книги из ГПНТБ / Горбунов, Н. И. Минералогия и коллоидная химия почв

ралов. Такое явление наблюдается в разбухающих минералах, например монтмориллоните, вермикулите. Неразбухающие ми­ нералы, например гидрослюды, также могут содержать необ­ менные катионы, так как они связываются сильными электриче­ скими зарядами, расположенными на поверхности тетраэдриче­ ских слоев. В монтмориллоните и других набухающих минера­ лах электрические заряды лежат в октаэдрических слоях, поэто­

му они слабее связывают катионы.

Сумма обменных катионов в почве иначе называется емко­ стью поглощения или обмена катионов и выражается в милли­

грамм-эквивалентах на 100 г почвы.

Емкость поглощения почв зависит от многих причин, содер­ жания коллоидов и ила, минералогического состава, количества и качества органических веществ. Большую емкость поглоще­ ния имеют глинистые черноземы,— ведь они, как правило, содер­ жат много минеральных и органических коллоидов. Небольшую емкость поглощения имеют дерново-подзолистые^ почвы, серозе­ мы, красноземы. Вообще почвы, имеющие легкий механический состав (песчаные, щебнистые), а также почвы, богатые полутор­ ными окислами, минералами каолинитовой группы, слюдами,

имеют небольшую емкость поглощения.

Органические коллоиды почвы имеют емкость поглощения выше, чем минеральные. Например, емкость поглощения гуминовой кислоты, изолированной от почвы, приблизительно равна 350 мг-экв на 100 г, а емкость поглощения монтмориллонитовой глины — 80—120 мг-экв на 100 г. Так как органических веществ в большинстве почв приблизительно 5%, то емкость поглощения почв часто обусловлена преимущественно минеральными кол­ лоидами (табл. 56).

катионов в разных типах почв различен

(табл. 57).

Из приведенных в табл. 57 данных видно, что каждая почва содержит поглощенные кальций и магний. В кислых почвах —

204

205

подзолистых, красноземах и желтоземах — кроме кальция и магния, присутствуют поглощенный водород и алюминий.

В черноземных почвах в поглощенном состоянии находятся кальций, магний, а иногда натрий и аммоний. В заболоченных почвах, кроме кальция и магния, могут присутствовать водород, алюминий и аммоний. В солонцовых почвах всегда присутству­ ет, кроме кальция и магния, также натрий, калий. Иногда со­ лонцы в горизонте В содержат мало поглощенного натрия, но такие солонцы в природе встречаются редко.

Поглощенные катионы обычно являются обменными, т. е. их можно заменить на другие катионы или вытеснить другими катионами, и лишь небольшая часть катионов является необ­ менной. Обмен катионов поглощающего комплекса и раствора зависит от концентрации солей в растворе, степени диссоциации солей, активности ионов, валентности и атомного веса поглощен­ ных катионов и катионов в растворе, механического состава почв, количества и качества минеральных и органических кол­ лоидов.

Обменные катионы и свойства почв

Состав и количество поглощенных катионов сильно влияют на физические и химические свойства почв. Так, кальций и нат­ рий имеют большое значение в структурообразовании: кальций, являясь хорошим коагулятором, способствует свертыванию поч­ венных коллоидов и образованию водопрочных структурных аг­ регатов. Противоположное действие оказывает натрий. Ввиду того что натрий отдиссоциирует от поверхности коллоидной час­ тицы в большей степени, чем кальций, в диффузном слое коли­ чество ионов натрия оказывается больше, чем кальция, магния, калия.

С переходом натрия в диффузный слой увеличивается заряд коллоидных частиц, и они отталкиваются одна от другой. Одно­ временно вокруг натрия и коллоидов увеличивается водная пленка (табл. 58, рис. 27). Увеличение заряда и гидратации спо­ собствуют пептизации коллоидов, а следовательно, почвы в во­ де. Обменный натрий в значительном количестве имеется в со­ лонцах, в солонцеватых черноземах, в такырах, поэтому эти почвы обычно имеют водонепрочную структуру.

