Что такое поглотительная способность почвы

Научная электронная библиотека

13. Поглотительная способность почв

Поглотительная способность почв – свойство ее компонентов (твердой, жидкой, газовой, биологической фаз) обменно или необменно поглощать из окружающей среды вещества любого агрегатного состояния, отдельные молекулы, ионы.

Американский ученый Джонсон в 1859 г. ввел в употребление термин «обменные основания», под ним мы и сейчас понимаем обменные катионы Ca, Mg, K, Nа. В России одним из первых исследователей поглотительной способности почв был А.Н. Сабанин (1909). Он предложил выделять химическое, физико-химическое и физико-химическое поглощение. К.К. Гедройц опубликовал в 1922 монографию «Учение о поглотительной способности почв». В которой к предыдущим трем добавил еще механическую и биологическую, детально изучил механизм всех пяти. Он сформулировал понятие о почвенном поглощающем комплексе как о совокупности нерастворимых в воде минеральных и органических соединений, находящихся в высокодисперсном состоянии и являющихся носителем поглотительной способности. Им введено представление о важнейшей характеристики почв – емкости поглощения, как сумме поглощенных или обменных катионов, которые смогут быть вытеснены из почвы. Он установил, что энергии поглощения катионов возрастает с увеличением их валентности, а при равной валентности – с ростом атомной массы. Его положения до настоящего времени сохранили свое научное и практическое значение.

Различают 5 видов поглотительной способности почв.

1. Механическая – свойство почв поглощать поступающие с водным или воздушным потоком твердые частицы, размеры которых превышают размеры почвенных пор. Почва действует как сито или губка, пропуская через себя все, что мельче почвенных пор. Водные суспензии освобождаются от взвесей. Почва, как всякое пористое тело, удерживает частицы, взмученные в фильтрующейся через почву воде. Это свойство почвы используют для первой стадии очистки питьевой и сточных вод.

Причины механического поглощения:

– частицы крупнее почвенных пор;

– частицы задерживаются в извилинах пор большего диаметра;

– контакт частиц взвеси и частиц, слагающие стенки пор.

2. Физическая (молекулярная) – способность почвы адсорбировать и удерживать растворенные в воде и газообразные вещества, концентрация или разжижение растворенных в почвенном растворе веществ у поверхности соприкосновения твердых частичек почвы с почвенной влагой, обусловленное поверхностной энергией твердых частиц. Она связана с изменением концентрации молекул, находящихся на поверхности твердых частиц почвы.

Поглощенные вещества не внедряются в агрегаты и не вступают с ними в химические реакции, а скапливаются на поверхности раздела фаз – твердой, жидкой, газообразной. Иногда они отталкиваются.

Различают два вида адсорбции:

– положительная молекулярная сорбция – поглощение аммиака, притяжение катиона аммония;

– отрицательная молекулярная сорбция – вымывание нитратов, хлоридов, отталкивание анионов.

3. Химическая (хемосорбция) – свойство удерживать и закреплять ионы, поступающие из почвенного раствора с образованием трудно растворимых соединений и комплексов с органическими веществами, которые выпадают в осадок и примешиваются к твердой фазе почвы:

3CaSO4 + 2Na3PO4 → Ca3(PO) 4 + 3Na2SO4

Осадочная – образование осадков на поверхности частиц при взаимодействии ионов, один из которых находится в поглощенном состоянии (обменно-сорбированные катионы).

Комплексообразовательная сорбция поливалентных катионов из почвенного раствора при их взаимодействии с сорбированным органическим веществом за счет образования координационных связей. Приводит к формированию глиногумусовых комплексов и взаимодействию алюмосиликатов с гумусом.

Адгезионная – взаимодействие минеральных и гумусовых компонентов.

Адгезия – склеивание поверхностей различного состава и строения под действием разнообразных сил.

