Поглотительная способность почв

Почва — сложная многофазная и полидисперсная система. В ней имеются грубые дисперсии с диаметром частиц более 0,02 нм, образующие в почвенных и грунтовых водах суспензии, более тонкие дисперсии размером 0,02—0,0001 нм — почвенные коллоиды и дисперсии на уровне молекулярного раздробления с диаметром частиц менее 0,0001 нм, которые образуют молекулярные, или истинные, растворы.

Дисперсные системы коллоидного раздробления, обладающие большой свободной поверхностной энергией, электрокинетическими свойствами, обусловливают ряд важнейших процессов, связанных с поглотительной способностью почв.

Поглотительная способность почв

Эти явления были известны очень давно (I—II в. до н. э.) и уже использовались тогда для опреснения морской воды (пропуская ее через почву).

В пятидесятые годы XIX в. английские ученые-химики Т. Трем и Д. Уэй попытались объяснить поглотительную способность почв на основании химических явлений.

В дальнейшем, в восьмидесятые годы прошлого столетия, развитие физической и коллоидной химии позволило голландскому ученому Ван-Беммелену объяснить поглотительную способность почв наличием в них тел, находящихся в коллоидном состоянии.

В начале XX в. поглотительную способность почв методами коллоидной химии изучали швейцарский ученый Г. Вигнер и шведский ученый С. Маттсон.

Их исследования позволили раскрыть некоторые закономерности физико-химического поглощения и явлений амфотерности, но они не были связаны с решением агрономических вопросов.

Видная роль в изучении поглотительной способности почв принадлежит российскому ученому К. К. Гедройцу. Для его исследований характерны широкий подход к изучению почвенных коллоидов и поглотительной способности почв и тесная связь с практическими вопросами агрономии.

В дальнейшем развитие учения о почвенных коллоидах и поглотительной способности почв получило как в нашей стране, так и за рубежом (Гапон, Соколовский, Тюлин, Антипов-Каратаев, Алешин, Горбунов, Ди-Глерия, Келли и др.).

Почвенные коллоиды

Количество коллоидов в почвах различно и составляет от 1—2 до 30—40 % массы почвы. Образуются почвенные коллоиды при раздроблении более крупных частиц в процессе выветривания, путем поликонденсации в процессах почвообразования и образования гумуса, а также при химических реакциях между продуктами выветривания и почвообразования.

Коллоиды как двухфазная система состоят из дисперсной фазы (коллоидные частицы) и дисперсионной среды (почвенный раствор). Свойства почвенных коллоидов обусловлены их размерами, составом и строением.

Небольшие размеры коллоидов определяют огромную суммарную и удельную поверхность, что можно представить на примере суммарной и удельной поверхности при дроблении длины сторон куба (табл. 25).

25. Увеличение суммарной и удельной поверхности 1 см³ тела при возрастании дисперсности

Длина сторон куба	Число кубов	Поверхность		Длина сторон куба, нм	Число кубов	Поверхность
		суммарная, см2	на единицу объема			суммарная, м2	на единицу объема
1см	1	6	6	0,1	1012	6	6-104
1мм	103	60	6•10	0,01	1015	60	6-105
0,1мм	106	600	6 • 102	0,001	1018	600	6 • 106
0,01мм	109	6000	6•103	0,0001	1021	6000	6•107

 

От размеров удельной поверхности зависит величина поверхностной энергии, с которой связаны явления сорбции паров воды, газов и молекул других веществ. С поверхностной энергией дисперсных тел связан тепловой эффект — выделение тепла при их смачивании, который называется теплотой смачивания.

Состав почвенных коллоидов представлен минеральными, органическими и органо-минеральными соединениями.

Минеральные

К минеральным коллоидам относятся глинные минералы, коллоидные формы кремнезема, оксиды железа и алюминия. Органические коллоиды представлены в основном веществами гумусовой и белковой природы.

В коллоидно-дисперсном состоянии могут находиться полисахариды и другие органические соединения. Органо-минеральные коллоиды представлены преимущественно соединениями гумусовых веществ с глинными минералами и осажденными формами оксидов железа и алюминия.

Поглотительная способность этих трех групп соединений проявляется в разной степени и обусловлена не только удельной поверхностью, но и строением коллоидов, наличием двойного электрического слоя ионов на границе раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Общая схема строения коллоида приведена на рисунке 5.

Коллоидную частицу, по предложению Г. Вигнера, называют мицеллой. Ядро мицеллы представляет собой агрегат недиссоциированных молекул какого-либо вещества. Например, глинные минералы (каолинит, монтмориллонит и др.), гуминовые кислоты, коллоидные формы кремнезема и др.

На границе с дисперсионной средой в результате диссоциации внешних молекул ядра или поглощения ионов из дисперсионной среды, на поверхности ядра формируется двойной электрический слой ионов (ионогенный слой).

Он состоит из внутреннего потенциалопределяюще-го слоя прочно связанных с ядром неподвижных ионов и внешнего слоя компенсирующих противоположно заряженных ионов. Ядро с потенциалопределяющим слоем ионов называется гранулой, гранула и слой компенсирующих ионов — частицей.

Часть ионов компенсирующего слоя прочно связана с потенциалопределяющим слоем, часть его диффундирует в почвенный раствор, образуя внешний, или диффузный, слой.

Ранее мы писали про Подзолистые почвы таежно-лесной зоны

В результате диффузии внешнего слоя между потенциалопределяющим и диффузным слоями возникает разность потенциалов, которая обусловливает заряд коллоидной частицы и называется электрокинетическим или дзета-потенциалом.

Величина дзета-потенциала колеблется от 0 до 40—60 мВ. Когда электрокинетический потенциал равен 0, коллоид находится в электронейтральном, или изоэлектрическом, состоянии, называемом изоэлектрическои точкой коллоида.

В зависимости от состава ионов в потенциалопределяющем слое коллоиды могут иметь отрицательный, положительный или переменный заряды.

