Емкость поглощения подзолистой почвы

Емкость поглощения подзолистой почвы

Глава 6. ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ

Большинство процессов, протекающих в почве, связаны с перераспределением веществ между твердой, жидкой и газообразной фазами, составляющими почву. Главным процессом взаимодействия между фазами является сорбция – поглощение твердой фазой газов, паров и растворенных веществ из жидкой фазы. Способность почвы поглощать различные веществ была известна давно, но только в начале XX века К.К.Гедройц разработал учение о поглотительной способности почв. Поглотительные процессы в почве обусловлены преимущественно ее тонкодисперсной частью и особенно коллоидами.

§1. Почвенные коллоиды, происхождение, строение и классификация

К почвенным коллоидам относятся частицы диаметром + ). К ним относятся глинистые минералы, гумусовые кислоты, органо-минеральные коллоиды, кремниевая кислота. Ацитоиды обладают способностью к поглощению и обмену катионов.

2) базоиды – коллоиды, несущие положительный заряд (в потенциалопределяющем слое катионы) и имеющие в диффузном слое анионы (ОН – ). К ним относятся гидраты окисей железа и алюминия. Базоиды способны к обмену анионов.

3) амфолитоиды – коллоиды, имеющие переменный знак, зависящий от реакции среды: в кислой – «+» заряд, в щелочной – «–» заряд. К ним относятся белковые органические вещества.

Большая часть почвенных коллоидов имеет отрицательный заряд, и, следовательно, способность почвы к поглощению и обмену катионов значительно больше, чем к анионам. Поэтому, говоря о поглотительной способности почв, имеют в виду именно поглощение катионов.

Поскольку почвенные частицы имеют заряд, они способны притягивать дипольные молекулы воды из окружающего раствора, образуя гидратные пленки. Толщина этой пленки зависит от величины заряда и состава поглощенных катионов. В связи с этим различают гидрофильные коллоиды (кремнекислота, глинистые минералы, органические коллоиды и коллоиды, насыщенные К, Na, Li), удерживающие многослойные пленки воды, и гидрофобные – слабогидратированные коллоиды (гидрооксид железа, коллоиды, насыщенные двух- и трехвалентными катионами). Гидрофильные коллоиды имеют сродство к воде, способны сильно набухать и оставаться устойчивыми в коллоидном растворе. Гидрофобные набухают незначительно, сворачиваются и выпадают в осадок.

Почвенные коллоиды могут находиться в двух разных физических состояниях: 1) в состоянии коллоидного раствора, или золя; 2) в состоянии студенистого, аморфного или хлопьевидного осадка, или геля. Переход коллоидов из состояния золя в состояние геля называется коагуляцией, или слипанием (свертыванием) коллоидов. Причиной данного перехода является потеря гидратной оболочки и заряда в результате следующих процессов: замораживания, высушивания, действия электролитов, взаимной коагуляции и тиксотропии.

Коагуляция коллоидов происходит главным образом при их взаимодействии с электролитами (растворами солей, кислот и щелочей), которые в растворе распадаются на ионы с «+» или «–» зарядом. Коллоиды с «+» зарядом коагулируются анионами, с «–» зарядом – катионами. Коагулирующая способность катионов различна и зависит от их валентности и атомной массы. Одновалентные катионы коагулируют слабее двухвалентных, а двухвалентные – слабее трехвалентных.

По степени коагулирующей способности К.К.Гедройц расположил все катионы в следующем порядке:

Li + + + + 2 + + 2 + 2 + 3 + 3 +

Коагуляция может быть обратимой и необратимой, т.е. золь, перешедший в гель, снова может перейти в раствор либо его обратный переход затруднен или невозможен. Обратимая коагуляция вызывается одновалентными, необратимая – двух- и трехвалентными катионами. Под действием двух- и трехвалентных катионов почвенные частицы склеиваются в комочки, имеющие большую устойчивость и водопрочность, почва становится более структурной, улучшается ее физическое состояние.

Особым явлением представляется процесс тиксотропии коллоидов, чаще всего встречается в криогенных почвах и вызывает их плывунность. Коллоиды находятся в таких почвах в скоагулированном состоянии геля благодаря их своеобразной гексагональной ориентации. Гель не отделяется от дисперсной среды, а застудневает вместе с ней. Полученный гель может быть переведен в золь путем механического воздействия (встряхивания и др.), по прекращении которого с течением времени золь опять переходит в гель.

