3. Обменное поглощение катионов

Обменным поглощением (обменной сорбцией) катионов называется способность катионов диффузного слоя коллоидов обмениваться на эквивалентное количество катионов почвенного раствора. В обменном состоянии в почвах обычно находятся Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺,K⁺, H⁺, Al³⁺, NH₄⁺, в незначительных количествах — Fe²⁺, Mn²⁺, а также Li⁺, Sr⁺ и др.

Энергия поглощения (относительное количество поглощения катионов почвами при одинаковой их концентрации) определяется валентностью иона, радиусом негидратированного иона, атомной массой иона.

Общее количество всех поглощённых (обменных) катионов называется емкостью катионного обмена (ЕКО), которая выражается в милиграмм-эквивалентах на 100 г почвы. Состав поглощённых катионов в почвах зонального ряда (табл. 15.1) определяется условиями почвообразования и, прежде всего, водным режимом.

Для почв экстрагумидных и гумидных областей с коэффициентом увлажнения (Ку) ³ 1 в составе ППК основную роль играют катионы Са²⁺, Мg²⁺, Н⁺, А1³⁺; для семигумидных с Ку £ 1 — Са²⁺, Мg²⁺ и для почв аридных областей с Ку < 0,5 — Са²⁺, Мg²⁺, Na⁺, иногда с существенным участием К⁺.

Eмкость катионного обмена (ЕКО) колеблется от нескольких мг-экв/100 г почвы в экстрагумидных и экстрааридных областях до 50-70 мг-экв/100 г почвы в чернозёмах семигумидных (полувлажных) областей. Зональные показатели ЕКО прежде всего связаны с содержанием гумуса (наибольшее в черноземах, оно постепенно понижается к северу и югу от зоны их распространения). Кроме того ЕКО сильно зависит от гранулометрического состава (чем тяжелее, тем выше ЕКО), от минералогического и химического состава почв (ЕКО глинистых минералов варьирует от 5мг-экв. до 100-150 мг-экв/100 г). Наконец, ЕКО тесно связано с величиной рН. С ростом рН возрастает ионизация функциональных групп ацидоидов, снижается положительный заряд базоидов и возрастает ЕКО.

Необменное поглощение катионов происходит в слое потенциалопределяющих ионов. Такие катионы после взаимодействия с ППК не переходят в раствор при обработке почвы раствором нейтральных солей. Необменное поглощение катионов определяется как их видом, так и составом почвенных коллоидов. В практическом отношении заслуживают большого внимания процессы необменного поглощения элементов питания, в частности ионов калия и аммония. Установлена возможность перехода катионов в системе: катионы почвенного раствора — обменные — необменные — катионы кристаллических решёток минералов. В таком же порядке снижается доступность катионов для растений.

ОБМЕННЫЕ КАТИОНЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА ПОЧВЫ.

Почвы могут существенно различаться между собой составом обменных катионов. Различия эти обусловлены типом почвообразования, спецификой почвообразующих пород, водным и солевым режимом почв. Заметное влияние на этот показатель оказывает хозяйственная деятельность человека через химические мелиорации.

Содержание обменных катионов в почве выражается как в абсолютных величинах – мг–экв на 100 г почвы, так и в относительных – % от емкости обмена.

К числу важнейших обменных катионов относятся Са²⁺, Мg²⁺, Nа⁺, К⁺, NH₄⁺; Н⁺; А1³⁺. Практически все почвы в составе обменных катионов содержат кальций и магний, причем в большинстве случаев Са²⁺ преобладает над Мg²⁺. Также среди обменных катионов всегда содержатся ионы К⁺ и NH₄⁺, но доля их невелика. Так количество обменного калия чаще всего редко превышает 2–5% от емкости обмена, содержание аммония еще меньше.

В географическом аспекте варьирование состава обменных катионов почв подчиняется определенным закономерностям (табл. ).

