Физическое поглощение почвы это

Лекция 2б — Виды поглотительной способности почвы, их роль во взаимо-действии почвы с удобрениями и в питании растений

Поглотительная способностью почвы — способность ее поглощать различные вещества из раствора, проходящего через нее и удерживать их. К.К.Гедройц различал пять видов поглотительной способности почв: механическую, физическую (адсорбцию), химическую, физико – химическую (обменную) и биологическую.

Механическая поглотительная способность – свойство почвы, как пористого тела, не пропускать через себя частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, если они больше, чем поры почвы. Механическое поглощение сохраняет от потерь наиболее ценную, коллоидную часть почвы. Чем тяжелее механический состав почвы, тем больше задерживается коллоидных частиц.

Физическая поглотительная способность возникает на границе почвенных коллоидных частиц и почвенного раствора и зависит от суммарной поверхности твердых частиц. Чем больше в почве мелкодисперсных частиц, тем больше суммарная поверхность и тем сильнее физическое поглощение. Различают положительную и отрицательную адсорбцию. При положительной молекулы растворенного вещества притягиваются частицами почвы сильнее, чем молекулы воды; на поверхности коллоидных частиц создается повышенная концентрация этого вещества. Физически поглощаются многие органические соединения — спирты, органические кислоты и основания. Из минеральных веществ — только щелочи. Отрицательная адсорбция характерна для растворимых минеральных солей и неорганических кислот, например при взаимодействии почвы с хлором и нитратами, что обусловливает их высокую подвижность. Для хлоридов это имеет положительное значение, так как их избыток вреден для растений. Поэтому хлорсодержащие удобрения предпочтительно вносить с осени, чтобы хлор хотя бы частично вымывался из пахотного слоя почвы. Для нитратов такое вымывание нежелательно, поэтому нитратные удобрения лучше вносить весной, незадолго до посева или в подкормку. Промываемость нитратов будет определяться структурой почвы. Наличие устойчивых капилляров ведет к потерям нитратов. При бороновании происходит разрушение капилляров и потери NО₃ уменьшаются.

Химическая поглотительная способность связана с образованием трудно- или нерастворимых в воде соединений при взаимодействии ионов растворенных веществ (в т.ч. удобрений) с ионами почвы. Эти соединения выпадают в осадок и примешиваются к твердой фазе почвы. Химическое поглощение характерно для Н₃РО₄, ионов СО₃ и SО₄, катионов Са и Мg.

Минеральные кислоты, встречающиеся в почве, обладают различной способностью образовывать нерастворимые в воде соли. Анионы азотной и соляной кислот (NО₃ — и Сl — ) с почвенными катионами (К, Са, Мg, Аl, Fе, NН₄) не образуют нерастворимых в воде соединений, химически не поглощаются. С этим связана высокая подвижность NО₃ и Сl в почве (соли КNО₃, NН₄Сl растворимы в воде). Анионы угольной и серной кислот (СО₃ 2- и SО₄ 2- ):

1) с одновалентными катионами образуют растворимые соли (К₂SО₄, Nа₂СО₃);

2) с двухвалентными катионами образуют труднорастворимые соединения (СаSО₄, СаСО₃). Поэтому в почвах с большим количеством кальция и магния (черноземы) эти анионы химически поглощаются.

Анионы фосфорной кислоты (Н₂РО₄ — , НРО₄ 2- , РО₄ 3- ) поглощаются почвой по-разному:

1)С одновалентными катионами образуют хорошо растворимые в воде соединения: КН₂РО₄ К₂НРО₄ К₃РО₄

2)С двухвалентными катионами образуют соли различной растворимости:

СаНРО₄ — нерастворимое в воде, но растворимо в слабых кислотах

Са₃(РО₄)₂ – нерастворимое в воде и слабых кислотах соединение

3)С трехвалентными катионами (Аl, Fе) образуют труднорастворимые соединения (АlРО₄, FеРО₄), доступные растениями только в свежеосажденном виде. Поскольку в почвах мало фосфорных соединений одновалентных катионов и однозамещенных солей двухвалентных катионов, следовательно, Н₃РО₄ хорошо поглощается химически. Это играет большую роль в превращении водорастворимых фосфорных удобрений в почве.