Пептизация – процесс, обратный коагуляции, когда коллоиды переходят из состояния геля в состояние золя. Пептизация коллоидов отрицательно воздействует на почвообразовательные процессы, поскольку обусловливает разрушение структуры и вымывание коллоидов из верхних горизонтов, что резко снижает их поглотительную способность, ухудшаются физические и химические свойства почвы.

§2. Виды поглотительной способности почв

Поглотительной способностью почв называют способность почвы поглощать твердые взвешенные частицы, целые молекулы веществ или их часть и удерживать их в себе. Носителем поглотительной способности почв является почвенный поглощающий комплекс (ППК) – вся совокупность почвенных компонентов, способных участвовать в процессах поглощения и обмена. Главную часть его составляют почвенные коллоиды.

К.К.Гедройц выделил пять видов поглотительной способности почв, каждый из которых играет определенную роль в почвообразовании и формировании свойств почвы: механическая, биологическая, химическая, физическая и физико-химическая, из которых две последние связаны с ППК.

Механическая поглотительная способность – способность почвы как всякого пористого тела задерживать взвешенные твердые частицы из фильтрующихся суспензий крупнее почвенных пор. Механическое поглощение напрямую зависит от гранулометрического состава и сложения почвы. Так, глинистые и суглинистые почвы способны поглощать даже тонкодисперсные частицы, а песчаные, имеющие крупнопористое сложение, взвешенные частицы поглощают значительно хуже. Механическая поглотительная способность возрастает с увеличением количества гумуса в почве. Благодаря ей, в почве удерживаются от выноса наиболее ценные с точки зрения плодородия элементы. Большое значение это имеет в областях с искусственным орошением или обильными осадками. Почва может также удерживать и частицы меньше диаметра пор благодаря наличию замкнутых и извилистых пор.

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 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.

Химическая поглотительная способность – это способность почвы закреплять нерастворимые соединения, образующиеся в результате химических обменных реакций в почвенном растворе или при взаимодействии с твердой частью почвы. При взаимодействии с катионами кальция, алюминия, железа и других элементов растворимые в воде сульфаты, карбонаты, фосфаты образуют нерастворимые соединения. В таком виде вещества закрепляются и не вымываются из почвы:

Таким же образом могут закрепляться в почве и удобрения. Например, при внесении фосфатных удобрений (суперфосфат) в карбонатную почву он переходит в нерастворимый трифосфат кальция:

Физическая поглотительная способность – это способность почвы поглощать и удерживать в себе целые молекулы веществ на поверхности своих частиц. Она обусловлена силами молекулярного притяжения (из-за наличия свободной энергии у поверхностных молекул), за счет которых на поверхности коллоидных частиц адсорбируются вещества из раствора или газы, причем изменяется только концентрация веществ, но качественный состав не изменяется (поглощенное вещество не внедряется в твердую фазу почвы и не вступает в химическую реакцию, а накапливается на границе раздела фаз).

Способность адсорбции присуща всем телам природы. Чем сильнее степень раздробленности частиц, тем больше их общая поверхность, где сорбируются молекулы многих веществ.

Различают положительную и отрицательную адсорбцию. При нормальной (положительной) адсорбции к поверхности почвенных частиц притягиваются молекулы растворенного вещества, и концентрация раствора уменьшается. Таким путем поглощаются органические соединения, газы, щелочи, некоторые токсины. При отрицательной адсорбции на поверхности частиц закрепляются молекулы растворителя, и концентрация раствора увеличивается. Такому явлению подвержены неорганические кислоты и некоторые другие минеральные соединения. Так, нитраты почвой не поглощаются ни физическим, ни химическим путем, а только биологическим, поэтому вносить азотные удобрения необходимо только в период интенсивного роста растений, когда они наиболее нуждаются в азоте. Это предотвратит загрязнение водоемов нитратами.

Физико-химическая (обменная) поглотительная способность почв – это способность почвы поглощать из раствора различные катионы или анионы, отдавая в обмен эквивалентное количество ионов твердой фазы (из диффузного слоя мицеллы). Так как большинство почвенных коллоидов заряжены отрицательно, то и поглощаться будут из почвенного раствора в основном катионы, которые называются обменными. Эта поглотительная способность напрямую связана с ППК. В общем виде процесс обмена катионов можно представить следующим образом:

почва] Н + + КСl ↔почва] К + НСl.

