6.3. Природа та види поглинальної здатності грунтів
На початку XIX ст. італійці Ламбрушіні й Герцері провели дослідження з поглинання грунтом поживних елементів із розчину, а також забарвлених і пахучих речовин. Пізніше Гекстебль і Томсон виявили поглинання грунтом аміачних та інших солей, яке супроводжувалося переходом у розчин кальцію. Це були передумови для грунтовних досліджень англійця Уея. Він довів, що при пропусканні через грунт солей калію й амонію ці основи поглинаються, а кислотні залишки залишаються в розчині, з'єднуючись з еквівалентною кількістю кальцію. Поглинальною здатністю володіє перегній і особливі мінеральні сполуки цеоліти – розчинені в соляній кислоті силікати.
Пізніше К.К. Гедройц провів свої фундаментальні дослідження, на основі яких опублікував "Вчення про поглинальну здатність грунтів" (1922) і "Грунтовий поглинальний комплекс і грунтові ввібрані катіони, як основа генетичної класифікації грунтів" (1925). Крім того, вчення про поглинальну здатність грунтів додатково розроблено у наукових працях Г.Вігнера, С.Маттсона, М.І.Горбунова, О.Н.Соколовського.
Поглинальною здатністю грунту називається його властивість обмінно чи необмінно поглинати різні тверді, рідкі й газоподібні речовини або збільшувати їх концентрацію на поверхні грунтових колоїдних частинок.
К.К.Гедройц виділив п'ять її видів:
1. Механічна поглинальна здатність – це властивість грунтів поглинати тверді частинки, що надходять із водним або повітряним потоком, розміри яких перевищують розміри грунтових пор. Вода при цьому очищається від завису, що дозволяє використати грунт для очищення питних і стічних вод. При будівництві зрошувальних систем властивість грунтів поглинати тверді частинки використовується для замулювання дна і стінок каналів із метою зменшення фільтрації (кольматаж каналів, водосховищ).
2. Хімічна поглинальна здатність – зумовлена утворенням внаслідок проходження хімічних реакцій у грунті важкорозчинних сполук, які випадають із розчину в осад. Катіони і аніони, які надійшли до грунту з атмосферними, поливними і грунтовими водами, утворюють із солями грунтового розчину нерозчинні або важкорозчинні сполуки:
3. Біологічне поглинання спричиняється здатністю живих організмів (корені рослин, мікроорганізми), які живуть у грунті, поглинати різні елементи. Живі організми володіють вибірковою здатністю до елементів живлення.
4. Фізична поглинальна здатність – здатність грунту збільшувати концентрацію молекул різних речовин на поверхні тонкодисперсних частинок. Поверхнева енергія таких частинок виникає на границі дотику дисперсної фази з дисперсним середовищем і прагне до скорочення. Це реалізується шляхом: а) скорочення поверхні збільшених частинок або б) зменшення поверхневого натягу внаслідок адсорбції на поверхні частинок деяких речовин. Речовини, які знижують поверхневий натяг, називаються поверхнево-активними (органічні кислоти, алкалоїди, велика кількість високомолекулярних сполук). Вони притягуються до поверхні тонкодисперсних частинок, тобто виявляють позитивну адсорбцію. Багато мінеральних солей, кислот, лугів підвищують поверхневий натяг води, викликаючи явище від'ємної адсорбції, при якій концентрація цих речовин зменшується з наближенням до поверхні частинки.
5. Фізико-хімічна, або обмінна поглинальна здатність – здатність грунту поглинати і обмінювати іони, що знаходяться на поверхні колоїдних частинок, на еквівалентну кількість іонів розчину, що взаємодіє з твердою фазою грунту. Ця властивість грунту зумовлена наявністю у його складі так званого грунтового поглинального комплексу (ГПК), зв'язаного з грунтовими колоїдами.
Головним механізмом фізико-хімічної, або обмінної поглиналь-ної здатності грунтів є процеси сорбції. Обмінна сорбція катіонів – це здатність катіонів дифузного шару грунтових колоїдів обмінюватися на еквівалентну кількість катіонів навколишнього розчину. Обмінними катіонами у грунті звичайно є: Са2+, Mg2+, K+, Na+, Аl3+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, H+. Головні закономірності сорбції катіонів:
1) еквівалентність обміну між поглинутими катіонами та катіонами взаємодіючого розчину.