ППК типичных черноземов, доминирующих в почвенном покрове центральной части лесостепной зоны, практически полностью насыщен обменными Са²⁺ и Мg²⁺, причем на долю кальция приходится 85–90% от емкости обмена. В северной части зоны выпадает больше осадков, усиливается интенсивность промывки почвенного профиля и вынос из него оснований. Благодаря этому среди обменных катионов у черноземов выщелоченных и оподзоленных, темно–серых и серых лесных почв в небольших количествах появляется ион водорода.

В таежно-лесной зоне почвенный покров сформировался в условиях промывного типа водного режима, на бедных основаниями моренных отложениях, поэтому в составе обменных катионов, распространенных здесь подзолистых и дерново-подзолистых почв заметную роль играют ионы Н⁺ и Al³⁺, на долю которых приходится 50–70 % от емкости катионного обмена.

К югу от типичных черноземов усиливается дефицит атмосферных осадков, замедляется вынос из почвенного профиля продуктов выветривания и почвообразования, а почвообразующие породы обогащены щелочными и щелочноземельными основаниями. В связи с этим в составе обменных катионов черноземов обыкновенных и южных, темно–каштановых почв наряду с Са²⁺ и Мg²⁺ в небольших количествах присутствует ион Nа⁺. У обычных разностей этих почв содержание его не превышает 3–5% от емкости обмена. В более засушливых условиях содержание обменного Nа⁺ в ППК почв возрастает, как следствие засоления и развития солонцового процесса. В светло–каштановых и бурых полупустынных почвах количество обменного натрия часто находится на уровне 10–15% от емкости обмена. Увеличение доли иона Nа⁺ в ППК почв происходит за счет обменного Са²⁺. Больше всего обменного натрия содержат солонцы, где его количество может превышать 40% от емкости обмена. Среди солонцов выделяется группа почв, которые называются малонатриевыми солонцами. Они содержат повышенное количество обменного Мg²⁺ – 40–60% от емкости обмена на фоне невысокого содержания обменного Nа⁺.

В пределах почвенных зон могут встречаться почвы, существенно отличающиеся от зональных почв составом обменных катионов. Например, в таежно–лесной зоне среди подзолистых и дерново–подзолистых почв распространены ареалы дерново–карбонатных почв, ППК которых практически полностью насыщен Са²⁺ и Мg²⁺, при резком доминировании обменного кальция. Это связано с тем, что формируются они на элювии известняков или карбонатной морене химический состав которых (наличие свободных карбонатов) и отражается на составе обменных катионов.

Аналогичный состав обменных катионов могут иметь дерново-глеевые и пойменные почвы, если в их образовании принимают участие жесткие грунтовые воды.

В подзоне светло–каштановых почв по блюдцеобразным понижениям формируются лугово-каштановые (темноцветные) почвы, профиль которых часто отмыт от водорастворимых солей, а содержание обменного натрия не превышает 1–2 % от емкости обмена.

Общее содержание всех обменных катионов, кроме Н⁺ и А1³⁺, называют суммой обменных оснований. Исходя из этого, все почвы можно разделить на две большие группы: почвы насыщенные основаниями и почвы ненасыщенные основаниями.

Почвы насыщенные основаниями не содержат в ППК ионы Н⁺ и А1³⁺. Обменные катионы представлены только обменными основаниями — Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, NH₄⁺. Количество их соответствует величине реальной емкости обмена.

Почвы ненасыщенные основаниями всегда содержат некоторое количество обменных Н⁺ и А1³⁺, поэтому сумма обменных оснований у них меньше емкости обмена. Для относительной оценки количества содержащихся в них обменных оснований используется показатель – степень насыщенности почвы основаниями (V). При сельскохозяйственном использовании таких почв степень насыщенности их основаниями может меняться в широких пределах, достигая 100% в известкованных почвах.

Состав обменных катионов оказывает существенное влияние на ряд важных агрономических характеристик почвы, обусловливающих уровень ее плодородия.