Коллоиды, содержащие в потенциалопределяющем слое анионы, заряжены отрицательно и называются аци-доидами, содержащие в потенциалопределяющем слое катионы заряжены положительно и называются базоидами.

Коллоиды, способные менять характер диссоциации молекул двойного электрического слоя ионов в зависимости от реакции среды, имеют переменный заряд и ведут себя как базоиды или как ацидоиды. Такие коллоиды получили название амфолитоидов.

Согласно правилу Маттсона, если два соединения при диссоциации дают один общий ион, то они взаимно подавляют диссоциацию друг друга.

В условиях кислой среды, когда в растворе много Н⁺-ионов и мало ОН^–-ионов, амфолитоиды ведут себя как основания:

А1(ОН)₃↔А1(ОН)₂⁺ +OН^–.

Базоид

При щелочной реакции, наоборот, высокая активность ОН^–-ионов в растворе будет подавлять диссоциацию по основному типу и тот же коллоид А1(ОН)₃ диссоциирует как кислота:

А1(ОН)з↔ А1O(ОН)₂^– + Н⁺.

Ацидоид

Так же ведут себя при изменении реакции и коллоиды гидроксидов железа.

При определенной реакции среды диссоциация амфолитоидов идет в равной степени как по основному, так и по кислотному типу. Коллоидная система в этом случае будет электронейтральной, а величина рН называется изоэлектрической.

Считается, что большинство почвенных коллоидов — ацидоиды, в диффузном слое которых находятся катионы, способные к обменным реакциям; присутствуют амфолитоиды; типичных базоидов в почве нет.

К ацидоидам относят большинство минеральных, органических и органо-минеральных коллоидов. Это глинные минералы, коллоидные формы кремнезема, гумусовые кислоты, соединения гумусовых кислот и их производных с минеральной частью почвы.

К амфолитоидам относят группы минеральных высокодисперсных форм гидроксидов железа и алюминия, некоторых глинных минералов (монтмориллонит и др.), а также органических коллоидов, представленных белковыми веществами, в основном плазмой микроорганизмов, изоэлектрическая величина рН которых равна 4—4,5, для гидроксидов железа —7,1 и для гидроксидов алюминия—8,1.

Наличие заряда обусловливает электрокинетические свойства почвенных коллоидов. К ним относят коагуляцию и пептизацию коллоидной системы.

В зависимости от наличия или отсутствия заряда коллоиды могут находиться в состоянии золя или геля.

Золь — коллоидный раствор. Обусловлен наличием заряда в коллоидной системе; представляет состояние коллоидно раздробленного вещества, рассеянного в дисперсионной среде.

Гель — коллоидный осадок. При отсутствии заряда в коллоидной системе дисперсная фаза укрупняется и отделяется от дисперсионной среды.

Рекомендуем прочитать: Болотные почвы

Коагуляция — переход коллоида из состояния золя в состояние геля. Коагуляция может происходить под действием электролитов, при взаимодействии двух противоположно заряженных коллоидных систем, при высушивании или замораживании почв, сопровождающихся дегидратацией.

Коагуляция — положительный процесс. В скоагулированном (осажденном) состоянии могут находиться, например, органические коллоиды в результате их взаимодействия с поливалентными катионами.

Коагуляция способствует образованию почвенной структуры, уменьшению связности тяжелых по гранулометрическому составу почв, сохранению от вымывания коллоидов, обусловливающих важнейшие агрономические свойства почвы.

Пептизация — переход от состояния геля в состояние золя. Она связана с восстановлением заряда коллоидной системы, повышением ее дзета-потенциала, обусловленным главным образом действием растворов щелочей и гидролитически щелочных солей.

Например, за счет образования гумусовых солей щелочных металлов, чаще всего натрия. При пептизации разрушается структура, коллоиды распыляются и приобретают способность к передвижению по почвенному профилю; верхние горизонты почв обедняются коллоидами, что отрицательно сказывается на многих агрономически важных свойствах почвы.

Коллоиды почвы обладают способностью поглощать молекулы воды. Эта способность называется гидратацией коллоида. Гидрофобные коллоиды практически не гидратируются, почвы характеризуются плохой смачиваемостью, при насыщении почвы высокогидратированными катионами происходит пептизация почвенных коллоидов.

Виды поглотительной способности почв

Способность почвы поглощать пары, газы, задерживать растворенные или взмученные в почвенном растворе вещества или части их, живые организмы называется поглотительной способностью.

К. К. Гедройц выделил пять видов поглотительной способности — четыре абиотических вида: механическая, физическая, физико-химическая, или обменная, химическая и пятый вид — биологическая поглотительная способность.

Совокупность частиц почвы, обладающих абиотической катионной или анионной поглотительной способностью, называется, по К. К. Гедройцу, почвенным поглощающим комплексом (ППК).

С физической точки зрения, ППК представляет собой совокупность веществ в тонкодисперсном состоянии (коллоиды). В химическом отношении это нерастворимые в воде солеобразные алюмосиликатные, органические и органо-минеральные соединения.

Механическая поглотительная способность

Это свойство почвы задерживать (подобно фильтру) твердые частицы, взмученные в фильтрующейся воде, размеры которых превышают размеры почвенных пор.

Это свойство зависит от размера и формы почвенных пор, которые обусловлены гранулометрическим, агрегатным составами, плотностью почвы.

Песчаные, крупноагрегатные, рыхлые почвы обладают слабой механической поглотительной способностью. Наоборот, глинистые почвы способны полностью поглощать из почвенных суспензий частицы размером более 0,001 мм.

В природе механическое поглощение взвешенных в почвенной воде частиц происходит при промывном режиме пористых и трещиноватых почв.

Явление механического поглощения используют для очистки питьевых и сточных вод путем их фильтрации через почву, для заиливания (кольматирования) дна и стенок каналов, водохранилищ в целях уменьшения потерь воды на фильтрацию.

