Почвенные коллоиды и поглотительная способность почвы

По степени дисперсности (раздробленности) выделяют две группы твердого вещества почвы:

• 1) крупные частицы размером более 0,001 мм (обломки горных пород и слагающих их минералов, минеральные новообразования, малоизмененные органические остатки);
• 2) тонкодисперсная часть почвы, представленная частицами новообразованных и породообразующих минералов, преимущественно глинистых, а также специфическими органическими соединениями. В состав этой группы входят частицы размеров менее 0,001 мм, образуя илистую фракцию, в пределах ее выделяют коллоидную — размером меньше 0,0001 мм. Содержание коллоидной фракции в почве может изменяться от 1—2% до 30—40% к массе почвы.

Твердые вещества в столь сильной дисперсии имеют большую удельную поверхность.

Удельная поверхность — это суммарная площадь поверхности почвенных частиц, отнесенная к единице почвенной массы (см²/г) или единице объема (см²/см³).

В табл. 6.8 представлены доли участия фракций в суммарной удельной поверхности среднесуглинистой почвы.

Таблица 6.8

Удельная поверхность среднесуглинистой почвы (по И. С. Кауричеву, 1989)

Из табл. 6.8 очевидно, что на коллоидную фракцию (15%) приходится 94,5% удельной поверхности почвы, а на долю песчаных и пылеватых фракций в суммарной удельной поверхности приходится менее 1%, хотя содержание их составляет 65% массы почвы. Удельная поверхность коллоидов зависит от типа почв, например, в гумусовом слое она составляет (м²/г): в дерново-подзолистых — 29, в серых лесных — 33, в черноземах — 48.

Природа поверхностей почвенных коллоидов зависит от их состава и строения. На рис. 6.4 представлена общая схема строения коллоидной частицы (мицеллы).

Рис. 6.4. Строение почвенной мицеллы (по Н. И. Горбунову, 1967)

Коллоидные частицы имеют сложное строение и состоят из ядра и слоев прилегающих ионов.

Ядро — внутренняя часть коллоидной частицы, представляющая собой сложное соединение аморфного или кристаллического строения различного химического состава.

Внутренний слой ионов, непосредственно прилегающий к ядру, несущий заряд, называется потенциалопределяющим, а внешний представлен неподвижным и диффузным слоями, образующими слой компенсирующих ионов.

Гранула — часть мицеллы (коллоида), состоит из ядра и слоя потенциалопределяющих ионов. Между гранулой и раствором, окружающим коллоид, возникает термодинамический потенциал, под влиянием которого из раствора притягиваются ионы противоположного знака.

Мицелла — частица (коллоид), образованная скоплением молекул и находящаяся в состоянии устойчивого равновесия со средой благодаря электрическим зарядам. Мицелла = ядро + внутренний слой (потенциалопределяющий) + внешний слой (компенсирующий: неподвижный и диффузный).

Заряды потенциалопределяющего слоя и слоя компенсирующих ионов равны и имеют разные знаки, следовательно, коллоидная частица электронейтральна.

Коллоиды, имеющие в потенциалопределяющем слое отрицательно заряженные ионы и диссоциирующие в раствор Н⁺, называются ацидоидами (кислотоподобными) (рис. 6.5).

Коллоиды, имеющие в потенциалопределяющем слое положительно заряженные ионы и диссоциирующие в раствор ионы ОН^-, называются базоидами.

Коллоиды с двойной функцией называются амфотерными коллоидами, или амфолитоидами.

Вещество, которое находится в состоянии коллоидального раздробления, характеризуется как дисперсная фаза, а вещество, в котором находятся коллоиды, — дисперсионная среда. В почвах дисперсная фаза — твердое вещество, а дисперсионная среда (жидкая фаза) — почвенный раствор.

Коллоиды могут находиться в состоянии золя (взвеси или раствора) или геля {студнеобразного осадка).

