Поглотительная способность почв кратко
Обновлено: 30.06.2024
Поглотительная способность — способность почвы задерживать соединения или части их, находящиеся в растворенном состоянии, а также коллоидально распылённые частички минерального и органического вещества, живые микроорганизмы и грубые суспензии.
Поглотительная способность почв имеет большое значение не только в образовании и эволюции почв, но и в практике земледелия. Она обуславливает удержание почвой различных растворимых соединений, в т.ч. биологически важных для жизни растений и микроорганизмов элементов питания.
К. К. Гедройц выделил 5 видов поглотительной способности: биологическая, механическая, физическая, физико-химическая (обменная) и химическая.
Биологическое поглощение — способность почвенных микроорганизмов и растений усваивать из почвы и воздуха различные вещества и переводить их в органические соединения своего тела. Благодаря такому поглощению в почве аккумулируются элементы зольной и азотной пищи, изменяется концентрация и состав почвенного раствора. Почва обогащается органическим веществом, а это способствует увеличению поглощающего комплекса почвы (бобовые культуры, клубеньковые бактерии, фосфоробактерин и т.д.).
Механическое поглощение — свойство почвы, как всякого пористого тела, задерживать в своей толще твердые частицы крупнее, чем система пор. Почвы тяжелые, богатые гумусом или плотные, лучше задерживают взмученные частицы, чем почвы песчаные, содержащие мало органического вещества, или рыхлые. С механическим поглощением в известной мере связано накопление в верхних слоях почвы тел микроорганизмов, заиливание почв и образование в них плотных прослоек (плужная подошва, иллювиальный горизонт).
Механическая поглотительная способность используется при кольматировании (заилении) песчаных почв, дна и стенок каналов и очистке бытовых и технических сточных вод путем их фильтрации через почву.
Физическое поглощение. В основе этого поглощения лежит свойство почвенных частиц, обладающих свободной поверхностной энергией, адсорбировать на поверхности различные вещества (газы, пары, органические соединения, пестициды и растворенные соединения). Величина физического поглощения почвы находится в прямой зависимости от количества в ней коллоидов, илистой и пылеватой фракции. Физическое поглощение всех вышеперечисленных соединений играет важную роль в стабилизации свойств почвы, выполнением её важных санитарно-защитных функций. Физическое поглощение предохраняет водорастворимые вещества от вымывания, оно выше у суглинистых почв и слабее у песчаных.
Химическое поглощение. Оно связано с тем, что находящиеся в почвенном растворе вещества могут химически взаимодействовать друг с другом или с твёрдой фазой почвы. При этом образуются труднорастворимые или нерастворимые в воде соединения, которые выпадая в осадок, закрепляются в почве (закрепление питательных веществ, препятствует их вымыванию, но с другой стороны может закрепляться часть легкодоступных соединений в недоступную для растений форму). Химическая поглотительная способность имеет большое значение в сорбции почвами анионов фосфорной кислоты, органического вещества, а также катионов поливалентных металлов за счет комплексообразования на органических поверхностях твёрдой фазы почвы.
Физико-химическое (обменное) поглощение — способность обменивать некоторую часть катионов, содержащихся в твердой фазе на эквивалентное количество катионов, находящихся в соприкасающемся с нею растворе.
Катионный обмен в почве протекает по следующей схеме:
ППК Mg 2+ + 5 KCl ППК]5К + + CaCl2 + MgCl2 + HCl
Установлены следующие закономерности физико-химического поглощения.
1. Взаимный обмен катионами между почвой и раствором осуществляется в эквивалентных количествах.
2. Реакции обмена катионами обратимы.
3. Реакции обмена подчиняются закону действующих масс (Е.Н. Гапон). Чем больше в растворе концентрация вытесняющего катиона и чем меньше вытесняемого, тем больше вытесняющего катиона поглотится почвой. Если обмениваются одновалентные катионы, то при установлении равновесия соотношения их в растворе пропорциональны их поглощенному состоянию. Интенсивность обмена, или энергия поглощения различных катионов различна. Энергия поглощения катионов увеличивается в прямой зависимости от величины атомной массы, валентности катионов и их гидратированности. Поэтому по интенсивности поглощения они располагаются в следующий ряд:
Высокая энергия поглощения иона H + объясняется его слабой гидратированностью.
4. Энергия поглощения катионов возрастает с повышением их концентрации в растворе.
В поглощенном состоянии в почве могут находиться различные катионы: Са 2+ , Мg 2+ , К, Na, NH4, Н, Аl 3+ , Fe 3+ и др.
Общее количество всех поглощенных катионов, По К.К. Гедройцу, называется емкостью поглощения почвы (Т). Ее характеризуют с некоторойусловностью емкостью катионного обмена (ЕКО) и выражают в мг-экв на 100 г почвы.
Суммарное количество всех обменных катионов, за исключением Н + и Al 3+ , называют суммой обменных оснований (S), которая также выражается в мг – экв на 100 г почвы.
Фиксирующая способность почв по отношению к катионам зависит от гранулометрического состава, содержания гумуса. Чем больше гумуса и тяжелее почва, тем выше способность почв поглощать катионы.
При наличии в ППК положительно заряженных участков возможно и обменное поглощение анионов. Закономерности обменного поглощения анионов те же, что и для обменного поглощения катионов. Лучше других поглощаются анионы гидроксила и фосфат-ионы.
