Виды поглотительной способности почв

К.К. Гедройц выделял пять видов поглотительной способности почв: механическую, физическую, физико-химическую, химическую и биологическую, подчеркивая при этом, что важнейшую роль в проявлении поглотительной способности играет почвенный поглощающий комплекс. Эта классификация выдержала испытание временем, хотя в последующем и были раскрыты многие неизвестные ранее стороны процессов поглощения веществ в почвах.

Механическая поглотительная способность – это свойство почвы как пористого тела задерживать в своей толще различные частицы, находящиеся в воде, фильтрующиеся через почву. Механическая поглотительная способность обусловлена наличием в почве сложной системы пор, капилляров и ходов корней. Полые пространства нередко заканчиваются тупиками. Поэтому почва способна механическим путем задерживать не только крупные взвешенные частицы, но также илистые и коллоидные. По мере заполнения каналов тонкодисперсными частичками механическая поглотительная способность возрастает. При определенных условиях это может привести к образованию плохо проницаемого для воды горизонта, который будет служить водоупором.

Механическая поглотительная способность зависит от гранулометрического и агрегатного состояния почвы, а также от плотности сложения. Плотные глинистые почвы практически полностью задерживают взмученные тонкодисперсные частицы. В легких по гранулометрическому составу и рыхлых почвах с крупными агрегатами низкая механическая поглотительная способность.

При таком понимании механическое поглощение не относится к сорбционным процессам. В то же время в почве существуют внутри диффузионные процессы. Например, диффузия молекул органических соединений в поровые пространства почвенных частиц с последующим механическим удержанием молекул. Так как это приводит к перераспределению растворенного вещества между фазами системы, то такие явления могут быть отнесены к сорбционным.

Физическая поглотительная способность – свойство почвы изменять концентрацию молекул различных веществ на поверхности твердых частиц за счет физического взаимодействия молекул. При этом изменяется величина поверхности и поверхностная энергия. Вследствие стремления дисперсной системы к уменьшению поверхностной энергии происходит концентрация раствора органических кислот, спиртов, высокомолекулярных органических соединений и др. на границе дисперсной фазы и дисперсной среды, то есть положительная физическая адсорбция этих соединений. Многие минеральные кислоты, соли, щелочи, некоторые органические соединения повышают поверхностное натяжение воды, отталкиваются от твердых частиц и испытывают отрицательную физическую адсорбцию. Они слабо удерживаются в почве и могут вымываться за пределы почвенного профиля. Физической адсорбции подвергаются пары и газы почвенного воздуха, особенно азот и углекислый газ.

Физико-химическая поглотительная способность – свойство почвы обменивать некоторую часть катионов, содержащихся в твердой фазе на эквивалентное количество катионов почвенного раствора. Таким образом К.К. Гедройц понимал ионообменную сорбцию или обмен катионов в почвах, для которого характерны эквивалентность и полная обратимость.

Однако, поскольку исчерпывающая классификация должна включать все виды поглощения в почвах, в этот вид поглотительной способности целесообразно включить и необменное поглощение катионов на минеральных сорбентах почвы вследствие изоморфных замещений, а также обменное поглощение анионов.

Необменное поглощение катионов обнаружено во всех типах почв и в различной степени проявляется для всех катионов. Однако в наибольшей степени необменно сорбируются катионы калия и аммония. Для этих ионов сорбция достигает нескольких единиц м-экв на 100 г почвы, при этом часть элементов становится недоступной для растений. Экспериментально обнаружено необменное поглощение катионов Sr²⁺ и Cs⁺, поступающих в почву в микроколичествах, а также ионов кальция, магния и водорода.

Необменное поглощение на минеральных сорбентах почвы может происходить в результате изоморфных замещений, например, Al³⁺ в сетке октаэдров на Mg²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺ или Li⁺, а также в результате защемления катионов в межплоскостных пространствах слоистых минералов, что в ряде случаев приводит к появлению заряда на поверхности глинистых минералов.

Необменное поглощение катионов в большей степени выражено у сильногумусированных почв и почв тяжелого механического состава. Поскольку на разнородных поверхностях почвы могут протекать самые разнообразные сорбционные процессы, необменное поглощение поливалентных катионов может осуществляться и в результате комплексообразования при взаимодействии с сорбированным органическим веществом. Однако это поглощение следует отнести к типу химического поглощения.

