Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сборник заданий по почвоведению. Учебное пособие
.pdf
Органическая часть ППК представлена в основном специфическими гумусовыми веществами. В почвах она находится в виде гелей, труднорастворимых солей поливалентных катионов и прочных
адсорбционных комплексов с глинистыми минералами и гидроксидами. На долю адсорбционных комплексов приходится до 70 % почвенного органического вещества. Таким образом, в состав ППК
входят компоненты различной природы и с разными свойствами.
При этом в проявлении специфических особенностей ППК важную
роль играют удельная поверхность почвенных частиц и их размеры.
Значение поглотительной способности
Поглотительная способность выполняет чрезвычайно важную
роль в генезисе почв, формировании их свойств и уровня плодородия.
1. Среди разнообразных процессов поглощения, протекающих
в почве, большое значение имеет сорбционное закрепление гумусовых веществ. Благодаря этому происходит формирование специфической поверхности почвенных частиц, составляющих основу ППК,
образование и стабилизация гумусового профиля почвы с количественными и качественными характеристиками, соответствующими
конкретному типу почвообразования.
2. Поглотительная способность играет важную роль в процессах профильной дифференциации разнообразных органических
и неорганических веществ.
3. От поглотительной способности во многом зависит питательный режим почв. ППК – хранилище биофильных элементов,
защищенное от вымывания атмосферными осадками.
4. Состав почвенного поглощающего комплекса определяет
реакцию почвенной среды и ее стабильность.
5. Состояние коллоидной массы первостепенно детерминирует
практически все физические характеристики почвы как целостной
системы, и в первую очередь структурность, плотность, воздухоемкость, влагоемкость и поведение почвенной воды. Экологически оптимальное физическое состояние почв для большинства растений,
животных и других организмов возникает в среде, когда 99,9 % коллоидов находятся в состоянии геля и 0,1 % – золя.
6. Почвенный поглощающий комплекс является геохимическим барьером для катионов-загрязнителей тяжелых металлов
и радионуклидов.
51
Количество коллоидов в почвах различно и составляет от 1–2
до 30–40 % массы почвы. Образуются коллоиды при раздроблении
более крупных частиц в процессе выветривания, путем поликонденсации в процессах почвообразования и образования гумуса, а также
при химических реакциях между продуктами выветривания и почвообразования. Коллоиды представляют собой наиболее дисперсную часть твердой фазы почвы. Их размеры колеблются в пределах
0,2–0,001мкм. Важно, что при размере менее 0,1–0,2 мкм резко возрастает адсорбционная емкость почвенных частиц благодаря росту
их удельной поверхности.
Обычно коллоидные свойства начинают проявляться у частиц
размером меньше 1 мкм, поэтому выделяют еще предколлоидную
фракцию, объединяющую частицы размером от 1 до 0,2 мкм. Коллоиды не только поглощают и удерживают ионы и органические вещества, но и служат цементом для более крупных частиц и агрегатов,
влияя на структуру почвы, от которой зависит ее водно-воздушный
режим. Небольшие размеры коллоидов определяют огромную суммарную и удельную поверхность. От размеров удельной поверхности зависит величина поверхностной энергии, с которой связаны явления сорбции паров воды, газов и молекул других веществ. С поверхностной энергией дисперсных тел связан тепловой эффект –
выделение тепла при их смачивании, который называется теплотой
смачивания.
Происхождение, состав и свойства почвенных коллоидов
Выделяют два основных пути происхождения коллоидов:
1. Дисперсионный
2. Поликонденсационный
Первый путь проявляется при дроблении более крупных частиц
в процессе выветривания и почвообразования. Второй, при укрупнении частиц, в результате химических реакций между продуктами
выветривания.
По вещественному составу коллоиды почвы бывают минеральные, органические и органо-минеральные. В большинстве своем
минеральные коллоиды представлены вторичными минералами.
Часть из них находится в кристаллическом состоянии. Это, прежде
всего, глинистые минералы: монтмориллонит, каолинит, вермикулит,
52
гидрослюды. Кроме них в коллоидной фракции всегда присутствует
небольшая примесь тонкодисперсных первичных минералов, главным образом кварца и слюд, не проявляющих коллоидные свойства.