Поглощение анионов в почве усиливается при ее подкислении, так как происходит увеличение базоидной части почвенных коллоидов (подзолистые почвы, красноземы). Большое значение имеет содержание в почве оксидов железа и алюминия (R2O3) и соотношение (SiO2 : R2O3).
Лекция 2б — Виды поглотительной способности почвы, их роль во взаимо-действии почвы с удобрениями и в питании растений
Поглотительная способностью почвы — способность ее поглощать различные вещества из раствора, проходящего через нее и удерживать их. К.К.Гедройц различал пять видов поглотительной способности почв: механическую, физическую (адсорбцию), химическую, физико – химическую (обменную) и биологическую.
Механическая поглотительная способность – свойство почвы, как пористого тела, не пропускать через себя частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, если они больше, чем поры почвы. Механическое поглощение сохраняет от потерь наиболее ценную, коллоидную часть почвы. Чем тяжелее механический состав почвы, тем больше задерживается коллоидных частиц.
Физическая поглотительная способность возникает на границе почвенных коллоидных частиц и почвенного раствора и зависит от суммарной поверхности твердых частиц. Чем больше в почве мелкодисперсных частиц, тем больше суммарная поверхность и тем сильнее физическое поглощение. Различают положительную и отрицательную адсорбцию. При положительной молекулы растворенного вещества притягиваются частицами почвы сильнее, чем молекулы воды; на поверхности коллоидных частиц создается повышенная концентрация этого вещества. Физически поглощаются многие органические соединения — спирты, органические кислоты и основания. Из минеральных веществ — только щелочи. Отрицательная адсорбция характерна для растворимых минеральных солей и неорганических кислот, например при взаимодействии почвы с хлором и нитратами, что обусловливает их высокую подвижность. Для хлоридов это имеет положительное значение, так как их избыток вреден для растений. Поэтому хлорсодержащие удобрения предпочтительно вносить с осени, чтобы хлор хотя бы частично вымывался из пахотного слоя почвы. Для нитратов такое вымывание нежелательно, поэтому нитратные удобрения лучше вносить весной, незадолго до посева или в подкормку. Промываемость нитратов будет определяться структурой почвы. Наличие устойчивых капилляров ведет к потерям нитратов. При бороновании происходит разрушение капилляров и потери NО3 уменьшаются.
Химическая поглотительная способность связана с образованием трудно- или нерастворимых в воде соединений при взаимодействии ионов растворенных веществ (в т.ч. удобрений) с ионами почвы. Эти соединения выпадают в осадок и примешиваются к твердой фазе почвы. Химическое поглощение характерно для Н3РО4, ионов СО3 и SО4, катионов Са и Мg.
Минеральные кислоты, встречающиеся в почве, обладают различной способностью образовывать нерастворимые в воде соли. Анионы азотной и соляной кислот (NО3 — и Сl — ) с почвенными катионами (К, Са, Мg, Аl, Fе, NН4) не образуют нерастворимых в воде соединений, химически не поглощаются. С этим связана высокая подвижность NО3 и Сl в почве (соли КNО3, NН4Сl растворимы в воде). Анионы угольной и серной кислот (СО3 2- и SО4 2- ):
1) с одновалентными катионами образуют растворимые соли (К2SО4, Nа2СО3);
2) с двухвалентными катионами образуют труднорастворимые соединения (СаSО4, СаСО3). Поэтому в почвах с большим количеством кальция и магния (черноземы) эти анионы химически поглощаются.
Анионы фосфорной кислоты (Н2РО4 — , НРО4 2- , РО4 3- ) поглощаются почвой по-разному:
1)С одновалентными катионами образуют хорошо растворимые в воде соединения: КН2РО4 К2НРО4 К3РО4
2)С двухвалентными катионами образуют соли различной растворимости:
СаНРО4 — нерастворимое в воде, но растворимо в слабых кислотах
Са3(РО4)2 – нерастворимое в воде и слабых кислотах соединение
3)С трехвалентными катионами (Аl, Fе) образуют труднорастворимые соединения (АlРО4, FеРО4), доступные растениями только в свежеосажденном виде. Поскольку в почвах мало фосфорных соединений одновалентных катионов и однозамещенных солей двухвалентных катионов, следовательно, Н3РО4 хорошо поглощается химически. Это играет большую роль в превращении водорастворимых фосфорных удобрений в почве.
Химическое поглощение фосфорных соединений на различных почвах протекает по-разному:
1)В почвах с нейтральной и слабощелочной реакцией (черноземы, сероземы)
химическое поглощение фосфорной кислоты и ее водорастворимых солей
происходит в результате образования не растворимых в воде, но растворимых в слабых кислотах фосфатов кальция, которые усваиваются растениями:
2)Если в почвах много карбонатов, образуются трехзамещенные фосфаты кальция, не растворимые в воде и слабых кислотах — Са3(РО4)2
При подкислении почвенного раствора (например, под влиянием азотной кислоты, образующейся в результате нитрификации) трехзамещенные фосфаты снова переходят в однозамещенные, растворимые в воде и доступные для растений:
3)На кислых почвах, в которых много свободных полуторных окислов, поглощение Н3РО4 идет по пути образования фосфатов алюминия и железа:
Свежеосажденные фосфаты алюминия и железа аморфны и могут усваиваться растениями. По мере старения осадков образуются нерастворимые соединения. Поэтому фосфаты в дерново-подзолистых почвах и красноземах закрепляются значительно прочнее, чем в черноземах и сероземах. Интенсивное химическое поглощение солей фосфорной кислоты обусловливает слабую подвижность фосфатов в почве и снижение доступности фосфора для растений. С целью снижения этого процесса проводят грануляцию фосфорных удобрений и их локальное внесение.