4. Биологическая – поглощение живыми организмами (корни растений, микроорганизмы) различных веществ из почвенного раствора, обусловливающая их жизнедеятельность (рис. 41, 42);

Рис. 41. Биологическая поглотительная способность почв с помощью корней растений

Рис. 42. Биологическая поглотительная способность почв при участии животных

5. Физико-химическая или обменная – свойство обменивать некоторую часть катионов, содержащихся в твердой фазе (находящихся на поверхности коллоидных частиц, глинистых минералов и связанных в функциональных группах гумусовых соединений), на эквивалентное количество катионов, находящихся в соприкасающемся с почвой растворе. Материальным носителем катионообменной способности почв является почвенно-поглощающий комплекс (ППК).

ППК – совокупность минеральных, органических и органо-минеральных компонентов твердой фазы почвы, обладающая ионнообменной способностью.

Скорость и соотношение обменивающихся катионов зависят от дисперсности ППК, органо-минерального состава, окислительно-восстановительных условий.

Реакция рассоления, мелиорация солонцов:

Экологические особенности ППК

1. Его состав определяет реакцию почвенной среды и ее стабильность. Нейтральные, кислые и щелочные условия напрямую зависят от состава обменных катионов.

2. ППК – доступное для растений хранилище биофильных катионов, защищенное от вымывания атмосферной влагой в грунтовые воды.

3. Состав ППК предопределяет структурность, плотность, воздухоемкость, влагоемкость, поведение почвенной воды.

4. ППК – геохимический барьер для катионов – тяжелых металлов и радионуклидов. В почвах с непромывным режимом поглощенные катионы обменно усваиваются растениями и поступают в цепи питания. В почвах, промываемых водой, неизбежно обменное вытеснение ТМ водородом и их миграция в ландшафте.

Емкость катионного обмена (ЕКО, мг-экв/100 г почвы) – максимальное количество катионов, удерживаемое почвой в обменном состоянии при конкретных условиях, важнейшая характеристика ППК.

ЕКО гумусовых кислот составляет 200—300 мг-экв/100 г, монтмориллонитов – 80–120, каолинитов – 3–20, гидроксидов железа и алюминия – 2–3, гидроксида кремния – 0 (рис. 41).

В серой лесной почве ЕКО изменяется в пределах 15–30, черноземе типичном – 30–70, черноземе южном – от 20 до 50, в светло-каштановой почве от 20 до 30, в сероземе типичном – 8–20 мг-экв/100 г.

При величине ЕКО меньше 20 мг-экв/100 г почвы наиболее подвержены загрязнению, больше 50 – устойчивы.

Крайне низкая, 3–5. В сильно элювиированных горизонтах подзолов, почти целиком состоящих из кремнезема и кварца.

Очень низкая, 5–10. Пески, песчаные и супесчаные почвы, карбонатные лессы с преобладанием пылеватых фракций, малогумусные сероземы.

Низкая, 10–15. В почвах легкого гранулометрического состава, с обилием окислов железа и алюминия. Характерна для влажных тропиков и субтропиков, глин и суглинков без смектитовых минералов.

Средняя, 15–25. В почвах с промывным водным режимом и невысоким гумуса (серые и бурые лесные).

Выше средней, 25–35. Гумусовые горизонты сухостепных и полупустынных почв, лессовидные, покровные глины, суглинки с относительно равномерным содержанием минералов, гидрослюд, каолинита.

Высокая, 35–45. Большинство черноземов, слитоземы, глины, обогащенные смектитами, слитогенетические и иллювиальные горизонты.

Рис. 43. Характеристика ЕКО

Очень высокая, 45–60. Среднегумусные и тучные черноземы, гумусово-аккумулятивные дерновые горизонты почв.

Крайне высокая. Более 60. Типична для отдельных компонентов почвенной массы: гумуса, смектитов, вермикулита.

Экологическое значение поглотительной способности почв

1) Количество поглощенных катионов равно количеству катионов, вытесненных из ППК в почвенный раствор.

2) Чем меньше радиус катиона, тем слабее он связывается.