2) енергія поглинання катіонів у ряді різновалентних іонів збільшується з підвищенням валентності іона:
Під енергією поглинання розуміють відносну кількість поглинання катіонів грунтами при одній і тій самій концентрації в розчині.
3) енергія поглинання визначається радіусом не гідратованого іона: чим менший радіус, тим слабше зв'язується іон. Це пояснюється більшою щільністю заряду, а значить, і більшою гідратованістю іона. Гідратні оболонки зменшують їх чутливість до електростатичного тяжіння.
Усередині рядів іонів однієї валентності енергія поглинання збільшується з підвищенням атомної маси та атомного номера.
Грунти здатні сорбувати також і аніони. Сорбція аніонів залежить від заряду, будови і хімічних властивостей грунтового поглинального комплексу. Сорбція аніонів викликається позитивним зарядом колоїдних часток гідроксидів заліза, алюмінію. За здатністю сорбуватись на грунтових частинках аніони розміщуються так:
При збільшенні в грунтовому поглинальному комплексі алюмінію, заліза і в присутності відколів грунтових мінералів, при зниженні рН середовища сорбція аніонів збільшується.
Аніони СГ і N03 практично не поглинаються грунтом. У поглинанні аніонів велику роль відіграють процеси солеутворення. При взаємодії розчинних солей утворюються нові нерозчинні у воді солі (сульфати, карбонати, фосфати), які переходять у тверду фазу. Так поглинаються грунтом іони Н2Р04 , НР042
, Р043". Та механізм поглинання грунтом фосфат-іонів складний і різноманітний.
6.4. Грунтовий поглинальний комплекс та його характеристики
Обмінна поглинальна здатність грунту зумовлена наявністю у ньому грунтового поглинального комплексу (ГПК).
ГПК – це сукупність мінеральних, органічних і органо-мінеральних сполук високого ступеня дисперсності, нерозчинних у воді і здатних поглинати й обмінювати поглинуті іони.
Грунт належить до гетерогенних полідисперсних утворень, для яких колоїдний стан речовини має велике значення. Поглинальною здатністю володіють як колоїдні частинки, так і передколоїдна фракція. Діаметр частинок 1 мкм являє собою границю, яка відокремлює
механічні елементи з різко вираженою поглинальною здатністю.
Загальна кількість усіх поглинутих (обмінних) катіонів, які можуть бути витіснені з грунту, називається ємністю поглинання (ЄП), або ємністю катіонного обміну (ЄКО).
Останнє поняття було введено К.К.Гедройцем. Виражається ємність катіонного обміну у міліграм-еквівалентах на 100 г грунту (мг-екв/100 г грунту). Залежить від вмісту в грунті колоїдної і перед-колоїдної фракцій, будови їх поверхні, природи грунтового погли-нального комплексу, реакції середовища: а) при збільшенні ступеня дисперсності частинок ємність поглинання підвищується; б) органічна частина володіє значно більшою ємністю поглинання, ніж мінеральна; в) монтморилонітова група глин володіє дуже високою ємністю поглинання; г) з підвищенням рН збільшується ємність поглинання.
Ємність поглинання грунтів коливається від 5-10 до 50-60 мг-екв/100 г грунту, залежить від його гранскладу, рН, вмісту гумусу (тобто вмісту колоїдів), мінералогічного складу.
Сума ввібраних основ (СВО) – вміст в ГПК лужних та лужноземельних іонів (Са, Mg, Na, К), в мг – екв/100 г грунту.
Крім цих катіонів, до складу ГПК можуть входити також Н і А1, але до ввібраних основ вони не відносяться, оскільки викликають формування кислотності грунтів.
Ступінь насиченості основами (СНО) – це процентний вміст у ГПК ввібраних основ:
Питома поверхня (м кв/г) колоїдів гумусного горизонту різних суглинкових грунтів складає: дерново-підзолистих – 29; сірих лісових – 33; чорноземів – 48.