Физическая поглотительная способность

Это поглощение целых молекул газов, вещества, растворенного в воде, изменение его концентрации на поверхности твердых почвенных частиц. Эту поглотительную способность еще называют молекулярной адсорбцией.

Физическая поглотительная способность протекает на границе твердой и жидкой фаз. Она обусловлена наличием большой свободной поверхностной энергии, которая равна произведению поверхностного натяжения раствора на суммарную величину поверхности частиц.

Известно, что всякая дисперсная система стремится уменьшить свою поверхностную энергию. Она может быть уменьшена, во-первых, за счет укрупнения дисперсной фазы (коагуляция) и, во-вторых, за счет уменьшения поверхностного натяжения раствора.

Вещества, способные понижать поверхностное натяжение системы (поверхностно-активные вещества), концентрируются на поверхности твердых частиц почвы и испытывают положительную физическую адсорбцию.

К таким веществам относятся органические кислоты, спирты, алкалоиды, высокомолекулярные органические соединения.

Чем длиннее углеводородная цепь, тем сильнее понижение поверхностного натяжения системы, тем выше поглощение, так как свободная энергия поверхностного слоя насыщается за счет связывания поглощенного вещества.

Вещества, способные повышать поверхностное натяжение системы, отталкиваются от почвенных частиц и испытывают отрицательную физическую адсорбцию. К таким веществам относятся неорганические кислоты, соли, основания, органические вещества с большим количеством гидроксильных групп (сахара).

Из этого следует, что такие соли, как нитраты, хлориды и другие, слабо удерживаются в почве и могут вымываться за пределы корнеобитаемого слоя, а в условиях промывного водного режима — и за пределы почвенного профиля.

В агрономической практике важно знать и учитывать эти особенности физического поглощения. Они, в частности, могут привести к непродуктивным потерям вносимых азотных удобрений, что расценивается как отрицательное явление или как положительное при удалении Cl-ионов, входящих в состав калийных удобрений, ухудшающих качество продукции некоторых сельскохозяйственных культур.

Читайте также: Сероземы

К физическому поглощению относится также поглощение почвой паров, газов из газообразной фазы почвы. По энергии поглощения газы представляют следующий ряд:

O₂ = Н₂ < NO₂ < СO₂ < NH₃ < H₂O (пар).

Легче всего поглощаются водяные пары. При этом выделяется теплота смачивания, которая тем выше, чем больше в почве органического вещества и глинистых частиц.

Газы могут поглощаться лишь сухими участками почвенных частиц. Из газов наиболее высокой энергией поглощения отличаются аммиак и диоксид углерода.

Чем легче сгущаются пары и газы, тем легче и интенсивнее они поглощаются почвой. Понижение температуры и повышение атмосферного давления увеличивают поглощение газов.

Почва является хорошим поглотителем дымных и газообразных отравляющих веществ (ОВ). Ее можно использовать как подручное средство для защиты от них.

Наличие поглощенных газов — причина затрудненного смачивания сухих почв в момент ливня или полива. Для замещения поглощенного воздуха водой требуется длительное время, прежде чем произойдет полное смачивание почвы и наступит нормальное впитывание влаги.

При быстром поливе или сплошном затоплении десорбирующийся воздух, стремительно вырываясь из почвы, разрушает ее структуру. Чтобы этого не происходило, полив должен быть умеренным, как правило, дождеванием.

На поверхности твердых частиц удерживаются также разнообразные микроорганизмы, но термин «адсорбция» по отношению к ним может быть применен лишь условно. Д. Г. Звягинцев предлагает вместо него термины «прикрепление», «прилипание», «адгезия» (силы молекулярного притяжения).

Различные почвы обладают неодинаковой способностью поглощать микроорганизмы. Чем тяжелее гранулометрический состав, чем больше в почве содержится гумуса, тем выше поглотительная способность почв по отношению к микроорганизмам.

Бактерии при поглощении их почвой снижают свою биохимическую активность, благодаря чему улучшаются санитарные условия местности, очищаются воды колодцев, грунтовых вод.

Таким образом, физическая поглотительная способность имеет экологическое значение, влияет на состояние окружающей природной среды.

Химическая поглотительная способность (хемосорбция)

Это способность почвы закреплять в форме труднорастворимых соединений ионы, поступающие в раствор.

В результате химических реакций в почвенном растворе образуется труднорастворимая соль, которая определяет закрепление в почве химически как катионов, так и анионов почвенного раствора:

Na₂CO₃+ CaS0₄→CaCO₃↓ + Na,S0₄;

Ca(HCO₃)₂ – H₂O → CaCO₃↓+ СO₂;

Al(OH)₃ + H₃PO₄ •— AlP0₄↓ + 3H₂O.

Кроме образования новой твердой фазы (труднорастворимого осадка) химическая поглотительная способность может осуществляться за счет осадочной сорбции фосфатов на поверхности труднорастворимых гидроксидов.

Комплексообразовательной сорбции, хемосорбционного и адгезионного взаимодействия при возникновении сорбционных глиногумусных комплексов, играющих роль в образовании органо-минеральных почвенных коллоидов.

Встречающиеся анионы в зависимости от их природы по-разному поглощаются почвой химически. Анионы   РО₄^3-, НРО₄^2-, Н₂РО₄^–, SiO₃^2– хорошо поглощаются.

Анионы NO₂, NO₃^–, Cl^– как неспособные образовывать с катионами труднорастворимые соли очень слабо поглощаются почвой химически. Анионы SO₄^2– и CO₃^2–, дающие с катионами осадки средней растворимости, по химической поглотительной способности занимают промежуточное положение.

Кроме природы аниона на его химическое поглощение оказывают влияние состав коллоидов и реакция среды. Чем больше в почве амфолитоидов и чем кислее реакция среды, тем сильнее выражено химическое поглощение аниона. Гумусовые вещества снижают интенсивность поглощения фосфатов.

