5.2. Вбирна здатність ґрунту

У ґрунті рідка фаза взаємодіє з твердою. Найбільш активно взаємодія відбувається між катіонами та аніонами розчинених у воді солей і твердою фазою ґрунту. Наявність у складі твердої фази ґрунту тонкодисперсних колоїдних часток, а також поруватості, утвореної різними за розмірами частками, обумовлює здатність ґрунту затримувати речовини, що в нього надходять (речовини в молекулярному та іонному стані, суспензії і колоїдні розчини, тіла мікроорганізмів).

Здатність ґрунту поглинати іони і молекули різних речовин із розчину, а також дрібні частки, пари, гази, мікроорганізми та утримувати їх називається вбирною (поглинальною) здатністю ґрунтів. Саме з явищем вбирання у ґрунті пов'язані особливості ґрунтоутворюючих процесів, формування реакції його розчину, фізичні, фізико-хімічні та фізико-механічні властивості.

Систематичне вивчення поглинання ґрунтами солей започатковано в середині минулого століття. Д. Уей (1850-1854 рр.) встановив, що ґрунтом поглинається не вся сіль, а тільки її основа, при цьому із ґрунту в розчин переходить така сама кількість інших основ. К.К. Гедройц визначив вбирну здатність ґрунту як його здатність затримувати ті чи інші речовини, які стикаються з твердою фазою завдяки циркуляції води в ньому.

Сукупність високодисперсних часток твердої фази ґрунту, здат-них поглинати іони, молекули, різні речовини К. К. Гедройц назвав ґрунтовим вбирним комплексом (ГВК).

Залежно від виду поглинання, К. К. Гедройц запропонував розрізняти п’ять видів вбирної здатності ґрунтів: механічну; біологічну; хімічну; фізичну; фізико-хімічну.

Механічна вбирна здатність пов’язана із пористістю ґрунту, тобто ґрунт затримує завислі у воді тверді часточки (суспензії). При цьому затримуються не тільки ті часточки, розмір яких перевищує діаметр пор, а й менші, якщо вони попадають в замкнені або викривлені пори. Так відбувається поглинання дрібних часточок - залишків органічних речовин, водоростей, бактерій, інших зважених у воді часточок. Подібного роду суспензії можуть надходити з навколишнього середовища або утворюватись безпо-середньо у ґрунті при його зволоженні. Після просочування крізь ґрунт каламутної води вона стає майже прозорою; завислі часточки механічно поглинаються ґрунтом.

Механічна вбирна здатність залежить від гранулометричного складу ґрунту і забезпечує збереження в ґрунті найціннішої колоїдної фракції. Важкі ґрунти (глинисті і суглинкові) мають кращу здатність до поглинання, ніж піщані і супіщані завдяки значній пористості і здатні утримувати цінні елементи від виносу в горизонти, що залягають нижче, в тому числі колоїдні часточки і мікроорганізми.

Біологічна вбирна здатність пов’язана із засвоєнням рослинами і мікроорганізмами із ґрунтового розчину і повітря поживних сполук. Живі організми, засвоюючи сполуки, перетворюють їх в тканинах своїх організмів на органічні сполуки. У такому стані елементи живлення утримуються, не вимиваються атмосферними опадами з ґрунту. Після відмирання рослин і мікроорганізмів та наступної мінералізації органічних решток елементи живлення переходять у ґрунт і використовуються наступними поколінням організмів. Особливо важлива роль рослин в біологічному поглинанні. Рослини своїм корінням глибоко проникають в шари ґрунту, поглинаючи необхідні елементи живлення, верхні гори-зонти, де в основному розвинена коренева система, збагачуються органічною речовиною і зольними елементами.

Істотна роль в біологічному поглинанні належить мікроорганіз-мам (фіксування атмосферного нітрогену організмами, що вільно живуть в ґрунті, і бульбочковими бактеріями). Інтенсивність біологічного поглинання залежить від вмісту вологи, аерації, кисло-тності ґрунтового розчину та інших властивостей ґрунту, а також від кількості і складу органічної речовини, яка є енергетичним матеріалом для мікроорганізмів.

