ЛЕКЦИЯ 4. Физико-химические свойства почв

Способность почвы поглощать ионы и молекулы различных веществ из раствора, а также коллоидно распыленные частички минерального и органического вещества, живые микроорганизмы и грубые суспензии и удерживать их называется поглотительной способностью почв. Это свойство почвы в науке известно давно.

Наиболее выдающуюся роль в изучении поглотительной способности почв сыграл К.К. Гедройц. Он различал пять видов поглотительной способности: биологическую, механическую, физическую, химическую, физико-химическую или обменную.

Биологическая поглотительная способность связана с наличием в почве живых корней растений и микроорганизмов, которые избирательно поглощают из почвенного раствора азот и зольные элементы и переводят их в различные органические соединения своих тел. Вследствие этого питательные вещества предохраняются от выщелачивания из почвы. В результате биологической деятельности в почве накапливается органическое вещество, азот и зольные элементы.

Большинство микроорганизмов потребляют для питания и построения своих тел те же элементы, что и высшие растения.

Используя в качестве пищи и энергетического материала органические вещества, микроорганизмы разлагают их, переводят содержащиеся в них элементы питания в минеральную, доступную для растений форму. В то же время они сами потребляют некоторое количество питательных веществ (N, P, S и др.) для построения своих тел, переводят их в органическую форму и в этом смысле являются конкурентами растений.

В плазме живых тел микроорганизмов связано значительное количество азота, фосфора, калия. Считается, что биологическое поглощение азота и других элементов питания явление временное, так как после отмирания микроорганизмов их плазма быстро минерализуется, содержащиеся в ней элементы питания освобождаются в минеральной форме и могут использоваться растениями.

Однако если в почве находится достаточное количество легкодоступных органических веществ, служащих источником энергии для микроорганизмов, то происходит усиленное их размножение – часть поглощенного микроорганизмами азота передается из поколения в поколение и длительное время не освобождается в минеральной форме. Кроме того, при разложении и гумификации микробного белка часть связанного в нем азота включается в состав вновь образованных гумусовых веществ и на длительный срок становится недоступной для растений. Если процесс биологического поглощения питательных веществ микроорганизмами выражен слишком сильно, то это может неблагоприятно отразиться на питании культурных растений. Интенсивность биологического поглощения зависит от влажности, аэрации и других свойств почвы, а также от количества и состава органических веществ, служащих энергетическим материалом для микроорганизмов. Таким образом, в зависимости от конкретных условий биологическое поглощение питательных веществ микроорганизмами может иметь положительное значение или же играть отрицательную роль в питании растений.

Механическая поглотительная способность – это свойство почвы задерживать из раствора взмученные частицы твердого вещества. При фильтрации суспензии через почву частицы взвесей задерживаются в тонких и извилистых порах почвы.

Механическое поглощение зависит от механического состава почв и от их сложения. Песчаные почвы, обладающие рыхлым сложением и крупной пористостью, слабее поглощают частицы взвесей, чем глинистые. Одна и та же почва разной степени уплотнения по-разному поглощает взвеси. Уплотненная почва поглощает сильнее, чем рыхлая.

Механическое поглощение – важное свойство почвы. Потоки весенних талых вод обычно несут большое количество взмученных почвенных частиц; но фильтруясь через почвы, они очищаются, и мелкозем, задержанный почвой, предохраняется от выноса в реки и моря. Вносимые в почву тонко размолотые удобрения (например, фосфоритная мука) не вымываются из её верхнего слоя вследствие механического поглощения.

Физическая поглотительная способность – это положительная или отрицательная сорбция частицами почвы целых молекул различных веществ. Физическое поглощение главным образом зависит от суммарной поверхности твердых частиц почвы. Общая поверхность резко увеличивается с уменьшением их размера.

Наличие значительных количеств высокодисперсных частиц резко повышает поверхность твердой фазы почвы и усиливает её сорбционную активность. Энергетическим фактором, обусловливающим, явление сорбции, служит свободная энергия молекул и ионов, находящихся на поверхности твердой фазы почвы. Поверхностная энергия измеряется произведением поверхностного натяжения, которое возникает на границе твердой и жидкой фаз, на величину общей поверхности всех твердых частиц почвы.

Почва стремится уменьшить величину свободной поверхностной энергии. Уменьшение величины свободной поверхностной энергии происходит в основном за счет уменьшения поверхностного натяжения (ПН).

Благодаря поверхностной энергии почва способна сорбировать газы, жидкости, твердые вещества.