Переход коллоида из состояния золя в состояние геля называется коагуляция (свертывание), а из состояния геля в состояние золя — пептизация.

Причины перехода: изменение электрического потенциала коллоидных частиц и степени их гидратации.

Коллоиды способны гидратироваться, т. е. удерживать молекулы воды (рис. 6.6). Сильно гидратирующиеся коллоиды называются гидрофильными, а слабо — гидрофобными.

Коллоиды в почве представлены минеральными, органическими и органомиперальными соединениями. В большинстве почв преобладают минеральные коллоиды, на долю которых приходится 85—90% их общей массы.

Минеральные коллоиды могут находиться:

• в кристаллическом состоянии (глинистые минералы — каолинит, галлуазиг, гидрослюда, иллит, вермикулит, монтмориллонит и др.);

Рис. 6.5. Строение ацидоида (по Н. И. Горбунову, 1967).

• аморфном состоянии (аллофаны, гидроксиды алюминия, железа, марганца, гидраты кремнезема и др.).

Органические коллоиды — гумусовые вещества, а также клетки наиболее мелких бактерий, диаметр которых соответствует коллоидальной фракции.

Органоминеральные комплексы — алюмои железогумусовые, кремнегумусовые и глиногумусовые.

Значение почвенных коллоидов:

• • являются носителями обменного поглощения ионов;
• • задерживают в почвенных горизонтах важные элементы питания растений — Са, К, Р;
• • в значительной степени способствуют осуществлению корневого питания растений, происходящего путем контакта корней и почвенных коллоидов;
• • связывают значительное количество воды, поглощая ее и переводя в малоподвижное и недоступное для корневых систем растений состояние;
• • влияют па тепловой режим почвы.

Почвенные коллоиды, как и всякое вещество в сильно раздробленном состоянии, обладает поглотительной (сорбционной) способностью.

Рис. 6.6. Ориентированные диполи воды вокруг гидратированной частицы (но II.И. Горбунову, 1967).

Поглотительная способность — способность почвы обменно или необменно поглощать различные твердые, жидкие и газообразные вещества или увеличивать их концентрацию у поверхности содержащихся в почве коллоидов.

Учение о поглотительной способности почвы разработано в трудах отечественных и зарубежных ученых — К. К. Гедройца, Г. Вигнера, С. Маттисона, Е. Н. Маттсона, Е. Н. Гапона, Б. П. Никольского, Н. П. Ремезова, И. Н. Антипова-Каратаева, Н. И. Горбунова.

Значение поглотительной способности почвы:

• • в значительной степени определяет плодородие почвы;
• • определяет характер процессов почвообразования;
• • обеспечивает и регулирует питательный режим почвы;
• • регулирует реакцию почвы;
• • влияет на водно-физические свойства почва.

Наиболее полно характеристика поглотительной способности почв представлена в работах К. К. Гедройца. Он выделил пять ее видов.

• 1. Механическая поглотительная способность — это свойство почв поглощать поступающие с водным или воздушным потоком твердые частицы, размеры которых превышают размеры почвенных пор.
• 2. Химическая поглотительная способность обусловлена образованием в результате происходящих в почве химических реакций труднорастворимых соединений, выпадающих из раствора в осадок.
• 3. Биологическое поглощение вызвано способностью живых почвообитающих организмов (корни растений, микроорганизмы) поглощать различные элементы.
• 4. Физическая поглотительная способность (молекулярно-сорбционная) обусловлена притяжением отдельных молекул к поверхности твердых почвенных частиц в результате проявления так называемой поверхностной энергии.
• 5. Физико-химическая, или обменная поглотительная способность (ионно-сорбционная) — способность почвы поглощать и обменивать ионы, находящиеся на поверхности коллоидных частиц, на эквивалентное количество ионов раствора, взаимодействующего с твердой фазой почвы.