Химическая поглотительная способность имеет большое значение в закреплении почвами анионов фосфорной кислоты, а также органического вещества и катионов поливалентных металлов. Поглощение фосфатов приводит к накоплению фосфора в почве, но снижает его доступность растениям.

В связи с этим при внесении особенно фосфорных удобрений учитывают взаимодействие их с почвой, способность к химическому поглощению.

Для уменьшения химического поглощения используют гранулированные удобрения, применяют способы внесения, обеспечивающие большие их контакты с корневыми системами растений.

Биологическая поглотительная способность

Проявляется в возможности живых почвенных организмов (корни растений, микроорганизмы) поглощать из почвы различные вещества, катионы и анионы (NO₃^–, SO₄^2–, HPO₄^2–, НРО₄^–).

Особенностью этой поглотительной способности является ее избирательность, т. е. усвоение ионов, жизненно необходимых веществ, специфичных для каждого вида организмов.

Благодаря избирательной способности осуществляются биологическая трансформация, миграция и аккумуляция веществ, приводящие со временем к формированию почвенного плодородия.

Таким образом, биологическая поглотительная способность играет важную роль в плодородии почв и имеет большое агрономическое значение.

Благодаря биологическому поглощению в почве удерживаются от вымывания весьма важные элементы питания растений: Са²⁺, К⁺, NO₃^–, PO₄^3–.

При минерализации органических веществ биологически поглощенные соединения вновь поступают в почвенный раствор и становятся доступными новым поколениям растительных и животных организмов. Ежегодно растения на каждом гектаре поглощают и возвращают в почвы сотни килограммов химических элементов (Ковда, 1973).

Емкость катионного поглощения корней растений колеблется от 10 до 80 мг • экв/100 г. Бобовые растения — более активные сорбенты, чем злаки.

В результате жизнедеятельности растений, животных, микроорганизмов в почве образуются высокодисперсные органические (гумусовые), органо-минеральные вещества, составляющие сорбционные барьеры в почве, способные удерживать за счет обменного и необменного поглощений различные вещества.

На сорбционных барьерах могут накапливаться Ni, Со, Сu, Zn, Hg, Ba и другие металлы; К, Cs, Zn, Си и другие элементы могут удерживаться глинными минералами и гумусовыми веществами в необменной форме.

Процессы биологического поглощения, меняя концентрацию и состав почвенного раствора, влияют на его равновесие и состояние почвенного поглощающего комплекса.

Физико-химическая

Или обменная, поглотительная способность – это способность почвы поглощать и обменивать ионы, находящиеся на поверхности коллоидных частиц (в диффузном слое), на ионы почвенного раствора.

Если потенциалопределяющий слой почвенных коллоидов заряжен отрицательно, то обмениваются катионы, если заряд положительный – обмениваются анионы.

Обмен протекает по уравнению

Основные закономерности обменного поглощения катионов заключаются в следующем.

1. Обмен происходит в эквивалентных количествах по законам обменных химических реакций.
2. Любой поглощенный катион может быть вытеснен и заменен любым другим катионом почвенного раствора.
3. Энергия поглощения и вытеснения катионов различна и зависит от величины валентности и атомной массы.

Энергия поглощения с увеличением валентности возрастает:

м⁺ < м²⁺ < м³⁺.

Внутри рядов катионов с одной валентностью энергия поглощения возрастает с увеличением атомной массы:

⁷Li<²³Na<¹⁸NH₄<³⁹K<¹H:

R 0,78 Ǻ 0,98 Ǻ 1,43 Ǻ   1,33 Ǻ.

Г. Вигнер дал объяснение этой закономерности, исходя из теории гидратации ионов. Чем больше гидратационная оболочка, тем меньшей энергией поглощения обладает ион. Гидратированность иона зависит от радиуса (размера) иона.

Чем меньше радиус иона, тем выше плотность электростатического напряжения на его поверхности (самопотенциал), тем в большей степени он гидратирован. Исключение представляет комплексный ион NH₄⁺, обладающий большей гидратацией, чем ион К⁺, меньший по размеру.

Ион водорода обладает высокой энергией поглощения. В водном растворе он присоединяет одну молекулу воды (Н₂O) и образует гидроксоний (Н₃O⁺), который поглощается сильнее, чем другие одновалентные катионы.

На энергию поглощения оказывает влияние концентрация иона в почвенном растворе. Катион натрия, обладающий меньшей способностью к внедрению, чем катионы аммония и калия, может обменно поглощаться только при высокой концентрации их в почвенном растворе.

Обменное поглощение носит обратимый характер. Скорость обмена обусловлена строением ядер коллоидныхчастиц, строением кристаллических решеток глинных минералов,величины внутримицеллярной порозности.

Скорость обмена велика, почти мгновенная, если она развивается на внешних поверхностях коллоидов и может продолжаться долго (несколько суток) при внутримицеллярном обменном поглощении.

В поглощенном состоянии в почве могут находиться различные катионы: Са²⁺, Mg²⁺, К⁺, Na⁺, NH₄⁺, Н⁺, Al³⁺, Fe²⁺, Mn²⁺ и др.

Общее количество всех поглощенных катионов, по К. К. Гедройцу, называется емкостью поглощения (7). Ее характеризуют с некоторой условностью емкостью катионного обмена (ЕКО) и выражают в мг • экв на 100 г почвы.

Суммарное количество всех обменных катионов, за исключением Н⁺ и А1³⁺, называют суммой обменных оснований (S), которая также выражается в мг • экв на 100 г почвы. Доля суммы поглощенных оснований от емкости поглощения, выраженная в процентах, называется степенью насыщенности почв основаниями:

В различных почвах количество и состав обменных катионов, емкость поглощения, степень насыщенности основаниями неодинаковы (табл. 26).