Химическое поглощение фосфорных соединений на различных почвах протекает по-разному:

1)В почвах с нейтральной и слабощелочной реакцией (черноземы, сероземы)

химическое поглощение фосфорной кислоты и ее водорастворимых солей

происходит в результате образования не растворимых в воде, но растворимых в слабых кислотах фосфатов кальция, которые усваиваются растениями:

2)Если в почвах много карбонатов, образуются трехзамещенные фосфаты кальция, не растворимые в воде и слабых кислотах — Са₃(РО₄)₂

При подкислении почвенного раствора (например, под влиянием азотной кислоты, образующейся в результате нитрификации) трехзамещенные фосфаты снова переходят в однозамещенные, растворимые в воде и доступные для растений:

3)На кислых почвах, в которых много свободных полуторных окислов, поглощение Н₃РО₄ идет по пути образования фосфатов алюминия и железа:

Свежеосажденные фосфаты алюминия и железа аморфны и могут усваиваться растениями. По мере старения осадков образуются нерастворимые соединения. Поэтому фосфаты в дерново-подзолистых почвах и красноземах закрепляются значительно прочнее, чем в черноземах и сероземах. Интенсивное химическое поглощение солей фосфорной кислоты обусловливает слабую подвижность фосфатов в почве и снижение доступности фосфора для растений. С целью снижения этого процесса проводят грануляцию фосфорных удобрений и их локальное внесение.

Обменная поглотительная способность почв (физико-химическое поглощение). Она имеет большое значение для поглощенных катионов, а анионы обменно практически не поглощаются. Обменное поглощение катионов – способность мелкодисперсных коллоидных частиц почвы, имеющих отрицательный заряд, поглощать различные катионы из раствора. При этом в раствор вытесняется эквивалентное количество ранее поглощенных твердой фазой почвы других катионов. Обменное поглощение катионов определяет физические и физико-химические свойства почвы: ее структуру, реакцию, буферность. Обменное поглощение связано с органическими и минеральными коллоидами почвы. Обменно поглощаются практически все минеральные удобрения.

Суть физического поглощения состоит в том, что происходит молекулярная адсорбция внесенных удобрений; а химическое поглощение заключается в том, что кальций и калий (в данном случае) обмениваются в эквивалентных количествах. Реакция обмена с ППК происходит очень быстро.

Разные катионы с неодинаковой энергией поглощаются почвой и удерживаются ею в поглощенном состоянии. Чем больше атомная масса и заряд катиона, тем сильнее он поглощается и труднее вытесняется из почвы другими катионами. Однако водород, имеющий наименьшую атомную массу и валентность, обладает высокой энергией поглощения и способностью вытеснять из ППК другие катионы.

Биологическая поглотительная способность почв – это свойство почвы задерживать и накапливать питательные вещества в корнеобитаемом слое в результате биологической деятельности живых организмов и корневой системы растений. Отличительная особенность биологического поглощения – его избирательность. Растения и микроорганизмы усваивают из почвы и удобрений те элементы, которые им необходимы для построения их тел. К биологическому поглощению относятся: 1)процессы переноса корнями ряда растений питательных элементов из нижних горизонтов почвы в верхний слой. Поэтому, в частности, в пахотном слое почвы содержится больше фосфора, чем в материнской породе. 2)Фиксация азота из воздуха свободноживущими и симбиотическими микроорганизмами. 3)Иммобилизация — закрепление питательных веществ в телах микроорганизмов в процессе их жизнедеятельности. Процесс этот обратимый, и после отмирания микроорганизмов и минерализации их плазмы питательные элементы возвращаются в почву. В зависимости от конкретных условий биологическое поглощение может играть положительную или отрицательную роль в питании растений. С одной стороны, временное закрепление нитратов корневой системой и микроорганизмами уменьшает их потери от вымывания. С другой – при усиленном размножении микроорганизмов происходит их конкуренция с высшими сельскохозяйственными растениями за элементы пищи. Поэтому не рекомендуется вносить в почву слаборазложившийся навоз.

Необменное поглощение. Наряду с вышеуказанными видами поглотительной способности почв имеется так называемое необменное поглощение катионов, которое в значительной мере определяется механическим и минералогическим составом почвы и имеет место у минералов группы монтмориллонита и гидрослюд с трехслойной кристаллической решеткой. Необменное поглощение характерно для NН₄, К, Rb, Сs. Калий и аммоний в условиях попеременного увлажнения и высушивания переходят в необменно-поглощенное состояние, при этом аммоний слабо (на 10 – 20%) доступен нитрифицирующим бактериям. На черноземных почвах необменная фиксация выражена сильнее. Для уменьшения этого явления калийные и аммонийные удобрения следует вносить в слой постоянного увлажнения, предпочтительно локально – для уменьшения контакта с почвой.