Обменное поглощение анионов выражено у кислых почв, богатых коллоидными формами полутораоксидов или другими, например органическими, амфолитоидами. В таких почвах предполагается наличие положительно заряженных поверхностей. В.М. Клечковский и Н.В. Каширкина [6] показали возможность обратимого обмена гидроксилов некоторых глинистых минералов на фосфат-ионы. На почвах, богатых полутораоксидами, экспериментально показана возможность протекания наряду с процессами катионного обмена обменного поглощения анионов Cl^-, NO₃^-, SO₄^2- и др. Однако для многих поливалентных анионов экспериментальное исследование обменной сорбции затруднено вследствие одновременно протекающего необменного поглощения этих ионов.

Химическая поглотительная способность – состоит в образовании труднорастворимых осадков при взаимодействии отдельных компонентов почвенного раствора. В этом случае имеет место образование новой твердой фазы.

К этому же виду поглотительной способности целесообразно отнести образование осадков на поверхностях почвенных частиц при взаимодействии ионов, способных к взаимному осаждению, один из которых находится в поглощенном состоянии. Такая сорбция получила название осадочной.

К химическому виду поглощения относят и комплексообразовательную сорбцию поливалентных катионов из почвенного раствора при их взаимодействии с сорбированным органическим веществом за счет образования координационных связей. Процессы химического поглощения играют существенную роль в формировании глиногумусовых компонентов или взаимодействии алюмосиликатов с гумусовыми соединениями. При образовании соединений данного типа значительная роль принадлежит и адгезионным взаимодействиям минеральных и гумусовых компонентов. Под адгезией понимают склеивание поверхностей различного состава и строения под действием разнообразных сил. Велика роль адгезионных процессов при формировании почвенной структуры.

Примеры различного вида химической поглотительной способности в почвах[4].

1) Образование новой твердой фазы, например реакция в почвенном растворе с фосфатом удобрения: 2Al³⁺+Ca(H₂PO₄)₂ = 2AlPO₄+Ca²⁺+4H⁺.

2) Осадочная сорбция фосфатов, например на поверхности труднорастворимых гидроксидов:

[Al(OH)₃]_n+CaHPO₄ = [Al(OH)₃]_n-1AlPO₄+H₂O+Ca²⁺+2OH^-.

3) Комплексообразовательная сорбция, например Fe(OH)₂ гумусом, сорбированном на алюмосиликате.

4) Образование сорбционного глиногумусового комплекса путем сочетания хемосорбционного и адгезионного взаимодействия. Этот тип взаимодействия играет важную роль в образовании органо-минеральных почв.

Большинство исследователей считают, что такой тип взаимодействия обуславливает прочное склеивание пленок гумусовых кислот и их солей с поверхностью минеральных коллоидов. Прочность склеивания зависит от минералогического состава.

Рассмотренные примеры показывают, что химическая поглотительная способность имеет большое значение в сорбции почвами анионов фосфорной кислоты, органического вещества, а также катионов поливалентных металлов за счет комплексообразования на органических поверхностях твердой фазы почвы.

Биологическая поглотительная способность. Этот вид поглотительной способности связан со способность живых организмов, населяющих почву, поглощать различные соединения и элементы. Живые организмы могут усваивать не только элементы, находящиеся в почвенном растворе, но и элементы, находящиеся в составе первичных и вторичных минералов. Биологическая поглотительная способность характеризуется высокой избирательностью поглощения. Усваиваются только необходимые живым организмам вещества, даже при их минимальном содержании в почвенном растворе на фоне высокого содержания других соединений. После отмирания и разложения растений важнейшие элементы питания остаются в верхних горизонтах почвенного профиля, где их используют растения и микроорганизмы следующих поколений, тем самым предотвращая их вымывание. Благодаря биологической поглотительной способности верхние горизонты почв обогащаются азотом, фосфором, калием и другими биофильными элементами.

Биологическая поглотительная способность играет важнейшую роль в сохранении, перераспределении и концентрации различных элементов, во многом благодаря ей в почве создается необходимое для растений соотношение между элементами питания.

Особое значение биологическая поглотительная способность имеет на почвах легкого гранулометрического состава, где проявление других видов поглотительной способности ограничено.