Копия Лекции почвоведения, последнее, 2. Курс лекций По дисциплине Почвоведение
 Скачать 0.67 Mb.
|
|
Тема 4 Почвенные растворы и коллоиды. Поглотительная способность почв Цели урока:
Дать понятие минеральным и органическим коллоидам почвы.
Содержание 4.1 Почвенный раствор и его состав Почвенный раствор – многокомпонентная система, содержащая почвенную воду и соли, органические и органоминеральные соединения, коллоидные золи. Почвенным раствором принято называть свободную почвенную воду со свободными частицами размером 0,0001 нм, т.е. истинные растворы. Он играет важную роль в почвообразовании и питании растений. Почвенный раствор образно называют кровью почвы. Растворы с размером частиц 0,02–0.0001 нм называют почвенными коллоидами. Такие системы обладают большой свободной поверхностной энергией, электрокинетическими и поглотительными свойствами. Большая часть соединений находится в почвенном растворе в виде ионов. Основные анионы: (HCO3)–,(NO2)–, и (NO3)–, поступают в раствор, как правило, в результате биологических процессов. Фосфат–, хлорид–, сульфат–ионы поступают в почву при растворении минералов и разрушении растительных остатков. В незасоленных почвах преобладают гидрокарбонат–ионы. В засоленных почвах резко возрастает содержание хлоридов и сульфатов. Среди катионов в почвенном растворе постоянно находятся Ca2+, Mg2+, Na+, NH4+, H+. В некоторых почвенных растворах имеются Fe3+,Fe2+, Al3+. В растворе засоленных почв резко увеличивается количество Na+ и Mg2+ , из рассеянных элементов Sr2+ B3+. Кроме минеральных соединений в почве постоянно присутствуют водорастворимые органические соединения: фульвокислоты, карбоновые кислоты, аминокислоты, углеводы, спирты и др. Осмотическое давление раствора определяется количеством частиц (ионов, молекул, мицелл), находящихся в единице объёма раствора. Растворы почв с легкорастворимыми солями обладают высоким осмотическим давлением. В засоленных почвах осмотическое давление в 3–4 раза выше, чем незасоленных. Если осмотическое давление раствора больше, чем клеточное, то прекращается поступление воды в корневые клетки, растение погибает от физиологической сухости. Активная реакция почвы определяется содержанием ионов водорода Н+. Степень кислотности является важным показателем, характеризует многие генетические и производственные качества почвы. Различают почвенные растворы по значению рН: Почвы pH Сильнокислые 3,0–4,5 Кислые 3,5–5,5 Слабокислые 5,5–6,5 Нейтральные 6,5–7,0 Слабощелочные 7,0–7,5 Щелочные 7,5–8,5 Сильнощелочные 8,5 и более В кислых почвах отсутствуют хлориды, сульфаты, карбонаты. В нейтральных присутствуют карбонаты. В почвах с щелочной реакцией накапливаются не только карбонаты, но и сульфаты с хлоридами. Различные растения нормально развиваются в определенных интервалах значения рН. Почва обладает буферностью, т.е. способностью поддерживать свою реакцию на одном уровне при сравнительно небольшом изменении концентрации кислот или щелочей. Например, при воздействии кислоты на почву с нейтральной реакцией произойдет обмен поглощенных оснований на ион водорода кислоты, в растворе образуется нейтральная соль: Ca2+ + 2НNO3 = 2H+ + Ca(NO3)2 Ионы водорода будут изъяты из раствора и адсорбированы почвой, концентрация ионов водорода не измениться. 4.2 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 и образовании гумуса, при химических реакциях между продуктами выветривания и почвообразования. Коллоиды как двухфазная система состоят их дисперсной фазы (коллоидные частицы) и дисперсионной среды (почвенный раствор). Свойства почвенных коллоидов зависят от размеров частиц, их состава и строения. Состав почвенных коллоидов может быть минеральным, органическим, органо-минеральным. Минеральные коллоиды – это глинные минералы, коллоидные формы кремнезема, оксиды алюминия, железа. Органические коллоиды состоят из веществ гумусовой и белковой природы, содержать полисахариды и другие органические вещества. Органо-минеральные коллоиды представлены соединениями гумусовых веществ с глинными минералами и осажденными формами оксидов алюминия и железа. Поглотительная способность этих трех групп соединений отличается, зависит от удельной поверхности частиц, строении коллоидов, наличия двойного электрического слоя ионов на границе раздела между дисперсной фазой и дисперсной средой. Коллоидную частицу называют мицеллой. Ядро мицеллы представляет собой агрегат из недиссоциированных молекул какого-либо вещества. Например, глинные минералы (каолинит), гуминовые кислоты, коллоидные формы кремнезема и др. На поверхности ядра формируется двойной электрический