6.5. Екологічне значення поглинальної здатності
Поглинальна здатність грунту – одна з найважливіших його властивостей, яка в основному визначає родючість грунту і характер грунтоутворення. Вона забезпечує і регулює поживний режим
грунтів, сприяє накопиченню багатьох елементів живлення рослин, регулює реакцію грунту, його водно-фізичні властивості (табл. 8).
Таблиця 8. Склад обмінних катіонів та ємність поглинання основних типів грунтів
Тип грунту
|
Характерні обмінні катіони
|
Ємність поглинання,
мг-екв на 100 г грунту
|
Дерново-підзолисті
|
Са, H>Mg
|
10-30
|
Сірі лісові
|
Ca>Mg>H
|
20-40
|
Чорноземи
|
Ca>Mg
|
40-60
|
Каштанові
|
Ca>Mg>Na
|
15-30
|
Сіро-бурі пустельні
|
Ca>Mg, Na, К
|
10-20
|
Червоноземи
|
H>Mg>Ca
|
10-18
|
Реакція насичених кальцієм грунтів близька до нейтральної; колоїди знаходяться у стані незворотних гелів і не піддаються пептизації при надлишку вологи, грунти добре оструктурені, мають сприятливі фізичні властивості. Чорноземи є прикладом таких грунтів. Грунти, у складі обмінних катіонів яких є в значних кількостях іони натрію, мають лужну реакцію, що негативно впливає на водно-фізичні властивості: підвищену щільність, погану водопроникність, слабку водовіддачу, низьку доступність грунтової вологи рослинам (солонці, солонцюваті грунти). При наявності у грунтовому поглинальному комплексі у складі обмінних катіонів значної кількості Н+ і Аl3+ колоїди легко руйнуються в результаті кислотного гідролізу, грунти погано оструктурені (підзолисті грунти).
Поглинальну здатність грунтів можна регулювати внесенням органічних добрив, глини, торфу, вапнуванням, гіпсуванням, травосіянням тощо. Обмінна поглинальна здатність широко використовується при хімічній меліорації грунтів.
Контрольні питання
1. Визначте поняття "грунтові колоїди", опишіть їх речовинний склад, будову колоїдної міцели.
2. Охарактеризуйте основні властивості грунтових колоїдів.
3. Охарактеризуйте можливі фізичні стани грунтових колоїдів, шляхи переходу з одного стану в інший (пептизацію та коагуляцію).
4. Поняття про поглинальну здатність грунтів, її види.
5. Визначте поняття "грунтовий поглинальний комплекс", опишіть його основні характеристики.
6. Обгрунтуйте екологічне значення поглинальної здатності грунтів.
7. РІДКА ТА ГАЗОВА ФАЗИ ГРУНТУ
Вода в природі виконує дві функції: забезпечує багато фізичних і хімічних процесів; є потужною транспортною геохімічною системою, яка сприяє переміщенню речовин у просторі. У житті грунту вода виконує 6 функцій: вона є одним із факторів грунтоутворення й процесів вивітрювання мінералів; гумусоутворення; хімічні реакції відбуваються тільки у водному середовищі; під впливом води проходить формування грунтового профілю; регулювання температури грунту відбувається за допомогою води; вона є одним із факторів життя рослин та організмів, а також родючості грунтів.
7.1. Стан і форми води в грунтах
Стан води в грунті, закони її переміщення та доступності для рослин, водоспоживання рослинами, водно-фізичні властивості та водний режим грунтів вивчали Г.М.Висоцький (1899), О.А.Роде (1965), Н.А. Качинський (1970) та інші. Вода в грунті розміщується в порах і обволікає тверді його частинки.
Порції грунтової води, які мають однакові властивості, називаються формами води.
Загальна кількість води в грунті в даний момент, виражена в% по відношенню до абсолютно сухої наважки, називається його вологістю. Вологість грунту вираховується за формулою:
Вологість грунту – дуже динамічна величина, що залежить від кількості опадів і температури; при цих рівних умовах – від гранскладу й гумусованості грунту. Головним джерелом вологи в грунті є опади.
Вода в грунті зазнає впливу різноманітних сил, з допомогою яких вона пересувається або затримується. Головними силами, які діють на грунтову воду, є сорбційні, меніскові та гравітаційні. Сорбційні сили виникають завдяки специфічній будові молекули води. Вона складається з диполів, які являють собою тіла з полюсами. Вони несуть заряди протилежного знака, які мають властивість асоціюватись один з одним, притягуватись іонами та колоїдними частинками: явище притягування диполів води іонами та грунтовими частинками називається гідратацією. Вона виявляється в утворенні гідратної оболонки навколо іонів і колоїдних частинок.