К.К.Гедройц установил следующие законы обменной адсорбции:

● закон эквивалентности – процесс обмена катионов происходит в эквивалентных отношениях по законам химии;

● закон обратимости – реакция обмена катионов является обратимой, т.е. любой поглощенный катион при соответствующих условиях может снова перейти в раствор;

● закон концентрации – чем выше концентрация иона-вытеснителя в почвенном растворе, тем интенсивнее он будет поглощаться почвой и займет больший вес в составе поглощенных катионов (при постоянном объеме). В случае если концентрация раствора постоянна, количество катионов, вытесняемых из почвы в раствор, возрастает с увеличением объема последнего;

● закон скорости – реакции обменной адсорбции происходят быстро (равновесие устанавливается в течение нескольких минут);

● закон энергии – энергия адсорбционного поглощения почвой разных катионов неодинаковая и зависит от их валентности, а в пределах одной валентности – от атомной массы и ионного радиуса. Ряд энергии поглощения катионов в большинстве почв следующий (К.К.Гедройц):

Li + + + + 2 + + 2 + 2 + 3 + 3 + .

Поглощение анионов идет всегда в обмен на ОН-группы почвенных коллоидов и зависит от природы аниона, реакции среды и состава коллоидов. Обмен анионов происходит в том случае, если в почве есть «+» заряженные коллоиды (гидроксиды полуторных оксидов) или «+» заряженные участки отрицательных коллоидов (минералы группы каолинита, вещества белковой природы). Поэтому в тех почвах, где много базоидов (дерново-подзолистые, красноземы), при уменьшении рН почвы или увеличении в почве содержания Fe и Al обмен анионов возрастает. В почвах, имеющих нейтральную или щелочную реакцию, обмен анионов выражен очень слабо.

В почвенном растворе присутствуют две группы анионов, которые отличаются по характеру поглощения: 1) NO₃ – , NO₂ – , Cl – – в пределах возможных в почвах реакций не поглощаются почвой, так как легкорастворимы, закрепляются только биологическим путем; 2) SO₄ 2– , CO₃ 2– , PO₄ 3– – поглощаются химическим и физико-химическим путем. Особенно большое значение имеет поглощение фосфат-иона почвой, так как, с одной стороны, он становится недоступным для растений, с другой стороны, он извлекается из геологического круговорота и удерживается в почве. Поэтому фосфорные удобрения вносят в почву в гранулированном виде.

§3. Состав поглощенных катионов, емкость катионного обмена и степень насыщенности почв основаниями

Почвенный поглотительный комплекс всегда насыщен катионами, но их состав и количество неодинаковы в разных почвах. Важнейшей характеристикой ППК и почвы в целом является емкость катионного обмена (емкость поглощения) (ЕКО) – общее количество поглощенных катионов, находящихся в почве и способных к обмену. Выражается в мг·экв/100 г почвы и обозначается Т (Е), зависит от типа почвы, минералогического состава, гранулометрического состава, количества гумуса и реакции среды. Чем больше в почве глинистых минералов и гумуса, чем ближе к нейтральной реакция почвы, тем больше ЕКО. Песчаные малогумусные почвы имеют самую низкую емкость поглощения – 1 – 5, супесчаные – 7 – 8, суглинистые – 15 – 18, глинистые – 25 – 30 мг·экв/100 г. В гумусовых горизонтах ЕКО выше, чем в нижележащих горизонтах. В верхнем горизонте черноземов она достигает 50 – 60 мг·экв/100 г, так как здесь много гуминовых кислот, ЕКО которых в чистом виде – 350 – 400 мг·экв/100 г.

Емкость катионного обмена варьирует в широких пределах и ее величина в различных типах почв представлена в таблице 6.

Различные почвы существенно отличаются друг от друга по качественному составу поглощенных катионов, который обусловлен условиями почвообразования, водно-солевым режимом почв и хозяйственной деятельностью человека. В составе ППК находятся практически все катионы, необходимые для питания растений, но их доля от общего количества поглощенных катионов невелика – несколько процентов. Общее содержание всех обменных катионов, кроме Н + и Al 3+ , называют суммой обменных оснований (S). В зависимости от наличия поглощенного водорода и алюминия почвы подразделяют на насыщенные и ненасыщенные основаниями.