слой ионов (ионогенный слой). Он состоит из внутреннего потенциалопределяющего 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 диффундирует в почвенный раствор, образуя внешний (диффузный) слой. В результате диффузии внешнего слоя между потенциалопределяющим и диффузным слоями возникает разность потенциалов. Она определяет 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 находиться в электронейтральном, или изоэлектрическом, состоянии. Оно называется изоэлектрической точкой коллоида. В зависимости от состава ионов в потенциалопределяющем слое коллоиды могут иметь отрицательный, положительный или переменные заряды. Коллоиды, содержащие в потенциалопределяющем слое анионы, заряжены отрицательно и называются ацидоиды. Коллоиды, содержащие в потенциалопределяющем слое катионы, заряжены положительно и называются базоиды. Коллоиды, способные менять характер диссоциации молекул двойного электрического слоя ионов в зависимости от реакции среды, имеют переменный заряд и ведут себя как базоиды или ацидоиды. Такие коллоиды называют амфолитоиды. В условиях кислой среды, когда в растворе много ионов Н+ и мало ОН––ионов, амфолитоиды ведут себя как основания: Al(OH)3 ↔ Al(OH)2+ + OH– Базоид При щелочной реакции, наоборот, высокая активность OH– –ионов в растворе будет подавлять диссоциацию по основному типу и тот же коллоид Al(OH)3 диссоциирует как кислота: Al(OH)3 ↔ AlО(OH)2– + H+ Ацидоид Так же ведут себя при изменении реакции и коллоиды гидроксидов железа. При диссоциации амфолитоидов в равной степени по основному и кислотному типу, коллоидная система электронейтральна. 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, органо-минеральных коллоидов. К амфолитоидам относят группы минеральных высокодисперсных форм гидроксидов железа и алюминия, некоторых глинных материалов, органических коллоидов, состоящих из белков микроорганизмов. Наличие заряда определяет электрокинетические свойства почвенных коллоидов. 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 собой состояние коллоидно-раздробленного вещества. 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. Коагуляция способствует образованию почвенной структуры, уменьшению связности тяжелых по гранулометрическому составу почв, сохранению от вымывания коллоидов. Пептизация – переход от состояния геля в состояние золя. Она связана с восстановлением заряда коллоидной системы, повышением её дзета-потенциала за счет действия щелочей и щелочных солей. Например, за счет образования гумусовых солей щелочных металлов, чаще натрия. При пептизации разрушается структура, коллоиды распыляются и приобретают способность к передвижению по почвенному профилю. Верхние горизонты почв обедняются коллоидами, качество почв ухудшается. Гидратация – способность коллоида поглощать молекулы воды. Гидрофобные коллоиды практически не гидратируются, почвы плохо смачиваются. 4.3 Виды поглотительной способности почв Поглотительной способностью называют способность почвы поглощать пары, газы, задерживать растворенные или взмученные вещества, живые организмы. К. К. Гедройц выделил пять видов поглотительной способности. Четыре из них абиотических вида: механическая, физическая, физико-химическая (обменная), химическая. Пятый вид поглотительной способности – биологическая. Совокупность частиц почвы, обладающих абиотической катионной или анионной поглотительной способностью, называется почвенным поглощающим комплексом (ППК). С физической точки зрения, ППК представляет собой коллоид. В химическом отношении это нерастворимые в воде солеобразные алюмосиликатные, органические и органо-минеральные соединения. Механическая поглотительная способность – это свойство почвы (подобно фильтру) твердые частицы, взмученные в фильтрующейся воде, размеры которых превышают размеры почвенных пор. Это свойство зависит от размера и формы почвенных пор, зависит от агрегатного и гранулометрического состава, плотности почвы. Песчаные, крупноагрегатные, рыхлые почвы обладают слабой механической поглотительной способностью. Глинистые 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 дна и стенок каналов, водохранилищ в целях уменьшения потерь воды на фильтрацию. Физическая поглотительная способность – это поглощение целых молекул газов, веществ, растворенных в воде, изменение их концентрации на поверхности твердых почвенных частиц. Эту способность называют молекулярной адсорбцией. Физическая поглотительная способность протекает на границе твердой и жидкой фаз. Она обусловлена большой свободной поверхностной энергией, которая равна произведению поверхностного натяжения раствора на суммарную величину поверхности частиц. Всякая дисперсная система стремиться уменьшить свою поверхностную энергию. Она может быть уменьшена за счет укрупнения дисперсной фазы (коагуляция) и за счет уменьшения поверхностного натяжения раствора. Вещества, способные понижать поверхностное натяжение системы (поверностно-активные вещества – ПАВы), концентрируются на поверхности твердых частиц почвы и испытывают положительную физическую адсорбцию. К таким веществам относятся органические кислоты, спирты, алкалоиды, высокомолекулярные органические соединения. Чем длиннее углеродная цепь, тем сильнее понижение поверхностное натяжение системы, выше поглощение. 