Поглотительная способность почв - способность почвы поглощать ионы и молекулы различных веществ из раствора и удерживать их.
Это свойство почвы было известно давно, однако сущность этого явления была теоретически разработана и освещена только в начале XX столетия К.К. Гедройцем.
Результаты своих исследований К.К. Гедройц обобщил в монографии "Учение о поглотительной способности почв" (1922). При жизни автора монография с дополнениями переиздавалась три раза. Четвёртое издание вышло уже после смерти автора в 1933 году.
Виды поглотительной способности
Согласно К.К. Гедройцу различают пять видов поглотительной способности:
1) механическую, 2) биологическую, 3) физическую, 4) химическую, 5) физико-химическую.
Механическая поглотительная способность
Этот вид поглощения связан с наличием в почве тончайших пор и капиллярных ходов. Почва, как всякое пористое тело, способна задерживать мелкие твёрдые частицы, взвешенные в фильтрующейся через неё воде.
Значение:
- механическая поглотительная способностью обусловливает сохранение в почве наиболее ценной коллоидной фракции;
- вносимые в почву тонкоразмолотые удобрения (например, фосфоритная мука) не вымываются из её верхнего слоя, вследствие их механического поглощения.
Биологическая поглотительная способность
Этот вид поглотительной способности связан со способностью живых организмов, населяющих почву, поглощать различные соединения и элементы. Биологическая поглотительная способность характеризуется высокой избирательностью поглощения. Усваиваются только необходимые живым организмам вещества, даже при их малом содержании в почвенном растворе на фоне высокого содержания других соединений. После отмирания и разложения растений важнейшие элементы питания остаются в верхних горизонтах почвенного профиля, где их используют растения и микроорганизмы следующих поколений, предотвращая их вымывание.
Значение:
- особое значение биологическая поглотительная способность имеет на почвах лёгкого гранулометрического состава, где проявление других видов поглотительной способности ограничено.
- благодаря биологической поглотительной способности верхние горизонты почв обогащаются азотом, фосфором, калием и другими биофильными элементами;
Физическая поглотительная способность
Под физической поглотительной способностью понимают способность почвы изменять концентрацию молекул различных веществ у поверхности соприкосновения тонкодисперсных частиц с почвенным раствором.
Физическое поглощение зависит, главным образом, от суммарной поверхности твёрдых частиц почвы. Общая поверхность частиц резко увеличивается с уменьшением их размера.
Различают положительную и отрицательную молекулярную сорбцию.
Положительная молекулярная сорбция проявляется в том случае, когда молекулы растворённого вещества притягиваются частицами почвы сильнее, чем молекулы воды. В этом случае, у самой поверхности частиц, в плёнке окружающего их раствора, создаётся повышенная концентрация этого вещества, а на некотором расстоянии от поверхности частиц концентрация будет ниже. Таким образом поглощаются молекулы многих органических соединений: спиртов, органических кислот и оснований, высокомолекулярных органических веществ. Из молекулярных соединений, по К.К. Гедройцу, почва положительно поглощает физически только щёлочи.
Отрицательная молекулярная сорбция проявляется в том случае, когда при взаимодействии нейтральных солей с частицами почвы сильнее притягиваются к их поверхности молекулы воды. Поэтому в растворе, непосредственно прилегающем к поверхности почвенных частиц, концентрация солей будет ниже, чем в окружающем растворе.
Отрицательное физическое поглощение наблюдается при взаимодействии почвы с растворами хлоридов и нитратов. Например, если сухую почву промывать раствором NaNO₃, то в промывных водах концентрация нитратов не только не снизится, но, наоборот, даже возрастёт. Это объясняется тем, что почва адсорбирует воду и, следовательно, одно и тоже количество нитрата будет содержаться в меньшем объёме профильтровавшейся жидкости.
Отрицательное физическое поглощение хлоридов и нитратов обуславливает их высокую подвижность в почве. Они легко передвигаются в ней вместе с почвенной влагой. При повышенной влажности из почвы, не занятой растительностью, возможно вымывание хлоридов и нитратов в нижележащие слои и даже грунтовые воды, что необходимо учитывать при внесении удобрений.
Химическая поглотительная способность (хемосорбция)
Это способность почвы удерживать некоторые ионы путём образования в результате химических реакций между отдельными солями нерастворимых или труднорастворимых в воде соединений.
Например, при взаимодействии растворимого фосфата аммония с бикарбонатом кальция образуется малорастворимый дифосфат кальция и анионы фосфорной кислоты переходят из почвенного раствора в твёрдую фазу почвы:
Химическое поглощение тех или иных ионов в почве зависит от их способности образовывать нерастворимые или труднорастворимые соли при взаимодействии с входящими в состав почв ионами. Анионы азотной и соляной кислот (NO₃⁻ и Cl⁻) ни с одним из распространённых в почве катионов (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Al³⁺, Fe³⁺, NH₄⁺) не образуют нерастворимых в воде соединений, поэтому химически они не поглощаются. С этим связана высокая подвижность нитратов и хлоридов в почве.