26. Емкость катионного обмена основных типов почв, мг•экв/100 г (Горбунов, 1978)

Почва	Горизонт и глубина, см	Са2+	Mg2+	Na+	Н++Аl3+	ЕКО
Дерново-среднеподзолистая	А1 1-5	28,1	6,6	Нет	10,5	45,2
	А2 20-30	1,9	1,4	»	1,2	4,4
	В 50-60	6,2	2,1	»	6,5	14,8
	С 180-190	4,4	2,9	»	1,0	8,3
Темно-серая лесная	А 0-7	35,4	3,5	»	Нет	38,9
	А2 20-30	14,3	2,0	»	»	16,3
	В 70-80	11,9	3,0	»	1,0	15,9
	ВС 170-180	14,9	3,0	»	0,8	18,7
Чернозем типичный	А0-10	43,9	9,6	0,1	Нет	53,7
	АВ 70-80	27,8	9,6	0,05	»	37,5
	С 160-170	27,6	9,5	0,05	»	37,2
Солонец степной	А1 0-5	10,3	5,1	0,5	»	17,2
	В1 18-23	16,1	9,3	2,4	»	29,1
	В2 45-50	17,1	8,0	2,5	»	29,4
	С 95-100	14,0	6,5	2,7	»	24,7
Серозем	А 0-5	7,8	0,4	0,2	»	8,5
	АВ 20-25	6,8	0,9	0,2	»	8,0
	С 70-75	4,1	4,2	0,2	»	8,6
Желтозем	А 0-8	7,2	4,7	Нет	0,2	12,1
	В 45-55	6,6	2,5	»	4,4	13,5
	С 120-130	6,5	3,0	»	7,3	16,8
Краснозем	А 0-10	2,4	1,7	»	7,2	11,4
	В 30-40	2,8	1,3	»	5,1	9,3
	С 150-200	0,3	0,9	»	10,8	12,0

Емкость поглощения зависит от содержания в почвах коллоидов и их природы. Чем больше в почве гумусовых веществ и ила, содержащего минералы монтмориллонитовой группы, тем выше ЕКО. Состав обменных катионов и степень насыщенности основаниями отражают особенности почвообразовательных процессов.

Наибольшая емкость поглощения характерна для черноземов типичных высокогумусных, в составе обменных катионов которых преобладают Са²⁺ и Mg²⁺; степень насыщенности этих почв основаниями составляет 100%.

В дерново-подзолистых почвах с небольшим содержанием гумуса емкость поглощения низкая; в составе обменных катионов кроме Са²⁺ и Mg²⁺ присутствуют Н⁺ и А1³⁺; почвы характеризуются низкой насыщенностью основаниями.

В иллювиальных горизонтах (Bi) солонцов много обменного натрия и магния; почвы полностью насыщены основаниями.

Необменное поглощение катионов (фиксация) определяется прочностью их связи с ППК. Эта часть катионов не вытесняется катионами нейтральных солей и представляет собой необменно-поглощенные, или фиксированные, катионы.

Ещё по теме: Дерновые почвы

Необменному поглощению (фиксации) подвержены все почвенные катионы, но наиболее выражено оно для К⁺ и NH₄⁺. Необменное поглощение катионов может иметь обратимый характер.

Механизм фиксации катионов до конца не изучен, но большинство исследователей считает, что переход катионов из свободного состояния в фиксированное и обратно сопровождается чередованием увлажнения и высушивания, обусловливающим набухание и усадку кристаллических решеток трехслойных глинных минералов типа монтмориллонита, особенно вермикулита.

При набухании кристаллических решеток этих минералов в межпакетные пространства, имеющие сферы радиусом 1,3- 1,65 Ǻ проникают катионы.

При усадке кристаллической решетки размеры межпакетного пространства уменьшаются и катионы остаются закрепленными. Сильнее закрепляются катионы с большим радиусом – 1,33 Ǻ (К⁺); 1,43 Ǻ (NH₄⁺), а также 1,49; 1,65 Ǻ (Rb⁺ и Cs⁺).

Фиксирующая способность почв

По отношению к катионам зависит от гранулометрического состава, содержания гумуса. Чем больше гумуса и тяжелее почва, тем выше способность почв поглощать катионы.

В таблице 27 приведена фиксирующая способность разных почв по отношению к аммонийному иону.

27. Средние значения NH₄⁺ – фиксирующей способности некоторых почв (по Могилевкиной)

Почвы	Природно-фиксированный NH4+	Емкость фиксации NH4+
	мг N на 100 г почвы
Подзолистые	4,8	11,6
Черноземы	5,0	13,5
Каштановые	6,8	8,8
Сероземы	10,7	12,3

 

Обменное поглощение анионов возможно при наличии в ППК положительно заряженных участков:

Закономерности обменного поглощения анионов те же, что и для обменного поглощения катионов. По способности поглощения анионы располагаются в следующий возрастающий ряд:

Cl^– = NO₃^–<SO₄^2–<PO₄^3–(HPO₄^2–, H₂PO₄^–)<OH^–.

Лучше других поглощаются анионы гидроксила и фосфат-ионы.

Состав почвенного поглощающего комплекса обусловливает химическое осаждение фосфатов. Например,

Поглощение анионов в почве усиливается при ее подкислении, так как происходит увеличение базоидной части почвенных коллоидов (подзолистые почвы, красноземы).

Большое значение имеет содержание в почве оксидов железа и алюминия (R₂O₃) и соотношение SiO₂: R₂O₃. Чем меньше это соотношение, т. е. чем больше в почвах амфолитоидов, тем выше в условиях кислой среды анионная емкость поглощения.

Поскольку поглощение различных анионов в почве происходит физическим, химическим и физико-химическим путем, его важно учитывать при внесении минеральных удобрений (азотных и фосфорных).

Так, анионы NO₃^–, Сl^– испытывают слабое физическое и обменное поглощение. Фосфат-ионы, наоборот, испытывают сильное химическое и обменное поглощение.

Виды почвенной кислотности и щелочности

Состав поглощенных катионов определяет многие свойства почв; с ними связаны кислотность и щелочность.