Хімічне поглинання - здатність ґрунту утримувати хімічні елементи шляхом утворення в результаті хімічних реакцій нерозчинних або важкорозчинних у воді сполук або переводити аніони і катіони ґрунтового розчину у важкорозчинні сполуки. Закріплення іонів в результаті хімічного поглинання відбувається, коли в ґрунтовому розчині міститься сіль, яка утворює з речовинами, що знаходяться в ґрунті, у тому числі в поглиненому стані, важкорозчинні сполуки.

Процеси хімічного вбирання в ґрунтах досить розвинені відносно розчинних фосфатів (дигідрофосфат іонів Н₂РО₄^-). В нейтральних ґрунтах, які насичені основами і містять вільні карбо-нати і гідрокарбонати кальцію, процес перетворення дигідрофос-фату кальцію відбувається:

Са⁺²

ГВК + Са (Н₂РО₄)₂ГВК 4Н⁺ + Са₃(РО₄)₂

Са⁺²

або

Са(Н₂РО₄)₂+2Са(НСО₃)₂ = Са₃(РО₄)₂+4Н₂СО₃.

В кислих ґрунтах фосфорна кислота розчинних фосфатів осаджується в основному у вигляді фосфатів феруму та алюмінію:

Fе(ОН)₃ + Н₃РО₄  FеРО₄ + 3Н₂О;

Аl(ОН)₃ + Н₃РО₄  АlРО₄ + 3Н₂О

Фізична вбирна здатність (аполярна адсорбція) визначається здатністю колоїдної частини ґрунту поглинати із розчину молекули газів, води і розчинених в ній сполук. Вбирання молекул окремих речовин пов’язане з притягуванням і концентрацією їх навколо твердої частини ґрунту (на поверхні колоїду). Це явище відбувається на межі поділу дисперсної фази і дисперсійного середовища і пояснюється надлишковою енергією молекул поверхневого шару дисперсної фази. Сила притягання молекул дисперсної фази настільки велика, що може сягати 10 тис. атмосфер і більше. При цьому виді вбирання молекули не вступають в хімічні реакції з колоїдами, відбувається їх суто фізичне вбирання.

Аполярна адсорбція поділяється на два види: позитивну і негативну. В тому випадку, коли молекули розчиненої речовини послаблюють поверхневий натяг розчину, вони притягуються часточками ґрунту сильніше, ніж молекули води, і біля самої поверхні часточок і в плівці розчину, що оточує їх, створюється підвищена концентрація цієї речовини, а на деякій віддалі від поверхні часточок її концентрація буде нижчою, тобто йдеться про позитивне фізичне вбирання, і навпаки. Так поглинаються молекули багатьох органічних сполук - спиртів, цукрів, органічних кислот і основ, високомолекулярних органічних речовин.

Якщо речовини підвищують поверхневий натяг розчину, то в результаті виникає явище негативної адсорбції, при якому на межі розподілу дисперсної фази і дисперсійного середовища створюється більш низька їхня концентрація, ніж в інших частинах ґрунтового розчину. Підвищують поверхневий натяг іони Cl^-, NO^3-. При негативній адсорбції вони не утримуються ґрунтом виносяться водою, що пересувається по профілю ґрунту в більш глибокі горизонти і навіть за їх межі.

Суглинковим і глинистим ґрунтам з високим вмістом гумусу властива підвищена фізична адсорбція порівняно з ґрунтами легкого гранулометричного складу (піщаним і супіщаним).

Фізико-хімічна вбирна здатність, або обмінна адсорбція ґрунтується на реакції обміну між катіонами дифузного шару ґрун-тової колоїдної часточки та катіонами розчину в еквівалентному співвідношенні.

К.К. Гедройц сформулював основні закономірності обмінної адсорбції ґрунту: всі ґрунти володіють здатністю обмінювати пог-линуті катіони які містяться в поглинаючому комплексі на катіони електролітів, причому кількість поглинутих ґрунтом катіонів, еквівалентна кількості катіонів, витіснених із ґрунту в розчин.

Подібний обмін може відбуватися і між аніонами, поглинаючи та витісняючи в розчин еквівалентну кількість інших, які були поглинуті твердою фазою ґрунту. Колоїдні часточки ґрунту мають переважно негативний заряд, який нейтралізується зарядами катіонів компенсуючого шару (нерухомих компенсуючих катіонів та катіонів дифузного шару).

