Почвенные коллоиды и поглотительная способность почв

Дисперсные системы коллоидного раздробления, обладающие большой свободной поверхностной энергией, электрокинетическими свойствами, обуславливают ряд важнейших процессов, связанных с поглотительной способностью почв. Количество коллоидов в почвах различно и составляет от 1-2 до 30 –40 % массы почвы.

Содержание коллоидов зависит от механического состава почвы и содержания гумуса. Наиболее богаты коллоидами глинистые и суглинистые почвы с высоким содержанием гумуса. В почвах песчаных, супесчаных, обедненных илистой фракцией и гумусом отмечается незначительное количество коллоидов.

Коллоидную частицу называют мицеллой. Ядро мицеллы состоит из агрегата недиссоциированных молекул того или иного вещества (например каолинит, монтмориллонит и др.). На поверхности ядра формируется двойной электрический слой ионов, образующий границу раздела с дисперсионной средой. Этот слой образуется в результате диссоциации внешних молекул самого ядра или вследствие поглощения ионов из дисперсионной среды. Двойной электрический слой ионов состоит из внутреннего – потенциалопределяющего слоя неподвижных ионов, прочно связанных с ядром, и внешнего – компенсирующего слоя ионов противоположного знака зарядов. Ядро вместе с потенциалопределяющим слоем ионов называется гранулой. Часть ионов компенсирующего слоя неподвижна, т. к. прочно связана с внутренним слоем ионов, другая часть подвижна и образует внешний, или диффузный, слой. Этот слой содержит ионы, способные к обменным реакциям. В пределах диффузного слоя между неподвижным слоем ионов и дисперсионной средой возникает разность потенциалов вследствие удаления части противоионов к внешней границе диффузного слоя. Эта разность потенциалов обусловливает свободный электрический заряд коллоидной частицы.

Основная масса коллоидов почвы являются отрицательно заряженными коллоидами, содержащими в потенциалопределяющем слое анионы, а в диффузном – катионы, способные к обменным реакциям.

Коллоиды могут находиться в двух состояниях: коллоидного раствора – золя – и коллоидного хлопьевидного осадка – геля. Когда твердые коллоидные частицы почвы распределены в большом объеме воды и отделены одна от другой, они находятся в состоянии золя. Подобное состояние объясняется двумя причинами: наличием электрического заряда у коллоидных частиц и водной оболочки вокруг них.

Образованию геля способствуют обезвоживание коллоидных частиц при высушивании и промораживании почвы и нейтрализация заряда при добавлении в почву электролитов.

Процесс соединения (слипания) коллоидных частиц называется коагуляцией. Процесс, противоположный коагуляции, называется пептизацией, он возможен для гидрофильных коллоидов.

В почве наблюдается переход части коллоидов из одного состояния в другое, но состояние коллоидов в виде геля – наиболее постоянное. Лишь во влажной почве небольшая часть коллоидов находится в состоянии золя.

Обменные катионы почвы. Обменные катионы, содержащиеся в диффузном слое почвенного коллоида, способны замещаться эквивалентным количеством катионов соприкасающегося с ним раствора. Максимальное количество обменных катионов, которые могут быть поглощены почвой из солевого раствора, называют емкостью поглощения катионов почвой. Эту величину выражают в миллиграм–эквивалентах^* на 100 г почвы. Величина емкости поглощения зависит от содержания коллоидов, а следовательно, от механического состава почвы и содержания гумуса. Большой емкостью поглощения обладают суглинистые и глинистые черноземы, солонцы, луговые и болотные почвы. Емкость поглощения в этих почвах достигает 50–60 мг–экв и более на 100 г почвы.

В состав обменных катионов отрицательно заряженных коллоидов почвы входят Са²⁺, Мg²⁺, К⁺, Nа⁺, Н⁺, Аl³⁺, NН₄⁺, Fе²⁺. В положительно заряженных коллоидах в составе обменных анионов находятся SiО₂^2–, S0₄^2– и др. В ППК дерново-подзолистых почв, красноземов и желтоземов входят катионы Са²⁺, Мg²⁺, Н⁺, Al³⁺, в черноземных почвах в поглощенном состоянии находится Са²⁺ и Мg²⁺; в почвах засушливых областей – каштановых, солонцах – состав поглощенных катионов представлен Са²⁺, Мg²⁺ и Nа⁺. Поглощенный К⁺ встречается во всех типах почв, но в малых количествах.

В зависимости от состава обменных катионов академик К. К. Гейдройц все почвы подразделил на насыщенные основаниями и ненасыщенные. К насыщенным относятся почвы, ППК которых содержит одни поглощенные основания: Са²⁺, Мg²⁺, Nа⁺; к ненасыщенным – почвы, ППК которых не полностью насыщен основаниями, в нем содержатся ионы Н⁺ и Аl³⁺.