3) В ряду разновалентных катионов поглощение растет с увеличением валентности:

Li+ Pb > Zn > Hg. При снижении рН возрастает способность поглощать катионы в ряду: As > Se > Sb > Mo.

8) Почвы тяжелого гранулометрического состава (глинистые и тяжелосуглинистые) больше удерживают привнесенных веществ, чем почвы легкого гранулометрического состава (песчаные и супесчаные).

9) Главная функция ППК с точки зрения охраны почв: участие в обменных реакциях с тяжелыми металлами. Реакции обмена протекают в эквивалентных количествах и обратимы, если не сопровождаются хемосорбцией.

10) Защитная функция ППК – способность нейтрализовать кислотные осадки и ограничивать миграцию тяжелых металлов.

11) При одном и том же уровне содержания тяжелых металлов в почве признаки угнетения растений, проявляются в тех почвах, в которых в ППК мало активных центров, способных к обменным реакциям и низкое значение ЕКО.

12) В лесных экосистемах (деревья) накопление поллютантов значительно выше, чем в степных (травостой).

Поглотительная способность обуславливает накопление элементов питания растений, микроэлементов, регулирует реакцию почвы, буферность, водно-физические свойства, интенсивность накопления гумуса.

Экологическая значимость катионов

Макроэлементы – соединения, содержание которых в почвах превышает 0,1%. Почти половина приходится на кислород (49), треть – кремний (33), алюминий – 7,15, железа –3,8.

Кислород входит в состав большинства почвенных минералов, один из основных элементов органической части почв.

Кальций – хранитель плодородия. Он есть во всех почвах, оптимум – 80–90 % от ЕКО в типичных черноземах. Обеспечивает почти целиком коагуляцию коллоидных систем, что служит предпосылкой для структурообразования при активной деятельности корней и достаточной доле гумуса.

Магний. Всегда сопровождает кальций. Типичное их соотношение 5:1. В таких количествах его действие аналогично кальцию. Магний вызывает повышение щелочности в связи с наличием в почвенной среде карбонатов и бикарбонатов магния, в ППК поддерживает солонцеватость и может приводить к образованию особых почв – магниевых солонцов.

Калий. В питании растений – основной источник доступного калия.

Натрий. В количестве менее 3 % от ЕКО – необходимый компонент оптимального состояния почв, обеспечивает дисперсность коллоидов. Обменный натрий – активный пептизатор коллоидов при его концентрации в почвенном растворе ниже порога коагуляции.

Обменный водород – источник почвенной кислотности. Всегда есть в бескарбонатных почвах. Если поглощенного водорода более 5 %, то появляются кислотные свойства почв.

В обменном состоянии алюминий – интенсивный коагулятор коллоидов. При переходе в почвенный раствор образует гидролитически кислые соли, способствующие повышенной пептизации 3-х валентного А1.

Железо 3-х валентное. Интенсивный коагулятор коллоидов, как и А1 во влажных тропических почвах. Ожелезненные почвы малопластичны, не набухают.

Ион аммония – единственная возможная аккумуляция доступного растениям азота.

Микроэлементы – это соединения, содержание которых меньше 1•10-3 %: бор, марганец, молибден, медь, цинк, кобальт, йод, фтор и др. Они входят в состав ферментов, гормонов, витаминов. Микроэлементы играют важную физиологическую и биохимическую роль в жизни биоты. Установлена тесная связь между содержанием микроэлементов в почве и урожайностью, продуктивностью животных.

Количество их определяется содержанием в породе и влиянием почвообразовательного процесса на их перераспределение. В почве они содержатся в кристаллической решетке минералов в виде изоморфной подмеси, в форме солей и окисей, в составе органических соединений, в ионообменном состоянии и в растворимой форме в почвенном растворе.

В почвах коллоидными свойствами обладают частицы размером менее 0,001 мм (ил). Они образуются при выветривании и почвообразовании (в основном минеральные). Происходит процесс преобразования и изменения состава коллоидов материнской породы. Основное явление при формировании коллоидов: дробление крупных частиц и соединение молекулярно раздробленных.