Органические коллоиды состоят преимущественно из гумусовых веществ и белков. В коллоидно-дисперсном состоянии могут
находиться полисахариды, лигнин, клетки наиболее мелких бактерий, диаметр которых соответствует диаметру коллоидных частиц.
Органо-минеральные коллоиды представлены соединениями гумусовых веществ с глинистыми минералами и полуторными
оксидами в осажденной форме. В почвах присутствуют и многочисленные комплексные минеральные и органо-минеральные соединения коллоидной природы, образующиеся при совместном
осаждении двух или нескольких веществ. Сюда относят кремнеалюминевые и кремнежелезистые образования, железисто-марганцевые, органо-железисто-марганцевые соединения. В большинстве
почв преобладают минеральные коллоиды, составляющие 85–90 %
их общей массы.
Важнейшее свойство почвенных коллоидов – способность обменивать ионы, находящиеся в компенсирующем слое, на ионы того
же знака, находящиеся в дисперсионной среде. Ионы диффузного
слоя обмениваются легко, гораздо труднее обмениваются ионы неподвижного слоя.
В почвах почти все коллоиды имеют отрицательный заряд.
Это ацидоиды, в диффузном слое которых сосредоточены катионы. К ацидоидам относятся: коллоидно-дисперсные системы кремнезема, глинистых минералов, гидраты, окиси марганца, гумусовые кислоты, а также органо-минеральные коллоиды, представляющие собой глинистые минералы, покрытые пленками органических
веществ.
Коллоиды с положительным зарядом называются базоидами.
У них в компенсирующем слое противоионов концентрируются анионы. Типичных базоидов в почве нет. Но в почвах могут встречаться
амфолитоиды – коллоиды с переменным знаком заряда. К амфолитоидам относятся гидраты окиси железа, алюминия, а также протеиновые вещества гумуса. В кислой среде они заряжены положительно, в щелочной – отрицательно. Количество амфолитоидов в почвах крайне незначительно.
53
Наряду с поглощением ионов коллоиды способны притягивать
к себе молекулы воды, или гидратироваться, что обусловлено проявлением поляризационных сил. При приближении молекулы воды
к заряженной коллоидной частице ее электронейтральная оболочка
деформируется. Хотя молекула воды остается в целом нейтральной,
она принимает форму диполя. Попадая в сферу электрического поля
заряженной частицы, диполи строго ориентируются, обращаясь
к ней концами, несущими заряд, противоположный заряду частицы.
Вокруг коллоида образуется связанная с ним пленка воды, мощность
которой зависит от природы коллоида и величины заряда частицы.
В зависимости от количества воды, которое удерживают коллоиды,
их разделяют на гидрофильные и гидрофобные.
Коллоиды, способные сильно гидратироваться, т.е. удерживать
мощные водные пленки, называют гидрофильными. Это аморфная кремниевая кислота, минералы группы монтмориллонита, гумусовые кислоты. Коллоиды, слабо гидратирующиеся, называют
гидрофобными. К ним относят гидроксиды железа и алюминия,
минералы группы каолинита. На способность к гидратации влияет
не только природа коллоида, но и состав ионов компенсирующего
слоя, которые сами способны притягивать молекулы воды с помощью электростатических сил.
Важнейшее свойство почвенных коллоидов – их агрегативная
устойчивость, т.е. способность коллоидной системы сохранять степень дисперсности неизменной. Наличие заряда обусловливает электрокинетические свойства почвенных коллоидов. К ним относят коагуляцию и пептизацию коллоидной системы.
В зависимости от наличия и отсутствия заряда почве коллоиды могут находиться в состоянии золя (во взвешенном состоянии)
или геля.