Обменная поглотительная способность почв (физико-химическое поглощение). Она имеет большое значение для поглощенных катионов, а анионы обменно практически не поглощаются. Обменное поглощение катионов – способность мелкодисперсных коллоидных частиц почвы, имеющих отрицательный заряд, поглощать различные катионы из раствора. При этом в раствор вытесняется эквивалентное количество ранее поглощенных твердой фазой почвы других катионов. Обменное поглощение катионов определяет физические и физико-химические свойства почвы: ее структуру, реакцию, буферность. Обменное поглощение связано с органическими и минеральными коллоидами почвы. Обменно поглощаются практически все минеральные удобрения.
Суть физического поглощения состоит в том, что происходит молекулярная адсорбция внесенных удобрений; а химическое поглощение заключается в том, что кальций и калий (в данном случае) обмениваются в эквивалентных количествах. Реакция обмена с ППК происходит очень быстро.
Разные катионы с неодинаковой энергией поглощаются почвой и удерживаются ею в поглощенном состоянии. Чем больше атомная масса и заряд катиона, тем сильнее он поглощается и труднее вытесняется из почвы другими катионами. Однако водород, имеющий наименьшую атомную массу и валентность, обладает высокой энергией поглощения и способностью вытеснять из ППК другие катионы.
Биологическая поглотительная способность почв – это свойство почвы задерживать и накапливать питательные вещества в корнеобитаемом слое в результате биологической деятельности живых организмов и корневой системы растений. Отличительная особенность биологического поглощения – его избирательность. Растения и микроорганизмы усваивают из почвы и удобрений те элементы, которые им необходимы для построения их тел. К биологическому поглощению относятся: 1)процессы переноса корнями ряда растений питательных элементов из нижних горизонтов почвы в верхний слой. Поэтому, в частности, в пахотном слое почвы содержится больше фосфора, чем в материнской породе. 2)Фиксация азота из воздуха свободноживущими и симбиотическими микроорганизмами. 3)Иммобилизация — закрепление питательных веществ в телах микроорганизмов в процессе их жизнедеятельности. Процесс этот обратимый, и после отмирания микроорганизмов и минерализации их плазмы питательные элементы возвращаются в почву. В зависимости от конкретных условий биологическое поглощение может играть положительную или отрицательную роль в питании растений. С одной стороны, временное закрепление нитратов корневой системой и микроорганизмами уменьшает их потери от вымывания. С другой – при усиленном размножении микроорганизмов происходит их конкуренция с высшими сельскохозяйственными растениями за элементы пищи. Поэтому не рекомендуется вносить в почву слаборазложившийся навоз.
Необменное поглощение. Наряду с вышеуказанными видами поглотительной способности почв имеется так называемое необменное поглощение катионов, которое в значительной мере определяется механическим и минералогическим составом почвы и имеет место у минералов группы монтмориллонита и гидрослюд с трехслойной кристаллической решеткой. Необменное поглощение характерно для NН4, К, Rb, Сs. Калий и аммоний в условиях попеременного увлажнения и высушивания переходят в необменно-поглощенное состояние, при этом аммоний слабо (на 10 – 20%) доступен нитрифицирующим бактериям. На черноземных почвах необменная фиксация выражена сильнее. Для уменьшения этого явления калийные и аммонийные удобрения следует вносить в слой постоянного увлажнения, предпочтительно локально – для уменьшения контакта с почвой.
Поглотительная способность почв — свойство почвы задерживать вещества, растворенные в почвенном растворе и контактирующие с её твердой фазой. Поглотительная способность обеспечивается почвенным поглощающим комплексом. Удерживаться вещества могут в растворенном состоянии, в виде коллоидальных частиц и суспензий.
В зависимости от способа поглощения различают виды поглотительной способности:
- механическую,
- физическую,
- физико-химическую (обменную),
- химическую,
- биологическую.
Почвенный поглощающий комплекс — совокупность минеральных, органических и органоминеральных частиц твердой фазы почвы.
Учение о поглотительной способности почв впервые создал К.К. Гедройц, дальнейшее развитие оно получило в работах Г. Вигнера и С. Маттсона.
Механическая поглотительная способность
Механическая поглотительная способность почвы — способность механически удерживать в порах почвы частицы, взмученные в проходящей через профиль почвы воде. При этом удерживаются суспензии алюмосиликатных и органических частиц, коллоидально-распыленных веществ, что позволяет сохранить коллоидные фракции, плохо растворимые удобрения и мелиоранты.
Интенсивность механического поглощения зависит от пористости почвы, размера пор, дисперсности вещества. Поэтому глинистые и суглинистые почвы характеризуются большей механической поглотительной способностью, чем песчаные и супесчаные.
Этот вид поглотительной способности играет также роль в распределении микроорганизмов по профилю почвы.
Физическая поглотительная способность
В крупнозернистых, например, песчаных почвах, адсорбционные силы относительно небольшие, поэтому физическая поглотительная способность их низкая. С увеличением дисперсности почв, количества ила и коллоидальной фракции адсорбционные силы возрастают.