Минеральные коллоиды – глинистые минералы, коллоидные формы кремнезема и полуторооксиды. Органические коллоиды – гумусовые и белковые соединения, полисахариды в коллоидно-дисперсном состоянии. Органо-минеральные коллоиды – соединения гумуса с глинистыми минералами и осажденными полуторооксидами.

По степени сродства к воде различают гидрофильные (высокое сродство) и гидрофобные. Гидрофильными являются коллоиды некоторых глинистых минералов, монтмориллонита, органические. Почвы с такими коллоидами вязкие, пластичные, сильно набухают при увлажнении, липкие. Гидрофобные – это коллоиды, содержащие железо и алюминий.

Коагуляция – соединение коллоидных частиц друг с другом с образованием более крупных коллоидов, дальнейшее осаждение – седиментация. Из раствора они выпадают в осадок под воздействием высыхания или увеличения концентрации простых солей в почвенном растворе. Частицы коллоидов сцепляются между собой, образуют пространственную структуру, в ячейках которой удерживается вода.

Обратный процесс переход коллоидов в раствор, геля в золь – пептизация. В основном коагуляция необратима и менее 0, 1 % коллоидов пептизируется. Для солонцов чередование коагуляции и пептизации – сущность почвообразовательного процесса.

Источник

Поглотительная способность почв

Почва — сложная многофазная и полидисперсная система. В ней имеются грубые дисперсии с диаметром частиц более 0,02 нм, образующие в почвенных и грунтовых водах суспензии, более тонкие дисперсии размером 0,02—0,0001 нм — почвенные коллоиды и дисперсии на уровне молекулярного раздробления с диаметром частиц менее 0,0001 нм, которые образуют молекулярные, или истинные, растворы.

Дисперсные системы коллоидного раздробления, обладающие большой свободной поверхностной энергией, электрокинетическими свойствами, обусловливают ряд важнейших процессов, связанных с поглотительной способностью почв.

Поглотительная способность почв

Эти явления были известны очень давно (I—II в. до н. э.) и уже использовались тогда для опреснения морской воды (пропуская ее через почву).

В пятидесятые годы XIX в. английские ученые-химики Т. Трем и Д. Уэй попытались объяснить поглотительную способность почв на основании химических явлений.

В дальнейшем, в восьмидесятые годы прошлого столетия, развитие физической и коллоидной химии позволило голландскому ученому Ван-Беммелену объяснить поглотительную способность почв наличием в них тел, находящихся в коллоидном состоянии.

В начале XX в. поглотительную способность почв методами коллоидной химии изучали швейцарский ученый Г. Вигнер и шведский ученый С. Маттсон.

Их исследования позволили раскрыть некоторые закономерности физико-химического поглощения и явлений амфотерности, но они не были связаны с решением агрономических вопросов.

Видная роль в изучении поглотительной способности почв принадлежит российскому ученому К. К. Гедройцу. Для его исследований характерны широкий подход к изучению почвенных коллоидов и поглотительной способности почв и тесная связь с практическими вопросами агрономии.

В дальнейшем развитие учения о почвенных коллоидах и поглотительной способности почв получило как в нашей стране, так и за рубежом (Гапон, Соколовский, Тюлин, Антипов-Каратаев, Алешин, Горбунов, Ди-Глерия, Келли и др.).

Почвенные коллоиды

Количество коллоидов в почвах различно и составляет от 1—2 до 30—40 % массы почвы. Образуются почвенные коллоиды при раздроблении более крупных частиц в процессе выветривания, путем поликонденсации в процессах почвообразования и образования гумуса, а также при химических реакциях между продуктами выветривания и почвообразования.

Коллоиды как двухфазная система состоят из дисперсной фазы (коллоидные частицы) и дисперсионной среды (почвенный раствор). Свойства почвенных коллоидов обусловлены их размерами, составом и строением.