Золь – коллоидный раствор. Обусловлен наличием заряда
в коллоидной системе; представляет состояние коллоидно-раздробленного вещества, рассеянного в дисперсионной среде. Электрический заряд способствует взаимному отталкиванию коллоидных
частиц, а гидратная оболочка препятствует их слипанию при столкновении друг с другом. В силу различных причин заряд коллоидов
снижается, гидратная оболочка уменьшается, коллоиды начинают
взаимодействовать между собой, что ведет к слипанию частиц
54
и выпадению их в осадок в виде геля. Это явление называют коагуляцией. Гель – коллоидный осадок. При отсутствии заряда в колло-
идной системе дисперсная фаза укрупняется и отделяется от дисперсионной среды. Коагуляция – переход коллоида из состояния
золя в состояние геля. Коагуляцию вызывают периодическое высушивание, нагревание, промораживание почвы, что приводит к дегидратации частиц и потере ими водной оболочки. Коагуляция способствует образованию почвенной структуры, уменьшению связности тяжелых по гранулометрическому составу почв, сохранению
от вымывания коллоидов, обусловливающих важнейшие агрономические свойства почвы.
Некоторые коллоиды способны переходить обратно из геля
в золь. Это явление называется пептизацией. Она связана с восстановлением заряда коллоидной системы, повышением дзета-потенциала, обусловленным главным образом действием растворов щелочей и гидролитически щелочных солей. При пептизации разрушается почвенная структура, коллоиды распыляются и приобретают
способность к передвижению по почвенному профилю.
Строение коллоидной мицеллы
Основу коллоидной частицы, называемой коллоидной мицеллой, составляет ее ядро. Ядро в химическом отношении пред-
ставляет сложное соединение и имеет аморфное или кристаллическое строение. У минеральных коллоидов ядро состоит из алюмомагниевых и других силикатов, иногда кремнезема, окислов железа
и алюминия. У органических коллоидов ядро состоит из гуминовых
и фульвокислот, протеина, клетчатки и других сложных веществ.
У органо-минеральных коллоидов ядро образуется в результате взаимодействия органических и минеральных компонентов.
На поверхности ядра расположен прочно удерживаемый слой
ионов, несущий заряд, – слой потенциалопределяющих ионов. Ядро
мицеллы вместе со слоем потенциалопределяющих ионов называется гранулой. Между гранулой и раствором, окружающим коллоид,
возникает термодинамический потенциал, под влиянием которого из
раствора притягиваются ионы противоположного знака (компенсирующие ионы). Так, вокруг ядра коллоидной мицеллы образуется
двойной электрический слой, состоящий из слоя потенциалопределяющих и слоя компенсирующих ионов.
55
Компенсирующие ионы в почвоведении называются обмен-
ными или поглощенными, а сумма этих катионов составляет
емкость катионного обмена.
Компенсирующие ионы. В свою очередь располагаются вокруг
гранулы двумя слоями. Один – неподвижный слой, прочно удерживаемый электростатическими силами потенциалопределяющих ионов. Гранула вместе с неподвижным слоем компенсирующих ионов
называется коллоидной частицей. Между коллоидной частицей
и окружающим раствором возникает электрокинетический потенциал (дзете-потенциал), под влиянием которого находится второй
(диффузный) слой компенсирующих ионов.
К. К. Гедройц выделил пять видов поглотительной способности – четыре абиотических вида: механическая, физическая, физикохимическая (обменная), химическая и пятый вид – биологическая
поглотительная способность.
Физико-химическая поглотительная способность (обменная) – способность почвы поглощать преимущественно катионы
в результате эквивалентного обмена катионов, находящихся в почвенном растворе, на катионы диффузного слоя коллоидов. Поглощение преимущественно катионов обусловлено тем, что у большинства почв в поглощающем комплексе преобладают ацидоиды (заряженные коллоиды), в диффузном слое которых в качестве противоионов находятся катионы, способные к эквивалентному обмену.
Физико-химическое поглощение имеет ряд закономерностей:
1. Поскольку поглощающий (коллоидный) комплекс в целом
заряжен отрицательно, обменно поглощаются преимущественно
катионы.
