Вальков - Почвоведение. Издательский центр МарТ
 Скачать 19.72 Mb.
|
|
Химическая поглотительная способность обусловлена образованием в результате происходящих в почве химических реакций труднорастворимых соединений, выпадающих из раствора в осадок. Поступающие в почву в составе атмосферных, грунтовых, поливных вод катионы и анионы могут образовывать с солями почвенного раствора нерастворимые или труднорастворимые соединения. Например: АКОЮз + Н3Р 0 4 -> A lP 04i + ЗН20 Na2C 0 3 + C aS04 —> СнСОз! + Na2S 0 Химическая поглотительная способность связана с взаимодействием ионнодисперсных систем. Биологическая поглотительная способность. Биологическое поглощение вызвано способностью живых почвообитающих организмов (корни растений, микроорганизмы) поглощать различные элементы. Биологическая поглотительная способность характеризуется большой избирательностью поглощения, обусловленной специфической для каждого вида потребностью живых организмов в элементах питания 1 2 Почвоведение Физическая поглотительная способность связана с изменением концентрации молекул на поверхности раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды. С увеличением поверхности частиц увеличивается их поверхностная энергия. Представление о поверхности частиц разного диаметра дает табл. Таблица Площадь поверхностей граней кубиков при раздроблении 1 см твердой массы Длина ребра, см Число кубиков Общая поверхность граней, см2 1 1 б од 103 60 0,01 10б 600 0,001 109 6000 0,0000001 ю Поверхностная энергия частиц, измеряющаяся произведением поверхностного натяжения, возникающего на границе соприкосновения дисперсной фазы с дисперсионной средой, на суммарную поверхность дисперсной фазы, стремится к наибольшему сокращению. Это поведение можно обобщить теоремой Джиббса: поверхность раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды имеет концентрацию иную, чем в остальной части. Вещества, понижающие поверхностное натяжение, стремятся сконцентрироваться на поверхности раздела и тем самым уменьшить энергию системы обратно, вещества, повышающие поверхностное натяжение, стремятся разжижаться на поверхности раздела, чтобы этим уменьшить поверхностную энергию системы. Вещества, понижающие поверхностное натяжение, называются поверхностно-активными. Эти органические кислоты, алкалоиды, высокомолекулярные органические соединения. Они обусловливают положительную физическую адсорбцию. Многие минеральные соли, кислоты, щелочи вызывают явление отрицательной физической адсорбции, при которой концентрация данных веществ уменьшается по мере приближения к поверхности частицы. Известна отрицательная сорбция почвой хлоридов и нитратов, которая впервые была описана К. К. Гедройцем как отрицательное физическое поглощение веществ. Сущность этого явления сводится к 4 снижению концентрации электролита в пределах «нерастворяющего * объема молекулярно сорбированной воды во внутренней части сорб- ^ Часть. Состав и с вой ст в а почв 125ционной пленки, вследствие чего концентрация электролита в более рыхло связанных слоях водной пленки возрастает. Отрицательная сорбция нитратов — явление неблагоприятное, так как она усиливает процессы их вымывания из почвы. Известна молекулярная сорбция ряда органических веществ. Сорбируются как низкомолекулярные органические вещества, постоянно присутствующие в почве, вследствие разложения исходных растительных остатков, таки высокомолекулярные соединения типа белков и полисахаридов, вследствие амфотерности этих соединений. С физической поглотительной способностью связано поведение воды в почвах. Дипольные молекулы воды образуют на поверхности высокодисперсных твердых частиц пленку, состоящую из нескольких слоев сорбированных молекул. Внутренние слои воды в этой пленке удерживаются силами электростатического притяжения наиболее прочно, в них вода сильно уплотняется, не обладает электропроводностью, так как не содержит растворенных веществ, не замерзает при понижении температуры до е С. Наружные слои пленки более подвижны, они составляют пленочную влагу. Сухая почва сорбирует газы, которые образуют тонкую пленку на поверхности частиц. По способности сорбироваться газы располагаются в следующий ряд N2< 0 2< C 0 2. Степень их сорбции зависит от давления и температуры. Чем ниже температура и выше давление, тем больше сорбция газа. При увлажнении почвы сорбированные газы вытесняются молекулами воды. Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность — способность почвы поглощать и обменивать ионы, находящиеся на поверхности коллоидных частиц, глинистых минералов и связанные в функциональных группах гумусовых веществ на эквивалентное количество ионов раствора, взаимодействующего с твердой фазой почвы. Эта поглотительная способность связана с ионно дисперсными и коллоидными системами .9 .2 . Почвенные bbк о л л о и д ы и ф из и ко химическая СПОСОБНОСТЬ Твердая фаза почвы, способная к реакциям ионного обмена и представляющая совокупность различных коллоидов и тонкодисперсных веществ, представляет почвенный поглощающий комплекс (ППК). Почвоведение Это то, что обычно в почвоведении называют плазмой яочвы, те. самая активная, химически, физически, физико-химически, биологически деятельная часть почвы, определяющая генезис и плодородие всего почвенного покрова. Масса почвенного поглощающего комплекса зависит от гранулометрического состава и содержания гумуса. С большой достоверностью можно отметить, что илистая фракция — это и есть масса веществ почвенной плазмы, если в илистую фракцию включены органические вещества почвы. Однако следует сделать оговорку некоторой способностью к обменному поглощению обладает и фракция пыли и даже песка, а в составе ила могут присутствовать и инертные не ионообменные вещества, например, зерна мелкокристаллического кварца. Общая схема обменной или физико-химической поглотительной способности показана на примере реакции, которая может происходить в подзолистых почвах Н+ 1 Са2+ ППК| Н+ + Са2+ ППК I + Н Н+ J Н+ Обменная поглотительная способность измеряется величиной емкости катионного обмена (Е КО у которая представляет сумму всех обменных катионов, выраженную в м.-экв наг почвы. Коллоидные системы различных веществ имеют разные величины ЕКО табл. Таблица Емкость катионного обмена тинистых минералов и других почвенных коллоидов при pH в 7 (Поддубный, Александров) Название коллоида ЕКО, м.-экв на 100 г Каолинит 3-15 Монтмориллонит 60-150 Иллит 20-40 Вермикулит 65-145 Минеральные коллоиды чернозема 70-90 Гуминовые кислоты 400-500 Органоминеральные коллоиды чернозема Часть. Состав и с вой ст в а почв системы имеют размер дисперсной фазы от 1 до 100 мкм. В почвах коллоидными свойствами обладают частицы менее 0,001 мм (ил. Коллоиды образуются в результате совокупности процессов почвообразования и выветривания. Процессы эти могут быть разновременными часть коллоидов, главным образом, минеральных, формируется при возникновении материнской породы. Часть коллоидов образуется в почвообразовательном процессе. При этом, безусловно, происходит преобразование и изменение состава коллоидов материнской породы, но часть коллоидов почвообразующей породы входит в состав дисперсной фазы почвы. Основные явления, происходящие при формировании коллоидов дробление крупных частиц и соединение молекулярнораздроблен ных частиц. Основу коллоидной частицы (рис. 2), называемой коллоидной мицеллой, составляет ее ядро. Ядро в химическом отно- Почвоведение шении представляет сложное соединение и имеет аморфное или кристаллическое строение. У минеральных коллоидов ядро состоит из алюмо-магниевых и других силикатов, иногда кремнезема, окислов железа и алюминия. У органических коллоидов ядро состоит из гуминовых и фульвокислот, протеина, клетчатки и других сложных веществ. У органоминеральных коллоидов ядро образуется в результате взаимодействия органических и минеральных компонентов. На поверхности ядра расположен прочно удерживаемый слой ионов, несущий заряд, — слой потенциалопределяющ их ионов Ядро мицеллы вместе со слоем потенциалопределяющих ионов называется гранулой.Между гранулой и раствором, окружающим коллоид, возникает термодинамический потенциал, под влиянием которого из раствора притягиваются ионы противоположного знака (компенсирующие ионы).Так, вокруг ядра коллоидной мицеллы образуется двойной электрический слой, состоящий из слоя потенциало пределяющих и слоя компенсирующих ионов. Компенсирующие ионы в почвоведении называются обменными или поглощенными, а сумма этих катионов составляет емкость катионного обм ена. Компенсирующие ионы, в свою очередь, располагаются вокруг гранулы двумя слоями. Один — неподвижный слой , прочно удерживаемый электростатическими силами потенциалопределяющих ионов. Гранула вместе с неподвижным слоем компенсирующих ионов называется коллоидной частицей.