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 числом гидроксильных групп (углеводы). Нитраты, хлориды и другие соли слабо удерживаются в почве и могут вымываться за пределы корнеобитаемого слоя. В условиях промывного водного режима – за пределы почвенного профиля. К физическому поглощению относится также поглощение почвой паров, газов из газообразной фазы почвы. По энергии поглощения газы представляют собой ряд: H2O > NH3 > CO2 > NO2> H2 > O2 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 CO2. Понижение температуры и повышение атмосферного давления увеличивают поглощение газов. Почвы являются хорошими поглотителями дымных и газообразных отравляющих веществ. Её 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. На поверхности твердых частиц удерживаются также микроорганизмы. Термин «адсорбция» по отношению к ним применяется условно. Чем тяжелее гранулометрический состав, чем больше в почве содержится гумуса, тем выше поглотительная способность по отношению к микроорганизмам. Бактерии, поглощенные почвой, снижают свою биохимическую активность, поэтому санитарные условия местности улучшаются, очищаются воды колодцев, грунтовых вод. 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 закрепляет химически катионы и анионы почвенного раствора: Na2CO3 + CaSO4 → CaCO3↓ + Na2SO4 Ca(HCO3)2 → CaCO3 ↓+ CO2 + H2O Al(OH)3 + H3PO4 → AlPO4↓ + 3H2O Кроме образования новой твердой фазы химическая поглотительная способность может осуществляться за счет осаждения фосфатов на поверхности труднорастворимых гидроксидов. Анионы PO43–, H PO42– , H 2PO4– , SiO32– хорошо поглощаются; анионы NO2–, NO3– , Cl– слабо поглощаются, т.к. не способны образовывать с катионами труднорастворимые соли. Анионы SO42– и CO3 2– дают 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. Поглощение фосфатов приводит к накоплению фосфора в почве, но снижает его доступность растениям. Биологическая поглотительная способность проявляется в возможности живых почвенных организмов (корни растений, микроорганизмы) поглощать из почвы различные вещества, катионы, анионы. Особенностью этой поглотительной способности является её избирательность. Каждый вид организмов специфично извлекают жизненно необходимые вещества. Благодаря этому происходит биологическая трансформация, миграция, аккумуляция веществ, приводящая со временем к формированию почвенного плодородия. В почве удерживаются от вымывания элементы питания растений: Ca2+, K+, NO3–, PO43–. Поглощенные соединения вновь поступают в почвенный раствор и становятся доступными новым поколениям растений и животных. Ежегодно растения на каждом гектаре поглощают и возвращают в почвы сотни килограммов химических элементов. В результате деятельности живых организмов в почве образуются гумусовые, органо-минеральные вещества, составляющие сорбционные барьеры в почве. На таких барьерах могут накапливаться Ni, Co, Cu, Zn, Hg, Ba и другие металлы. Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность – это способность почвы поглощать и обменивать ионы, находящиеся на поверхность 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: Ca2+ [ППК] Mg2+ + 5NH4Cl ↔ [ППК] 5NH4+ + CaCl2 + MgCl2 + HCl H+ Основные закономерности обменного поглощения катионов заключаются в следующем.
Внутри рядов катионов с одной валентностью энергия поглощения возрастает с увеличением атомной массы. Ионы способны образовать на поверхности гидратационную оболочку. Чем она больше, тем меньшей энергией поглощения обладает ион. Ион водорода обладает высокой энергией поглощения. В водном растворе он присоединяет одну молекулу воды и образует гидроксоний Н3О+, который поглощается сильнее, чем другие одновалентные ионы. На энергию поглощения оказывает влияние концентрация иона в почвенном растворе. Катион натрия, обладающий меньшей способностью к внедрению, чем катионы аммония и калия, может обменно внедряться только при высокой концентрации их в почвенном растворе.