Небольшие размеры коллоидов определяют огромную суммарную и удельную поверхность, что можно представить на примере суммарной и удельной поверхности при дроблении длины сторон куба (табл. 25).

25. Увеличение суммарной и удельной поверхности 1 см 3 тела при возрастании дисперсности

От размеров удельной поверхности зависит величина поверхностной энергии, с которой связаны явления сорбции паров воды, газов и молекул других веществ. С поверхностной энергией дисперсных тел связан тепловой эффект — выделение тепла при их смачивании, который называется теплотой смачивания.

Состав почвенных коллоидов представлен минеральными, органическими и органо-минеральными соединениями.

Минеральные

К минеральным коллоидам относятся глинные минералы, коллоидные формы кремнезема, оксиды железа и алюминия. Органические коллоиды представлены в основном веществами гумусовой и белковой природы.

В коллоидно-дисперсном состоянии могут находиться полисахариды и другие органические соединения. Органо-минеральные коллоиды представлены преимущественно соединениями гумусовых веществ с глинными минералами и осажденными формами оксидов железа и алюминия.

Поглотительная способность этих трех групп соединений проявляется в разной степени и обусловлена не только удельной поверхностью, но и строением коллоидов, наличием двойного электрического слоя ионов на границе раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Общая схема строения коллоида приведена на рисунке 5.

Коллоидную частицу, по предложению Г. Вигнера, называют мицеллой. Ядро мицеллы представляет собой агрегат недиссоциированных молекул какого-либо вещества. Например, глинные минералы (каолинит, монтмориллонит и др.), гуминовые кислоты, коллоидные формы кремнезема и др.

На границе с дисперсионной средой в результате диссоциации внешних молекул ядра или поглощения ионов из дисперсионной среды, на поверхности ядра формируется двойной электрический слой ионов (ионогенный слой).

Он состоит из внутреннего потенциалопределяюще-го слоя прочно связанных с ядром неподвижных ионов и внешнего слоя компенсирующих противоположно заряженных ионов. Ядро с потенциалопределяющим слоем ионов называется гранулой, гранула и слой компенсирующих ионов — частицей.

Часть ионов компенсирующего слоя прочно связана с потенциалопределяющим слоем, часть его диффундирует в почвенный раствор, образуя внешний, или диффузный, слой.

В результате диффузии внешнего слоя между потенциалопределяющим и диффузным слоями возникает разность потенциалов, которая обусловливает заряд коллоидной частицы и называется электрокинетическим или дзета-потенциалом.

Величина дзета-потенциала колеблется от 0 до 40—60 мВ. Когда электрокинетический потенциал равен 0, коллоид находится в электронейтральном, или изоэлектрическом, состоянии, называемом изоэлектрическои точкой коллоида.

В зависимости от состава ионов в потенциалопределяющем слое коллоиды могут иметь отрицательный, положительный или переменный заряды.

Коллоиды, содержащие в потенциалопределяющем слое анионы, заряжены отрицательно и называются аци-доидами, содержащие в потенциалопределяющем слое катионы заряжены положительно и называются базоидами.

Коллоиды, способные менять характер диссоциации молекул двойного электрического слоя ионов в зависимости от реакции среды, имеют переменный заряд и ведут себя как базоиды или как ацидоиды. Такие коллоиды получили название амфолитоидов.

Согласно правилу Маттсона, если два соединения при диссоциации дают один общий ион, то они взаимно подавляют диссоциацию друг друга.

Базоид

Ацидоид

Так же ведут себя при изменении реакции и коллоиды гидроксидов железа.

При определенной реакции среды диссоциация амфолитоидов идет в равной степени как по основному, так и по кислотному типу. Коллоидная система в этом случае будет электронейтральной, а величина рН называется изоэлектрической.

Считается, что большинство почвенных коллоидов — ацидоиды, в диффузном слое которых находятся катионы, способные к обменным реакциям; присутствуют амфолитоиды; типичных базоидов в почве нет.