Почвенные коллоиды обусловливают поглотительную и обменную способность почвы. На их поверхности сорбируются газовые частицы, молекулы воды и различные вещества, которые находятся в почвенном растворе — целые молекулы и отдельные ионы. В системе почвенный раствор — поверхность коллоида устанавливается динамическое равновесие. В результате изменения концентрации раствора и состава растворенных веществ между поверхностью частицы и раствором происходят обменные реакции — одни поглощенные вещества замещаются другими.

Обменная поглотительная способность почв обусловлена наличием почвенно-поглощающего комплекса. Основным механизмом обменной поглотительной способности является процесс адсорбции.

Почвенно-поглощающий комплекс (ППК) — это совокупность минеральных, органических и органоминеральных соединений высокой степени дисперсности, нерастворимых в воде и способных поглощать и обменивать поглощенные ионы.

Понятие о почвенно-поглощающем комплексе было введено в почвоведение К. К. Гедройцем. Большинство почвенных коллоидов несет отрицательный заряд и поэтому поглощаются и обмениваются катионы.

В естественных почвах коллоиды содержат в поглощенном состоянии следующие основные катионы: Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺, NH₄⁺, Н А1³⁺ (табл. 6.9).

Почвы можно разделить на две группы:

• 1) насыщенные основаниями. В составе обменных катионов присутствуют Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺;
• 2) ненасыщенные основаниями. Почвы наряду с Са²⁺ и Mg²⁺, в обменном комплексе содержат также Н⁺, А1³⁺.

Состав почвенно-поглощающего комплекса разных почв (по Н. И. Горбунову, 1967)

Максимальное количество поглощенных катионов или анионов (мг-экв/100 г почвы или ммоль/100г почвы), способных к обмену на другие катионы, называется емкостью катионного обмена (ЕКО), или емкостью поглощения.

В глинистых почвах, богатых органическими коллоидами, ЕКО достигает 60—65 мг-экв/100г почвы, в песчаных почвах, бедных коллоидами, не превышает 2—3 мг-экв/100г почвы. В большинстве почв емкость поглощения составляет 15—35 мг-экв/100г почвы (табл. 6.10).

Таблица 6.10

Емкость катионного обмена для разных почв (по Т. П. Марчик, А. Л. Ефремову, 2006)

Величина емкости поглощения определяется рядом факторов: содержанием высокодисперсных частиц в почве; химическим и минералогическим составом почвенных коллоидов; реакцией почвы (pH).

Емкость поглощения одной и той же почвы — величина непостоянная. Она изменяется в зависимости от реакции среды, при которой происходят вытеснение и обмен катионов. В щелочной среде емкость коллоидов-ацитоидов увеличивается, в кислой — понижается. У коллоидов с положительным зарядом (базоидов), наоборот, повышение электростатического потенциала и емкости поглощения анионов увеличивается в кислой среде.

Поглотительная способность органических коллоидов значительно выше, чем минеральных. У почв, насыщенных Са²⁺ и Mg²⁺, реакция близка к нейтральной, коллоиды находятся в состоянии необратимых гелей и не подвергаются пептизации при избытке влаги, почвы хорошо оструктурены и обладают хорошими физическими свойствами.

Почвы, содержащие в составе обменных катионов значительное количество Na⁺, характеризуются щелочной реакцией и солонцеватостыо, которая отрицательно влияет на состояние коллоидов и рост растений. Коллоиды в этих почвах легко пептизируются, так как находятся в состоянии обратимых гелей, почвы плохо структурированы и обладают неблагоприятными водно-физическими свойствами (повышенная плотность сложения, плохая водопроницаемость).

Почвы, не насыщенные основаниями, имеют кислую реакцию, в них коллоиды легко разрушаются.

По сумме всех обменных катионов почвы принято выделять три группы:

• 1) с малой ЕКО ППК — не более 20 ммоль/100 г почвы;
• 2) со средней — от 20 до 40;
• 3) с высокой — более 40 ммоль/100г почвы.