Источник

Поглотительная способность почв

Способность почвы поглощать ионы и молекулы различных веществ из растворов и удерживать их называется поглотительной способностью почвы. Большой вклад в изучение поглотительной способности почвы внес К. К. Гедройц. В его трудах исследование поглотительной способности почв тесно увязано с многочисленными теоретическими и практическими вопросами применения удобрений, питания растений, химической мелиорации почв и т. д. К. К. Гедройц выделил пять видов поглотительной способности почв: механическую, физическую, химическую, физико-химическую, или обменную, и биологическую.

Механическая поглотительная способность – это наиболее простой вид поглощения, которое происходит благодаря наличию в почве тончайших пор и капиллярных ходов. Мелкие твердые частицы, взвешенные в фильтрующейся через почву воде, задерживаются, т. е. механически поглощаются. Механическая поглотительная способность зависит от гранулометрического и агрегатного состава почвы и ее сложения, у песчаных почв она минимальная, у глинистых – максимальная. Механически первоначально поглощаются фосфоритная мука, известковые удобрения (любой степени измельчения), микроорганизмы.

Физическая поглотительная способность почвы – это способность ее положительно или отрицательно адсорбировать газы, молекулы солей, спиртов, щелочей и других веществ. Растворенное вещество притягивается или отталкивается поверхностью твердых частиц почвы Интенсивность физического поглощения прямо зависит от количества мелкодисперсных частиц в почве и считается положительным, когда молекулы растворенного вещества притягиваются частицами почвы сильнее, чем молекулы воды, и отрицательным, если сильнее притягиваются молекулы воды. Положительное физическое поглощение аммиака почвой происходит при внесении безводного аммиака или аммиачной воды, отрицательное – растворов нитратов или хлоридов. Это обусловливает высокую подвижность последних в почве, что необходимо учитывать при внесении, нитратных и хлорсодержащих минеральных удобрений. Нитратные минеральные удобрения следует вносить ближе к посеву или в подкормку, а содержащие много хлора – с осени, чтобы произошло хотя бы частичное вымывание хлора, так как большинство культур отрицательно реагирует на хлор.

Химическая поглотительная способность почвы – это способность почвы удерживать некоторые ионы путем образования труднорастворимых или нерастворимых в воде соединений в результате химических реакций, происходящих в почве. Наибольшее значение химическое. поглощение имеет при превращении соединений фосфора в почве.

Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность – это способность мелкодисперсных коллоидных частиц почвы (от 0,00025 мм до 0,001 мм), несущих отрицательный заряд, поглощать различные катионы из раствора, причем поглощение одних катионов сопровождается вытеснением в раствор эквивалентного количества других, ранее поглощенных твердой фракцией почвы. Совокупность мелкодисперсных почвенных частиц, обладающих обменной поглотительной способностью К. К. Гедройц назвал почвенным поглощающим комплексом (ППК).

Почвенные коллоиды подразделяются на органические, минеральные и органоминеральные. Органические коллоиды представлены гумусовыми веществами (гуминовые кислоты, фульвокислоты и их соли), минеральные – глинистыми минералами, как кристаллическими, так и аморфными соединениями (кремниевая кислота, гидраты полуторных окислов).

Способность органических коллоидов и минералов глин к обменному поглощению катионов обусловлена их отрицательным зарядом. Поэтому поглощаются катионы солей (удобрений). Положительный заряд имеют коллоидные гидроокиси железа и алюминия, тогда обменно поглощаются анионы NO ₃ — , Н₂РО₄ — , S 0₄ -2 . 0бменно поглощаются в почве калийные и многие азотные удобрения.

Обменная поглотительная способность имеет большое значение для питания растений и применения удобрений. Поглощенные ППК катионы доступны для растений в обмен на Н + , получаемый при диссоциации Н₂СО₃ = СО₃ — +Н + +НСО₃ — , которая выделяется при дыхании корней растений.

Поскольку поглощенный калий слабо вымывается из почвы, то дозы калийных удобрений можно вносить большие (в запас) и повышать содержание калия в почве.

Закономерности обменного поглощения катионов:

реакция обмена между ППК и катионами солевых растворов протекает в эквивалентных соотношениях;

реакция обмена катионов обратима, т. е. поглощенный катион может быть снова вытеснен в раствор:

(ППК) Н+КС l = (ППК) К+НС l ,

(ППК) Са+2КС l = (ППК) К+ CaCl ₂,

при постоянной концентрации раствора количество катионов, вытесняемых из почвы в раствор, увеличивается с увеличением объема раствора;

при постоянном объеме раствора количество катионов, вытесняемых из почвы в раствор, повышается с увеличением концентрации раствора вытесняющей соли;

реакции обменного поглощения в почвах подчиняются закону действующих масс: чем выше концентрация катионов в растворе и чем ниже содержание катионов в ППК, тем больше катионов поглотится почвой;

реакции обмена катионов при взаимодействии почвы с раствором протекают с большой скоростью, так как обмен катионов происходит на поверхности коллоидных частиц почвы;

разные катионы поглощаются почвой и удерживаются в поглощенном состоянии с неодинаковой энергией. Чем больше атомная масса и заряд катиона, тем сильнее он поглощается и труднее вытесняется из почвы другими катионами.

Двухвалентные и трехвалентные катионы несут большие, электрические, заряды и поэтому значительно сильнее притягиваются коллоидными частицами, чем одновалентные. При одинаковой валентности энергия поглощения катионов тем выше, чем больше их атомная масса, так как атомная масса и гидратация катиона находятся в обратной зависимости. Например, к Н + присоединяется 1 молекула воды, к NH ₄ + – 4,4 молекулы воды, к Na 8,4 молекулы воды. Слабогидратированные катионы сильнее притягиваются поверхностью коллоида.

По возрастающей способности к поглощению катионы располагаются в следующем порядке: Li ; Na ; NH 4; К; Rb ; Cs ; Mg ; Ca ; Ba ; Cd ; Со; Al ; Fe . Исключение составляет ион Н + . Он имеет наименьшую атомную массу, но обладает высокой энергией поглощения и способностью вытеснять из поглощающего комплекса другие катионы.

По данным К. К. Гедройца, энергия поглощения Н + в 4 раза больше, чем Са 2+ , и в 17 раз больше, чем Na + . Это связано с тем, что в водных растворах ион водорода присоединяет молекулы воды и образует ион гидроксония ( H ₃ O + ), диаметр которого значительно меньше всех других гидратированных ионов. Катионы калия, аммония, рубидия и цезия могут частично закрепляться (фиксироваться) почвами в необменной форме. Это связано с тем, что они проникают внутрь кристаллической решетки минералов, входящих в поглощающий комплекс. Связано это с радиусом катиона. Радиус катиона К + = 1,33 А о , радиус NH ₄ + = 1,43 A о .

Степень необменной фиксации катионов зависит от гранулометрического и минералогического состава почвы. У черноземов она значительно больше, чем у дерново-подзолистых почв. Необменная фиксация катионов возрастает при периодическом увлажнении и высушивании почвы. Поэтому калийные удобрения для уменьшения необменной фиксации калия рекомендуется заделывать вспашкой в глубокий, непересыхающий слой почвы или вносить лентами, перемешивая с меньшим объемом почвы. Предпочтительнее гранулированные калийные удобрения.

Биологическая поглотительная способность почвы состоит в том, что азот и зольные элементы удерживаются почвой в составе органических веществ, образуемых растениями и почвенными микроорганизмами, благодаря чему эти питательные элементы не вымываются из почвы. Биологическое поглощение играет важную роль в превращении нитратных соединений азота в почве. Так, легкорастворимые соли азотной кислоты удерживаются в почве главным образом будучи усвоенными микроорганизмами. После их отмирания и минерализации они вновь становятся доступными для растений. В среднем на площади 1 га микроорганизмы могут удерживать до 125 кг азота, 40 – фосфора и 25 кг калия.

Эта же способность почвы может иметь и отрицательные последствия. Если в почву вносится много богатого клетчаткой, но бедного азотом органического вещества (солома; навоз, содержащий много соломы), то микроорганизмы, будучи конкурентами растений, используя клетчатку в качестве энергетического материала, будут интенсивно размножаться и потреблять много азота из почвы. Азотное питание растений может ухудшиться. Поэтому при запашке соломы на удобрение в почву необходимо вносить в расчете на каждую ее тонну 10–12 кг азота или же высевать зернобобовые культуры или высаживать картофель, так как эти культуры снижают урожайность в меньшей степени, чем зерновые.

Источник