Поглощение паров и газов может осуществляться только сухими почвами. Активность поглощения газов почвой зависит от их способности приобретать электрический заряд (дипольный момент). Чем она больше, тем активнее поглощается газ. Наибольшим дипольным моментом обладают пары воды и аммиака, значительно меньшим – углекислота и очень малым – кислород, азот и водород. Вследствие этого пары воды и аммиака всегда активно сорбируются почвой.

Кроме воды и газов на поверхности частиц могут сорбироваться растворимые в ней соли и органические вещества.

Если молекулы растворимого вещества притягиваются частицами почвы сильнее, чем молекулы воды, то у самой поверхности частиц, в пленке окружающего раствора, создается повышенная концентрация этого вещества, а на некотором расстоянии от поверхности частиц концентрация будет ниже. В том случае отмечается положительная сорбция, положительное физическое поглощение. Положительно поглощаются молекулы многих органических соединений – спиртов, органических кислот, пестицидов, высокомолекулярных органических веществ. Из минеральных соединений почва положительно поглощает только щелочи. Для растворимых минеральных солей и неорганических кислот характерна, наоборот, отрицательная молекулярная сорбция.

При взаимодействии раствора минеральных солей с частицами к их поверхности сильнее притягиваются молекулы воды, поэтому в растворе, непосредственно прилегающем к поверхности почвенных частиц, концентрация солей будет ниже, чем в окружающем растворе.

Отрицательное физическое поглощение наблюдается при взаимодействии почвы с раствором хлоридов и нитратов, что обуславливает их высокую подвижность в почве. Данное явление учитывается при внесении удобрений.

Химическая поглотительная способность – это закрепление в почве ионов почвенного раствора в виде труднорастворимых соединений.

Химическое поглощение анионов и катионов в почве зависит от их способности образовывать нерастворимые или труднорастворимые соли при их взаимодействии.

Если в состав соли входят одновалентные анионы и катионы, то данная соль легко растворяется в воде. При замене в составе соли одновалентного катиона или одновалентного аниона на двухвалентный растворимость соли в воде снижается. При наличии в соли двух- и более валентных катионов и анионов, соли в воде не растворяются и выпадают в осадок.

Физико-химическая или обменная поглотительная способность – это способность мелкодисперсных коллоидных частиц почвы, как минеральных, так и органических, несущих отрицательный заряд, поглощать различные катионы из раствора. При этом поглощение одних катионов сопровождается вытеснением в раствор эквивалентного количества других, ранее поглощенных твердой фазой почвы.

Обменному поглощению подвержены как катионы, так и анионы. Но в силу того, что в почвах преобладают отрицательно заряженные коллоиды, имеющие в диффузном слое мицеллы катионы, катионный обмен в почвах имеет наибольшее проявление.

1. Обмен катионов происходит строго эквивалентно. Эквивалентность обмена катионами означает, что ионы почвенного раствора обмениваются с ионами диффузного слоя коллоидной частицы в строгом соотношении: грамм-эквивалент одного на грамм-эквивалент другого. Эквивалентность обмена катионов имеет большое значение. Она позволяет точно рассчитывать дозы мелиорирующих веществ.

2. Реакция обмена обратима и протекает в почве с большой скоростью.

3. Разные катионы обладают неодинаковой энергией к обменному поглощению. Энергия обмена зависит от валентности катионов. Чем выше валентность, тем выше энергия обмена, тем активнее катион обменивается с почвой и прочнее ею удерживается. В ряду катионов однозначной валентности активность их возрастает с увеличением атомной массы и уменьшением степени гидратации иона. Исключение представляет водород; как одновалентный катион, он по своей активности приближается к трехвалентным ионам. Катионы с большой активностью быстрее поглощаются почвой и прочнее удерживаются ею.

4. Если в растворе имеются различные катионы, но одной валентности, то при установившемся равновесии по завершении реакции обмена отношение между поглощенными катионами в почве будет пропорциональным отношению между ними в растворе.

В случае разновалентных катионов в почвенном растворе характер поглощения будет зависеть от концентрации раствора. При увеличении концентрации раствора относительно больше поглощается одновалентных катионов, а при уменьшении концентрации раствора активнее поглощаются двухвалентные катионы. Следовательно, если почва просыхает и теряет влагу, то концентрация раствора в ней повышается, а это повышает поглощение одновалентных катионов. При химической мелиорации солонцовых почв это обстоятельство

В обменном поглощении катионов принимают участие главным образом высокодисперсные частицы почвы, как минеральные, так и органические.

Всю совокупность высокодисперсных почвенных частиц, обладающих обменной поглотительной способностью, К.К. Гедройц назвал ППК.

Физико-химическое поглощение катионов играет существенную роль в почвенных процессах, определяет важные физические и физико-химические свойства почвы, ее структурное состояние, реакцию, буферность, имеет большое значение при взаимодействии с удобрениями.