5.1. Почвенные коллоиды как носители сорбционных свойств почвы

Почва – сложная полидисперсная система, состоящая из частиц различной величины. Почвенные коллоиды представлены частицами, диаметр которых лежит в пределах 0,0001–0,0200 нм. Их количество в почве различно – от 1–2 до 30–40 % к массе почвы. Однако даже при незначительном содержании в почве частиц коллоидного размера именно они главные носители ее сорбционных свойств. Причины этого:

1) почвенные коллоиды даже при небольшом содержании представляют основную долю общей поверхности твердой фазы;

2) физическая и химическая природа поверхностей почвенных коллоидов благоприятствует протеканию на них разнообразных сорбционных процессов.

Коллоиды в почве представлены минеральными, органическими и органо-минеральными соединениями. Строение почвенной мицеллы приведено на (рис.5.1).

Рис. 5.1. Схема мицеллы по Н.И. Горбунову.

К минеральным коллоидам относят глинистые минералы, коллоидные формы кремнезема и полутораоксиды. Поверхность глинистых минералов может нести отрицательный заряд вследствие нарушения связей на краях кристаллов, изоморфных замещений в сетках тетраэдров и октаэдров. Благодаря наличию отрицательного заряда, глины способны к обменному поглощению катионов, количественной мерой которого является емкость катионного обмена (ЕКО), измеряемая в мг-экв на 100 г вещества (почвы, минерала, илистой фракции и т. д.).

Органические коллоиды почвы представлены преимущественно веществами гумусовой и белковой природы. Кроме того, в почвах могут быть полисахариды и другие соединения, находящиеся в коллоидно-дисперсном состоянии. И те и другие – амфолитоиды, однако у гумусовых веществ, вследствие более выраженной кислотной природы, более сильно, чем у белков, проявляются свойства ацидоидов.

Базоидные свойства органических коллоидов связаны с наличием в них активных аминогрупп. Для гумусовых коллоидов характерна высокая емкость катионного обмена, достигающая 400–500 мг-экв на 100 г и более воздушно-сухого препарата.

Органические коллоиды находятся в почве преимущественно в осажденном состоянии вследствие связывания с поливалентными катионами (в виде гелей). Их пептизация, т.е. переход в состояние коллоидного раствора (золя), происходит под влиянием щелочей за счет образования гумусовых солей щелочных металлов.

Органо-минеральные коллоиды представлены преимущественно соединениями гумусовых веществ с глинистыми минералами и осажденными формами полутораоксидов.

По степени сродства к воде различают гидрофильные (высокое сродство) и гидрофобные (низкое сродство) коллоиды.

5.2. Виды поглотительной способности почвы

Согласно К.К. Гедройцу, под поглотительной способностью следует понимать способность почвы задерживать «соединения или части их, находящиеся в растворенном состоянии, а также коллоидально распыленные частички минерального и органического вещества, живые микроорганизмы и грубые суспензии». Совокупность компонентов почвы, участвующих в процессах поглощения, К.К. Гедройц назвал почвенным поглощающим комплексом, или сокращенно ППК. Основную часть ППК составляют почвенные коллоиды. К.К. Гедройц выделил 5 видов поглотительной способности: механическую, физическую, физико-химическую или обменную, химическую и биологическую.

Механическая поглотительная способность, согласно представлениям К.К. Гедройца, – это свойство почвы, как всякого пористого тела, задерживать в своей толще твердые частицы крупнее, чем система пор.

Физическая поглотительная способность, по К.К. Гедройцу, представляет изменение концентрации молекул растворенного вещества на поверхности твердых частиц почвы. Одним из видов физического поглощения является молекулярная сорбция, которая может быть обусловлена ван-дер-ваальсовым или другими видами физического взаимодействия молекул с разнородной поверхностью твердой фазы почвы. К физическому поглощению К.К.Гедройц относил отрицательную сорбцию почвой хлоридов и нитратов.

Физико-химическая поглотительная способность, по К.К. Гедройцу, состоит в свойстве почвы обменивать некоторую часть катионов, содержащихся в твердой фазе, на эквивалентное количество катионов почвенного раствора. Катионный обмен в почве протекает по схеме

Ca

[ППК] Mg + 5KCl [ППК] 5K + CaCl₂ + MgCl₂ + HCl

H

Таким образом, под физико-химическим поглощением в почвах К.К. Гедройц понимал ионообменную сорбцию или, конкретнее, 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 необменное поглощение (сорбцию) катионов на минеральных сорбентах почвы вследствие изоморфных замещений, а также обменное поглощение анионов, которое может быть вызвано химическим поглощением, или хемосорбцией.

Обменное поглощение (сорбция) анионов выражено у кислых почв, богатых коллоидными формами полутораоксидов или другими, например органическими, амфолитоидами.

Химическая поглотительная способность в почвах, согласно взглядам К.К. Гедройца, состоит в образовании труднорастворимых осадков при взаимодействии отдельных компонентов почвенного раствора. В этом случае имеет место образование новой твердой фазы.

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. К этому же виду поглощения относят и адгезионное взаимодействие минеральных и гумусовых компонентов. Под адгезией понимают склеивание поверхностей различного состава и строения под действием разнообразных сил.

Приведем примеры различного вида химической поглотительной способности в почвах:

1. Образование новой твердой фазы, например реакция в почвенном растворе с фосфатом удобрения:

2Al³⁺ + Ca(H₃PO₄)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 глиногумусного комплекса путем сочетания адсорбционного (–) и адгезионного взаимодействия (по Л.Н. Александровой). Этот тип взаимодействия играет важную роль в образовании органо-минеральных коллоидов почв. Предполагается, что комплекс имеет следующее строение:

Большинство исследователей считают, что такой тип взаимодействия обусловливает прочное склеивание пленок гумусовых кислот и их солей с поверхностью минеральных коллоидов. Прочность склеивания зависит от минералогического состава (толщины пленки гумусовых веществ и гидротермического режима почвы).

Биологическая поглотительная способность выражается в поглощении почвенной биотой и корнями растений веществ из почвенного раствора. Процессы биологического поглощения, изменяя состав почвенного раствора, существенно влияют на многочисленные сорбционные равновесия, складывающиеся в почве, и состояние сорбционного комплекса почвы.