К ацидоидам относят большинство минеральных, органических и органо-минеральных коллоидов. Это глинные минералы, коллоидные формы кремнезема, гумусовые кислоты, соединения гумусовых кислот и их производных с минеральной частью почвы.

К амфолитоидам относят группы минеральных высокодисперсных форм гидроксидов железа и алюминия, некоторых глинных минералов (монтмориллонит и др.), а также органических коллоидов, представленных белковыми веществами, в основном плазмой микроорганизмов, изоэлектрическая величина рН которых равна 4—4,5, для гидроксидов железа —7,1 и для гидроксидов алюминия—8,1.

Наличие заряда обусловливает электрокинетические свойства почвенных коллоидов. К ним относят коагуляцию и пептизацию коллоидной системы.

В зависимости от наличия или отсутствия заряда коллоиды могут находиться в состоянии золя или геля.

Золь — коллоидный раствор. Обусловлен наличием заряда в коллоидной системе; представляет состояние коллоидно раздробленного вещества, рассеянного в дисперсионной среде.

Гель — коллоидный осадок. При отсутствии заряда в коллоидной системе дисперсная фаза укрупняется и отделяется от дисперсионной среды.

Коагуляция — переход коллоида из состояния золя в состояние геля. Коагуляция может происходить под действием электролитов, при взаимодействии двух противоположно заряженных коллоидных систем, при высушивании или замораживании почв, сопровождающихся дегидратацией.

Коагуляция — положительный процесс. В скоагулированном (осажденном) состоянии могут находиться, например, органические коллоиды в результате их взаимодействия с поливалентными катионами.

Коагуляция способствует образованию почвенной структуры, уменьшению связности тяжелых по гранулометрическому составу почв, сохранению от вымывания коллоидов, обусловливающих важнейшие агрономические свойства почвы.

Пептизация — переход от состояния геля в состояние золя. Она связана с восстановлением заряда коллоидной системы, повышением ее дзета-потенциала, обусловленным главным образом действием растворов щелочей и гидролитически щелочных солей.

Например, за счет образования гумусовых солей щелочных металлов, чаще всего натрия. При пептизации разрушается структура, коллоиды распыляются и приобретают способность к передвижению по почвенному профилю; верхние горизонты почв обедняются коллоидами, что отрицательно сказывается на многих агрономически важных свойствах почвы.

Коллоиды почвы обладают способностью поглощать молекулы воды. Эта способность называется гидратацией коллоида. Гидрофобные коллоиды практически не гидратируются, почвы характеризуются плохой смачиваемостью, при насыщении почвы высокогидратированными катионами происходит пептизация почвенных коллоидов.

Виды поглотительной способности почв

Способность почвы поглощать пары, газы, задерживать растворенные или взмученные в почвенном растворе вещества или части их, живые организмы называется поглотительной способностью.

К. К. Гедройц выделил пять видов поглотительной способности — четыре абиотических вида: механическая, физическая, физико-химическая, или обменная, химическая и пятый вид — биологическая поглотительная способность.

Совокупность частиц почвы, обладающих абиотической катионной или анионной поглотительной способностью, называется, по К. К. Гедройцу, почвенным поглощающим комплексом (ППК).

С физической точки зрения, ППК представляет собой совокупность веществ в тонкодисперсном состоянии (коллоиды). В химическом отношении это нерастворимые в воде солеобразные алюмосиликатные, органические и органо-минеральные соединения.

Механическая поглотительная способность

Это свойство почвы задерживать (подобно фильтру) твердые частицы, взмученные в фильтрующейся воде, размеры которых превышают размеры почвенных пор.

Это свойство зависит от размера и формы почвенных пор, которые обусловлены гранулометрическим, агрегатным составами, плотностью почвы.

Песчаные, крупноагрегатные, рыхлые почвы обладают слабой механической поглотительной способностью. Наоборот, глинистые почвы способны полностью поглощать из почвенных суспензий частицы размером более 0,001 мм.