В поглощенном состоянии в почве могут находиться различные катионы: Ca2+, Mg2+, Na+, NH4+, H+, Fe2+, Al3+, Mn2+ и другие. Общее количество всех поглощенных катионов называется емкостью поглощения. Она характеризуется емкостью катионного обмена (ЕКО) и выражают в мг-экв на 100 г почвы. В различных почвах количество и состав обменных катионов, емкостью поглощения, степень насыщенности основаниями неодинаков. Емкость поглощения зависит от содержания в почвах коллоидов и их природы. Чем больше в почве гумусовых веществ и ила содержащего минералы, тем выше ЕКО. Наибольшая емкость поглощения характерна для черноземов, в составе обменных катионов которых преобладают Ca2+ 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 Ca2+ и Mg2+ присутствуют H+ и Al3+. Обменное поглощение анионов возможно при наличии в ППК положительно заряженных участков: ОН– [ППК]ОН– + К3РО4 → [ППК] PO43– + 3КОН ОН– Лучше других поглощаются ионы гидроксила и фосфат-ионы. Состав ППК способствует химическому осаждению фосфатов. Например: Н+ Н+ [ППК] Al3+ + Н3PO4 → [ППК]Н+ + AlPO4 ↓ 4.4 Виды почвенной кислотности и щелочности Состав поглощенных ионов определяет многие свойства почв, например, кислотность и щелочность. Кислотность почвы – способность почвы подкислять воду и растворы солей. Различают два вида почвенной кислотности: актуальную и потенциальную. Актуальная кислотность характеризует активность свободных ионов Н+ в почвенном растворе и вызвана наличием в нем свободных кислот, гиролитически кислых солей и степенью их диссоциации. Для многих почв кислотность определяется содержанием угольной кислоты и её солей. Величина актуальной кислотности выражается в мг-экв-Н+ на 100 г почвы или в рН. Актуальная кислотность определяется в водной вытяжке или суспензии, поэтому к индексу рН добавляется индекс «в» или «Н2О» (рНв или рНН2О). В почвах рНв может находиться в пределах от 4 до 8 и более. Потенциальная кислотность определяется количеством Н+ и Al3+ , находящихся в ППК. Это кислотность твердой фазы почвы. Потенциальная кислотность подразделяется на обменную и гидролитическую. Обменная кислотность определяется количеством поглощенных Н+ и Al3+, вытесняемых из почвы катионами нейтральных солей: Ca2+ Ca2+ [ППК] Mg2+ + 4КCl ↔ [ППК] Mg2+ + AlCl3 + HCl H+ 4К+ Al3+ AlCl3 + 3H2O → Al(OH)3 ↓ + 3HCl Образующаяся соляная кислота характеризует обменную кислотность. Гидролитическая кислотность определяется количеством поглощенных ионов Н+ и Al3+, вытесняемых гидролитически щелочной солью СН3СООNa (ацетат натрия): [ППК] H+ + 4СН3СООNa + 3H2O → [ППК]4Na+ + 4СН3СООH + Al(OH)3 ↓ Al3+ Количество образующейся уксусной кислоты, эквивалентное количеству поглощенных водорода и алюминия в почве, определяет величину гидролитической кислотности. Щелочность почв различают актуальную и потенциальную. Актуальная щелочность обусловлена наличием в почве гидролитически щелочных солей Na2CO3, NaHCO3, Ca(HCO3)2 и др. При их диссоциации повышается содержание ОН– ионов: Na2CO3 + 2НОН ↔ Н2CO3 + 2Na+ + 2ОН– Потенциальная щелочность обусловлена содержанием обменно-поглощенного Na+, который может переходить в раствор и подщелачивать его. Na+ Н+ [ППК] Na+ + Н2CO3 ↔ [ППК] Н+ + Na2CO3 Сильная щелочность или кислотность оказывает неблагоприятное действие на развитие растений и микроорганизмов, усиливает пептизацию почвенных коллоидов, ухудшает структурное состояние почвы и её физические свойства. 4.5 Буферность почв Чаще под буферностью понимают способность почвы противостоять изменению её реакции под воздействием различных факторов. К изменению реакции почвенного раствора приводят разные процессы: гумификация, выделение углекислоты растениями, образование азотной кислоты бактериями. Буферность проявляется либо против подкисления, либо против подщелачивания. Кислота или щелочь, появляющаяся в почвенном растворе, вступает во взаимодействие с ППК. Это уменьшает изменение среды. Например: [ППК] Сa2+ + 2НСl = [ППК]2Н+ + CaCl2 [ППК]2Н+ + Ca(OH)2 = [ППК] Сa2+ + 2Н2O В почвенных растворах имеются системы, стоящие из слабых кислот и их солей с основаниями. Чем больше в почве коллоидов, гумуса, чем тяжелее гранулометрический состав, тем выше буферность почвы. Это один их важнейших элементов почвенного плодородия. Она позволяет сохранить благоприятные для растений свойства почв. Контрольные вопросы и задания Тема 4 Почвенные растворы и коллоиды. Поглотительная способность почв
|