Повышение концентрации растворенного вещества в слое дисперсионной среды, примыкающей к частицам твердой фазы, называется положительной адсорбцией. Вещества, приводящие к увеличению поверхностного натяжения дисперсионной среды, вызывают отрицательную адсорбцию. В случае положительной адсорбции дисперсная фаза притягивает из дисперсионной среды к своей поверхности растворенные вещества, при отрицательной адсорбции — отталкивает. Положительно адсорбируются гидраты оксидов металлов и соли, образованных сильными основаниями и слабыми кислотами. Анионы адсорбируются отрицательно.
При данном виде поглощения содержащиеся в почвенном растворе вещества не претерпевают изменений.
В связи с большим количеством факторов (состава почвы, погодных условий), способных оказывать влияние на физическое поглощение, этот вид поглощения является динамическим.
Положительная адсорбция имеет важное значение в почвенных процессах и питании растений: растворенные вещества удерживаются от вымывания в глубокие слои почвы и создаются различные концентрации питательных веществ, позволяя растениям выбирать раствор с наиболее оптимальной для них концентрацией.
Физическое поглощение в почве может возникать также в результате коагуляции (слипания) коллоидных частиц. Этот процесс останавливает вымывание илистой фракции почвы и питательных веществ из корнеобитаемого слоя. Определить физическое поглощение сложно, так как оно находится во взаимосвязи с химическим поглощением и обменной адсорбцией.
Физическое поглощение имеет значение для рационального использования удобрений, в составе которых входят, например, растворимые нитраты и хлориды. Например, хлорид-ионы в больших количествах являются токсичными для многих культур, поэтому хлорсодержащие удобрения вносят осенью, чтобы за время осенне-весенних осадков произошло его вымывание из пахотного слоя. Наоборот, для нитратных удобрений такое вымывание нежелательно, поэтому их вносят весной перед посевом или в подкормках.
Физическая поглотительная способность почв имеет экологическое значение: адсорбция пестицидов уменьшает их проникновение в сопредельные среды, в том числе растения.
Поглотительная способность почв – свойство ее компонентов (твердой, жидкой, газовой, биологической фаз) обменно или необменно поглощать из окружающей среды вещества любого агрегатного состояния, отдельные молекулы, ионы.
Различают 5 видов поглотительной способности почв.
1. Механическая – свойство почв поглощать поступающие с водным или воздушным потоком твердые частицы, размеры которых превышают размеры почвенных пор. Почва действует как сито или губка, пропуская через себя все, что мельче почвенных пор. Водные суспензии освобождаются от взвесей. Почва, как всякое пористое тело, удерживает частицы, взмученные в фильтрующейся через почву воде. Это свойство почвы используют для первой стадии очистки питьевой и сточных вод.
Причины механического поглощения:
– частицы крупнее почвенных пор;
– частицы задерживаются в извилинах пор большего диаметра;
– контакт частиц взвеси и частиц, слагающие стенки пор.
2. Физическая (молекулярная) – способность почвы адсорбировать и удерживать растворенные в воде и газообразные вещества, концентрация или разжижение растворенных в почвенном растворе веществ у поверхности соприкосновения твердых частичек почвы с почвенной влагой, обусловленное поверхностной энергией твердых частиц. Она связана с изменением концентрации молекул, находящихся на поверхности твердых частиц почвы.
Поглощенные вещества не внедряются в агрегаты и не вступают с ними в химические реакции, а скапливаются на поверхности раздела фаз – твердой, жидкой, газообразной. Иногда они отталкиваются.
Различают два вида адсорбции:
– положительная молекулярная сорбция – поглощение аммиака, притяжение катиона аммония;
– отрицательная молекулярная сорбция – вымывание нитратов, хлоридов, отталкивание анионов.
3. Химическая (хемосорбция) – свойство удерживать и закреплять ионы, поступающие из почвенного раствора с образованием трудно растворимых соединений и комплексов с органическими веществами, которые выпадают в осадок и примешиваются к твердой фазе почвы:
3CaSO4 + 2Na3PO4 → Ca3(PO) 4 + 3Na2SO4
Осадочная – образование осадков на поверхности частиц при взаимодействии ионов, один из которых находится в поглощенном состоянии (обменно-сорбированные катионы).
Комплексообразовательная сорбция поливалентных катионов из почвенного раствора при их взаимодействии с сорбированным органическим веществом за счет образования координационных связей. Приводит к формированию глиногумусовых комплексов и взаимодействию алюмосиликатов с гумусом.
Адгезионная – взаимодействие минеральных и гумусовых компонентов.
Адгезия – склеивание поверхностей различного состава и строения под действием разнообразных сил.
4. Биологическая – поглощение живыми организмами (корни растений, микроорганизмы) различных веществ из почвенного раствора, обусловливающая их жизнедеятельность (рис. 41, 42);
Рис. 41. Биологическая поглотительная способность почв с помощью корней растений
Рис. 42. Биологическая поглотительная способность почв при участии животных
5. Физико-химическая или обменная – свойство обменивать некоторую часть катионов, содержащихся в твердой фазе (находящихся на поверхности коллоидных частиц, глинистых минералов и связанных в функциональных группах гумусовых соединений), на эквивалентное количество катионов, находящихся в соприкасающемся с почвой растворе. Материальным носителем катионообменной способности почв является почвенно-поглощающий комплекс (ППК).