В природе механическое поглощение взвешенных в почвенной воде частиц происходит при промывном режиме пористых и трещиноватых почв.

Явление механического поглощения используют для очистки питьевых и сточных вод путем их фильтрации через почву, для заиливания (кольматирования) дна и стенок каналов, водохранилищ в целях уменьшения потерь воды на фильтрацию.

Физическая поглотительная способность

Это поглощение целых молекул газов, вещества, растворенного в воде, изменение его концентрации на поверхности твердых почвенных частиц. Эту поглотительную способность еще называют молекулярной адсорбцией.

Физическая поглотительная способность протекает на границе твердой и жидкой фаз. Она обусловлена наличием большой свободной поверхностной энергии, которая равна произведению поверхностного натяжения раствора на суммарную величину поверхности частиц.

Известно, что всякая дисперсная система стремится уменьшить свою поверхностную энергию. Она может быть уменьшена, во-первых, за счет укрупнения дисперсной фазы (коагуляция) и, во-вторых, за счет уменьшения поверхностного натяжения раствора.

Вещества, способные понижать поверхностное натяжение системы (поверхностно-активные вещества), концентрируются на поверхности твердых частиц почвы и испытывают положительную физическую адсорбцию.

К таким веществам относятся органические кислоты, спирты, алкалоиды, высокомолекулярные органические соединения.

Чем длиннее углеводородная цепь, тем сильнее понижение поверхностного натяжения системы, тем выше поглощение, так как свободная энергия поверхностного слоя насыщается за счет связывания поглощенного вещества.

Вещества, способные повышать поверхностное натяжение системы, отталкиваются от почвенных частиц и испытывают отрицательную физическую адсорбцию. К таким веществам относятся неорганические кислоты, соли, основания, органические вещества с большим количеством гидроксильных групп (сахара).

Из этого следует, что такие соли, как нитраты, хлориды и другие, слабо удерживаются в почве и могут вымываться за пределы корнеобитаемого слоя, а в условиях промывного водного режима — и за пределы почвенного профиля.

В агрономической практике важно знать и учитывать эти особенности физического поглощения. Они, в частности, могут привести к непродуктивным потерям вносимых азотных удобрений, что расценивается как отрицательное явление или как положительное при удалении Cl-ионов, входящих в состав калийных удобрений, ухудшающих качество продукции некоторых сельскохозяйственных культур.

К физическому поглощению относится также поглощение почвой паров, газов из газообразной фазы почвы. По энергии поглощения газы представляют следующий ряд:

O₂ = Н₂

Химическая поглотительная способность (хемосорбция)

Это способность почвы закреплять в форме труднорастворимых соединений ионы, поступающие в раствор.

В результате химических реакций в почвенном растворе образуется труднорастворимая соль, которая определяет закрепление в почве химически как катионов, так и анионов почвенного раствора:

Кроме образования новой твердой фазы (труднорастворимого осадка) химическая поглотительная способность может осуществляться за счет осадочной сорбции фосфатов на поверхности труднорастворимых гидроксидов.

Комплексообразовательной сорбции, хемосорбционного и адгезионного взаимодействия при возникновении сорбционных глиногумусных комплексов, играющих роль в образовании органо-минеральных почвенных коллоидов.

Кроме природы аниона на его химическое поглощение оказывают влияние состав коллоидов и реакция среды. Чем больше в почве амфолитоидов и чем кислее реакция среды, тем сильнее выражено химическое поглощение аниона. Гумусовые вещества снижают интенсивность поглощения фосфатов.

Химическая поглотительная способность имеет большое значение в закреплении почвами анионов фосфорной кислоты, а также органического вещества и катионов поливалентных металлов. Поглощение фосфатов приводит к накоплению фосфора в почве, но снижает его доступность растениям.

В связи с этим при внесении особенно фосфорных удобрений учитывают взаимодействие их с почвой, способность к химическому поглощению.