Т а б л и ц а 58. Гидратация катионов в растворе

206

Рис. 27. Схема гидратации (коллоид­ ной мицеллы (А ) и расположение молекул воды у поверхности коллои­ дов и ионов (Б)

/— молекулы воды; 2 — катионы; 3 — анио­

ДА ны

207

Солонцы обладают неблагоприятными физическими свойст­ вами: водонепрочной структурой, большой твердостью при вы­ сыхании и липкостью при увлажнении. Фильтрация воды и про­ никновение воздуха в солонцеватую почву затруднены. Для улучшения солонцеватых почв в них вносят гипс, чтобы натрий в поглощающем комплексе заменить на кальций гипса.

Степень солонцеватости почв (по И. Н. Антипову-Каратае­ ву) зависит от содержания натрия:

В последние годы в СССР стали применять сверхглубокую пахоту почвы для того, чтобы перенести гипс в пахотный слой. Этот способ улучшения солонцов называется самомелиорацией. Иногда гипс достают с помощью машин из нижних слоев почвы и перевозят их на солонцы, а образующиеся траншеи использу­ ют под пруды или занимают лесными посадками.

Поглощенный магний при небольшом содержании (до 15% от емкости поглощения) не оказывает неблагоприятного дейст­ вия на свойства почвы, но если поглощенного магния будет мно­ го, то, по мнению ряда ученых, этот катион может вызвать солонцеватость почв. Вопрос о магниевой солонцеватости почв является дискуссионным.

Особая роль принадлежит поглощенным водороду и алюми­ нию. Эти катионы определяют кислотность почвы.

Поглощенного калия в почве обычно мало, но избыток калия может вызвать солонцеватость почв подобно натрию. В. Р. Виль­ ямс считал, что калий способствует обесструктуриванию почвы. Но если принять во внимание, что калия обычно в почве мало и он потребляется растениями, то о вредном влиянии его на структуру беспокоиться не следует: наоборот, чаще приходится заботиться о внесении калийных удобрений.

В очень небольшом количестве в почвах встречается погло­ щенный аммоний. Он является одним из источников азотной пи­ щи для растений. Повышенное содержание в почве аммония иногда указывает на недостаток в почве кислорода, что наблю­ дается при заболачивании. Аммоний является важной частью некоторых азотных удобрений. Аммоний частично переходит в поглощающий комплекс и не вымывается из почвы водой.

Поглощенные кальций, магний и окиси алюминия и железа препятствуют вымыванию из почвы фосфорнокислых солей, так' как они образуют с фосфат-ионами малорастворимые и нераст­ воримые соединения. Избыток кальция и магния в почвенном

208

поглощающем комплексе и в растворе делает часть фосфатов трудноусвояемыми для растений. Все это следует учитывать при внесении в почву фосфорных удобрений.

Изменения свойств почвы в зависимости от поглощенных ка­ тионов и их соотношения приведены в табл. 59, 60.

Т а б л и ц а 59. Влияние состава обменных катионов на физические свойства каштановой почвы (по П. И. Шаврыгину, 1969)

Поглощенные катионы являются ближайшим резервом пищи растений. В результате обмена поглощенных катионов на катио­ ны почвенного раствора, в частности на водород, выделяемый корнями растений, они переходят вместе с водой в растения.

Как уже говорилось ранее, скорость поглощения зависит от влажности. При уменьшении влажности почвы скорость погло­ щения катионов, в частности аммония, будет значительно мень­ ше. При влажности почвы, равной 75—100%, обмен аммония на поглощенный кальций в одном из наших опытов закончился в течение 10 дней.

Важная закономерность состоит в неодинаковой энергии вхождения разных катионов в поглощающий комплекс. Если взять несколько навесок почв, насыщенных кальцием, и обрабо­ тать каждую из них равными объемами растворов хлористых солей одинаковой концентрации (например, 0,1н.), то количество катионов, перешедших из раствора в почвенный поглощающий комплекс, будет различным. По энергии вхождения катионы располагаются в следующий ряд:

А13+ > Н+ > Са2+ > Mg2+ > K f > NH+ > Na+.