ППК – совокупность минеральных, органических и органо-минеральных компонентов твердой фазы почвы, обладающая ионнообменной способностью.
Скорость и соотношение обменивающихся катионов зависят от дисперсности ППК, органо-минерального состава, окислительно-восстановительных условий.
Реакция рассоления, мелиорация солонцов:
Экологические особенности ППК
1. Его состав определяет реакцию почвенной среды и ее стабильность. Нейтральные, кислые и щелочные условия напрямую зависят от состава обменных катионов.
2. ППК – доступное для растений хранилище биофильных катионов, защищенное от вымывания атмосферной влагой в грунтовые воды.
3. Состав ППК предопределяет структурность, плотность, воздухоемкость, влагоемкость, поведение почвенной воды.
4. ППК – геохимический барьер для катионов – тяжелых металлов и радионуклидов. В почвах с непромывным режимом поглощенные катионы обменно усваиваются растениями и поступают в цепи питания. В почвах, промываемых водой, неизбежно обменное вытеснение ТМ водородом и их миграция в ландшафте.
Емкость катионного обмена (ЕКО, мг-экв/100 г почвы) – максимальное количество катионов, удерживаемое почвой в обменном состоянии при конкретных условиях, важнейшая характеристика ППК.
ЕКО гумусовых кислот составляет 200--300 мг-экв/100 г, монтмориллонитов – 80–120, каолинитов – 3–20, гидроксидов железа и алюминия – 2–3, гидроксида кремния – 0 (рис. 41).
В серой лесной почве ЕКО изменяется в пределах 15–30, черноземе типичном – 30–70, черноземе южном – от 20 до 50, в светло-каштановой почве от 20 до 30, в сероземе типичном – 8–20 мг-экв/100 г.
При величине ЕКО меньше 20 мг-экв/100 г почвы наиболее подвержены загрязнению, больше 50 – устойчивы.
Крайне низкая, 3–5. В сильно элювиированных горизонтах подзолов, почти целиком состоящих из кремнезема и кварца.
Очень низкая, 5–10. Пески, песчаные и супесчаные почвы, карбонатные лессы с преобладанием пылеватых фракций, малогумусные сероземы.
Низкая, 10–15. В почвах легкого гранулометрического состава, с обилием окислов железа и алюминия. Характерна для влажных тропиков и субтропиков, глин и суглинков без смектитовых минералов.
Средняя, 15–25. В почвах с промывным водным режимом и невысоким гумуса (серые и бурые лесные).
Выше средней, 25–35. Гумусовые горизонты сухостепных и полупустынных почв, лессовидные, покровные глины, суглинки с относительно равномерным содержанием минералов, гидрослюд, каолинита.
Высокая, 35–45. Большинство черноземов, слитоземы, глины, обогащенные смектитами, слитогенетические и иллювиальные горизонты.
Рис. 43. Характеристика ЕКО
Очень высокая, 45–60. Среднегумусные и тучные черноземы, гумусово-аккумулятивные дерновые горизонты почв.
Крайне высокая. Более 60. Типична для отдельных компонентов почвенной массы: гумуса, смектитов, вермикулита.
Экологическое значение поглотительной способности почв
1) Количество поглощенных катионов равно количеству катионов, вытесненных из ППК в почвенный раствор.
2) Чем меньше радиус катиона, тем слабее он связывается.
3) В ряду разновалентных катионов поглощение растет с увеличением валентности:
Li+ Pb > Zn > Hg. При снижении рН возрастает способность поглощать катионы в ряду: As > Se > Sb > Mo.
8) Почвы тяжелого гранулометрического состава (глинистые и тяжелосуглинистые) больше удерживают привнесенных веществ, чем почвы легкого гранулометрического состава (песчаные и супесчаные).
9) Главная функция ППК с точки зрения охраны почв: участие в обменных реакциях с тяжелыми металлами. Реакции обмена протекают в эквивалентных количествах и обратимы, если не сопровождаются хемосорбцией.
10) Защитная функция ППК – способность нейтрализовать кислотные осадки и ограничивать миграцию тяжелых металлов.
11) При одном и том же уровне содержания тяжелых металлов в почве признаки угнетения растений, проявляются в тех почвах, в которых в ППК мало активных центров, способных к обменным реакциям и низкое значение ЕКО.
12) В лесных экосистемах (деревья) накопление поллютантов значительно выше, чем в степных (травостой).
Поглотительная способность обуславливает накопление элементов питания растений, микроэлементов, регулирует реакцию почвы, буферность, водно-физические свойства, интенсивность накопления гумуса.
Экологическая значимость катионов
Макроэлементы – соединения, содержание которых в почвах превышает 0,1%. Почти половина приходится на кислород (49), треть – кремний (33), алюминий – 7,15, железа –3,8.
Кислород входит в состав большинства почвенных минералов, один из основных элементов органической части почв.
Кальций – хранитель плодородия. Он есть во всех почвах, оптимум – 80–90 % от ЕКО в типичных черноземах. Обеспечивает почти целиком коагуляцию коллоидных систем, что служит предпосылкой для структурообразования при активной деятельности корней и достаточной доле гумуса.