Емкость катионного обмена в различных типах почв

Источник

Лекция 2в — Емкость поглощения и состав поглощенных катионов в различных почвах

Емкость поглощения показывает, сколько катионов в поглощенном состоянии содержит данная почва и в значительной степени зависит от рН почвы, от количества и качественного содержания коллоидных фракций почвы. Она рассчитывается по формуле:

Т – емкость поглощения, мг . экв/100 г почвы

S – сумма поглощенных оснований, мг . экв/100 г почвы

Нг – гидролитическая кислотность, мг . экв/100 г почвы

Величина емкости поглощения характеризует поглотительную способность почв. Очень высокой Т обладают илистые почвы, меньшей — песчаные. Кислые почвы имеют низкую емкость поглощения, а нейтральные – более высокую. Почвы, содержащие в поглощенном состоянии Са 2+ , Мg 2+ , К + , Nа + , NН₄ +, называются насыщенными основаниями, а почвы, в которых наряду с перечисленными катионами в значительных количествах присутствуют Н + и Аl 3+ — ненасыщенными. В большинстве почв в составе поглощенных катионов преобладает Са 2+ , затем – Мg 2+ (в сумме они обычно составляют около 90% обменно-поглощенных катионов). В значительно меньших количествах представлены К + и NН₄ + _. В кислых почвах в составе поглощенных катионов много Н + и Al 3+ , а в солонцовых – Nа + .

От состава поглощенных катионов в значительной степени зависят свойства почвы и условия роста растений. Почвы, насыщенные кальцием (черноземы), обладают хорошими физическими свойствами, имеют хорошую структуру, водный и воздушный режимы. Насыщение почвы натрием (солонцы) приводит к разрушению структурных агрегатов, ухудшению физических свойств, обеднению питательными элементами.

4.Кислотность почвы – одна из основных ее агрохимических

характеристик

Реакция почвы имеет большое значение для развития растений и почвенных микроорганизмов. Она оказывает влияние на скорость процессов, протекающих в почве; на деятельность почвенных микроорганизмов; на усвоение питательных веществ; на минерализацию органического вещества и т.д. Кислотность почвы создается наличием ионов водорода в почвенном растворе и в поглощающем комплексе. Различают актуальную (активную) и потенциальную кислотность почвы.

Актуальная кислотность.

Реакция почвенного раствора зависит от соотношения в нем ионов Н + и ОН — . Произведение концентрации этих ионов есть величина постоянная и равна 10 -14 .

Актуальная кислотность, оказывающая непосредственное влияние на развитие растений и почвенных микроорганизмов, обусловлена повышенной концентрацией ионов водорода в почвенном растворе. Она определяется в водной вытяжке из почвы и измеряется величиной рН, которая обозначает отрицательный логарифм концентрации ионов Н + в растворе. Источником свободных ионов водорода является угольная кислота и ее кислые соли. При дыхании корней и разложении органического вещества образуется углекислый газ (СО₂). При его растворении образуется угольная кислота (Н₂СО₃), которая диссоциирует на ионы Н + и НСО₃ — . В результате повышается концентрация ионов водорода в почвенном растворе и он подкисляется.

При наличии в почве большого количества поглощенных оснований (Са, Мg) и карбонатов, угольная кислота может быть нейтрализована. При наличии же в почве большого количества поглощенного натрия образуются углекислые соли натрия (NаНСО₃, Nа₂СО₃ и др.) и раствор приобретает щелочную реакцию. В природных условиях реакция почвенного раствора колеблется от рН = 3 – 3,5 (сфагновые торфа) до рН=9 – 10 (солонцовые почвы), но в растениеводческой практике в основном используются почвы с рН от 4 до 8. По степени кислотности почвы подразделяются на сильнокислые (рН менее 4,5), кислые (рН 4,5 – 5,5), слабокислые (рН 5,5 – 6,5) и близкие к нейтральной (рН 6,5 – 7). Подзолистые и дерново – подзолистые почвы имеют кислую или сильнокислую реакцию; выщелоченные черноземы и серые лесные почвы – слабокислую; обыкновенные черноземы — близкую к нейтральной и щелочную реакцию имеют южные черноземы и каштановые почвы (рН 7,5), сероземы (рН до 8,5) и солонцы (рН до 9 и более).

С актуальной кислотностью тесно связана потенциальная (скрытая) кислотность, обусловленная наличием ионов Н + и Аl которая в свою очередь подразделяется на обменную и гидролитическую.

Обменная кислотность проявляется при обработке почвы раствором нейтральной соли (1 н. КСl) и обусловлена наличием в поглощенном состоянии ионов Н + и Аl 3+ , которые способны обмениваться на катионы нейтральной соли. Выражается в мг . экв/100 г почвы или величиной рН _ксl.