209

Из приведенного ряда видно, что наибольшую энергию вхож­ дения имеют трехвалентные катионы, затем двух- и, наконец, одновалентные. Если катионы имеют одинаковую валентность, то энергия вхождения относительно больше у катионов, имею-

*щих большой атомный вес. Указанная закономерность имеет от­ клонение. Например, водородные ионы обладают большей энер­ гией вхождения, чем кальций, хотя его атомный вес и валент­ ность меньше. Ион водорода занимает особое место: энергия вхождения его при низкой концентрации близка к энергии вхож­ дения алюминия и меньше при большой концентрации. Иногда калий по энергии вхождения приближается к кальцию.

Изучение энергии вхождения катионов имеет значение для практики мелиорации солонцовых почв и промывок засоленных почв. Например, при промывках почв, содержащих поглощен­ ный натрий, происходит замещение его на кальций раствора, так как энергия вхождения последнего больше, чем натрия. Если в растворе, кроме кальция, имеется магний, то эти катионы будут конкурировать между собой и вхождение их в поглощаю­ щий комплекс почвы зависит от концентрации указанных катио­ нов в растворе: чем выше концентрация катионов, тем в боль­ шем количестве они входят в поглощающий комплекс. При ма­ лом содержании кальциевых солей в растворе, в сравнении с

210

натриевыми, промывка может привести к увеличению солонцеватости почвы, поэтому следует увеличить содержание кальция в растворе, что достигается внесением гипса.

Наши знания об энергии вхождения катионов помогают по­ нять различные процессы, протекающие в почвах, в частности причины образования соды в почвах и образование солонцов из солончаков. Образование соды в почвах может происходить в результате вытеснения натрия из поглощающего комплекса кальцием углекислой извести. Несмотря на малую концентра­ цию кальция, он вытесняет натрий, так как энергия вхождения его в поглощающий комплекс больше, чем у натрия.

ПОЧВЕННЫЙ РАСТВОР И ЕГО СВОЙСТВА

Растения усваивают питательные вещества, растворенные в форме солей в жидкой части почвы, т. е. в почвенном растворе. В почвенный раствор соли поступают из минералов, разложив­ шихся остатков растений, животных, микроорганизмов и, кроме того, в результате внесения в почву минеральных и органиче­ ских удобрений. В твердой части почвы имеется большой запас минеральных веществ, и лишь небольшая часть их находится в растворе, преимущественно в форме ионов кальция, магния, ка­ лия, натрия, аммония, иногда алюминия, железа, водорода и анионов ряда кислот: угольной, серной, азотной, соляной, фос­ форной.

Если в почве содержится избыток легкорастворимых солей (хлориды и сульфаты натрия), то они вредят растениям, поэто­ му в этих случаях приходится их удалять путем промывки и другими мелиоративными приемами.

Определение растворенных в почве солей обычно произво­ дится в водной вытяжке, а иногда в истинном почвенном раство­ ре. Для получения водной вытяжки берут навеску почвы 50— 100 г и взбалтывают с пятикратным количеством дистиллиро­ ванной воды в течение часа. Затем раствор отфильтровывают и анализируют. Количество солей, найденных в водных вытяжках, не всегда соответствует содержанию их в истинном почвенном растворе. Из приведенных в табл. 61 данных видно, что количе­ ство Na+ и С1~ в водной вытяжке и растворе примерно одина­ ково, а содержание ионов S042- и Са2+ в вытяжке больше, чем в почвенном растворе. Такое различие объясняется следующим образом. Вытяжка готовится при большом соотношении между почвой и водой. Такого соотношения не бывает в естественной почве. Когда готовится водная вытяжка, то малорастворимые соли (сернокислый, углекислый и фосфорнокислый кальций и др.) частично растворяются, поэтому в водной вытяжке их оказывается больше, чем в почвенном растворе. Например, растворимость гипса равна 2 г в 1 л воды. Если в 100 г почвы будет содержаться 50 г воды, то в ней растворится не более

211

0,1 г гипса. В случае приготовления вытяжки к 100 г добавля­ ют 500 г воды, в которой растворится дополнительно 1 г гипса. В результате анализа получают ошибочное представление о со­ держании в растворенном виде гипса более 1 г в 100 г почвы вместо 0,1 г.