Анионы угольной и серной кислот (CO₃²⁻ и SO₄²⁻) с одновалентными катионами дают растворимые соли, с двухвалентными катионами (Ca²⁺ и Mg²⁺), которые преобладают в почвах, - труднорастворимые в воде соединения. Поэтому в почвах с большим количеством кальция или магния эти анионы химически поглощаются.
Анионы фосфорной кислоты (H₂PO₄⁻ и HPO₄²⁻) с одновалентными катионами образуют хорошо растворимые соли (KH₂PO₄, Na₂HPO₄, NH₄H₂PO₄ и др.), а с катионами кальция и магния - однозамещённые, двухзамещённые и трёхзамещённые соли, неодинаковые по растворимости. Однозамещённые фосфаты кальция и магния, например, Ca(H₂PO₄)₂, растворимы в воде, двухзамещённые фосфаты (CaHPO₄) и трёхзамещённые фосфаты - Ca₃(PO₄)₂ малорастворимы. С трёхвалентными катионами алюминия и железа фосфорная кислота также образует малорастворимые соединения.
Химическое поглощение фосфорной кислоты в почвах связано с образованием труднорастворимых или нерастворимых солей с двухвалентными или трёхвалентными катионами - кальцием, магнием, железом и алюминием. Оно играет очень важную роль в превращении водорастворимых форм фосфорных удобрений в почве.
В почвах с нейтральной или слабощелочной реакцией, содержащих обменнопоглощённый кальций или бикарбонат кальция в почвенном растворе (чернозёмы, серозёмы), химическое закрепление фосфорной кислоты и её водорастворимых солей происходит в результате образования слаборастворимых фосфатов кальция и магния. Так, при внесении в чернозёмы и серозёмы водорастворимого однозамещённого фосфата кальция (Суперфосфата Ca(H₂PO₄)₂) идут следующие реакции:
Водорастворимые соли фосфорной кислоты могут химически поглощаться в почве и при взаимодействии их с обменно поглощённым кальцием:
В зависимости от количества в почве водорастворимого или обменно поглощённого кальция образуется CaHPO₄ или Ca₃(PO₄)₂. Двухзамещённый фосфат кальция (CaHPO₄) хорошо растворяется в слабых кислотах и поэтому усваивается растениями. Трёхзамещённый фосфат кальция значительно слабее растворяется, поэтому при его образовании доступность фосфорной кислоты для растений снижается. При подкислении почвенного раствора труднорастворимые фосфаты кальция постепенно растворяются. Так, трёхзамещённый фосфат кальция при взаимодействии с азотной кислотой, образующейся в процессе нитрификации, превращается в растворимый однозамещённый фосфат кальция:
В кислых дерново-подзолистых почвах и краснозёмах, содержащих много свободных полуторных оксидов, химическое поглощение фосфорной кислоты идёт преимущественно по пути образования фосфатов алюминия и железа:
Свежеосаждённые фосфаты алюминия и железа могут усваиваться растениями, но при старении осадков они кристаллизуются и становятся менее растворимыми и слабо доступными для растений. Поэтому фосфорная кислота в краснозёмах и дерново-подзолистых почвах закрепляется прочно и значительно сильнее, чем в серозёмах и чернозёмах.
Интенсивное химическое поглощение фосфорной кислоты обусловливает слабую подвижность фосфатов в почве и снижает доступность для растений фосфора из фосфорных удобрений. По интенсивности химического поглощения фосфорной кислоты почвы располагаются в такой последовательности: чернозёмы < серозёмы < дерново-подзолистые почвы < краснозёмы.
Значение:
- химическая поглотительная способность - важнейший фактор аккумуляции в почвенном профиле органического вещества, анионов фосфорной кислоты, многих катионов, в том числе и микроэлементов.
- в результате хемосорбции в почвах накапливаются гипс, карбонаты и другие соединения.
Физико-химическая поглотительная способность
Физико-химическая (обменная) поглотительная способность – способность мелкодисперсных коллоидных частиц почвы поглощать различные катионы из раствора. При этом поглощение одних катионов сопровождается вытеснением в раствор эквивалентного количества других, ранее поглощённых твёрдой фазой почвы.
Так, если почву, насыщенную кальцием, обработать раствором хлористого калия, то катионы калия из раствора поглотятся почвой и одновременно из твёрдой фазы её перейдёт эквивалентное количество катионов кальция; в растворе вместо КСl появится СаСl₂:
Поскольку в данном случае происходит обмен катионов, то поглощение такого типа называют обменным поглощением катионов, а способность почвы к реакциям обменного поглощения называют обменной поглотительной способностью.
