2.2.3. Функции, определяемые физико-химическими параметрами почв

Сорбция тонкодисперсного вещества

Огромная поверхность частиц почвенного мелкозема, особенно коллоидной фракции, позволяет сорбироваться на поверхности почвенных частиц молекулам газов, воды и других жидкостей и различным ионам, в том числе составляющим основу минерального питания организмов. Основной механизм сорбции – адсорбция веществ коллоидами почвы; кроме того, существует механическое задержание, химическое поглощение и биологическая сорбция (в телах живых организмов).

Адсорбция веществ коллоидами играет в поглотительной способности почв наибольшее значение. Чем тяжелее механический состав почвы, тем больше в составе почвы коллоидной фракции и тем больше поглотительная способность почвы. Кроме того, поглощение сильно зависит от химической природы коллоидов – от соотношения их органических и минеральных компонентов и природы глинистых минералов. Благодаря этой функции, почвой удерживаются ионы в обменном состоянии, т. е. в состоянии, доступном для растений и микроорганизмов. Адсорбция веществ позволяет удерживать их в почве и противостоять выносу с атмосферными осадками. Существование организмов в ландшафтах гумидного климата было бы крайне затруднено, если бы питательные элементы не сорбировались почвой, а немедленно удалялись из нее выпадающими осадками.

Во многом благодаря сорбционной функции оказывается возможным почти круговой характер естественных круговоротов в экосистемах Земли. Из-за сорбционной способности почв возможна жизнь не только на богатых, но и на бедных песчаных почвах (формирование сосняков на кварцевых песках). Существенное влияние оказывает эта функция на доступность веществ и их круговорот в агроценозах, учитывая трансформированный и в значительной мере искусственный характер круговорота веществ в них.

Сорбция имеет и отрицательный эффект: часть ионов становится малодоступной для растений (из-за необменного поглощения); сходное явление отмечается и для воды – в защемленных порах формируется «мертвый» запас влаги. Особенно значительные запасы недоступной влаги отмечены в почвах тяжелого механического состава. Кроме того, в почве сорбируются и вредные для биоты элементы и соединения, которые изменяют свойства почвы и влияют на жизнедеятельность организмов, последствия такой сорбции будут обсуждаться далее в разделе 4.4.

В связи с важнейшей ролью поглотительной способности в жизни биоценозов суши, особенно в их искусственных вариантах – агроценозах, важной задачей является оптимизация состава ионов в ППК. Полагают, что для большинства растений, возделываемых в России, физиологически оптимальное соотношение ионов выглядит так: количество обменного кальция должно составлять 60–70 % от емкости поглощения, обменного магния - 10–15 %, калия – 3–5 %. Желательно также содержание небольшого количества водорода и других элементов. Среди конкретных способов оптимизации ППК следует назвать: известкование кислых почв, гипсование солонцов, внесение глины в песчаные почвы и обогащение почв гумусом (внесение навоза, сапропеля, торфа, травосеяние).

Сорбция микроорганизмов на почвенном мелкоземе

Благодаря сорбции, микроорганизмы защищены от выноса потоками влаги за пределы почвенного профиля. Сорбция микроорганизмов зависит от их собственных свойств, особенностей сорбента и кислотности среды.

Почва гетерогенна и сложна как сорбент: в ее горизонтах и локусах можно найти поверхности с самыми разными свойствами. Поэтому в ней практически всегда может сорбироваться хотя бы небольшое количество любого микроорганизма. В связи с этим сорбция микробов на почве слабее зависит от их видовых особенностей, чем на простых сорбентах.

Отмечается увеличение сорбции бактерий при утяжелении гранулометрического состава почвы, однако эта зависимость не прямо пропорциональна из-за влияния на сорбционные процессы многих факторов. Сорбция микробов зависит от минералогического состава почв: монтмориллонитовая группа минералов удерживает микроорганизмы сильнее, чем другие. Зависит процесс сорбции и от генетических особенностей почв. Так, черноземы сорбируют больше микробных клеток, чем дерново-подзолистые и серые лесные почвы. В целом больше клеток сорбируют те почвы, которые обладают большей емкостью поглощения, более тяжелым гранулометрическим составом и более высоким содержанием гумуса.

Отдельные факторы почвенной среды по-разному влияют на сорбционную активность микробов. Установлено, что есть значения рН, при которых происходит максимальная адсорбция микроорганизмов, и это определяется их видовыми особенностями. При отклонении от данных значений рН в сторону как увеличения, так и уменьшения сорбция микроорганизмов уменьшается и может совсем прекратиться. Отмечена также зависимость сорбции микроорганизмов от качественного и количественного состава катионов почвы. Оказалось, что валентность иона, которым насыщена почва, влияет на сорбцию клеток бактерий. Способность клеток сорбировать ионы растет при насыщении ими почв от одновалентных к двух- и трехвалентным ионам.

Заряд поверхности почвенных частиц существенно влияет на сорбцию клеток, поверхность которых также может быть заряжена. Наиболее широко в почве представлены отрицательно заряженные поверхности. Одноименность заряда порождает силы отталкивания. Снижение величины отрицательного заряда клеток и частиц адсорбента облегчает проявление сил притяжения. Притяжение усиливается при введении многовалентных ионов, а также при подкислении среды. Усиливается адсорбция и при высушивании почвы.

Существенным фактором, влияющим на связывание микробных клеток почвой, является размер частиц. С уменьшением их размера сорбция бактерий возрастает. Данная закономерность объясняется несколькими причинами: увеличением удельной поверхности сорбента на единицу его веса, большей склонностью мелких частиц образовывать агрегаты с микробными клетками, увеличением содержания вторичных минералов.

Биологические и физиолого-биохимические особенности микробных клеток также влияют на их способность к сорбции на мелкоземе. Отмечено, что сильнее удерживаются мелкие по размеру микробные клетки и виды микроорганизмов, способные к слизеобразованию. При этом сорбционной способностью обладают не только живые, но и мертвые клетки. Убитые нагреванием бактерии в 90 % случаев сохраняют свои сорбционные свойства. Влияет на сорбционные свойства и подвижность клеток: подвижные бактерии слабо удерживаются частицами, т. к. способны противостоять сорбционным силам.