Виды поглотительной способности почв

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 < NO2 < СO2 < NH3 < H2O (пар).

Легче всего поглощаются водяные пары. При этом выделяется теплота смачивания, которая тем выше, чем больше в почве органического вещества и глинистых частиц.

Газы могут поглощаться лишь сухими участками почвенных частиц. Из газов наиболее высокой энергией поглощения отличаются аммиак и диоксид углерода.

Чем легче сгущаются пары и газы, тем легче и интенсивнее они поглощаются почвой. Понижение температуры и повышение атмосферного давления увеличивают поглощение газов.

Почва является хорошим поглотителем дымных и газообразных отравляющих веществ (ОВ). Ее можно использовать как подручное средство для защиты от них.

Наличие поглощенных газов — причина затрудненного смачивания сухих почв в момент ливня или полива. Для замещения поглощенного воздуха водой требуется длительное время, прежде чем произойдет полное смачивание почвы и наступит нормальное впитывание влаги. При быстром поливе или сплошном затоплении десорбирующийся воздух, стремительно вырываясь из почвы, разрушает ее структуру. Чтобы этого не происходило, полив должен быть умеренным, как правило, дождеванием.

На поверхности твердых частиц удерживаются также разнообразные микроорганизмы, но термин «адсорбция» по отношению к ним может быть применен лишь условно. Д. Г. Звягинцев предлагает вместо него термины «прикрепление», «прилипание», «адгезия» (силы молекулярного притяжения).

Различные почвы обладают неодинаковой способностью поглощать микроорганизмы. Чем тяжелее гранулометрический состав, чем больше в почве содержится гумуса, тем выше поглотительная способность почв по отношению к микроорганизмам. Бактерии при поглощении их почвой снижают свою биохимическую активность, благодаря чему улучшаются санитарные условия местности, очищаются воды колодцев, грунтовых вод.

Таким образом, физическая поглотительная способность имеет экологическое значение, влияет на состояние окружающей природной среды.

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:

Na2CO3+ CaS04→CaCO3↓ + Na,S04;

Ca(HCO3)2 – H2O → CaCO3↓+ СO2;

Al(OH)3 + H3PO4 •— AlP04↓ + 3H2O.

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.

Встречающиеся анионы в зависимости от их природы по-разному поглощаются почвой химически. Анионы   РО43-, НРО42-, Н2РО4–, SiO32– хорошо поглощаются, анионы NO2, NO3–, Cl– как неспособные образовывать с катионами труднорастворимые соли очень слабо поглощаются почвой химически. Анионы SO42– и CO32–, дающие с катионами осадки средней растворимости, по химической поглотительной способности занимают промежуточное положение.

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 ббльшие их контакты с корневыми системами растений.

Биологическая поглотительная способность проявляется в возможности живых почвенных организмов (корни растений, микроорганизмы) поглощать из почвы различные вещества, катионы и анионы (NO3–, SO42–, HPO42–, НРО4–).

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.

Благодаря биологическому поглощению в почве удерживаются от вымывания весьма важные элементы питания растений: Са2+, К+, NO3–, PO43–. 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.

1. Обмен происходит в  эквивалентных количествах по  законам обменных химических  реакций.

2. Любой поглощенный катион  может быть вытеснен и заменен  любым другим катионом почвенного  раствора.

3. Энергия поглощения  и вытеснения катионов различна  и зависит от величины валентности  и атомной массы.

Энергия поглощения с увеличением валентности возрастает:

м+ < м2+ < м3+.

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

7Li<23Na<18NH4<39K<1H:

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.

Чем меньше радиус иона, тем выше плотность электростатического напряжения на его поверхности (самопотенциал), тем в большей степени он гидратирован. Исключение представляет комплексный ион NH4+, обладающий большей гидратацией, чем ион К+, меньший по размеру.

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.

4. Обменное поглощение  носит обратимый характер.

5. 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.

В поглощенном состоянии в почве могут находиться различные катионы: Са2+, Mg2+, К+, Na+, NH4+, Н+, Al3+, Fe2+, Mn2+ и др.

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.