Для катионного обмена в почвах характерны следующие закономерности:
- эквивалентность и полная обратимость обмена между поглощёнными катионами твёрдой фазы почвы и катионами почвенного раствора;
- при одинаковой концентрации ионов в растворе энергия их поглощения возрастает с увеличением валентности иона. Это связано с тем, что по мере увеличения валентности катионы образуют с анионами потенциалопределяющего слоя (COO⁻, SiO₃²⁻, AlO₂ и др.) менее диссоциированные соединения;
- у ионов с одинаковой валентностью энергия поглощения возрастает с увеличением атомной массы;
- энергия поглощения зависит от радиуса негидратированного иона. Большие гидратные оболочки уменьшают способность катионов к взаимодействию с ионами потенциал определяющего слоя.
Согласно этим закономерностям в зависимости от степени поглощения почвой катионы образуют следующий ряд:
Следует отметить, что ион водорода не имеет постоянного положения в этом ряду. Это обусловлено тем, что в водном растворе он присоединяет одну молекулу воды с образованием иона гидроксония H₃O⁺. Ион гидроксония практически не гидратируется и энергично поглощается большинством почвенных коллоидов, поскольку, поскольку со многими анионами потенциалопределяющего слоя даёт слабодиссоциированные соединения.
Отдельные компоненты почвенного поглощающего комплекса способны к избирательному поглощению катионов одного рода в ущерб катионам другого рода. Это явление называется селективностью ионного обмена. В результате проявления селективности порядок катионов в ряду поглощения может измениться. Например:
В большинстве случаев селективность (избирательность) поглощения проявляется в отношении тех катионов, радиус которых с учётом гидратной оболочки соответствует кристаллохимическим особенностям структур центров поглощения.
Значение:
- обменная поглотительная способность регулирует питательный режим почвы;
- обусловливает реакцию почвенной среды;
- влияет на буферность почвы.
Состав и строение почвенного поглощающего комплекса
Всю совокупность высокодисперсных почвенных частиц, обладающих обменной поглотительной способностью, К.К. Гедройц назвал почвенным поглощающим комплексом (ППК).
В состав ППК входят почвенные коллоиды (частицы меньше 0,0001 мм) и более крупные частицы - до 0,001 мм, которые имеют некоторые свойства, сходные со свойствами коллоидов, хотя и обладают гораздо меньшей физико-химической поглотительной способностью.
Образование коллоидов
Коллоиды образуются в процессе выветривания и почвообразования путём раздробления (диспергации) крупных частиц до коллоидных размеров, а также в результате соединения молекул и ионов до размеров коллоида. В воде коллоиды образуют коллоидные растворы или системы, состоящие из дисперсной фазы (массы коллоидных частиц) и дисперсионной среды (почвенного раствора).
Состав коллоидов
По вещественному составу коллоиды почвы бывают минеральные, органические и органно-минеральные.
Минеральные коллоиды представлены вторичными минералами. Часть из них находится в кристаллическом состоянии. Это, прежде всего, глинистые минералы: монтмориллонит, каолинит, вермикулит, гидрослюды и др. Кроме них в коллоидной фракции всегда присутствует небольшая примесь тонкодисперсных первичных минералов, главным образом кварца и слюд, не проявляющих коллоидных свойств.
Органические коллоиды состоят преимущественно из гумусовых веществ и белков. В коллоидно-дисперсном состоянии могут находиться полисахариды, лигнин и некоторые другие соединения, а также клетки наиболее мелких бактерий, диаметр которых соответствует диаметру коллоидных частиц.
Органо-минеральные коллоиды представлены соединениями гумусовых веществ с глинистыми минералами и полуторными оксидами в осаждённой форме. В почвах присутствуют и многочисленные комплексные минеральные и органно-минеральные соединения коллоидной природы, образующиеся при совместном осаждении двух или нескольких веществ. Сюда относят кремнеалюминиевые и кремнежелезистые образования, железисто-марганцевые, органо- железисто-марганцевые и другие соединения. В большинстве почв преобладают минеральные коллоиды, состав.ляющие 85-90 %их общей массы.
Строение коллоидов
Основу коллоида составляет ядро, представляющее собой аморфное или кристаллическое вещество различного химического состава. На поверхности ядра находится слой несущих заряд ионов, благодаря чему ядро в целом тоже оказывается заряженным. Слой поверхностных ионов ядра называется потенциалопределяющим, поскольку от него зависит величина и знак заряда ядра, а ядро со слоем этих ионов - гранулой.
