Почвенные коллоиды

Почвенный поглощающий комплекс

 

Поверхность частиц глины, ила или органического вещества несет отрицательный заряд и может притягивать к себе положительные ионы (т.е. катионы) водорода (H+), кальция (Ca+), магния (Mg+), калия (K+), натрия (Na+) и др. Сумма мельчайших коллоидных частиц почвы, определяющих ее способность удерживать питательные вещества - поглотительную способность - называется почвенным поглощающим комплексом (катионной емкостью почвы).

Почвенный Поглощающий Комплекс (ППК) - совокупность нерастворимых в воде мелкодисперсных минеральных, органических и органоминеральных соединений почвы, образовавшихся в процессе ее формирования и частично унаследованных от материнской породы. Почвенный поглощающий комплекс, особенно его коллоидная фракция (диаметр частиц менее 0,1 мкм), определяет поглотительную способность почвы.

 

Почвенные коллоиды

Почву необходимо рассматривать как систему, состоящую из трех фаз (или частей) — твердой, жидкой и газообразной. Все три фазы почвы находятся в постоянном взаимодействии, между ними непрерывно протекают реакции обмена и поглощения. Наибольшей подвижностью и изменчивостью обладают газообразная и жидкая фазы, по сравнению с ними твердая фаза инертна, но и она содержит активную часть — почвенные коллоиды.
К коллоидам принято относить все измельченные вещества, размер частиц которых колеблется от 0,2 до 0,001 мкм (коллоидные частицы – мицеллы), так и предколлоидная фракция (0,2 – 1,0 мкм). Тонкодисперсные частицы коллоидов обладают большой удельной поверхностью, достигающей 10—50 м2 и более на 1 г вещества, и свободной поверхностной энергией. Большой запас свободной поверхностной энергии обусловливает такие важные свойства коллоидов, как их высокую адсорбционную способность (поглощение), стремление к агрегации частиц и др.
В явлениях обмена и поглощения в почве решающая роль принадлежит коллоидам. Совокупность почвенных частиц, обладающих свойствами коллоидов, принято называть коллоидным комплексом почвы или (по предложению академика К. К. Гейдройца) почвенным поглощающим комплексом (ППК).
Почвенный поглощающий комплекс — высокодисперсная минеральная и органическая часть почвы, обусловливающая ее поглотительную и обменную способность.

По составу коллоиды почвы подразделяются на три группы: минеральные, органические и органо-минеральные. В почве преобладают минеральные коллоиды, преимущественно из групп глинистых минералов, гидроокислов и окислов.
Органические коллоиды состоят из гумусовых веществ, поэтому верхние слои почвы содержат больше органических коллоидов, чем нижние. Органо-минеральные коллоиды представлены комплексными соединениями гумусовых веществ с минеральными.
Содержание коллоидов зависит от механического состава почвы и содержания гумуса. Наиболее богаты коллоидами глинистые и суглинистые почвы с высоким содержанием гумуса. Почвы песчаные, супесчаные, обедненные илистой фракцией и гумусом, содержат незначительное количество коллоидов.
Коллоиды могут находиться в двух состояниях: коллоидного раствора — золя и коллоидного хлопьевидного осадка — геля. В том случае, 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. Коллоиды в почве находятся главным образом в форме гелей, в которых частицы сцепляются между собой и образуют пространственную структурную сетку, в ячейках которой удерживается вода. Во влажной почве небольшое количество коллоидов может находиться в состоянии золя (частицы разделены водной фазой). Раздельное существование коллоидных частиц в состоянии золя связано с наличием электрокинетического потенциала и водной (гидратационной) оболочки на поверхности частиц. Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга, могут долго находиться в суспензии, не образуя осадка.

При падении электрокинетического потенциала и уменьшении заряда частиц разноименно заряженные коллоиды, сталкиваясь друг с другом при хаотическом движении, склеиваются, увеличиваются в размерах и выпадают в осадок. Процесс соединения коллоидных частиц и образования геля из золя называется коагуляцией, дальнейшее осаждение — седиментацией. Переход коллоида из состояния геля в состояние золя называется пептизацией. Коллоиды, которые могут легко переходить из золя в гель и обратно, называются обратимыми. В почве много коллоидов, трудно переходящих в состояние золя и составляющих группу необратимых коллоидов.

 

Образованию геля способствует обезвоживание коллоидных частиц при высушивании и промораживании почвы и нейтрализация заряда при добавлении в почву электролитов. Как уже отмечалось, процесс соединения (слипания) коллоидных частиц называется коагуляцией. Процесс, противоположный коагуляции, называется пептизацией (переход геля в золь), он возможен для коллоидов, хорошо набухающих в воде (гидрофильных).
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.