Меніскові (капілярні) сили зумовлюються поверхневим натягом води. На її поверхні утворюється вільна енергія через односторонній напрямок дії на молекули поверхневого шару. Наявність вільної енергії викликає прагнення до максимального зменшення поверхні рідини. Так як вода добре змочує більшість тіл, біля стінок посудини (особливо малого діаметру) виникає викривлення поверхні води і утворюється меніск. Викривлення поверхні веде до зменшення поверхневого тиску, з чим і пов'язане явище капілярного підняття води. Висота капілярного підняття описується формулою Жюрена:
Гравітаційні сили впливають в основному на вільну вологу в грунті.
З фізичної точки зору вода може знаходитись у трьох станах – твердому, пароподібному, рідкому (рис. 18). Тверда вода – лід, який утворюється при від'ємній температурі сезонно або постійно, малоактивний кристалічний стан води. Це потенційне джерело води рідкої й пароподібної, в яку лід переходить при таненні й випаровуванні.
Рис. 18. Стан і форми води в грунті
Пароподібна вода – міститься в грунті при будь-якій вологості в порах, вільних від рідкої води. її у грунті мало, не більше 0,001%, вона знаходиться у вигляді водяного пару. Ця вода рухається від ділянок з високою пружністю водяного пару до ділянок із нижчою пружністю, із верхніх шарів грунту – в атмосферу, а при певних умовах конденсується в рідкий стан. Тобто цей стан води відіграє помітну роль у формуванні водного режиму грунту (вміст її може складати до 150 м куб/га).
Рідка вода – знаходиться в порах, найдоступніша рослинам, найрухоміша, відіграє винятково важливу роль у грунтах. Виділяють хімічно зв'язану, фізично зв'язану та вільну форми рідкої грунтової води залежно від характеру її зв'язку з твердою фазою грунту.
Хімічно зв'язана. Входить до складу твердої фази грунту, не пересувається, не бере участі у фізичних процесах, не випаровується при температурі 100°С, в формуванні водного режиму участі не бере. Ділиться на конституційну – група ОН- у хімічних сполуках типу Fe(OH)3, кристалізаційну – молекули води в речовинах типу CaSO4·2H2О.
Фізично зв'язана (сорбована). Це вода, сорбована поверхнею грунтових часток у вигляді плівки, вона може сорбуватись як із пароподібного, так і рідкого стану. Фізично зв'язана вода за міцністю зв'язку з твердими частинками грунту поділяється на:
а) щільнозв'язану (гігроскопічну). Це вода, поглинена грунтом із пароподібного стану. Властивість грунту сорбувати пароподібну воду називають гігроскопічністю. Ця вода утримується частинками грунту під дуже великим тиском, тому нерухома, дуже ущільнена, густина її досягає 1,5-1,8 г/см куб, замерзає при температурі -78°С, не розчиняє речовини, не доступна рослинам (рис. 19).
Рис. 19. Форми грунтової води та їх відношення до рослин
За фізичними властивостями гігроскопічна вода наближається до твердих тіл.
Кількість води, яка може сорбуватись грунтом, залежить від відносної вологості повітря. Наприклад, при відносній вологості повітря 20-40% має місце сорбція води безпосередньо грунтовими частинками з утворенням моно-, бімолекулярного шару. Подальше збільшення відносної вологості повітря зумовлює зростання товщини водяної плівки.
Максимальна кількість води, яку може поглинути грунт з пароподібного стану при відносній вологості повітря приблизно 95-100%, називається максимальною гігроскопічністю (МГ).
При вологості грунту, що дорівнює МГ, товщина плівки з молекул води досягає 3-4 шарів. На величину МГ суттєво впливає величина питомої поверхні грунтових частинок (мінералогічний, гранулометричний склад, гумусованість). Чим більше в грунті мулистих та, особливо, колоїдних частинок, тим більше буде гігроскопічної води (рис. 20).
|
Скачать 3.44 Mb.