2. Обмен катионов почвенного раствора на катионы диффузного слоя коллоидов происходит в строго эквивалентном количестве. При этом устанавливается динамическое равновесие между почвой и раствором.
3. Реакция обмена катионов происходит исключительно быстро (за первые 3–5 минут сорбируется до 85 % катионов).
4. Энергия обменного поглощения различных катионов зависит от валентности, а при одинаковой валентности – от атомной
массы иона. Энергия поглощения и закрепления катиона в коллоидном комплексе почвы возрастает с увеличением валентности и атом-
56
ной массы. Это выражает ряд разновалентных катионов: Li+ < Na+ <
+
< NH
< K+ < Mg2+ < Н+ < Ca2+ < Ba2+ < Al3+ < Fe3+.
4
5. Интенсивность поглощения катионов зависит от концентрации реагирующего с почвой раствора, а при одинаковой концентрации – от количества раствора. Чем выше концентрация раствора,
тем более активно поглощаются из него катионы.
6. Поглощение и закрепление катионов зависит от свойств
почвы.
Механическая поглотительная способность – это свойство
почвы задерживать твердые частицы, взмученные в фильтрующейся
воде, размеры которых превышают размеры почвенных пор. Поэтому почва способна механическим путем задерживать не только
крупные взвешенные частицы, но также илистые и коллоидные. По
мере заполнения каналов тонкодисперсными частицами механическая поглотительная способность возрастает.
Механическая поглотительная способность зависит от гранулометрического и агрегатного состава почвы, а также от плотности
сложения. Плотные глинистые почвы практически полностью задерживают взмученные тонкодисперсные частицы. В легких по гранулометрическому составу и рыхлых почвах с крупными агрегатами
низкая механическая поглотительная способность.
Явление механического поглощения используют для очистки
питьевых и сточных вод путем их фильтрации через почву, для заиливания (кольматирования) дна и стенок каналов, водохранилищ
в целях уменьшения потерь воды на фильтрацию.
Физическая поглотительная способность – это 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 имеется свободная поверхностная энергия, равная произведению поверхностного натяжения раствора и суммарной величины
поверхности частиц. Чем выше степень дисперсности почвенных
57
частиц, тем больше их поверхностная энергия вследствие увеличения общей удельной поверхности.
Всякая дисперсная система стремится уменьшить свою поверхностную энергию. Это происходит при укрупнении частиц или при
уменьшении поверхностного натяжения в результате адсорбции на
поверхности частиц некоторых веществ.
Вещества, способные понижать поверхностное натяжение системы (поверхностно-активные вещества), концентрируются на поверхности твердых частиц почвы и испытывают положительную физическую адсорбцию. К таким веществам относятся органические
кислоты, спирты, многие высокомолекулярные органические соединения, в том числе и гумусовые кислоты. Эти вещества притягиваются 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. Чем длиннее углеводородная цепь, тем сильнее понижение
поверхностного натяжения системы, тем выше поглощение, так как
свободная энергия поверхностного слоя насыщается за счет связывания поглощенного вещества.
Вещества, способные повышать поверхностное натяжение системы, отталкиваются от почвенных частиц и испытывают отрицательную физическую адсорбцию. К таким веществам относятся
неорганические кислоты, соли, основания, органические вещества
с большим количеством гидроксильных групп (сахара).
Таким образом, большинство минеральных солей, кислот и щелочей увеличивает 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 адсорбция. В этом случае уменьшение поверхностного натяжения достигается при избирательном поглощении молекул самой воды, а не растворенных в ней минеральных веществ. Благодаря отрицательной физической адсорбции из корнеобитаемого слоя почв с фильтрующей водой относительно легко вымываются различные водорастворимые соли, особенно хлориды,
нитраты. Так как хлор вреден для растений, то это имеет положительное значение. Вынос нитратов ведет к обеднению почв азотом –
одним из важных элементов питания.
58
Химическая поглотительная способность – способность почвы удерживать некоторые ионы путем образования в результате химических реакций нерастворимых или труднорастворимых соединений, т.е. переводить анионы и катионы почвенного раствора в труднорастворимые соединения.