Катіони компенсуючого шару називаються ввібраними, або обмінними. Між ними і катіонами ґрунтового розчину може відбуватися обмінна реакція типу:

Са²⁺

ГВК + 4NН₄СlГВК 4NН₄⁺ + СаСl₂ + МgСl₂

Мg²⁺

В обмінному вбиранні катіонів беруть участь в основному високодисперсні частинки ґрунту, як мінеральні, так і органічні. К. К. Гедройц експериментально встановив такі закономірності обмінної адсорбції катіонів (при застосуванні нейтральних солей):

- зворотність обмінної реакції (будь-який катіон, поглинутий ґрунтом, може бути витіснений іншим катіоном);

- обмін катіонів із розчинів нейтральних солей відбувається в еквівалентних співвідношеннях, тобто 1 ммоль іонів ґрунтового розчину витісняє 1 ммоль увібраних катіонів;

- при підвищенні концентрації обмінних катіонів збільшується кількість катіонів, вилучених із ґрунту;

- реакції обмінної адсорбції катіонів в ґрунті відбуваються дуже швидко тоді, коли колоїди ґрунту належать до каолінітової групи, де обмін катіонів відбувається на зовнішній поверхні мінералів. В колоїдах монтморилонітової групи реакції обміну проходять повільно, що пояснюється різною будовою кристалічних решіток мінералів;

- енергія адсорбційного поглинання катіонів ґрунтами різна: вона зростає в міру збільшення атомної маси і валентності катіона. За енергією вбирання, дослідженою К. К. Гедройцом, катіони розміщуються в такій послідовності:

Nа⁺  NH₄⁺ < К⁺  Са²⁺  Мg²⁺  Аl³⁺  Fе³⁺

Енергія поглинання катіонів ґрунтовим вбирним комплексом (ГВК) обумовлюється і розмірами гідратаційних оболонок катіонів. Тому катіони які мають невеликий іонний радіус гідратуються сильніше і поглинаються ГВК гірше. Так, іон натрію має радіус 0,98 Å та поглинається слабкіше за іон калію (1,33 Å) тощо.

Виключення складає іон гідрогену. У водних розчинах він приєднує молекулу води утворюючи іон гідроксонію (Н₃О⁺). Іонний радіус гідроксонію великий і складає 1,35 Å. Завдяки слабкій гідратації іон гідроксонію має вищу енергію поглинання ГВК за всі одновалентні катіони.

Максимальна кількість обмінних катіонів, що можуть бути увібраними ґрунтовим вбирним комплексом (ГВК) називається ємністю вбирання і виражається в мілімолях (мг-екв. на 100 г ґрунту). Величина ємності вбирання залежить від вмісту мінеральних колоїдів в ґрунті, і вмісту гумусу.

Ємність вбирання ґрунту залежить від співвідношення у вбир-ному комплексі між ацидоїдами і базоїдами, реакції середовища, вмісту гумусу. Чим більше у ґрунті негативно заражених колоїдних частинок кремнієвої і глутамінової кислот на одиницю позитивно заряджених (гідрооксид алюмінію або феруму), тим вища ємність вбирання. У кислих ґрунтах ємність вбирання менша порівняно із лужними. Органічні колоїди мають значно вищу ємність вбирання порівняно з мінеральними. В піщаних ґрунтах вона значно вища, ніж у глинистих (табл. 5.3).

Таблиця 5.3

Ємність вбирання ґрунтових колоїдів при рН – 7

Назва колоїду	Ємність вбирання, мг-екв. на 100 г	Назва колоїду	Ємність вбирання, мг-екв. на 100 г
Каолініт	3 - 15	Мінеральні колоїди чорноземів	70 - 90
Монтморилоніт	60 - 150	Гумінові кислоти	400 - 500
Ілліт	20 - 40	Органо - мінеральні колоїди	150 - 200
Вермикуліт	65 - 145

Високу ємність вбирання мають суглинкові і глинисті чорно-земи, солонці, лучні і торфові ґрунти (50-60 мг-екв/100 г ґрунту). В дерново-підзолистих ґрунтах легкого гранулометричного складу (піщаних і супіщаних) ємність вбирання становить 5-12, гумінової кислоти близько 350, а монтморилонітової глини - 80-100 мг-екв/100 г. Більшість поглинутих катіонів є обмінними, тобто їх можна замінити на інші катіони, або витіснити іншими і лише частина їх є необмінними.

