Поглотительная способность почвы

 

     Под поглотительной способностью почвы  в самом широком смысле этого слова понимается способность ее задерживать те или другие вещества, приходящие в соприкосновение с ее твердой фазой через циркулирующие в ней воды. Таким образом, могут задерживаться соединения или части их, находящиеся в растворенном состоянии, а также коллоидально распыленные частички минерального и органического вещества, живые микроорганизмы и грубые суспензии.

     В зависимости от того, каким способом почва поглощает, какой при этом совершается процесс, можно различать следующие виды поглотительной способности: 1) механическая поглотительная способность почвы; 2) физическая (адсорбция); 3) физико-химическая, или поглотительная способность в тесном смысле этого слова, или обменная способность (обменная адсорбция); 4) химическая и 5) биологическая.

3.1 Механическая поглотительная способность почв

 
 

     Механической  поглотительной способностью называется свойство почвы, как всякого пористого тела, не пропускать через себя, задерживать частицы, взмученные в фильтрующейся через почву воде, раз эти частицы больше некоторой величины. Благодаря этому виду поглотительной способности почва задерживает коллоидально распыленные вещества, если коллоидальные частицы крупнее данной величины, и грубые суспензии. Задержанные алюмосиликатные и органические частички примешиваются к твердой фазе почвы, вступая с нею в более или менее прочные соединения в зависимости от их состава, дисперсности и других свойств (например, электрического заряда).

     Почва состоит из отдельных частичек, или  зерен, называемых механическими элементами; величина этих зерен в одной и той же почве колеблется в очень широких пределах; так во всех почвах мы можем найти механические элементы от 1 мм и до 5 микромикрона в диаметре, только различных почвах относительное количество частиц различного диаметра, т. е. так называемый механический состав почвы, будет различен. Встречаются почвы, содержащие и более крупные механические элементы, нежели в 1 мм диаметром. Эти механические элементы представляют кристаллы различных алюмосиликатов и силикатов.

     Как бы плотно ни прилегали отдельные  частички друг к другу, в массе  их между ними всегда будут оставаться пространства, поэтому почва при всяком уплотнении представляет собою пористое тело. Между отдельными механическими элементами, слагающими это тело, между образуемыми этими элементами комплексами—структурными элементами почвы—имеются пространства, образующие очень сложную сеть переплетающихся между собою и прерывающихся канальцев самого разнообразного диаметра. Характер этой системы каналов в отношении их расположения, взаимной связи и величины диаметров зависит от механического состава минеральной и органической части почвы, от количественного соотношения между этими частями, от структурности и от сложения почвы.

     Благодаря механической поглотительной способности  передвижение отдельных микроорганизмов  в почве должно быть очень затруднено. Все микроорганизмы, видимые даже лишь в самый сильный микроскоп, должны задерживаться целиком слоем в несколько сантиметров почвы даже среднего механического состава.

     Механическая поглотительная способность почвы  играет существенную роль в распределении микроорганизмов в почвенном разрезе и до настоящего времени она почти вовсе еще не изучена, и законы, управляющие этим поглощением, нам неизвестны (К.К. Гедройц, 1955).

3.2 Физическая поглотительная способность почвы

 

       К. К. Гедройц описывает этот вид поглотительной способности следующим образом.

     На  границе соприкосновения твердых  частиц почвы с окружающим раствором возникает некоторое количество свободной энергии, которую называют поверхностной энергией. Величина возникающей энергии равняется произведению поверхностного натяжения на величину поверхности всех твердых частиц почвы. Таким образом, поверхностная энергия зависит от обеих названных величин.

     Поверхностное натяжение почвенных растворов  очень невелико, и поэтому величина поверхностной энергии в почвах обусловлена главным образом суммарной поверхностью твердых частиц почвы, т. e. зависит от механического состава почвы или, точнее, от содержания в ней коллоидных и близких к ним по размеру частиц.

  К. К. Гедройц рассматривает два возможных случая физического поглощения в результате изменения величины свободной поверхностной энергии.