Магний. Всегда сопровождает кальций. Типичное их соотношение 5:1. В таких количествах его действие аналогично кальцию. Магний вызывает повышение щелочности в связи с наличием в почвенной среде карбонатов и бикарбонатов магния, в ППК поддерживает солонцеватость и может приводить к образованию особых почв – магниевых солонцов.
Калий. В питании растений – основной источник доступного калия.
Натрий. В количестве менее 3 % от ЕКО – необходимый компонент оптимального состояния почв, обеспечивает дисперсность коллоидов. Обменный натрий – активный пептизатор коллоидов при его концентрации в почвенном растворе ниже порога коагуляции.
Обменный водород – источник почвенной кислотности. Всегда есть в бескарбонатных почвах. Если поглощенного водорода более 5 %, то появляются кислотные свойства почв.
В обменном состоянии алюминий – интенсивный коагулятор коллоидов. При переходе в почвенный раствор образует гидролитически кислые соли, способствующие повышенной пептизации 3-х валентного А1.
Железо 3-х валентное. Интенсивный коагулятор коллоидов, как и А1 во влажных тропических почвах. Ожелезненные почвы малопластичны, не набухают.
Ион аммония – единственная возможная аккумуляция доступного растениям азота.
Микроэлементы – это соединения, содержание которых меньше 1•10-3 %: бор, марганец, молибден, медь, цинк, кобальт, йод, фтор и др. Они входят в состав ферментов, гормонов, витаминов. Микроэлементы играют важную физиологическую и биохимическую роль в жизни биоты. Установлена тесная связь между содержанием микроэлементов в почве и урожайностью, продуктивностью животных.
Количество их определяется содержанием в породе и влиянием почвообразовательного процесса на их перераспределение. В почве они содержатся в кристаллической решетке минералов в виде изоморфной подмеси, в форме солей и окисей, в составе органических соединений, в ионообменном состоянии и в растворимой форме в почвенном растворе.
В почвах коллоидными свойствами обладают частицы размером менее 0,001 мм (ил). Они образуются при выветривании и почвообразовании (в основном минеральные). Происходит процесс преобразования и изменения состава коллоидов материнской породы. Основное явление при формировании коллоидов: дробление крупных частиц и соединение молекулярно раздробленных.
Минеральные коллоиды – глинистые минералы, коллоидные формы кремнезема и полуторооксиды. Органические коллоиды – гумусовые и белковые соединения, полисахариды в коллоидно-дисперсном состоянии. Органо-минеральные коллоиды – соединения гумуса с глинистыми минералами и осажденными полуторооксидами.
По степени сродства к воде различают гидрофильные (высокое сродство) и гидрофобные. Гидрофильными являются коллоиды некоторых глинистых минералов, монтмориллонита, органические. Почвы с такими коллоидами вязкие, пластичные, сильно набухают при увлажнении, липкие. Гидрофобные – это коллоиды, содержащие железо и алюминий.
Коагуляция – соединение коллоидных частиц друг с другом с образованием более крупных коллоидов, дальнейшее осаждение – седиментация. Из раствора они выпадают в осадок под воздействием высыхания или увеличения концентрации простых солей в почвенном растворе. Частицы коллоидов сцепляются между собой, образуют пространственную структуру, в ячейках которой удерживается вода.
Обратный процесс переход коллоидов в раствор, геля в золь – пептизация. В основном коагуляция необратима и менее 0, 1 % коллоидов пептизируется. Для солонцов чередование коагуляции и пептизации – сущность почвообразовательного процесса.
Вы здесь: ЧАСТЬ 1. ОБЩЕЕ ПОЧВОВЕДЕНИЕ Глава 6. ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ
Глава 6. ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ
Большинство процессов, протекающих в почве, связаны с перераспределением веществ между твердой, жидкой и газообразной фазами, составляющими почву. Главным процессом взаимодействия между фазами является сорбция – поглощение твердой фазой газов, паров и растворенных веществ из жидкой фазы. Способность почвы поглощать различные веществ была известна давно, но только в начале XX века К.К.Гедройц разработал учение о поглотительной способности почв. Поглотительные процессы в почве обусловлены преимущественно ее тонкодисперсной частью и особенно коллоидами.
§1. Почвенные коллоиды, происхождение, строение и классификация
К почвенным коллоидам относятся частицы диаметром + ). К ним относятся глинистые минералы, гумусовые кислоты, органо-минеральные коллоиды, кремниевая кислота. Ацитоиды обладают способностью к поглощению и обмену катионов.
2) базоиды – коллоиды, несущие положительный заряд (в потенциалопределяющем слое катионы) и имеющие в диффузном слое анионы (ОН – ). К ним относятся гидраты окисей железа и алюминия. Базоиды способны к обмену анионов.
Большая часть почвенных коллоидов имеет отрицательный заряд, и, следовательно, способность почвы к поглощению и обмену катионов значительно больше, чем к анионам. Поэтому, говоря о поглотительной способности почв, имеют в виду именно поглощение катионов.
Поскольку почвенные частицы имеют заряд, они способны притягивать дипольные молекулы воды из окружающего раствора, образуя гидратные пленки. Толщина этой пленки зависит от величины заряда и состава поглощенных катионов. В связи с этим различают гидрофильные коллоиды (кремнекислота, глинистые минералы, органические коллоиды и коллоиды, насыщенные К, Na, Li), удерживающие многослойные пленки воды, и гидрофобные – слабогидратированные коллоиды (гидрооксид железа, коллоиды, насыщенные двух- и трехвалентными катионами). Гидрофильные коллоиды имеют сродство к воде, способны сильно набухать и оставаться устойчивыми в коллоидном растворе. Гидрофобные набухают незначительно, сворачиваются и выпадают в осадок.