До складу увібраних, або обмінних, катіонів до ґрунтових колої-дів входить порівняно невелике число катіонів. Серед них перше місце належить катіону кальцію Са²⁺, який присутній у всіх без винятку ґрунтах, але не в однакових кількостях. Поряд з кальцієм, але в меншій кількості, присутні катіони магнію Мg²⁺. Крім них в ґрунтовий вбирний комплекс можуть входити іони гідрогену, алюмінію, натрію, амонію, калію тощо.

У ГВК дерново-підзолистих ґрунтів, червоноземів, жовтоземів та інших кислих ґрунтів входять переважно катіони гідрогену та алюмінію і в меншій кількості кальцію, магнію. В чорноземних ґрунтах в поглинутому стані містяться переважно іони кальцію і магнію, а в південних чорноземах присутній і натрій.

У ґрунтах посушливих регіонів (каштанових, солонцевих) до складу поглинутих катіонів входять іони кальцію, магнію і натрію. Вміст іонів натрію в складі поглинутих катіонів різко зростає. В болотних ґрунтах, крім іонів кальцію і магнію, присутні іони гідро-гену, алюмінію, амонію, феруму. Увібраний калій зустрічається в усіх типах ґрунтів, але в незначних кількостях.

Залежно від складу увібраних катіонів К.К. Гедройц всі ґрунти поділив на насичені і ненасичені основами. До ґрунтів, насичених основами, належать ті, в яких вбирний комплекс містить лише катіони металів-основи: Са²⁺, Мg²⁺, Nа⁺, до ненасичених - ґрунти, вбирний комплекс яких не повністю насичений основами, в ньому містяться в значній кількості іони гідрогену та алюмінію.

Склад і кількість обмінних катіонів впливає на властивості ґрунтів та умови росту рослин. Найсприятливіші умови створюються в ґрунтах, насичених основами, в яких переважають іони Са²⁺ і Мg²⁺ при оптимальному співвідношенні між ними 4 : 1. Широко відома роль кальцію, як регулятора коагуляції. Наявність його в ґрунті сприяє коагуляції ґрунтових колоїдів та утворенню водостійких структурних агрегатів. Увібраний кальцій, осаджуючи органічні і мінеральні колоїди, сприяє збереженню і накопиченню їх в ґрунті і збільшенню ємності вбирання, запобігає їх вимиванню.

Ґрунти, насичені основами, але у вбирному комплексі яких значне місце належить натрію (солонці, солонцюваті ґрунти), характеризуються несприятливими властивостями. Наявність натрію в ґрунті призводить до пептизації колоїдів - руйнуючи його структуру, погіршуючи фізичні властивості, повітряний і водний режими. У вологому стані такий ґрунт стає в’язким і клейким, а при підсиханні утворює щільну масу.

Ґрунти, ненасичені основами (підзолисті, дерново-підзолисті, болотні тощо), містять значну кількість обмінних сполук гідрогену та алюмінію. Іони гідрогену сприяють руйнуванню мінералів ґрунтового вбирного комплексу. Внаслідок цього верхні горизонти ґрунту збіднюються на колоїдну фракцію, погіршується його структура і зменшується ємність вбирання.

Кількість увібраних, або обмінних, катіонів основ прийнято називати сумою обмінних основ.

Сумою поглинених основ (S) називають загальну кількість поглинених, основ (Са²⁺, Мg²⁺, K⁺ Na⁺, NH₄⁺). Сумарна кількість здатних до обміну поглинених катіонів називають ємністю поглинання ґрунту (Е). Як суму поглинених основ, так і ємність вбирання виражають у міліграм-еквівалентах на 100 г ґрунту.

В ідношення суми обмінних основ до ємності вбирання, виражене у відсотках, називається ступенем насиченості грунтів основами. Вона визначається за формулою:

де: S - сума обмінних катіонів; H - гідролітична кислотність, мг- екв на 100 г ґрунту.