Кислотность почвы — способность почвы подкислять воду, а также растворы солей. Различают два вида почвенной кислотности: актуальную и потенциальную.

Актуальная кислотность

Характеризует активность свободных ионов Н⁺ в почвенном растворе и вызвана наличием в нем свободных кислот, гидролитически кислых солей и степенью их диссоциации. Для большинства почв актуальная кислотность обусловлена угольной кислотой и ее солями.

Величина актуальной кислотности выражается в мг • экв • Н⁺ на 100 г почвы или в рН (отрицательный логарифм активности ионов водорода). Нейтральную реакцию характеризует рН 7, кислую – рН < 7 и щелочную – рН >7 .

Актуальная кислотность определяется в водной вытяжке или суспензии, в связи с чем к индексу рН добавляется буквенный индекс «в» или «Н₂O» (рН_в или рНн₂о)-

В почвах рН_в может находиться в пределах от 4 до 8 и более. Крайне низкие значения рН характерны для некоторых торфяно-болотных и болотно-подзолистых почв.

Для подзолистых, дерново-подзолистых почв и красноземов рН_в равен 4,5—5,6, для серых лесных оподзоленных — 5,5—6,5, черноземов, каштановых, сероземов — 6,5—7,5, в карбонатных почвах, солонцах, солончаках рН_в более 8,5.

Различные сельскохозяйственные культуры и микроорганизмы по-разному относятся к актуальной кислотности (табл. 28).

28. Значение рН, для развитая растений и микроорганизмов (Прянишников, 1940; Ковда, 1973)

Растения	Оптимум рНв	Пределы рНв	Растения, микроорганизмы	Оптимум рНв	Пределы рНв
Пшеница	6-7	5-8	Чайный куст	4,5-6,0	–
Ячмень	—	6-7,2	Лен	5-8	4-7
Рожь	5-6	4-7	Табак	4,5-6,5	—
Овес	5-6	4-8	Люпин	4-5	4-6
Картофель	5	4-8	Горох	6-7	5-8
Люцерна	7-8	6-8	Грибы	3,5-6,0	—
Клевер	6,0-6,5	5-8	Азотобактер	6-8	—
Хлопчатник	6,0-7,3	6-8	Нитрификаторы	6,8-8,0	—
			Денитрификаторы	7,0-8,0	—

 

Для большинства культур сильнокислая или сильнощелочная реакция водной вытяжки отрицательно сказывается на развитии растений. Так, для условий черноземов Алтайского Приобья (Бурлакова, 1984) из множества значений наиболее вероятная урожайность зерна яровой пшеницы находится в следующей зависимости от величины рН_в пахотного слоя:

pHв	Урожайность, т/га	рНв	Урожайность, т/га
<6,3	0,6-0,8	7,1-7,5	0,9-1,1
6,4-6,5	2,1—2,3	7,8-8,0	0,6-0,8
6,6-7,0	1,8-2,0	>8,1	<0,5

 

Потенциальная кислотность

Определяется количеством Н⁺ и А1³⁺, находящихся в почвенном поглощающем комплексе. Это кислотность твердой фазы почвы. Потенциальная кислотность подразделяется на обменную и гидролитическую.

Обменная кислотность

Определяется количеством поглощенных Н⁺ и А1³⁺, вытесняемых из почвы катионами нейтральных солей:

Образующаяся соляная кислота характеризует обменную кислотность. Она может быть выражена в мг • экв. на 100 г почвы, в рН_KCl или в рН_с, где «с» — дополнительный буквенный индекс, показывающий, что реакция определяется в солевой вытяжке почв.

При обработке почвы раствором нейтральных солей не все поглощенные ионы водорода и алюминия вытесняются из почвенного поглощающего комплекса. Более полное вытеснение их происходит при действии раствора гидролитически щелочных солей.

Гидролитическая кислотность

Определяется количеством поглощенных Н⁺ и А1³⁺, вытесняемых гидролитически щелочной солью (CH₃COONa).

Количество образующейся уксусной кислоты, эквивалентное количеству поглощенных водорода и алюминия в почве, определяет величину гидролитической кислотности, выражаемую в мг • экв. Н⁺ на 100 г почвы; обозначают ее Н_г.

Гидролитическую кислотность рассматривают как суммарную кислотность почвы, состоящую из актуальной и потенциальной кислотности. Ее величина обусловливает ненасыщенность почв основаниями.

Емкость поглощения (7) в известной формуле определения степени насыщенности почв основаниями с учетом величины гидролитической кислотности может быть выражена как Т= S +H_г, тогда .

Щелочность почв различают актуальную и потенциальную.

Актуальная щелочность обусловлена наличием в почве гидролитически щелочных солей [Na₂CO₃, NaHCO₃, Ca(HCO₃)₂ и др.], которые при диссоциации определяют повышенную концентрацию гидроксил-ионов:

Na₂CO₃ + 2HOH Н₂СО₃ + 2Na⁺ + 2OН^–.

Актуальная щелочность выражается величиной рН_в или величиной титровальной щелочности в мг • экв. на 100 г почвы.

Потенциальная щелочность обусловлена содержанием обменно-поглощенного Na, который может переходить в раствор и подщелачивать его.

Сильная щелочность почвы, как и кислотность, оказывает неблагоприятное действие на развитие растений и микроорганизмов (см. табл. 28), усиливает пептизацию почвенных коллоидов, ухудшает структурное состояние почвы и ее физические свойства.

Буферность почв

В широком смысле она характеризует способность почвы противостоять изменению концентрации почвенного раствора, его щелочно-кислотного, окислительно-восстановительного состояний и др.

Чаще под буферностью понимают способность почвы лишь противостоять изменению ее актуальной реакции под воздействием различных факторов.

Накопление в почве кислых продуктов разложения органического вещества, выделение углекислоты корневыми системами, образование азотной кислоты в процессе нитрификации.