Для уменьшения химического поглощения используют гранулированные удобрения, применяют способы внесения, обеспечивающие большие их контакты с корневыми системами растений.

Биологическая поглотительная способность

Особенностью этой поглотительной способности является ее избирательность, т. е. усвоение ионов, жизненно необходимых веществ, специфичных для каждого вида организмов.

Благодаря избирательной способности осуществляются биологическая трансформация, миграция и аккумуляция веществ, приводящие со временем к формированию почвенного плодородия.

Таким образом, биологическая поглотительная способность играет важную роль в плодородии почв и имеет большое агрономическое значение.

При минерализации органических веществ биологически поглощенные соединения вновь поступают в почвенный раствор и становятся доступными новым поколениям растительных и животных организмов. Ежегодно растения на каждом гектаре поглощают и возвращают в почвы сотни килограммов химических элементов (Ковда, 1973).

Емкость катионного поглощения корней растений колеблется от 10 до 80 мг • экв/100 г. Бобовые растения — более активные сорбенты, чем злаки.

В результате жизнедеятельности растений, животных, микроорганизмов в почве образуются высокодисперсные органические (гумусовые), органо-минеральные вещества, составляющие сорбционные барьеры в почве, способные удерживать за счет обменного и необменного поглощений различные вещества.

На сорбционных барьерах могут накапливаться Ni, Со, Сu, Zn, Hg, Ba и другие металлы; К, Cs, Zn, Си и другие элементы могут удерживаться глинными минералами и гумусовыми веществами в необменной форме.

Процессы биологического поглощения, меняя концентрацию и состав почвенного раствора, влияют на его равновесие и состояние почвенного поглощающего комплекса.

Физико-химическая

Или обменная, поглотительная способность – это способность почвы поглощать и обменивать ионы, находящиеся на поверхности коллоидных частиц (в диффузном слое), на ионы почвенного раствора.

Если потенциалопределяющий слой почвенных коллоидов заряжен отрицательно, то обмениваются катионы, если заряд положительный – обмениваются анионы.

Обмен протекает по уравнению

Основные закономерности обменного поглощения катионов заключаются в следующем.

Энергия поглощения с увеличением валентности возрастает:

Внутри рядов катионов с одной валентностью энергия поглощения возрастает с увеличением атомной массы:

7 Li 23 Na 18 NH₄ 39 K 1 H:

R 0,78 Ǻ 0,98 Ǻ 1,43 Ǻ 1,33 Ǻ.

Г. Вигнер дал объяснение этой закономерности, исходя из теории гидратации ионов. Чем больше гидратационная оболочка, тем меньшей энергией поглощения обладает ион. Гидратированность иона зависит от радиуса (размера) иона.

Ион водорода обладает высокой энергией поглощения. В водном растворе он присоединяет одну молекулу воды (Н₂O) и образует гидроксоний (Н₃O + ), который поглощается сильнее, чем другие одновалентные катионы.

На энергию поглощения оказывает влияние концентрация иона в почвенном растворе. Катион натрия, обладающий меньшей способностью к внедрению, чем катионы аммония и калия, может обменно поглощаться только при высокой концентрации их в почвенном растворе.

Обменное поглощение носит обратимый характер. Скорость обмена обусловлена строением ядер коллоидныхчастиц, строением кристаллических решеток глинных минералов,величины внутримицеллярной порозности.

Скорость обмена велика, почти мгновенная, если она развивается на внешних поверхностях коллоидов и может продолжаться долго (несколько суток) при внутримицеллярном обменном поглощении.

Общее количество всех поглощенных катионов, по К. К. Гедройцу, называется емкостью поглощения (7). Ее характеризуют с некоторой условностью емкостью катионного обмена (ЕКО) и выражают в мг • экв на 100 г почвы.

В различных почвах количество и состав обменных катионов, емкость поглощения, степень насыщенности основаниями неодинаковы (табл. 26).

26. Емкость катионного обмена основных типов почв, мг•экв/100 г (Горбунов, 1978)

Источник