       а) Физическое поглощение с  понижением поверхностного натяжения.  Поверхностное натяжение воды при 0° составляет 75 дин на 1 см². В водных растворах величина поверхностного натяжения зависит от природы и концентрации растворенных соединений. Одни вещества понижают, другие повышают поверхностное натяжение водных растворов. С повышением концентрации растворенных веществ возрастает их влияние на поверхностное натяжение растворов. К веществам, понижающим поверхностное натяжение водных раствором, принадлежат многие органические соединения: органические основания и кислоты, спирты, высокомолекулярные соединения и т. п. В противоположность им неорганические соли, кислоты и основания, а также органические соединения с большим количеством гидроксильных групп повышают поверхностное натяжение.

     Понижение возникающей свободной поверхностной  энергии достигается путем уменьшения поверхностного натяжения в результате притягивания почвенными частицами веществ, понижающих поверхностное натяжение, и, наоборот, отталкивания веществ, повышающих поверхностное натяжение. В результате в растворе, непосредственно прилегающем к поверхности почвенных частиц, концентрация веществ, понижающих поверхностную энергию, будет выше, а концентрация повышающих поверхностную энергию — ниже, чем в окружающем почвенном растворе. В первом случае будет происходить положительное, во втором – отрицательное физическое  поглощение.

     б) Физическое поглощение с уменьшением поверхности частиц. К этому виду поглотительной способности относится явление коагуляции, когда, в результате соединения многих мелких частиц в более крупные микроагрегаты, суммарная поверхность уменьшается, а вместе с этим снижается и свободная поверхностная энергия.

     Рассмотрение  этого вида поглощения К. К. Гедройц  заканчивает следующими словами: «Несмотря, однако, на очень скудное количество экспериментальных доказательств способности почв к положительной и отрицательной адсорбции, теоретические соображения заставляют нас признать, что таковою почва обладает, но количественно она проявляется в общем малыми величинами, которые при методах, обычно применявшихся для их определения (методы взбалтывания, промывания и т. п.), мало доступны нашим измерениям» (Н. П. Ремезов, 1957).

3.3 Химическая поглотительная способность почвы

 

     Химическая  поглотительная способность почвы  выражается в том, что те анионы растворенных солей, которые дают с катионами, находящимися в почвенном растворе, нерастворимые или малорастворимые соли, будут выпадать из раствора в виде соответствующих солей; выпадающий осадок будет примешиваться к твердой фазе почвы (К.К. Гедройц, 1955).

     Такое поглощение сопровождается образованием труднорастворимых солей из легкорастворимых. Примерами такого поглощения могут служить: образование в почве гипса при взаимодействии сернокислого натрия с хлористым кальцием, образование фосфорнокислого кальция при взаимодействии хлористого кальция с фосфорнокислым натрием, образование фосфатов железа и алюминия и т.п. (Н. И. Горбунов, 1967).

     Например, в почвах нейтральных или слабощелочных (черноземы, каштановые, сероземы и  др.) вносимые фосфорнокислые удобрения (суперфосфат) закрепляются в ходе реакции  с бикарбонатом кальция, находящимся в растворе:

       2Ca(HCO₃)₂+Ca(H₂PO₄)₂      Ca₃(PO₄)₂+4CО₂+4H₂O

в почвах, имеющих  кислую реакцию (красноземы, дерново-подзолистые), при наличии свободных гидратов окислов железа и алюминия может наблюдаться химическое поглощение фосфат-иона в результате образования труднорастворимых фосфатов железа и алюминия. Например:

      Fe(OH)₃+H₃PO₄        FePO₄+4CO2+3H₂O (Н. П. Ремезов, 1957).

3.4 Биологическая поглотительная способность почв

 
 

     Биологическая поглотительная способность связана  с жизнедеятельностью растений и почвенных микроорганизмов, которые избирательно поглощают из почвы необходимые элементы минерального питания, переводят их в органическую форму и предохраняют тем самым от выщелачивания. После отмирания корней, растительных остатков и тел микроорганизмов происходят их разложение и постепенная гумификация. Минерализация и последующее использование растениями ранее закрепленного в почве в органической форме азота, фосфора и серы протекают довольно медленными темпами.