Внесение физиологически кислых или физиологически щелочных минеральных удобрений приводят к изменению реакции почвенного раствора. Но в различных почвах вследствие их неодинаковой буферной способности это изменение происходит по-разному.

Буферность проявляется либо против подкисления, либо против подщелачивания. Кислота или щелочь, появляющаяся в почвенном растворе, вступает во взаимодействие с ППК, что уменьшает изменение реакции.

Почвы, в ППК которых находятся Са²⁺ и другие катионы оснований, проявляют буферность против подкисления, а в ППК которых находится Н⁺ — против подщелачивания:

[ППК]Са²⁺ + 2НС1 = [ППК]2Н⁺ + СаСl₂;

[ППК]2Н⁺ + Са(ОН)₂ = [ППК]Са²⁺ + 2Н₂O.

Буферность почвы определяется и другими свойствами ее твердой фазы, а также наличием в почвенных растворах буферных систем, состоящих из слабых кислот и их солей с основаниями. Например, Н₂СO₃ и Са(НСO₃)₂.

Буферность почвы измеряется количеством миллилитров кислоты или щелочи, которое необходимо внести в почву, чтобы изменить реакцию (рН) в почвенном растворе.

Буферность почвы обычно выражают графически с помощью кривых буферности чистого кварцевого песка (практически не имеющего буферности) и исследуемой почвы, изображающих изменение рН при добавлении кислот или щелочей.

Если буферность песка принять за 1, то о размерах буферности разных почв можно судить по данным таблицы 29.

29. Сравнительная буферность почв и песка (Ковда, 1973)

Почвы	Буферность
	против кислот	против щелочей
Подзолы и красноземы	1—2	10
Слабоподзолистые	2—3	5—8
Черноземы и сероземы	5—8	2—3
Каштановые	8—10	2
Солонцовые	10	1
Пески	1	1

 

На величину буферности оказывают влияние минералогический и гранулометрический составы почвы, содержание гумуса, емкость поглощения, состав обменных катионов.

Чем больше в почве вторичных минералов (особенно монтмориллонита), чем тяжелее гранулометрический состав и чем больше в почве коллоидов, гумуса и выше емкость поглощения, тем выше буферность почвы.

Буферность почв – один из важнейших элементов почвенного плодородия. Она позволяет сохранять благоприятные для растений свойства почв (у черноземов) или оказать сопротивление приемам по регулированию реакции почвенного раствора и твердой фазы почвы (у подзолов, красноземов, солонцов).

Для преодоления буферности почв требуется внесение повышенных доз химических мелиорантов.

Почвы с низкой буферностью, способные резко изменять реакцию почвенного раствора при внесении, например физиологически кислых и физиологически щелочных удобрений, нуждаются в систематическом внесении высоких доз органических удобрений для увеличения их емкости поглощения и буферной способности.

Поглотительная способность и её роль в плодородии

Поглотительная способность почв, состав обменных катионов и связанные с ними свойства (сорбционные, кислотность, щелочность, буферность и др.) в значительной степени определяют характер почвообразования и формирования почвенного плодородия.

Исследованиями К. К. Гедройца, О. К. Кедрова-Зихмана и других ученых доказаны доступность всех поглощенных катионов растениям и большое значение ионов в питании растений.

В стационарных опытах К. К. Гедройца с полным насыщением почв каким-либо одним катионом установлена огромная роль поглощенного Са²⁺ для роста, развития и продуктивности растений.

На почвах, искусственно насыщенных одним из катионов Mg²⁺, Mn²⁺, Fe³⁺, А1³ , Н⁺, растения гибнут. Внесение извести (СаСO₃) улучшает развитие растений, особенно на почвах с кислой реакцией, насыщенных А1³⁺ или Н⁺.

На почвах, насыщенных одним из катионов NH⁺, Na⁺, K⁺, Cd²⁺, Ba²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, растения гибнут. Первые три катиона вызывают щелочную реакцию, остальные ядовиты для растений.

Избыток этих катионов, попадающих в почву с техногенными выбросами, вызывает не только снижение продуктивности сельскохозяйственных культур, но и в значительной степени ухудшает качество продукции, так как эти элементы вредны для животных и человека.

Это создает экологическую проблему борьбы с химическим загрязнением почв и производства экологически безопасных продуктов питания.

Поглотительная способность почв задерживает попадающие в них загрязняющие вещества (тяжелые металлы и др.), препятствуя их поглощению растениями и просачиванию в грунтовые воды.

Ранее мы писали про Солоди

Нередко образующиеся при этом соединения обладают низкой подвижностью и слабой доступностью растениям, что снижает токсичное действие различных соединений, накапливаемых при загрязнении почв.

Например, токсичное действие соединений свинца, поступающего в почву извне, проявляется при значительно меньших концентрациях на малогумусных, с более низкой емкостью катионного обмена дерново-подзолистых почвах, чем на черноземах, обладающих высокой емкостью катионного обмена.

Однако природная сопротивляемость почв, их естественная буферность, способствующая снижению негативного влияния загрязняющих веществ на растительные и животные организмы, не беспредельна.

Чем тяжелее гранулометрический состав, чем выше гумусированность почв и емкость их катионного обмена, тем выше буферность почв, снижающая токсический эффект от поступающих в почву загрязняющих веществ.

Таким образом, емкость катионного обмена и состав обменных катионов во многом определяют плодородие почв.

Для уравновешивания почвенного раствора как питательной среды необходимо, чтобы в ППК находился не только поглощенный Са²⁺, но и в небольшом количестве имелись бы Mg²⁺, K⁺, NH₄⁺, Na⁺ или Н⁺, а также необходимые для растений микроэлементы Mn²⁺, Cu²⁺, Co²⁺,Zn⁺², Ni²⁺ и др.

Многие приемы внесения минеральных удобрений направлены на регулирование состава ППК и создание оптимальных условий для питания растений.

