллоидальные растворы из состояния гидрозолей могут переходить в гель и наоборот. В состоянии золя находятся коллоиды, имеющие заряд. Когда коллоид теряет этот заряд или он понижается настолько, что сила притяжения становится больше силы отталкивания, отдельные коллоидные частички начинают “сцепливаться” друг с другом в крупные агрегаты и вы-падают в осадок. Этот процесс носит название коагуляции. Обратный процесс перехода геля во взвешенное состояние носит название пептизация. Процесс пептизации заключается в том, что ионы электролита адсор-бируются на поверхности коллоидальных частиц, в результате возрастает электрокинетический потенциал, увеличивается степень гидратации, вокруг частиц образуется гидратная оболочка, это приводит к разрыву связей и переходу пептизируемого осадка в раствор.

Сущность реакции катионного обмена состоит в том, что катионы внешнего раствора вытесняют из почвы поглощенные ионы, а сами поглощаются почвой в эквивалентных количествах. Реакция катионного обмена обратимая и может протекать по следующей схеме:

(ППК)К + NaNO3  = (ППК)Na + КNO3

Поглощение катионов почвой  характеризуется показателем емкости обмена катионов (ЕКО), которые представляет себя как способность почв удерживать то или иное количество катионов в обменной форме. ЕКО выражается в смоль/кг или мг-экв на 100 г почвы, что одно и то же. Величина ЕКО определяется рядом факторов, из которых наибольшее значение имеют гранулометрический, химический и минералогический состав почвенных коллоидов, кислотно-щелочная реакция почвы.

Одним из основных факторов, оказывающих влияние на величину поглощения катионов, является количество илистой фракции (размер частиц с диаметром < 0,001мм). В связи с этим емкость поглощения катионов у глинистых почв выше, чем у песчаных. Влияние реакции среды на емкость обмена катионов проявляется в том, что с повышением рН повышается величина емкости поглощения. Для ацидоидов это объясняется тем, что ионы Н+ внешнего слоя при разной величине рН замещаются по-разному. У амфолитоидов с повышением рН  окружающего раствора повышается отрицательный заряд и соответственно повышается поглотительная способность.

В определенных условиях прочность связи поглощенных катионов с коллоидными частичками может быть настолько большой, что они становятся необменными. Необменно фиксироваться могут все катионы, однако наиболее выражено это наблюдается у К+ и NH4+, для которых характерна относительно большая величина радиуса (К – 1,33, NH4+ – 1, 43 Ǻ). Положительная роль фиксации заключается в том, что катионы не вымываются и сохраняются в почве. Отрицательное - заключается в недоступности элементов питания для растений.