Вальков - Почвоведение

1.9.1. Виды ПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ

Наиболее полно характеристика поглотительной способности почв изложена в работах К. К. Гедройца, который выделил пять ее видов: механическая, химическая, биологическая, физическая и физико-хи­ мическая.

Механическая поглотительная способность — свойство почвы поглощать поступающие с водным или воздушным потоком твердые частицы, размеры которых превышают размеры почвенных пор. В данном случае почва выступает как «сито» или «губка», пропускаю­ щая через себя все, что мельче почвенных отверстий. Водные суспен­ зии освобождаются от взвесей. Это свойство почвы используется для первой стадии очистки питьевых и сточных вод. Яркий пример ме­ ханического поглощения твердых частиц — очистка полых речных вод (водные суспензии) при затоплении пойм рек. В результате по­ сле паводка на поверхности пойменных почв накапливаются твердые взвеси — почвенный наилок. Почва поглощает атмосферную пыль, в том числе и техногенного происхождения.

Химическая поглотительная способность обусловлена образо­ ванием в результате происходящих в почве химических реакций труднорастворимых соединений, выпадающих из раствора в осадок. Поступающие в почву в составе атмосферных, грунтовых, полив­ ных вод катионы и анионы могут образовывать с солями почвен­ ного раствора нерастворимые или трудно растворимые соединения. Например:

АКОЮз + Н3Р 0 4 -> AlP04i + ЗН20

Na2C 03 + CaS04 —> СнСОз! + Na2S 04

Химическая поглотительная способность связана с взаимодействи­ ем ионнодисперсных систем.

Биологическая поглотительная способность. Биологическое по­ глощение вызвано способностью живых почвообитающих организ­ мов (корни растений, микроорганизмы) поглощать различные эле­ менты. Биологическая поглотительная способность характеризуется большой избирательностью поглощения, обусловленной специфиче­ ской для каждого вида потребностью живых организмов в элемен­ тах питания.

Физическая поглотительная способность связана с изменением концентрации молекул на поверхности раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды. С увеличением поверхности частиц увеличива­ ется их поверхностная энергия. Представление о поверхности частиц разного диаметра дает табл. 23.

Таблица 23

Площадь поверхностей граней кубиков при раздроблении 1 см3 твердой массы

Поверхностная энергия частиц, измеряющаяся произведением по­ верхностного натяжения, возникающего на границе соприкоснове­ ния дисперсной фазы с дисперсионной средой, на суммарную по­ верхность дисперсной фазы, стремится к наибольшему сокращению. Это поведение можно обобщить теоремой Джиббса: поверхность раз­ дела дисперсной фазы и дисперсионной среды имеет концентрацию иную, чем в остальной части. Вещества, понижающие поверхностное натяжение, стремятся сконцентрироваться на поверхности раздела и тем самым уменьшить энергию системы; обратно, вещества, повыша­ ющие поверхностное натяжение, стремятся разжижаться на поверх­ ности раздела, чтобы этим уменьшить поверхностную энергию систе­ мы. Вещества, понижающие поверхностное натяжение, называются поверхностно-активными. Эти органические кислоты, алкалоиды, высокомолекулярные органические соединения. Они обусловливают положительную физическую адсорбцию. Многие минеральные соли, кислоты, щелочи вызывают явление отрицательной физической ад­ сорбции, при которой концентрация данных веществ уменьшается по мере приближения к поверхности частицы.

Известна отрицательная сорбция почвой хлоридов и нитратов, ко­ торая впервые была описана К. К. Гедройцем как отрицательное фи­ зическое поглощение веществ. Сущность этого явления сводится к 4 снижению концентрации электролита в пределах «нерастворяющего * объема молекулярно сорбированной воды» во внутренней части сорб- ^

Это то, что обычно в почвоведении называют плазмой яочвы, т. е. самая активная, химически, физически, физико-химически, биологи­ чески деятельная часть почвы, определяющая генезис и плодородие всего почвенного покрова. Масса почвенного поглощающего комплек­ са зависит от гранулометрического состава и содержания гумуса. С большой достоверностью можно отметить, что илистая фракция — это и есть масса веществ почвенной плазмы, если в илистую фракцию включены органические вещества почвы. Однако следует сделать ого­ ворку: некоторой способностью к обменному поглощению обладает

ифракция пыли и даже песка, а в составе ила могут присутствовать

иинертные не ионообменные вещества, например, зерна мелкокри­ сталлического кварца.