Между коллоидной частицей и окружающим раствором возникает электрокинетический потенциал (дзета-потенциал), под влиянием которого находится второй (диффузный) слойкомпенсирующих ионов. В почвах почти все коллоиды имеют отрицательный заряд. Это ацидоидыув диффузном слое которых сосредоточены катионы. К ацидоидам относятся коллоидно-дисперсные системы кремнезема, глинистых минералов, гидраты окиси марганца (Мп20 3иН20 ), гумусовые кислоты, а также и органо-минеральные коллоиды, представляющие собой глинистые минералы, покрытые пленками органических веществ. Коллоиды с положительным зарядом называются базоидам и У них в компенсирующем слое противоионов концентрируются анионы. Типичных базоидов в почве нет. Нов почвах могут встречать Часть. Состав и с вой ст в а поч вся ам ф олит оиды — коллоиды с переменным знаком заряда. К амфолитоидам относятся гидраты окиси железа [Ре(0Н)зипН20 ], алюминия [А1(0Н)3ипН20 ], а также протеиновые вещества гумуса. В кислой среде они заряжены положительно, в щелочной — отрицательно. Количество амфолитоидов в почвах крайне незначительно. Они чаще встречаются во влажных тропических и субтропических почвах. Основные обменные катионы почвенных коллоидов Са2+, Mg2+, КВ незначительных количествах встречаются и другие катионы, относящиеся к микроэлементами являющиеся объектом специальных исследований. Для обменной поглотительной способности характерны следующие закономерности. Обмен между катионами ППК и почвенного раствора происходит в эквивалентных количествах. Это значит, что количество поглощенных катионов в эквивалентах равно количеству эквивалентов катионов, вытесненных в почвенный раствор. В почвах всегда существует динамическая система, равновесие которой нарушается изменением концентрации катионов в дисперсионной среде. Энергия поглощения определяется радиусом негидратирован- ного катиона чем меньше радиус, тем слабее связывается ион. Это объясняется большей плотностью заряда, а следовательно, большей гидратированностью иона. В связи с этим в ряду разновалентных катионов энергия поглощения возрастает с увеличением валентности К+ < Са2+ < Fe3+ . Внутри рядов ионов одной валентности энергия поглощения увеличивается с возрастанием атомной массы 7U < 23Na < МК; 27Mg < 40Са < Со < ,,2Cd; 27AI < ^Fe. Ион Н+ или ион гидроксония НэО+ сорбируется аномально прочно в связи сего малым размером. Практическую сущность закономерности можно иллюстрировать следующим примером. Суспензия чернозема в соотношении г почвы и г воды из 50 млн. раствора поглощает КС1 — 2,5 м.-экв, a FeCl3—8,0 м.-экв. В тоже время, катионы, обладающие большой энергией поглощения, прочнее удерживаются в поглощенном состоянии и труднее замещаются. На поглощение почвой катионов большое влияние оказывает их концентрация в почвенном растворе чем больше тех или иных катионов в растворе, тем с большей силой они будут поглощаться ивы теснять из ППК другие катионы и занимать преобладающее место Почвоведение, ряд катионов по степени поглощения имеет значение только в условиях эквивалентных концентраций. Сумма поглощенных катионов (ЕКО ) зависит от количества коллоидов в почве, количество которых обычно не превышает 30—40% от почвенной массы. В глинистых почвах и богатых гумусом ЕКО может достигать 50—60 м.-экв/iOOr, а в легких малогумусных — 3—8 м экв г .9 .3 . Физическое bbс ост о я ни е п о ч вен н ы х к о л л о и до в Коллоидные системы почвы могут находиться в состоянии золя или геля. Золи — это подвижные коллоидные растворы, в которых твердые частицы почвы отделены друг от друга дисперсионной водной средой. Одноименно заряженные частицы коллоидов взаимно отталкиваются, гидратируются диполями молекул воды и находятся в коллоидной системе в дисперсном состоянии. Коллоидная масса, ас ней и вся почва приобретает свойства текучести, бесструктурности, сплошности, безвоздушности, слитости. Это явление экологически крайне неблагоприятное и нетипично для большинства почв. Исключение составляют только солонцы. Снижение электрокинетического потенциала и уменьшение заряда частиц разноименно заряженных коллоидов приводит к их слипанию, увеличению в размерах и выпадению в осадок. Коллоидная система переходит в состояние геля Процесс соединения коллоидных частиц называется коагуляцией, дальнейшее осаждение — седиментацией Из раствора коллоиды выпадают в осадок под воздействием высыхания или увеличения концентрации простых солей в почвенном растворе. При коагуляции золь, имеющий жидкое состояние, переходит в гель, имеющий твердое состояние. Коллоиды в почвах находятся на 99,9% в состоянии геля. Частицы коллоидов сцепляются между собой, образуя пространственную структуру, в ячейках которой удерживается вода. Обратный процесс перехода коллоидов в раствор, геля в золь, называется пептизацией. В большинстве почв коагуляция необратима и только незначительная часть (менее 0,1%) коллоидов пептизируется. Для некоторых почв, например, солонцов, чередование явлений каогуляции и пептизации составляет сущность почвообразовательного процесса Часть. Состав и с вой ст в а почв 129По количеству удерживаемой воды коллоиды разделяются на гидрофильные и гидрофобные Из гидрофильных можно назвать коллоиды некоторых глинистых минералов, например, монтмориллонита, а также органические коллоиды. Гидрофобны коллоиды соединений железа и алюминия. Почвы с гидрофильными коллоидами вязки, пластичны, сильно набухают при увлажнении, очень липки. Противоположны свойства