     Интенсивность биологического поглощения зависит от аэрации, влажности и других свойств почвы, от количества и состава органического вещества, служащего источником пищи и энергетического материала для преобладающих в почве гетеротрофных микроорганизмов. Внесение в почву значительного количества бедного азотом органического вещества (соломы или соломистого навоза) вызывает быстрое размножение микроорганизмов, сопровождающееся интенсивным биологическим, закреплением минеральных форм азота, что приводит к ухудшению азотного питания растений и снижению урожая. В то же время биологическое поглощение способствует закреплению нитратного азота, который никаким другим путем в почве не удерживается и может вымываться, особенно на легких почвах в зонах достаточного увлажнения и орошаемого земледелия (П. М. Смирнов, Э. А. Муравин, 1984)

3.5 Физико-химическая поглотительная способность почв

 

     Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность почвы заключается в том, что почва способна обменивать некоторую часть содержащихся в твердой ее фазе катионов на эквивалентное количество катионов, находящихся в соприкасающемся с нею растворе; между катионами твердой фазы почвы и катионами почвенного раствора всегда устанавливается равновесие. Поглощаемый из раствора при этом катион или поглощаемые катионы, если их в растворе несколько, в том или другом количестве исчезают из раствора и становятся в соединения твердой фазы почвы, а вместо них в раствор переходит из твердой фазы почвы эквивалентное количество другого или других катионов. Такой обмен катионов может в зависимости от рода катионов в той или другой степени повлиять на физические и химические свойства почвы, так как те и другие находятся в тесной зависимости от рода катионов, входящих в поглощенном состоянии в твердую фазу почвы (К.К. Гедройц, 1955).

     В почве физико-химическое поглощение происходит при изменении влажности, внесении удобрений, подъеме и опускании грунтовых вод, орошении и т.д. Малейшее изменение в составе и концентрации почвенного раствора вызывает изменение в составе поглощенных катионов. Следовательно, между почвенным поглощающим комплексом и почвенным раствором существует постоянное взаимодействие. Каждая разновидность почвы имеет в своем поглощающем комплексе определенный состав и количество катионов (Н. И. Горбунов, 1967).

 

3.5.1 Поглощение почвами катионов

     Катионы, находящиеся в компенсирующем слое коллоидов, называются поглощенными, часть из них располагается в неподвижном слое, а часть – в диффузном. Кроме того, часть катионов находится в межслоевом пространстве глинистых минералов. Последние могут быть обменными и частично необменными. Переходу обменных катионов в необменные способствует высушивание, так как при этом происходит уменьшение расстояний между слоями кристаллической решетки минералов. Такое явление наблюдается в разбухающих минералах, например в монтмориллоните, вермикулите. Неразбухающие минералы, например гидрослюды, также могут содержать необменные катионы, так как они связываются сильными электрическими зарядами, расположенными на поверхности тетраэдрических слоев.

     Обменное  и необменное поглощение катионов зависит  от их свойств, свойств коллоидов почвенного поглощающего комплекса, а также от свойств растворов, взаимодействующих с почвой (Н. И. Горбунов, 1967).

 

 

3.5.2 Обменное поглощение катионов

     При обменном поглощение способность катионов внедряться в компенсирующий слой ионов неодинакова. Из наиболее распространенных в почве обменных катионов – Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, NH4⁺, A1³⁺ и Н⁺ - способность поглощения возрастает с увеличением атомного веса и валентности катионов.

     По  степени (энергии) поглощения наиболее распространенные в почвах катионы располагаются в таком порядке: Na⁺, NH4⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Al³⁺. Степень поглощения водородного иона особенно велика.

     Большая гидратационная оболочка ослабляет сорбционную способность катионов. Поэтому среди одновалентных катионов натрий (ионный радиус 0,98 А) поглощается слабее калия (ионный радиус 1,33 А) у двухвалентных катионов кальций, имеющий более крупный ионный радиус (1,06 А), поглощается сильнее магния (ионный радиус 0,78 А). Ион водорода в водном растворе присоединяет одну молекулу воды и образует гидроксоний (Н₃О⁺, ионный радиус 1,35 А). Гидроксоний поглощается почвенными коллоидами сильнее, чем другие одновалентные ионы. Катионы, лучше поглощающиеся почвой, удерживаются ей с большей силой, так как имеют больший электрический заряд и сильнее притягиваются почвенными коллоидными частицами.