Реакция почвы также влияет на состояние коллоидов. Кислая реакция способствует растворению некоторых коллоидов, например гидроксида алюминия; щелочная реакция стимулирует выпадение в осадок коллоидов полуторных оксидов и переход в состояние золя органических и некоторых минеральных коллоидов.

Часть коллоидов в почве находится в свободном состоянии, часть образует пленки на поверхности более крупных гранулометрических фракций путем адгезии, под которой понимается слипание (склеивание) поверхностей каких-либо веществ раз­личного химического состава, соприкасающихся друг с другом.

p

 

Строение коллоидной мицеллы. В ППК единицу коллоида представляет коллоидная мицелла. В ней различают три составные части, или слоя: 1) ядро мицеллы; 2) потенциалопределяющий слой — слой, определяющий заряд коллоидной частицы; 3) слой компенсирующих ионов — внешний слой ионов, нейтрализующих заряд.
Слой компенсирующих ионов подразделяется на два слоя: слой неподвижных ионов и подвижный слой диффузных ионов. Ядро, потенциалопределяющий слой и слой компенсирующих неподвижных ионов составляют коллоидную частицу. Между ней и окружающим раствором возникает электрокинетический потенциал (свободная поверхностная энергия), под влиянием которого находится подвижный слой компенсирующих ионов — диффузный слой.
Он располагается на некотором расстоянии от слоя потенциалопределяющих ионов.
Таким образом, коллоидная частица имеет заряд, коллоидная мицелла электронейтральна и окружена водной оболочкой.

Обменные катионы. Это катионы, поглощенные высокодисперсной частью почвы, способны к обмену. Максимальное количество обменных катионов, которые могут быть поглощены почвой из солевого раствора, называют емкостью поглощения катионов почвой. Эту величину выражают в мг*экв. 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+, Na+,Н+, А13+, Fе2+.
В ППК дерново-подзолистых почв, красноземов и желтоземов входят катионы Са2+, Мg2+, Н+, А13+, в черноземных почвах в поглощенном состоянии находится Са2+ и Мg2+; в почвах засушливых областей — каштановых, солонцах — состав поглощенных катионов представлен Са2+, Мg2+,Na+.

Поглощенный К+ встречается во всех типах почв, но в малых количествах.
В зависимости от состава обменных катионов академик К. К. Гедройц все почвы подразделил на насыщенные основаниями и ненасыщенные.
К почвам, насыщенным основаниями, относятся почвы, ППК которых содержит одни поглощенные основания: Са2+, Мg2+, Na+; к ненасыщенным — почвы, ППК которых не полностью насыщен основаниями, в нем содержатся ионы Н+ и А13+.
Количество поглощенных оснований принято называть суммой поглощенных оснований, которая выражается в мг*экв. на 100 г почвы. Насыщенность основаниями у почв различных типов неодинакова. Она будет близка к полной (100%) у черноземных и каштановых и неполной (30—60%) у почв ненасыщенных — дерново-подзолистых, красноземов и желтоземов и др. Степенью насыщенности почв основаниями (V) называется отношение суммы поглощенных оснований (S) к емкости поглощения катионов (Е), выраженное в процентах V=S/E*100

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 Na+ (в солонцеватых почвах и солонцах), характеризуется неблагоприятными 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 у этих почв щелочная.

Почвы, ненасыщенные основаниями (подзолистые, дерново-подзолистые, болотные и др.), содержат в ППК Н+ и А13+.. 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

Реакция обмена катионов обратима, так как поглощенный почвой катион может быть снова вытеснен в раствор: (ППК)Ca + 2KCl = (ППК)2K + CaCl2

(ППК)Ca + 2NH4NO3 = (ППК)2NH4 = Ca(NO3)2

 

В зависимости от концентрации раствора, его объема и природы обменивающихся катионов между катионами раствора и катионами почвенного поглощающего комплекса устанавливается некоторое подвижное равновесие. При изменении состава почвенного раствора это равновесие смещается, в результате одни катионы переходят из раствора в поглощенное состояние, а другие — из поглощенного состояния в почвенный раствор. При внесении минеральных удобрений, например KCl, концентрация почвенного раствора повышается, катионы удобрения вступают в обменную реакцию с катионами почвенного поглощающего комплекса и поглощаются почвой

Емкость поглощения и состав поглощенных катионов у разных почв. Разные почвы содержат неодинаковое количество способных к обмену поглощенных катионов. Общее содержание в почве всех обменно-поглощенных катионов называется емкостью поглощения. Она обозначается буквой Т и выражается в миллиграмм-эквивалентах на 100 г почвы. Например, если в 100 г почвы в поглощенном состоянии содержится 200 мг Са2+, 24 мг Mg2+ и 9 мг NH4+, то емкость поглощения этой почвы будет равна;

200:20 + 24:12 + 9:18 = 12,5 мэкв на 100 г.