Почвенные коллоиды могут находиться в двух разных физических состояниях: 1) в состоянии коллоидного раствора, или золя; 2) в состоянии студенистого, аморфного или хлопьевидного осадка, или геля. Переход коллоидов из состояния золя в состояние геля называется коагуляцией, или слипанием (свертыванием) коллоидов. Причиной данного перехода является потеря гидратной оболочки и заряда в результате следующих процессов: замораживания, высушивания, действия электролитов, взаимной коагуляции и тиксотропии.
По степени коагулирующей способности К.К.Гедройц расположил все катионы в следующем порядке:
Li + + + + 2 + + 2 + 2 + 3 + 3 +
Коагуляция может быть обратимой и необратимой, т.е. золь, перешедший в гель, снова может перейти в раствор либо его обратный переход затруднен или невозможен. Обратимая коагуляция вызывается одновалентными, необратимая – двух- и трехвалентными катионами. Под действием двух- и трехвалентных катионов почвенные частицы склеиваются в комочки, имеющие большую устойчивость и водопрочность, почва становится более структурной, улучшается ее физическое состояние.
Особым явлением представляется процесс тиксотропии коллоидов, чаще всего встречается в криогенных почвах и вызывает их плывунность. Коллоиды находятся в таких почвах в скоагулированном состоянии геля благодаря их своеобразной гексагональной ориентации. Гель не отделяется от дисперсной среды, а застудневает вместе с ней. Полученный гель может быть переведен в золь путем механического воздействия (встряхивания и др.), по прекращении которого с течением времени золь опять переходит в гель.
Пептизация – процесс, обратный коагуляции, когда коллоиды переходят из состояния геля в состояние золя. Пептизация коллоидов отрицательно воздействует на почвообразовательные процессы, поскольку обусловливает разрушение структуры и вымывание коллоидов из верхних горизонтов, что резко снижает их поглотительную способность, ухудшаются физические и химические свойства почвы.
§2. Виды поглотительной способности почв
Поглотительной способностью почв называют способность почвы поглощать твердые взвешенные частицы, целые молекулы веществ или их часть и удерживать их в себе. Носителем поглотительной способности почв является почвенный поглощающий комплекс (ППК) – вся совокупность почвенных компонентов, способных участвовать в процессах поглощения и обмена. Главную часть его составляют почвенные коллоиды.
К.К.Гедройц выделил пять видов поглотительной способности почв, каждый из которых играет определенную роль в почвообразовании и формировании свойств почвы: механическая, биологическая, химическая, физическая и физико-химическая, из которых две последние связаны с ППК.
Механическая поглотительная способность – способность почвы как всякого пористого тела задерживать взвешенные твердые частицы из фильтрующихся суспензий крупнее почвенных пор. Механическое поглощение напрямую зависит от гранулометрического состава и сложения почвы. Так, глинистые и суглинистые почвы способны поглощать даже тонкодисперсные частицы, а песчаные, имеющие крупнопористое сложение, взвешенные частицы поглощают значительно хуже. Механическая поглотительная способность возрастает с увеличением количества гумуса в почве. Благодаря ей, в почве удерживаются от выноса наиболее ценные с точки зрения плодородия элементы. Большое значение это имеет в областях с искусственным орошением или обильными осадками. Почва может также удерживать и частицы меньше диаметра пор благодаря наличию замкнутых и извилистых пор.
Биологическая поглотительная способность почвы обусловлена жизнедеятельностью растений и микроорганизмов почвы, которые поглощают из нее необходимые для жизни элементы и переводят их в органические соединения своего тела. В таком виде элементы питания не вымываются из почвы. Особенностью этого вида поглотительной способности является избирательность – растения и микроорганизмы поглощают необходимые им вещества строго в соответствии со своими потребностями. Благодаря этой избирательности почва систематически обогащается биологически ценными элементами, которые извлекаются из глубоких слоев, после отмирания живых организмов накапливаются в верхних горизонтах и используются следующими поколениями организмов. В естественных условиях почва чем старше, тем плодороднее. Однако избирательность может иметь и отрицательные последствия: при внесении удобрений в результате поглощения только некоторых ионов в почве возникают физиологическая кислотность и щелочность.
Особенно большое значение этот вид поглотительной способности имеет в отношении нитратов, так как они поглощаются и закрепляются только биологическим путем.
Химическая поглотительная способность – это способность почвы закреплять нерастворимые соединения, образующиеся в результате химических обменных реакций в почвенном растворе или при взаимодействии с твердой частью почвы. При взаимодействии с катионами кальция, алюминия, железа и других элементов растворимые в воде сульфаты, карбонаты, фосфаты образуют нерастворимые соединения. В таком виде вещества закрепляются и не вымываются из почвы:
Таким же образом могут закрепляться в почве и удобрения. Например, при внесении фосфатных удобрений (суперфосфат) в карбонатную почву он переходит в нерастворимый трифосфат кальция:
Физическая поглотительная способность – это способность почвы поглощать и удерживать в себе целые молекулы веществ на поверхности своих частиц. Она обусловлена силами молекулярного притяжения (из-за наличия свободной энергии у поверхностных молекул), за счет которых на поверхности коллоидных частиц адсорбируются вещества из раствора или газы, причем изменяется только концентрация веществ, но качественный состав не изменяется (поглощенное вещество не внедряется в твердую фазу почвы и не вступает в химическую реакцию, а накапливается на границе раздела фаз).
