Лекция 4. «Поглотительная способность и физико-химические свойства почв. Почвенный раствор и окислительно-восстановительные процессы в почвах»
Аннотация
Виды поглотительной способности почв. Почвенный поглощающий комплекс, обменное поглощение катионов. Виды почвенной кислотности. Щелочность почв. Значение физико-химических свойств почвы и способы их оптимизации. Почвенный раствор, окислительно-восстановительное состояние почвы.
Ключевые слова:
Коллоиды, коллоидная мицелла, ацидоиды, базоиды, коагуляция, емкость катионного обмена, сумма поглощенных оснований, степень насыщенности основаниями, актуальная кислотность, обменная кислотность, гидролитическая кислотность, потенциальная кислотность, известкование, актуальная щелочность потенциальная щелочность, буферность почв, гипсование, химические мелиорации, окислительно-восстановительные процессы, окислительно-восстановительный потенциал, водородный потенциал, окислительно-восстановительный режим.
Рассматриваемые вопросы:
1 вопрос. Виды поглотительной способности почв.
2 вопрос. Строение коллоидной частицы, почвенный поглощающий комплекс.
3 вопрос. Обменное поглощение катионов.
4 вопрос. Виды почвенной кислотности.
5 вопрос. Щелочность и буферность почв.
6 вопрос. Пути оптимизации физико-химических свойств почв.
7 вопрос. Почвенные растворы.
8 вопрос. Окислительно-восстановительные процессы в почвах.
Цели и задачи:
Целью является знакомство с поглотительной способностью почв и основными физико-химическими свойствами почв, с путями оптимизации физико-химических свойств почв, с составом и свойствами почвенного раствора и сокислительно-восстановительными процессами в почвах.
Поглотительная способность и физико-химические свойства почв
1. Виды поглотительной способности почв
К.К.Гедройц выделил пять видов поглотительной способности почв:
- механическую,
- физическую,
- физико-химическую,
- химическую
- биологическую.
Механическая поглотительная способность — свойство почвы, как всякого пористого тела, задерживать в своей толще различные частицы, находящиеся в фильтрующейся через почву воде. Это происходит благодаря наличию 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 и также – илистые и коллоидные. По мере заполнения каналов тонкодисперсными частичками механическая поглотительная способность почвы возрастает. При определенных условиях это может привести к образованию плохо проницаемого для воды горизонта, который будет служить водоупором.
Механическая поглотительная способность определяется гранулометрическим и агрегатным составом почвы и плотностью сложения. Плотные глинистые почвы практически полностью задерживают взмученные тонкодисперсные частицы. Легкие по гранулометрическому составу и рыхлые почвы с крупными агрегатами обнаруживают плохую механическую поглотительную способность.
При таком понимании механическое поглощение не относится к сорбционным процессам. В то же время в почве существует ряд внутридиффузионных процессов, например, диффузия молекул органических соединений в поровые пространства почвенных частиц с последующим механическим (или в сочетании с другими силами) удержанием молекул. Так как это приводит к перераспределению растворенного вещества между фазами системы, то такие явления могут быть отнесены к сорбции.
Физическая поглотительная способность (молекулярная адсорбция) — 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 проявляется свободная поверхностная энергия, равная произведению поверхностного натяжения раствора на суммарную величину 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 см3 твердого тела (табл.1).
Таблица 1
Площадь поверхностей граней кубиков при последовательном дроблении (К.К. Гедройц, 1933)
Длина ребра, см |
Число кубиков |
Поверхность одного кубика, см2 |
Общая поверхность граней |
1 |
1 |
6 |
6 см2 |
0,1 |
103 |
6·10–2 |
60 см2 |
0,01 |
106 |
6·10–4 |
600 см2 |
0,001 |
109 |
6·10–6 |
6000 см2 |
0,0001 |
1012 |
6·10–8 |
6 м2 |
0,00001 |
1015 |
6·10–10 |
60 м2 |
0,000001 |
1018 |
6·10–12 |
600 м2 |
0,0000001 |
1021 |
6·10–14 |
6000 м2 |
В почвах большая суммарная поверхность присуща илистым и особенно коллоидным частицам. Если в слое почвы мощностью 20 см будет содержаться 10% коллоидных частиц, то их суммарная поверхность на площади 1га составит 70000 га, и поверхностная энергия будет весьма значительной.