ППК] Н + + КСl = ППК]К + + НСl

В сильнокислых почвах в поглощенном состоянии присутствует много алюминия. Хлористый алюминий – гидролитически кислая соль, которая при диссоциации образует слабое основание и сильную кислоту:

Обменная кислотность свойственна кислым дерново – подзолистым, серым лесным почвам, выщелоченным и оподзоленным черноземам, красноземам. Отсутствует в щелочных почвах. Обменная кислотность имеет большое значение при внесении высоких доз растворимых минеральных удобрений. Особенно вредно действует переходящий в раствор алюминий. Во избежание подкисления почвенного раствора необходимо перед их применением известковать почву или нейтрализовать минеральные удобрения. При внесении извести необходимо нейтрализовать как актуальную, так и обменную кислотность.

Гидролитическая кислотность. Более полно ион водорода вытесняется из почвенного поглощающего комплекса (ППК) при действии на почву раствором гидролитически щелочной соли, чаще всего уксуснокислого натрия:

ППК]Н + + СН₃СООNа = ППК]Nа + + СН₃СООН

Следовательно, гидролитическая кислотность – это потенциальная кислотность почвы, обусловленная менее подвижными ионами водорода, вытесняемыми при обработке почвы гидролитически щелочной солью. Гидролитическую кислотность можно рассматривать как общую, суммарную кислотность почвы (актуальная, обменная, гидролитическая), выражая ее в мг . экв/100 г почвы. Гидролитическая кислотность присуща большинству почв, даже черноземам и отсутствует только в карбонатных и щелочных почвах. Так как она включает менее подвижную часть поглощенных ионов водорода, то при отсутствии обменной кислотности она не вредна для растений. Значение Н_г необходимо знать для установления дозы извести и возможности эффективного применения фосфоритной муки.

5.Степень насыщенности почв основаниями

Реакция почвенного раствора зависит не только от величины обменной и гидролитической кислотности, но и от того, какую долю от емкости поглощения почвы (Т, мг . экв/100 г) занимают поглощенные водород и алюминий, и какая доля приходится на остальные катионы (Са 2+ , Мg 2+ , Nа + , К + и др.). Количество всех поглощенных катионов, кроме водорода и алюминия называется суммой поглощенных оснований, обозначается буквой S и выражается в мг . экв/100 г почвы. Общую емкость поглощения дает сложение суммы поглощенных оснований (S) и поглощенного водорода (гидролитической кислотности):

Доля суммы поглощенных оснований (S) от емкости поглощения (Т), выраженная в процентах, называется степенью насыщенности почвы основаниями (V):

V=S/T х 100 V=S/S + H_г х 100

Величина степени насыщенности почвы основаниями – важный показатель для характеристики поглотительной способности и степени кислотности почв. Ее определение позволяет точнее решать вопрос о необходимости (очередности) известкования. Не всегда при большей абсолютной величине гидролитической кислотности почва сильнее нуждается в известковании и не всегда равные величины Н г свидетельствуют об одинаковой нуждаемости почв в известковании. В первую очередь известкуют почвы со степенью насыщенности основаниями менее 50 %, во вторую – 50 – 70%, почвы с V% более 70% — не известкуют. Следовательно, чем меньше степень насыщенности почвы основаниями (при одинаковой абсолютной величине кислотности), тем сильнее ее нуждаемость в известковании.

6. Буферная способность почв.

Буферная способность почвы – это способность почвы противостоять изменению реакции почвенного раствора в сторону подкисления или подщелачивания. Буферность почвы зависит от количества и качества органического вещества почвы, так как его карбоксильные группы (СООН) противостоят подщелачиванию, а аминогруппы (NН₂) – подкислению. Богатые органическим веществом почвы имеют высокую буферную способность против подкисления и подщелачивания одновременно.

Буферная способность почв зависит также от содержания и состава обменных катионов в почвенном поглощающем комплексе, т.е. от емкости поглощения и степени насыщенности почв основаниями. Чем больше емкость поглощения, тем больше буферность почвы и наоборот. Поглощенные основания (Са, Мg и др.) оказывают буферное действие против подкисления:

Поглощенный водород оказывает буферное действие против подщелачивания. Роль буфера в почве выполняют также слабые кислоты (угольная, уксусная и др.) и их соли. Почвы, богатые карбонатами – буферят против подкисления.

Буферная способность почв имеет большое значение при выборе форм и внесении в почву минеральных удобрений. На почвах с низкой буферностью при внесении кислых и щелочных удобрений возможны резкие сдвиги реакции почвенного раствора, что неблагоприятно сказывается на растениях и почвенной микрофлоре.

Источник