Общая схема обменной или физико-химической поглотительной способности показана на примере реакции, которая может происхо­ дить в подзолистых почвах:

Обменная поглотительная способность измеряется величиной

емкости катионного обмена (Е К О )у которая представляет сумму всех обменных катионов, выраженную в м.-экв на 100г почвы. Кол­ лоидные системы различных веществ имеют разные величины ЕКО (табл. 24).

Таблица 24

Емкость катионного обмена тинистых минералов

и других почвенных коллоидов при pH в 7 (Поддубный, Александров)

Коллоиднодисперсные системы имеют размер дисперсной фазы от 1 до 100 мкм. В почвах коллоидными свойствами обладают ча­ стицы менее 0,001 мм (ил). Коллоиды образуются в результате со вокупности процессов почвообразования и выветривания. Процессы эти могут быть разновременными: часть коллоидов, главным обра­ зом, минеральных, формируется при возникновении материнской породы. Часть коллоидов образуется в почвообразовательном про­ цессе. При этом, безусловно, происходит преобразование и изме­ нение состава коллоидов материнской породы, но часть коллоидов почвообразующей породы входит в состав дисперсной фазы почвы. Основные явления, происходящие при формировании коллоидов: дробление крупных частиц и соединение молекулярнораздроблен­ ных частиц.

Основу коллоидной частицы (рис. 2), называемой ко лло и д ­ ной м ицеллой, составляет ее ядро. Я дро в химическом отно-

126 П о ч в о в е д е н и е

шении представляет сложное соединение и имеет аморфное или кристаллическое строение. У минеральных коллоидов ядро состо­ ит из алюмо-магниевых и других силикатов, иногда кремнезема, окислов железа и алюминия. У органических коллоидов ядро со­ стоит из гуминовых и фульвокислот, протеина, клетчатки и дру­ гих сложных веществ. У органоминеральных коллоидов ядро об­ разуется в результате взаимодействия органических и минераль­ ных компонентов.

На поверхности ядра расположен прочно удерживаемый слой ио­ нов, несущий заряд, — слой потенциалопределяющих ионов.

Ядро мицеллы вместе со слоем потенциалопределяющих ионов назы­ вается гранулой. Между гранулой и раствором, окружающим колло­ ид, возникает термодинамический потенциал, под влиянием которого из раствора притягиваются ионы противоположного знака (компен­ сирующие ионы). Так, вокруг ядра коллоидной мицеллы образует­ ся двойной электрический слой, состоящий из слоя потенциало­ пределяющих и слоя компенсирующих ионов.

Компенсирующие ионы в почвоведении называются обменными, или поглощенными, а сумма этих катионов составляет емкость

катионного обмена.

Компенсирующие ионы, в свою очередь, располагаются вокруг гранулы двумя слоями. Один — неподвижный слой, прочно удер­ живаемый электростатическими силами потенциалопределяющих ио­ нов. Гранула вместе с неподвижным слоем компенсирующих ионов называется коллоидной частицей. Между коллоидной частицей и окружающим раствором возникает электрокинетический потенциал (дзета-потенциал), под влиянием которого находится второй (диф­ фузный) слой компенсирующих ионов.

В почвах почти все коллоиды имеют отрицательный заряд. Это ацидоидыу в диффузном слое которых сосредоточены катионы. К ацидоидам относятся: коллоидно-дисперсные системы кремнезема, глинистых минералов, гидраты окиси марганца (Мп20 3иН20), гуму­ совые кислоты, а также и органо-минеральные коллоиды, представ­ ляющие собой глинистые минералы, покрытые пленками органиче­ ских веществ.

Коллоиды с положительным зарядом называются базоидами. У них в компенсирующем слое противоионов концентрируются анио­ ны. Типичных базоидов в почве нет. Но в почвах могут встречать­

ся амфолитоиды — коллоиды с переменным знаком заряда. К амфолитоидам относятся гидраты окиси железа [Ре(0Н)зипН20], алюминия [А1(0Н)3ипН20], а также протеиновые вещества гумуса. В кислой среде они заряжены положительно, в щелочной — отри­ цательно. Количество амфолитоидов в почвах крайне незначитель­ но. Они чаще встречаются во влажных тропических и субтропиче­ ских почвах.