По физическим законам всякая дисперсная система стремится уменьшить свою поверхностную энергию. Это достигается или укрупнение частиц, или уменьшением поверхностного натяжения за счет адсорбции на поверхности частиц некоторых веществ, которые уменьшают поверхностное натяжение. Такие вещества называются поверхностно-активными. К ним относятся спирты, органические кислоты, многие высокомолекулярные органические соединения, в том числе и гумусовые кислоты. Эти вещества будут притягиваться 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 на границе соприкосновения его с коллоидами. Здесь наблюдается повышенная концентрация их по сравнению с остальным объемом раствора. Будет иметь место положительная физическая сорбция, характерная особенность которой – удержание не отдельных ионов, а целых молекул недиссоциированных или слабодиссоциированных веществ.
В результате создаются предпосылки для последующего более прочного закрепления этих соединений минеральными компонентами путем адгезии (склеивания) при высыхании почв.
Большинство минеральных солей, кислот и щелочей увеличивают 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 избирательным поглощением молекул самой воды, а не растворенных в ней минеральных веществ. Благодаря отрицательной физической сорбции из почв с фильтрующей водой будут легко вымываться хлориды и нитраты. Так как хлор вреден для растений, то это имеет положительное значение. Вынос нитратов ведет к обеднению почв одним из важных элементов питания.
Химическая поглотительная способность (хемосорбция) заключается в образовании труднорастворимых соединений при взаимодействии отдельных компонентов почвы с образованием новой твердой фазы.
Из катионов, присутствующих в почвах, чаще всего нерастворимые соединения дают Ca2+, Mg2+, Al3+, Fe3+, а среди анионов – СО32–, РО43–, SO42–. Например, при внесении фосфорных удобрений в кислые почвы алюминий, присутствующий в почвенном растворе, будет образовывать с фосфат–ионом труднорастворимое соединение и выпадать в осадок:
2Al3+ + Ca (H2PO4)2 2AlPO4 + Ca2+ + 4H+
При поступлении соды в почву, содержащую соли кальция, также образуется новая твердая фаза, представленная карбонатом кальция:
Na2CO3 + CaSO4 Na2SO4 + CaCO3
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:
+
+
+
+
2
К химическому поглощению относится и комплексообразовательная сорбция. В этом случае за счет образования координационной связи происходит связывание поливалентных ионов почвенного раствора органическим веществом, которое сорбировано твердой фазой почвы.
Хемосорбция играет большую роль при взаимодействии гумусовых веществ с глинистыми минералами и образовании сорбционного глино-гумусового 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 микроэлементов. Благодаря ей почва способна предотвращать появление соды в почвенном растворе. Посредством хемосорбции в почвах накапливаются гипс, карбонаты и ряд других соединений.
Биологическая поглотительная способность обусловлена поглощением элементов питания и кислорода почвенного воздуха корнями растений и микроорганизмами. Она характеризуется большой избирательностью поглощения. При этом может возникать конкуренция между растениями и микроорганизмами. Например, при внесении в почву соломы зерновых, в которой низкое содержание азота, разлагающие солому микроорганизмы активно используют почвенный азот и вызывают резкий его недостаток для растений.
Особое значение этот вид поглотительной способности приобретает на почвах легкого гранулометрического состава, где проявление других видов поглотительной способности ограничено.
Физико-химическая поглотительная способность почв способность почвы обменивать ионы, находящиеся в компенсирующем слое коллоидов на эквивалентное количество ионов почвенного раствора. Важнейшую роль в ее проявлении играет почвенный поглощающий комплекс. Физико-химическая поглотительная способность обусловливает физико-химические свойства почв, такие как кислотность, щелочность, буферная способность, которые в значительной степени определяют агрономические свойства и почвенное плодородие.
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.