солей в жидкой части почвы. Только в случае присутствия в поч­ ве легкорастворимых солей этот недостаток не играет сущест­ венной роли. Хлористый натрий растворяется легко, поэтому данные в табл. 57 показывают почти одинаковое количество ионов натрия и хлора в водной вытяжке и в растворе.

Второй недостаток водной вытяжки состоит в том, что во время ее приготовления происходит обмен поглощенных катио­ нов на катионы растворившихся в воде солей. Вследствие этого состав раствора изменяется.

Указанных недостатков можно избежать, если выделить истинный почвенный раствор. Известно несколько методов вы­ деления почвенного раствора.

Один из них состоит в том, что раствор отжимается с помо­ щью масляного или рычажного пресса. Почва при естественной влажности помещается в толстостенный стальной стакан с отъ­ емным дном. Затем стакан закрывают стальным поршнем и на него производят давление прессом. Благодаря давлению (0,5— 1 г и больше на 1 смг) почва уплотняется, а раствор стекает в приемник через боковое отверстие на дне стакана. Описанный метод разработан П. А. Крюковым. Недостаток его заключает­ ся в том, что он требует специального оборудования (пресс, тол­ стостенный металлический стакан). При малой влажности поч­ вы можно выделить почвенный раствор лишь очень большим давлением — Ют на 1 см2.

212

Другой метод выделения почвенного раствора основан на ис­ пользовании в качестве вытеснителя спирта и других жидко­ стей. Этот метод предложен И. Ищерековым и усовершенство­ ван Н. А. Комаровой. Почва помещается в высокую стеклянную или пластмассовую трубку, в верхнюю часть которой наливается жидкость — вытеснитель, обычно спирт. Для удобства стеклян­ ную трубку составляют из нескольких звеньев и соединяют меж­ ду собою резиновыми или металлическими муфтами. Общая высота трубки должна быть не менее 120—150 см, диаметр трубки 3—4 см. Для достижения равномерного размещения поч­ вы в трубке ее насыпают небольшими порциями и слегка утрам­ бовывают. По мере просачивания спирта через почву доливают новые порции его до тех пор, пока в нижней части будет выте­ кать раствор, не содержащий спирта. Для ускорения фильтра­ ции раствора и спирта через почву Н. А. Комарова рекомендует ее смешивать с чистым песком.

Недостатком метода является медленное просачивание вы­ теснителя через почву, а при неплотной набивке почвы спирт проходит по пустым промежуткам в почве и смешивается с поч­ венным раствором. Второй недостаток состоит в том, что спирт вытесняет не только почвенный раствор, но частично и воду, не участвующую в естественной почве в растворении солей: макси­ мальную гигроскопическую, слабосвязанную; а вода изменяет концентрацию раствора. Когда в почве много солей или влаж­ ность почвы большая, то указанный недостаток не играет су­ щественной роли. Если же почва имеет влажность, близкую к максимальной гигроскопической, то ошибка будет ощутимой. На­ пример, в сухой почве, фактически не содержащей жидкого рас­ твора, последний образуется в процессе проведения опыта.

Преимущество описанного метода состоит в том, что он позволяет получить раствор из почвы, имеющей небольшую влажность. Следует также указать на более простое техниче­ ское оснащение этого метода (чем при получении раствора пу­ тем отпрессовывания) и возможность одновременно работать с несколькими образцами, для чего надо иметь лишь несколько трубок.

Изучение почвенного раствора позволило решить ряд вопро­ сов большого практического значения. Например, получены точ­ ные данные о составе истинного почвенного раствора, что поз­ воляет обосновать промывку от вредных солей; установлена скорость обмена катионов поглощающего комплекса и раствора при естественной влажности почв; выявлена роль связанной во­ ды для распределения солей близ коллоидных частиц и на не­ котором расстоянии от них.

213