Суммарное количество всех обменных катионов, за исключением Н+ и А13+, называют суммой обменных оснований (S), которая также выражается в мг • экв на 100 г почвы. Доля суммы поглощенных оснований от емкости поглощения, выраженная в процентах, называется степенью насыщенности почв основаниями:

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

Почва	Горизонт и глубина, см	Са2+	Mg2+	Na+	Н++Аl3+	ЕКО
Дерново-среднеподзолистая	А1 1-5	28,1	6,6	Нет	10,5	45,2
	А2 20-30	1,9	1,4	»	1,2	4,4
	В 50-60	6,2	2,1	»	6,5	14,8
	С 180-190	4,4	2,9	»	1,0	8,3
Темно-серая лесная	А 0-7	35,4	3,5	»	Нет	38,9
	А2 20-30	14,3	2,0	»	»	16,3
	В 70-80	11,9	3,0	»	1,0	15,9
	ВС 170-180	14,9	3,0	»	0,8	18,7
Чернозем типичный	А0-10	43,9	9,6	0,1	Нет	53,7
	АВ 70-80	27,8	9,6	0,05	»	37,5
	С 160-170	27,6	9,5	0,05	»	37,2
Солонец степной	А1 0-5	10,3	5,1	0,5	»	17,2
	В1 18-23	16,1	9,3	2,4	»	29,1
	В2 45-50	17,1	8,0	2,5	»	29,4
	С 95-100	14,0	6,5	2,7	»	24,7
Серозем	А 0-5	7,8	0,4	0,2	»	8,5
	АВ 20-25	6,8	0,9	0,2	»	8,0
	С 70-75	4,1	4,2	0,2	»	8,6
Желтозем	А 0-8	7,2	4,7	Нет	0,2	12,1
	В 45-55	6,6	2,5	»	4,4	13,5
	С 120-130	6,5	3,0	»	7,3	16,8
Краснозем	А 0-10	2,4	1,7	»	7,2	11,4
	В 30-40	2,8	1,3	»	5,1	9,3
	С 150-200	0,3	0,9	»	10,8	12,0

 

 

  Емкость поглощения  зависит от содержания в почвах  коллоидов и их природы. Чем  больше в почве гумусовых веществ  и ила, содержащего минералы монтмориллонитовой  группы, тем выше ЕКО. Состав обменных  катионов и степень насыщенности  основаниями отражают особенности  почвообразовательных процессов.

Наибольшая емкость поглощения характерна для черноземов типичных высокогумусных, в составе обменных катионов которых преобладают Са2+ и Mg2+; степень насыщенности этих почв основаниями составляет 100%. В дерново-подзолистых почвах с небольшим содержанием гумуса емкость поглощения низкая; в составе обменных катионов кроме Са2+ и Mg2+ присутствуют Н+ и А13+; почвы характеризуются низкой насыщенностью основаниями. В иллювиальных горизонтах (Bi) солонцов много обменного натрия и магния; почвы полностью насыщены основаниями.

Необменное поглощение катионов (фиксация) определяется прочностью их связи с ППК. Эта часть катионов не вытесняется катионами нейтральных солей и представляет собой необменно-поглощенные, или фиксированные, катионы.

Необменному поглощению (фиксации) подвержены все почвенные катионы, но наиболее выражено оно для К+ и NH4+. Необменное поглощение катионов может иметь обратимый характер.

Механизм фиксации катионов до конца не изучен, но большинство исследователей считает, что переход катионов из свободного состояния в фиксированное и обратно сопровождается чередованием увлажнения и высушивания, обусловливающим набухание и усадку кристаллических решеток трехслойных глинных минералов типа монтмориллонита, особенно вермикулита.

При набухании кристаллических решеток этих минералов в межпакетные пространства, имеющие сферы радиусом 1,3- 1,65 Ǻ проникают катионы. При усадке кристаллической решетки размеры межпакетного пространства уменьшаются и катионы остаются закрепленными. Сильнее закрепляются катионы с большим радиусом - 1,33 Ǻ (К+); 1,43 Ǻ (NH4+), а также 1,49; 1,65 Ǻ (Rb+ и Cs+).

Фиксирующая способность почв по отношению к катионам зависит от гранулометрического состава, содержания гумуса. Чем больше гумуса и тяжелее почва, тем выше способность почв поглощать катионы.

В таблице 27 приведена фиксирующая способность разных почв по отношению к аммонийному иону.

27. Средние значения NH4+ - фиксирующей способности некоторых почв

(по Могилевкиной)

 

 

Почвы	Природно-фиксированный NH4+	Емкость фиксации NH4+
	мг N на 100 г почвы
Подзолистые	4,8	11,6
Черноземы	5,0	13,5
Каштановые	6,8	8,8
Сероземы	10,7	12,3