Количество поглощенных оснований принято называть суммой поглощенных оснований, которая выражается в миллиграм–эквивалентах на 100 г почвы. Насыщенность основаниями у почв различных типов неодинакова. Степенью насыщенности почв основаниями называется отношение суммы поглощенных оснований к емкости поглощения катионов, выраженное в процентах.

Она будет близка к полной (100 %) у черноземных и каштановых и неполной (30–60 %) у почв ненасыщенных – дерново-подзолистых, красноземов и желтоземов и др.

Влияние обменных катионов на свойства почв и произрастание растений. Наиболее благоприятными свойствами обладают почвы, насыщенные основаниями, например черноземы, в которых ППК насыщен Са²⁺ и Мg²⁺. В таких почвах образуется водопрочная структура, органические и минеральные коллоиды сохраняются и накапливаются, что способствует увеличению емкости поглощения катионов. Эти почвы имеют нейтральную или слабощелочную реакцию.

Почвы, насыщенные основаниями, но в ППК которых наряду с Са²⁺ и Мg²⁺ много Nа⁺ (в солонцеватых почвах и солонцах), характеризуются негативными свойствами. Наличие натрия приводит к пептизации коллоидов, агрономически ценная структура не образуется, а ранее созданная разрушается. При этом ухудшаются физические свойства, водный и воздушный режимы почвы; во влажном состоянии она становится вязкой, а при высыхании образует плотную массу, трудно поддающуюся обработке. Реакция этих почв щелочная.

Почвы, ненасыщенные основаниями (подзолистые, дерново-подзолистые, болотные и др.), содержат в ППК Н⁺ и Аl³⁺. Ионы Н⁺ постепенно разрушают минералы почвенного поглощающего комплекса, поэтому почва обедняется коллоидами, уменьшается емкость поглощения катионов, ухудшается структура. В таких почвах создается неблагоприятный водно-воздушный режим, суглинистые почвы заплывают, образуя корку на поверхности. Кроме того, почвы обладают кислой реакцией.

Поглотительная способность почвы. Почва способна поглощать твердые, жидкие и газообразные вещества. Различают пять видов поглотительной способности.

Биологическое поглощение в почве – это поглощение растениями и почвенной микрофлорой элементов питания из почвенного раствора. Для этого вида поглощения характерна избирательная поглотительная способность, присущая растениям, а не почве.

Механическая поглотительная способность почвы – способность ее механически задерживать в своих порах частицы другого вещества. Она связана с пористостью почвы. Так происходит поглощение твердых частиц органических веществ, удобрений, коллоидов и др.

Особенно велико значение механической поглотительной способности почв в областях с обилием осадков и на почвах, искусственно орошаемых. Этот вид поглощения широко используется в практике при очистке воды на водоочистительных станциях, очистке сточных вод.

Химическая поглотительная способность почвы – это понятие входит способность почвы образовывать трудно растворимые вещества. Их образование связано с химической реакцией обмена солей в растворе или с твердой фазой почвы. Трудно растворимые и нерастворимые соединения выпадают в осадок и закрепляются почвой. Например, в почвах, насыщенных основаниями, содержащих бикарбонаты и карбонаты кальция (в черноземах обыкновенных и южных), растворимый CaHPO₄ превращается в малорастворимый Cа₃(РО₄)₂. В почвах кислых, не насыщенных основаниями, фосфорная кислота растворимых фосфатов осаждается в виде фосфатов железа и алюминия (FеРО₄ и АlРО₄).

Обменная поглотительная способность почвы – свойство почвы удерживать на поверхности своих частиц ионы, способные к эквивалентному обмену. Обменная поглотительная способность основывается на реакции обмена между катионами диффузного слоя почвенных коллоидов и катионами почвенного раствора, соприкасающегося с ними. Подобный обмен может происходить и между анионами.

Ca²⁺

(почва) + 4NH₄Cl  (почва)4NH₄⁺ + CaCl₂ + MgCl₂.

Mg²⁺

Обменная поглотительная способность – важнейший вид поглотительной способности, с ней связано превращение вносимых удобрений в почве. Химическая мелиорация (известкование, гипсование) также основана на обменной поглотительной способности.

Физическая поглотительная способность почвы – способность твердых частиц поглощать молекулы газов, паров и растворенных в почвенном растворе веществ. Поглощение целых молекул отдельных веществ связано с наличием свободной поверхностной энергии у коллоидов. Суглинистые и глинистые почвы с большим содержанием гумуса обладают повышенной физической поглотительной способностью по сравнению с почвами легкого механического состава. Примером физической поглотительной способности является сорбированная форма воды в почве (гигроскопическая и пленочная).