(где 20—эквивалентная масса кальция, 12 — магния, 18 — аммония).

 

Величина емкости поглощения характеризует поглотительную способность почв. Она зависит от механического и минералогического состава почвы и содержания в ней органического вещества. Почвы с малым количеством коллоидной фракции (песчаные и супесчаные) имеют невысокую емкость поглощения. Чем больше в почве минеральных и органических коллоидных частиц, тем выше ее поглотительная способность. У глинистых и суглинистых почв емкость поглощения больше, чем у песчаных и супесчаных. Более богатые органическим веществом черноземные почвы отличаются значительно более высокой емкостью поглощения (30—60 мэкв на 100 г), чем подзолистые почвы и сероземы (10—15 мэкв на 100 г).

Таким образом, поглощение и закрепление катионов зависит не только от характера ионов, но и от свойств самой почвы.Разные типы почв отличаются величиной емкости поглощения и имеют определенный состав поглощенных катионов.

. Состав поглощенных катионов влияет на ряд важных свойств почвы. Скорость всасывания воды, прочность структуры почв и некоторые другие показатели последовательно уменьшаются при преобладании кальция, магния, калия и натрия. Оценочной характеристикой содержания в ППК катионов служит показатель суммы поглощенных оснований (S), который выражается в ммоль/100 г почвы.

Почвы обладают обменной поглотительной способностью не только в отношении катионов, но и в отношении анионов, среди которых наиболее активно поглощаются анионы фосфорной кислоты (Н2РО4+, НРО42+, РО43+).

Играя важнейшую роль в формировании почвы и почвенного плодородия, поглотительная способность почв имеет большое экологическое значение. Она определяет важнейшее свойство – буферность почвы – устойчивость к неблагоприятным воздействиям, в том числе химическому, биологическому загрязнению. Благодаря поглотительной способности почвы регулируют реакцию среды (при кислотных или щелочных воздействиях), снижают токсическое действие тяжелых металлов, предотвращают загрязнение грунтовых вод. Эта способность почв широко используется в биологической очистке сточных вод (сооружение полей орошения и фильтрации), для рекультивации отвалов токсичных горных пород и отходов и т.п.

.

Таким образом, поглотительная способность почвы — одно из ее важнейших свойств, в значительной степени определяющее плодородие почвы и характер процессов почвообразования. Она обеспечивает и регулирует питательный режим почвы, способствует накоплению многих элементов минерального питания растений, регулирует реакцию почвы, ее водно-физические свойства.

На свойства почвы и условия произрастания растений большое влияние оказывает состав обменных катионов. Так, у почв, насыщенных кальцием, реакция близка к нейтральной; коллоиды находятся в состоянии необратимых гелей и не подвергаются пептизации при избытке влаги; почвы хорошо оструктурены, обладают благоприятными физическими свойствами. Черноземы являются примером таких почв.

Почвы, у которых в составе обменных катионов в значительном количестве ионы натрия, имеют щелочную реакцию, отрицательно влияющую на состояние коллоидов и рост растений. Насыщенные натрием коллоиды легко пептизируются; содержащие их почвы плохо оструктурены, имеют неблагоприятные водно-физические свойства: повышенную плотность, плохую водопроницаемость, слабую водоотдачу, низкую доступность почвенной влаги (солонцы, солонцеватые почвы).

При наличии в почвенном поглощающем комплексе в составе обменных катионов значительного количества ионов H+ и Al- коллоиды легко разрушаются в результате кислотного гидролиза, почвы плохо оструктурены.

 

Вопросы к теме:

1. Что такое поглотительная способность почв? Виды поглотительной способности
2. Характеристика различных видов поглощения
3. Понятие о почвенном поглощающем комплексе (ППК)
4. Почвенные коллоиды и их типы
5. Возможные состояния почвенных коллоидов (коагуляция, седиментация, пептизация). Влияние реакции почвенного раствора на состояние коллоидов
6. Строение коллоидной частицы
7. Обменные катионы. Насыщенные и ненасыщенные основаниями почвы, их свойства
8. Что такое емкость поглощения? От чего зависит ее величина?