Основные обменные катионы почвенных коллоидов: Са2+, Mg2+, К+, Na+, NH4+, Fe2+, Fe3+, Al3+. В незначительных количествах встре­ чаются и другие катионы, относящиеся к микроэлементам и являю­ щиеся объектом специальных исследований.

Для обменной поглотительной способности характерны следую­ щие закономерности:

1. Обмен между катионами ППК и почвенного раствора проис­ ходит в эквивалентных количествах. Это значит, что количество по­ глощенных катионов в эквивалентах равно количеству эквивалентов катионов, вытесненных в почвенный раствор. В почвах всегда суще­ ствует динамическая система, равновесие которой нарушается изме­ нением концентрации катионов в дисперсионной среде.

2.Энергия поглощения определяется радиусом негидратированного катиона: чем меньше радиус, тем слабее связывается ион. Это объясняется большей плотностью заряда, а следовательно, большей гидратированностью иона. В связи с этим в ряду разновалентных катионов энергия поглощения возрастает с увеличением валент­ ности: К+ < Са2+ < Fe3+ . Внутри рядов ионов одной валентности энергия поглощения увеличивается с возрастанием атомной массы: 7U < 23Na < МК; 27Mg < 40Са < 59Со < ,,2Cd; 27AI < ^Fe. Ион Н+ или ион гидроксония НэО+ сорбируется аномально прочно в свя­ зи с его малым размером. Практическую сущность закономерности можно иллюстрировать следующим примером. Суспензия чернозема

всоотношении 100г почвы и 500г воды из 50 мл 0,1 н. раствора поглощает КС1 — 2,5 м.-экв, a FeCl3—8,0 м.-экв. В то же время, катионы, обладающие большой энергией поглощения, прочнее удер­ живаются в поглощенном состоянии и труднее замещаются.

3.На поглощение почвой катионов большое влияние оказывает их концентрация в почвенном растворе: чем больше тех или иных кати­ онов в растворе, тем с большей силой они будут поглощаться и вы­ теснять из ППК другие катионы и занимать преобладающее место.

Следовательно, ряд катионов по степени поглощения имеет значение только в условиях эквивалентных концентраций.

Сумма поглощенных катионов (ЕКО) зависит от количества кол­ лоидов в почве, количество которых обычно не превышает 30—40% от почвенной массы. В глинистых почвах и богатых гумусом ЕКО может достигать 50—60 м.-экв/iOOr, а в легких малогумусных — 3—8 м.-экв/100 г.

1.9.3. Ф и зи ч ес к о е с о с т о я н и е п о ч в ен н ы х ко л л о и д о в

Коллоидные системы почвы могут находиться в состоянии золя или геля. Золи — это подвижные коллоидные растворы, в которых твердые частицы почвы отделены друг от друга дисперсионной во­ дной средой. Одноименно заряженные частицы коллоидов взаимно отталкиваются, гидратируются диполями молекул воды и находятся

вколлоидной системе в дисперсном состоянии. Коллоидная масса, а

сней и вся почва приобретает свойства текучести, бесструктурности, сплошности, безвоздушности, слитости. Это явление экологически крайне неблагоприятное и не типично для большинства почв. Исклю­ чение составляют только солонцы.

Снижение электрокинетического потенциала и уменьшение заряда частиц разноименно заряженных коллоидов приводит к их слипанию, увеличению в размерах и выпадению в осадок. Коллоидная система переходит в состояние геля. Процесс соединения коллоидных частиц называется коагуляцией, дальнейшее осаждение — седиментацией. Из раствора коллоиды выпадают в осадок под воздействием высыха­ ния или увеличения концентрации простых солей в почвенном рас­ творе. При коагуляции золь, имеющий жидкое состояние, переходит

вгель, имеющий твердое состояние. Коллоиды в почвах находятся на 99,9% в состоянии геля. Частицы коллоидов сцепляются между собой, образуя пространственную структуру, в ячейках которой удержива­ ется вода. Обратный процесс перехода коллоидов в раствор, геля в золь, называется пептизацией.

Вбольшинстве почв коагуляция необратима и только незначи­ тельная часть (менее 0,1%) коллоидов пептизируется. Для некоторых почв, например, солонцов, чередование явлений каогуляции и пептизации составляет сущность почвообразовательного процесса.