Между гранулой и окружающим раствором на границе раздела фаз возникает термодинамический потенциал, и под действием электростатических сил из раствора притягиваются ионы противоположного знака, образуя компенсирующий слой ионов. Вокруг ядра коллоида образуется двойной электрический слой, состоящий из слоя потенциалопределяющих ионов и слоя компенсирующих ионов.
Часть ионов компенсирующего слоя прочно удерживается электростатическими силами и образует неподвижный слой, находящийся в непосредственной близости к межфазной поверхности, на молекулярном расстоянии от поверхности ядра. Гранулу вместе с неподвижным слоем компенсирующих ионов называют частицей. Другая часть ионов компенсирующего слоя благодаря тепловому движению, стремящемуся равномерно распределить их во всём объёме, удалена от поверхности ядра на расстояние, превышающее молекулярное. Эти ионы образуют диффузный слой. Коллоидную частицу вместе со слоем ионов называют мицеллой.
Свойства коллоидов
Способность обменивать ионы,
находящиеся в компенсирующем слое, на ионы того же знака, находящиеся в дисперсионной среде.
Коллоиды, имеющие в потенциалопределяющем слое отрицательно заряженные ионы, называют ацидоидами. Они несут отрицательный заряд и способны к поглощению и обмену катионов. К ацидоидам относятся коллоидная кремнекислота, гуминовые и фульвокислоты, глинистые минералы.
Коллоиды, имеющие в потенциалопределяющем слое положительно заряженные ионы, называют базоидами. Они несут положительный заряд и способны к поглощению и обмену анионов. К ним относятся гидроксиды железа и алюминия, а также белковые соединения.
Некоторые коллоиды способны менять знак заряда: в кислой среде они заряжены положительно, в щелочной – отрицательно. Такие коллоиды называют амфолитоиды. К ним относятся гидроксиды алюминия, железа, белки. Амфолитоиды имеют на поверхности функциональные группы, которые в зависимости от реакции раствора ведут себя то как кислоты, то как основания.
Значение pH, при котором коллоид посылает в окружающий раствор одинаковое кличество катионов и анионов, называется изоэлектрической точкой. При этом коллоид становится электронейтральным. Для гидроксида железа pH изоэлектрической точки равен 7.1, для гидроксида алюминия - 8.1.
Способность гидратироваться (притягивать молекулы воды)
Эта способность обусловлена проявлением поляризационных сил. При приближении молекулы воды к заряженной коллоидной частице её электронейтральная оболочка деформируется и принимает форму диполя. Попадая в сферу электрического поля заряженной частицы, диполи строго ориентируются, обращаясь к ней концами, несущими заряд, противоположный заряду частицы. Вокруг коллоида образуется связанная с ним плёнка воды, мощность которой зависит от природы коллоида и величины заряда частицы.
Коллоиды, способные сильно гидратироваться, т.е. удерживать мощные водные плёнки, называют гидрофильными. Слабо гидратирующиеся коллоиды называют гидрофобными. По мере диспергирования и измельчения твёрдых коллоидных частиц гидратация их возрастает, они становятся более гидрофильными, чем до измельчения.
Агрегативная устойчивость
Агрегативная устойчивость - способность коллоидной системы сохранять степень дисперсности неизменной.
В почве коллоиды могут находиться в состоянии золя и во взвешенном состоянии, разделённые жидкой фазой. Это связано с наличием электрического заряда (электрокинетического потенциала) и гидратной оболочки на поверхности частиц. Электрический заряд способствует взаимному отталкиванию коллоидных частиц, а гидратная оболочка препятствует их слипанию при столкновении друг с другом.
В силу различных причин заряд коллоидов снижается, гидратная оболочка уменьшается, коллоиды начинают взаимодействовать между собой, что ведёт к слипанию частиц и выпадению их в осадок в виде геля. Это явление называют коагуляцией. Коагуляцию коллоидов вызывают периодическое высушивание, нагревание, промораживание почвы, что приводит к дегидратации частиц и потере ими водной оболочки.
Некоторые коллоиды способны переходить обратно из геля в золь. Это явление называют пептизацией. Коллоиды, которые могут легко переходить из золя в гель и обратно, называют обратимыми.
Агрегативная устойчивость коллоидных систем возрастает в присутствии веществ, называемых стабилизаторами. В почвах в качестве стабилизаторов часто выступают гуматы и фульваты натрия. Они адсорбируются на поверхности гидрофобных частиц и способствуют повышению их гидратации.
Агрегативная устойчивость коллоидных систем имеет важное значение в процессах дифференциации веществ в почвенном профиле. Коллоиды, имеющие высокую устойчивость и длительное время находящиеся в состоянии золя, способны перемещаться в почвенном профиле на разную глубину, что приводит к формированию системы элювиальных и иллювиальных горизонтов. Малоустойчивые коллоиды быстро выпадают в осадок.