Способность адсорбции присуща всем телам природы. Чем сильнее степень раздробленности частиц, тем больше их общая поверхность, где сорбируются молекулы многих веществ.
Различают положительную и отрицательную адсорбцию. При нормальной (положительной) адсорбции к поверхности почвенных частиц притягиваются молекулы растворенного вещества, и концентрация раствора уменьшается. Таким путем поглощаются органические соединения, газы, щелочи, некоторые токсины. При отрицательной адсорбции на поверхности частиц закрепляются молекулы растворителя, и концентрация раствора увеличивается. Такому явлению подвержены неорганические кислоты и некоторые другие минеральные соединения. Так, нитраты почвой не поглощаются ни физическим, ни химическим путем, а только биологическим, поэтому вносить азотные удобрения необходимо только в период интенсивного роста растений, когда они наиболее нуждаются в азоте. Это предотвратит загрязнение водоемов нитратами.
Физико-химическая (обменная) поглотительная способность почв – это способность почвы поглощать из раствора различные катионы или анионы, отдавая в обмен эквивалентное количество ионов твердой фазы (из диффузного слоя мицеллы). Так как большинство почвенных коллоидов заряжены отрицательно, то и поглощаться будут из почвенного раствора в основном катионы, которые называются обменными. Эта поглотительная способность напрямую связана с ППК. В общем виде процесс обмена катионов можно представить следующим образом:
почва] Н + + КСl ↔почва] К + НСl.
К.К.Гедройц установил следующие законы обменной адсорбции:
● закон эквивалентности – процесс обмена катионов происходит в эквивалентных отношениях по законам химии;
● закон обратимости – реакция обмена катионов является обратимой, т.е. любой поглощенный катион при соответствующих условиях может снова перейти в раствор;
● закон концентрации – чем выше концентрация иона-вытеснителя в почвенном растворе, тем интенсивнее он будет поглощаться почвой и займет больший вес в составе поглощенных катионов (при постоянном объеме). В случае если концентрация раствора постоянна, количество катионов, вытесняемых из почвы в раствор, возрастает с увеличением объема последнего;
● закон скорости – реакции обменной адсорбции происходят быстро (равновесие устанавливается в течение нескольких минут);
● закон энергии – энергия адсорбционного поглощения почвой разных катионов неодинаковая и зависит от их валентности, а в пределах одной валентности – от атомной массы и ионного радиуса. Ряд энергии поглощения катионов в большинстве почв следующий (К.К.Гедройц):
Li + + + + 2 + + 2 + 2 + 3 + 3 + .
В почвенном растворе присутствуют две группы анионов, которые отличаются по характеру поглощения: 1) NO3 – , NO2 – , Cl – – в пределах возможных в почвах реакций не поглощаются почвой, так как легкорастворимы, закрепляются только биологическим путем; 2) SO4 2– , CO3 2– , PO4 3– – поглощаются химическим и физико-химическим путем. Особенно большое значение имеет поглощение фосфат-иона почвой, так как, с одной стороны, он становится недоступным для растений, с другой стороны, он извлекается из геологического круговорота и удерживается в почве. Поэтому фосфорные удобрения вносят в почву в гранулированном виде.
§3. Состав поглощенных катионов, емкость катионного обмена и степень насыщенности почв основаниями
Почвенный поглотительный комплекс всегда насыщен катионами, но их состав и количество неодинаковы в разных почвах. Важнейшей характеристикой ППК и почвы в целом является емкость катионного обмена (емкость поглощения) (ЕКО) – общее количество поглощенных катионов, находящихся в почве и способных к обмену. Выражается в мг·экв/100 г почвы и обозначается Т (Е), зависит от типа почвы, минералогического состава, гранулометрического состава, количества гумуса и реакции среды. Чем больше в почве глинистых минералов и гумуса, чем ближе к нейтральной реакция почвы, тем больше ЕКО. Песчаные малогумусные почвы имеют самую низкую емкость поглощения – 1 – 5, супесчаные – 7 – 8, суглинистые – 15 – 18, глинистые – 25 – 30 мг·экв/100 г. В гумусовых горизонтах ЕКО выше, чем в нижележащих горизонтах. В верхнем горизонте черноземов она достигает 50 – 60 мг·экв/100 г, так как здесь много гуминовых кислот, ЕКО которых в чистом виде – 350 – 400 мг·экв/100 г.
Емкость катионного обмена варьирует в широких пределах и ее величина в различных типах почв представлена в таблице 6.
Различные почвы существенно отличаются друг от друга по качественному составу поглощенных катионов, который обусловлен условиями почвообразования, водно-солевым режимом почв и хозяйственной деятельностью человека. В составе ППК находятся практически все катионы, необходимые для питания растений, но их доля от общего количества поглощенных катионов невелика – несколько процентов. Общее содержание всех обменных катионов, кроме Н + и Al 3+ , называют суммой обменных оснований (S). В зависимости от наличия поглощенного водорода и алюминия почвы подразделяют на насыщенные и ненасыщенные основаниями.
Читайте также: