Материальным носителем обменной способности почв является

Материальным носителем обменной способности почв является почвенный поглощающий комплекс (ППК) — совокупность минеральных, органических и органо-минеральных соединений высокой степени дисперсности, нерастворимых в воде и способных к обменным реакциям. Количество поглощенных катионов зависит от величины и содержания частичек разных размеров и особенно коллоидных, т. е. от механического состава.

Общее количество поглощенных катионов или оснований выражается в миллиграмм-эквивалентах (мг-экв) на 100 г почвы. Миллиграмм-эквивалент — это частное от деления атомного веса данного элемента на валентность, выраженное в миллиграммах. Так, для Са2+ эквивалент по водороду равен 20,04 мг, а для Mg2+— 12 мг. Для пересчета на 100 г почвы 100 делят на величину навески, взятой для определения, и общее количество оснований или сумму поглощенных катионов, определенных в опыте, умножают на полученное число. Количество поглощенных катионов (ионов) зависит также от минералогического состава. Так, каолин, гидрослюда могут удержать 20, серицит 20—40, монтмориллонит 60—100 мг-экв на 100 г почвы. Наибольшей же поглотительной способностью обладает органическое вещество почвы. Например, гумус поглощает до 180, а гуминовые кислоты — до 286 мг-экв катионов на 100 г почвы. Таким образом, общее количество катионов и анионов почвы зависит в основном от механического, минералогического состава почв и содержания в них органического вещества. Чем больше содержится в почве илистых частиц, тем больше ионов удерживается в поглощенном состоянии.

Совокупность минеральных и органических частиц менее 0,001 мм, придающих почвам поглотительную способность, называется почвенным поглощающим комплексом (ППК). Максимально возможное количество катионов, которое может сорбировать почва, называется емкостью поглощения и обозначается буквой Е. Для различных почв емкость поглощения различна:

у песчаных почв она равна 1—5 мг-экв,
супесчаных 7—8,
суглинистых — от 7—8 до 15—18,
глинистых — от 15 до 30 мг-экв и выше,
у суглинистых подзолов колеблется в пределах 12—18,
у дерново-подзолистых почв 16—25, серых лесных 18—30 и черноземов 30—50 мг-экв на 100 г почвы.

Емкость поглощения складывается из двух величин:

суммы поглощенных оснований S, куда входят главным образом Na+, К+, Mg2+, Са2+,
поглощенного Н+, содержание которого обозначается буквой Н.

Как и емкость поглощения, S и Н выражаются в мг-экв на 100 г почвы. Таким образом, E = S + H.

В зависимости от соотношения суммы поглощенных оснований и содержания обменного водорода различают почвы:

Насыщенные,
не насыщенные основаниями.

Почвы, не насыщенные основаниями, содержат в поглощающем комплексе большое количество обменного водорода и алюминия и называются кислыми— это подзолы, дерново-подзолистые, серые лесные и другие почвы. Почвы, у которых сумма поглощенных оснований Са2+, Mg2+ и Na+ равна емкости поглощения, называются насыщенными основаниями — черноземы, сероземы, солонцы, каштановые почвы.

Насыщенные основаниями почвы могут быть нейтральными и щелочными в зависимости от содержащихся в них обменных катионов. Почвенный поглощающий комплекс, насыщенный достаточно большим количеством положительно заряженных гидроокисей железа, алюминия и углекислого кальция, обеспечивает физико-химическое поглощение анионов. Поглощение анионов происходит неодинаково, менее всего поглощаются ионы С1-, а также N03- а затем по мере увеличения S042-, РО43- и ОН-, т. е. чем больше валентность аниона и его величина, тем сильнее он поглощается. Исключение составляет только гидро-ксильная группа (ОН-). Таким образом, в почвах находятся в поглощенном состоянии соединения серы, фосфора и в меньших количествах — азота и хлора.

Однако почвенный поглощающий комплекс преимущественно состоит из отрицательно заряженных частиц и поэтому поглощаются в основном катионы. Почвы, насыщенные катионом водорода,— это кислые почвы с непрочной комковато-пылеватой структурой, расплывающейся под влиянием воды. Коллоиды этих почв гидрофильны, частично обратимы.

Катион Н+ не используется как элемент питания и нередко подавляет жизнь микроорганизмов и растений.

Катион алюминия в подвижной форме ядовит для растений, придает почвам кислые свойства, однако является хорошим коагулятором и способствует образованию прочной структуры.

Натрий — катион, придающий среде щелочную реакцию, в больших количествах вызывает гибель растений, разрушает почвенную структуру, диспергирует ее; коллоиды натрия гидрофильны, подвижны, соли натрия растворимы.

Катионы кальция и магния преобладают в поглощающем комплексе черноземных почв и придают им реакцию близкую к нейтральной. Они хорошие коагуляторы, способствующие закреплению органических веществ в почвах. Коллоиды их гидрофильны, необратимы. Катионы кальция и магния способствуют образованию водопрочной почвенной структуры.

Катион железа входит в почвенный поглощающий комплекс кислых почв. Он хороший коагулятор, придает прочность почвенной структуре, образует с анионами фосфорной кислоты плохо диссоциирующие и малорастворимые соединения.

Источник

16. Почвенно-поглощающий комплекс

у песчаных почв она равна 1—5 мг-экв,
супесчаных 7—8,
суглинистых — от 7—8 до 15—18,
глинистых — от 15 до 30 мг-экв и выше,
у суглинистых подзолов колеблется в пределах 12—18,
у дерново-подзолистых почв 16—25, серых лесных 18—30 и черноземов 30—50 мг-экв на 100 г почвы.

Емкость поглощения складывается из двух величин:

суммы поглощенных оснований S, куда входят главным образом Na+, К+, Mg2+, Са2+,
поглощенного Н+, содержание которого обозначается буквой Н.

Как и емкость поглощения, S и Н выражаются в мг-экв на 100 г почвы. Таким образом, E = S + H.

В зависимости от соотношения суммы поглощенных оснований и содержания обменного водорода различают почвы:

Насыщенные,
не насыщенные основаниями.

Катион Н+ не используется как элемент питания и нередко подавляет жизнь микроорганизмов и растений.

Источник

Материальным носителем обменной способности почв является

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