Регулирование катионного состава почвенного поглощающего комплекса

Приемы регулирования катионного состава почвенного поглощающего комплекса, определяющего кислую или щелочную реакцию, разработаны К. К. Гедройцем. Это известкование кислых и гипсование щелочных почв (химическая мелиорация), теоретической основой которых является учение о поглотительной способности.

В агрономической практике степень кислотности или щелочности почв характеризуют по величинам обменной кислотности и актуальной щелочности (табл. 30).

30. Агрономические уровни кислотности и щелочности почв

рН	Почва по уровню кислотности или щелочности	Почвы с указанными уровнями кислотности или щелочности
Ниже 4,00	Очень сильнокислая	Подзолистые, красноземы, болотно-подзолистые, болотные
4,01-4,50	Сильнокислая	Подзолистые, дерново-подзолистые, болотно-подзолистые, болотные, красноземы
4,51-5,00	Среднекислая	Тоже, и светло-серые лесные
5,01-5,50	Слабокислая	Дерново-подзолистые и красноземы (неокуль-туренные и окультуренные), серые лесные
5,51-6,00	Близкая к нейтральной	Серые лесные, лесостепные черноземы, окультуренные дерново-подзолистые и красноземы
6,01-7,01	Нейтральная	Серые лесные, черноземы
7,01-7,50	Слабощелочная	Каштановые, южные черноземы, бурые, сероземы
7,51-8,50	Среднещелочная	Солонцы, солончаки, солонцеватые каштановые и сероземы
Выше 8,51	Сильнощелочная	Содовые солонцы, солончаки

 

Для борьбы с кислотностью почв проводят известкование, вносят известь (СаС0₃), которая взаимодействует с ППК по следующей схеме:

Почвенный поглощающий комплекс насыщается Са²⁺, почвенная кислотность нейтрализуется. Потребность в известковании определяется с использованием степени насыщенности почв основаниями. Например, при pH_KCl⁼ 4,51—5,50.

Степень насыщенности основаниями, %	Потребность почв в известковании
Ниже 50	Сильно нуждаются
50—70	Средне нуждаются
70—80	Слабо нуждаются
Более 80	Не нуждаются

Дозу извести (т/га) рассчитывают по величине гидролитической кислотности:

• где — величина гидролитической кислотности в мг-экв/100 гпочвы;
• 0,05 — коэффициент для пересчета на СаСОз (для СаО он равен 0,028); h — мощность мелиорируемого слоя, см;
• d_v — плотность мелиорируемого слоя почвы, г/см³.

В расчетную дозу извести должны быть внесены поправки на процентное содержание действующего вещества, влажность и тонину помола известкового материала.

Кальций является химическим аналогом стронция, в том числе ⁹⁰Sr, который появляется в почве при радионуклидном ее загрязнении.

Обогащение почвы Са²⁺ путем известкования способствует уменьшению поступления ⁹⁰Sr в растения. В связи с этим известкования рекомендуют проводить в зонах загрязнения радиоактивными выпадениями.

На основе четких корреляционных зависимостей между рН солевой вытяжки и гидролитической кислотностью разработаны таблицы, позволяющие определять дозы извести, используя значения pH_KCl без показателей гидролитической кислотности (табл.31).

31. Дозы извести, т/га, в зависимости от рН_KCl

Гранулометрический состав	PHkci
	4,5	4,6	4,8	5,0	5,2	5,4-5,5
Песчаный	2,5	2,1	1,6	1,3	1,0	0,7-0,5
Супесчаный	3,5	3,0	2,5	2,0	1,5	1,2-1,0
Легкосуглинистый	4,5	4,0	3,5	3,0	2,5	2,0
Среднесуглинистый	5,5	5,0	4,5	4,0	3,5	3,0
Тяжелосуглинистый	7,0	6,5	6,0	5,5	5,0	4,5
Глинистый	8,0	7,5	7,0	6,5	6,0	5,5

 

Для щелочных солонцовых почв доза химического мелиоранта (гипса), как правило, обусловлена количеством Са²⁺, обеспечивающего замену поглощенного Na⁺ и нейтрализацию избыточной щелочности:

Одним из методов расчета доз гипса для мелиорации щелочных (солонцовых) почв является метод, использующий содержание в почве активно поглощенного Na⁺, равного общему содержанию поглощенного Na⁺ минус 5 % поглощенного Na⁺ от емкости кати-онного обмена, поскольку содержание поглощенного Na⁺ до 5 % от ЕКО не вызывает неблагоприятных солонцовых свойств почв:

• где —доза гипса, т/га; (Na⁺ – 0,05E) — активный натрий, мг-экв/ 100 г почвы;
• 0,086 — коэффициент для пересчета на CaSO₄ • 2Н₂O;
• А — мощность мелиорируемого слоя, см; d_v— плотность, г/см³.

Осуществление приемов химической мелиорации кислых и щелочных почв высокоэффективно.

Контрольные вопросы и задания

1. Расскажите о происхождении, составе, строении и основных свойствах почвенных коллоидов.
2. Как появляется заряд почвенных коллоидов; что собой представляют ацидоиды, базоиды и амфолитоиды? В чем состоит агрономическое значение коагуляции и пептизации почвенных коллоидов?
3. Дайте понятие и раскройте сущность и агрономическое значение механической и биологической поглотительной способности.
4. В чем сущность химической поглотительной способности? Каково ее агрономическое значение?
5. Раскройте сущность и основные закономерности физико-химической или обменной поглотительной способности, обменного или необменного поглощения катионов.
6. Что такое емкость поглощения, ЕКО, сумма обменных оснований и степень насыщенности основаниями? Назовите ЕКО и состав обменных катионов в основных типах почв.
7. Дайте определения и раскройте сущность видов почвенной кислотности и щелочности, буферности почв, их агрономического значения.
8. Какова роль поглотительной способности и состава обменно-поглощенных катионов в плодородии почв? Какие приемы вы знаете для регулирования катионного состава почвенного поглощающего комплекса?