Поглотительной способностью почвы называют

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

Поглотительной способностью почвы называют

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