гидрофобных коллоидов. Физическое состояние коллоидов в значительной степени зависит от состава поглощенных катионов. Чем больше валентность поглощенных ионов, больше их заряд, тем меньше будет диссоциация их от коллоидной частицы, меньше электрокинетический потенциал частицы, тем легче идет процесс коагуляции. К. К. Гедройц расположил все катионы по их коагулирующей способности вряд, который он назвал лиотропным+ < Na+ < NH4+ < КН Са2+ < Ва2+ < А+ < Fe3+ Коллоиды, насыщенные одновалентными катионами, находятся в основном в состоянии золя при замене одновалентных катионов двух- и трехвалентными они переходят в гель. Так, насыщение почвенного поглощающего комплекса натрием способствует образованию золя, распылению почвы, увеличению заряда почвенных коллоидов и их гидратации. Замещение натрия кальцием способствует коагуляции и образованию водопрочной структуры. Типичные гели обладают тиксотропными свойствами.В этом случае образовавшийся из золя гель не отделяется от дисперсионной среды в виде осадка, а застудневает вместе с ней. Коллоиды и более крупные частицы образуют своеобразный каркас, внутри которого свободное пространство заполнено раствором (водой. По внешнему виду тиксотропный гель напоминает студень или скисшее молоко. Образование его происходит медленно с постепенным нарастанием вязкости. Вторая особенность — при механическом воздействии (помешивании, встряхивании) гель может снова перевести в золь. Тиксотропия наблюдается в почвах тундровой зоны. Поверхность тиксотропной почвы до механического воздействия ничем не отличается от почвы, не имеющей такого свойства. Но при механическом воздействии (копка шурфа, проезд вездехода) выступает вода, почва становится текучей. Тиксотропные почвы плохо проницаемы для воды и воздуха, поэтому в них развивается заболачивание. Почвоведение 150 Почвоведение. Экологическое значение поглотительной способности почв Поглотительная способность относится к одному из наиболее существенных свойств почвы, так как она участвует в процессах почвообразования и развития плодородия. Поглотительная способность регулирует питательный режим почвы, обусловливая накопление многих элементов питания растений и микроорганизмов, она же регулирует реакцию почвы, степень ее буферное, водно-физические свойства. Не менее существенно значение поглотительной способности почв в развитии частных почвообразовательных процессов. Так, интенсивность накопления продуктов почвообразования и формирование гумусово-аккумулятивных горизонтов в значительной степени обусловлена поглотительной способностью почвы. При анализе поглотительной способности почв, ее отдельных генетических горизонтов, компонентов почвы, материнских породи др. исследователь и практик сталкивается с широким разнообразием величины емкости катионного обмена. Это разнообразие можно сгруппировать следующим образом: ЕКО, м.-экв на 100 г Объекты наблюдения 3-5 Крайне низкая поглотительная способность, наблюдаемая в сильно элювиированных горизонтах подзолов, почти целиком состоящих из кремнезема и кварца. 5-10 Очень низкие величины. Это пески полевошпатовые, песчаные и супесчаные почвы, карбонатные лессы с преобладанием в гранулометрическом составе пылеватых фракций, мало- гумусные сероземы. 10-15 Низкая поглотительная способность, типичная для почв легкого суглинистого состава и также для почв и кор выветривания с обилием свободных окислов железа и алюминия, характерных для влажных тропиков и субтропиков глины и суглинки без смектитовых минералов. 15-25 Средняя величина ЕКО. Наблюдается, как правило, в почвах с промывным водным режимом и невысоким содержанием гумуса (серые и бурые лесные почвы). 25-35 Поглотительная способность выше средней. Это характерно для гумусовых горизонтов сухостепных и полупустынных почв, лессовидных, покровных и других глин и суглинков с относительно равномерным сочетанием смектитовых минералов, гидрослюд, каолинита Часть. Состав и с вой ст в а почв Ш35-45Высокая поглотительная способность, характерная для большинства черноземов, слитоземов, глин различного происхождения, обогащенных смектитовыми минералами (монтмориллонит, бейделит и др, слитогенетических и иллюви- ально-глинистых горизонтов. 45-60 Очень высокая емкость катионного обмена. Это среднегумус- ные и тучные черноземы, гумусово-аккумулятивные дерновые горизонты почв различного происхождения. Более Крайне высокая поглотительная способность. Типична только для отдельных компонентов почвенной массы гумусовые вещества, смектитовые минералы, вермикулит и т. д. Отдельные поглощенные катионы неравнозначны по результативной сущности в многообразных явлениях природы почв. Об экологической значимости отдельных обменных катионов дает представление следующая обобщенная сводка: |