Из катионов, находящихся в почвах, чаще всего нерастворимые
2+
соединения образуют катионы Ca
2–
3–
CO
3
, PO
4
, SO
2–
.
4
, Mg2+, Al3+, Fe3+, а среди анионов –
Так, при внесении фосфорных удобрений образующиеся малорастворимые соли осаждаются и переходят из почвенного раствора
в твердую фазу почвы. Процессы такого типа называют химическим
поглощением:
2+
[Почва] → Ca
[Al(OH)
3]n
+ Ca(H2PO4)2 → [Почва] → 4 H+ + Ca3(PO4)2↓;
+ CaHPO4 → [(AlOН)3]
+ AlPO4 + H2O + Ca
n-1
2+
+ ОH–.
Образование осадков возможно и на поверхностности почвенных частиц при взаимодействии ионов, способных к взаимному
осаждению. Такая сорбция получила название осадочной.
К химическому поглощению относится и комплексообразовательная сорбция. В этом случае за счет образования координационной связи
происходит связывание поливалентных ионов почвенного раствора органическим веществом, сорбированным твердой фазой почвы.
Хемосорбция играет большую роль во взаимодействии гумусовых веществ с глинистыми минералами и в образовании сорбционного глиногумусового комплекса. При этом осуществляется и адгезионное взаимодействие минеральных и органических компонентов.
Биологическая поглотительная способность почвы обусловлена жизнедеятельностью растений и микроорганизмов почвы, которые поглощают из нее необходимые для жизни элементы и переводят их в органические соединения своего тела. В таком виде элементы питания не вымываются из почвы. Особенностью этого вида
поглотительной способности является избирательность – растения
и микроорганизмы поглощают необходимые им вещества строго
в соответствии со своими потребностями. Благодаря этой избирательности почва систематически обогащается биологически ценными элементами, которые извлекаются из глубоких слоев, после отмирания живых организмов накапливаются в верхних горизонтах и используются
59
следующими поколениями организмов. В естественных условиях
почва чем старше, тем плодороднее. Однако избирательность может
иметь и отрицательные последствия: при внесении удобрений в результате поглощения только некоторых ионов в почве возникают физиологическая кислотность и щелочность.
Особенно большое значение этот вид поглотительной способности имеет в отношении нитратов, так как они поглощаются и закрепляются только биологическим путем.
Состав обменных катионов и анионов в различных почвах
и их влияние на свойства почв
Почвы существенно различаются между собой составом обменных катионов. Эти различия обусловлены типом почвообразования, спецификой почвообразующих пород, водным и солевым режимами почв. Заметно влияют на этот показатель химические мелиорации.
Содержание обменных катионов в почве выражается как в абсолютных величинах (мг-экв/100 г почвы), так и в относительных
(% от емкости обмена).
Основные обменные катионы в почве:
2+
Ca
, Mg2+, Na+, K+, NH
+
, H+, Al3+, Fe2+, Mn
4
2+
Основные обменные анионы в почве:
PO
3–
4
, HPO
2–
, H2PO
4
–
, SiO
4
3
2–
, NO
3
–
, CI
–
Практически все почвы в составе обменных катионов содержат
кальций и магний, причем в большинстве случаев Ca
над Mg
и NH
2+
. Также среди обменных катионов всегда содержатся K+
+
, но их доля в ППК невелика. Так, количество обменного ка-
4
2+
преобладает
лия чаще всего не превышает 2–5 % от емкости обмена, содержание
аммония еще меньше.
В географическом аспекте содержание обменных катионов
почв варьирует в широких пределах и подчиняется определенным
закономерностям.
Примерный состав обменных катионов в почвах:
Подзолистые – Ca
2+
, Mg2+, NH4+, H+, Al
Серые лесные – Ca2+, Mg2+, K+, NH4+, H
Чернозем обыкновенный, южный – Ca2+, Mg2+, K+, NH4+, Na
3+
+
+
Чернозем выщелоченный, оподзоленный – Ca2+, Mg2+, K+, NH4+, H
+
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]