Влияние на физические и физико–механические свойства почвы. Обменные катионы оказывают непосредственное влияние на поверхностные свойства почвенных частиц. Поэтому, от того, какие катионы и в каком количестве находятся в обменном состоянии будет зависеть характер почвенной структуры, водно–физические и физико–механические свойства почв.

Отчетливо выраженное негативное влияние на физические и физико-механические свойства почвы оказывает обменный натрий. По мере увеличения доли Na⁺ в составе обменных катионов усиливается разрушение почвенной структуры, возрастает пептизация тонкодисперсных частиц, набухание, пластичность и липкость почвы, снижается пористость, особенно некапиллярная и скорость фильтрации. Аналогичное, но менее сильное влияние оказывают на физические свойства почв и другие одновалентные катионы – К⁺ и NH₄⁺.

Неблагоприятными физическими свойствами характеризуются почвы и при высоком содержании обменного водорода, который способствует распылению почвенной массы.

В отличие от одновалентных катионов обменный Са²⁺ оказывает на физические свойства почвы прямо противоположное влияние. Этот элемент является главным действующим веществом химических мелиорантов (известь, гипс), используемых при улучшении кислых и щелочных почв. Обменный магний, при невысоком его содержании в почве (до 40% от ЕКО) влияет на физические свойства почвы аналогично обменному кальцию.

При высоком содержании обменного магния возрастает растворимость гумусовых веществ и ухудшается структура почвы, снижается водопроницаемость, что отрицательно сказывается на водном режиме. Кроме того, повышенное содержание обменного магния усиливает отрицательное действие обменного натрия, при невысоком содержании последнего в почве.

Влияние на химические и физико–химические свойства почвы.

Обменные катионы, например Са²⁺, А1³⁺, могут выступать в качестве связующих мостиков между гумусовыми кислотами и поверхностью почвенных частиц. Это сопровождается образованием органо–минеральных адсорбционных комплексов, играющих важную роль в формировании почвенного поглощающего комплекса. Насыщение ППК одновалентными катионами сопровождается увеличением заряда коллоидов и растворением гумусовых соединений, что ведет к дегумификации почвы и снижением емкости катионного обмена.

Обменные реакции с участием Са²⁺, Мg²⁺, Nа⁺, Н⁺, Al³⁺ оказывают влияние на рН почвенного раствора, его ионный состав, кислотно–основную буферную способность почв. От количества поглощенных ионов Н⁺ и Al³⁺ зависит величина обменной и гидролитической кислотности почв, от количества обменного натрия – величина потенциальной щелочности.

Влияние на пищевой режим. Обменные катионы являются ближайшим резервом элементов минерального питания растений, так как легко поглощаются их корневой системой. Кроме макроэлементов в обменном состоянии содержатся и различные микроэлементы. Роль обменных катионов в питании растений проявляется и через регулирование состава почвенного раствора с которым они находятся в динамическом равновесии и из которого растения поглощают практически все необходимые для них элементы, а также через их влияние на свойства почвы.

Среди обменных катионов по своему влиянию на растения совершенно особое место занимает кальций. Как показали опыты К.К. Гедройца (1955) это единственный элемент, при полном насыщении емкости обмена которым в почве сохраняются благоприятные условия для развития сельскохозяйственных культур. Что же касается других обменных катионов – Mg²⁺, К⁺, NH₄⁺, Na⁺, Al³⁺, Mn²⁺, то при незначительном содержании их в ППК они повышают эффективность применения минеральных удобрений и способствуют более полному использованию питательных веществ самой почвы за счет перевода их в доступное для растений состояние. Все это благоприятно отражается на росте и развитии сельскохозяйственных культур. Однако, когда содержание этих катионов в ППК будет выше определенной величины, происходит не только существенное снижение урожая, но и полная гибель растений.

В почвах со слабокислой, нейтральной и слабощелочной реакцией среды состав обменных катионов как правило благоприятен для большинства сельскохозяйственных культур. При высоком содержании в почвах обменных Н⁺ и Al³⁺ или Na²⁺ и Mg²⁺ регулирование состава обменных катионов достигается с помощью химической мелиорации.