Лекция 9. Поглотительная способность почв.

- это свойство почвы обменно или необменно поглощать различные твердые, жидкие и газообразные вещества или увеличивать их концентрацию у поверхности содержащихся в почве коллоидных частиц. Учение о ПСП разрабатывали: К.К. Гедройц, И.Н. Антипов-Каратаев, Е.Н. Гапон и др.

Виды поглотительной способности почв.

1. Механическая поглотительная способность – это свойство почвы поглощать поступающие с водным или воздушным потоком частицы, размеры которых превышают размеры почвенных пор. От размера и формы пор зависят крупность задерживаемых частиц и глубина их проникновения в почву. Вода, проходя через толщу почвы, очищается от взвешенных частиц, что используется для очистки питьевых и сточных вод.

2. Химическая поглотительная способность обусловлена образованием в результате происходящих в почве химических реакций труднорастворимых соединений, выпадающих из раствора в осадок. Поступающие в почву в составе атмосферных, грунтовых или поливных вод катионы и анионы могут образовывать с солями почвенного раствора нерастворимые или труднорастворимые соединений.

Например: [ППК^2–]Са²⁺ + NaSO₄→[ППК^2–]2Nа + ↓CaSO₄

3. Биологическое поглощение вызвано способностью живых почвообитающих организмов (корни растений, микроорганизмы) поглощать различные элементы. Характеризуется большой избирательностью поглощения, т.к. живые организмы потребляют специфические элементы.

4. Физическая п. с. – способность почвы увеличивать концентрацию молекул различных веществ у поверхности тонкодисперсных частиц.

5. Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность – способность почвы поглощать или обменивать ионы, находящиеся на поверхности коллоидных частиц, на эквивалентное число ионов раствора, взаимодействующего с твердой фазой почв. Это свойство обусловлено наличием в почве т.н. почвенного поглощающего комплекса (ППК), связанного с почвенными коллоидами.

Почвенный поглощающий комплекс (ППК). Почвенные коллоиды.

- это совокупность минеральных, органических и органоминеральных соединений высокой степени дисперсности, нерастворимых в воде и способных поглощать и обменивать поглощенные ионы.

Поглотительной способностью обладают коллоидные частицы (0,2-0,001 мкм) и предколлоидная фракция (0,2-1 мкм). Диаметр частиц в 1 мкм – это граница, отделяющая частицы с резко выраженной поглотительной способностью.

Коллоиды в почве образуются в результате выветривания и почвообразования при дроблении крупных частиц или при соединении молекулярно раздробленных частиц. В почве хорошо развита поверхность раздела между твердой (дисперсная фаза), жидкой и газообразной (дисперсионная среда) фазами. Между ними постоянно происходят взаимодействия.

Характерная способность коллоидов – это наличие большой суммарной и удельной (т.е. поверхность почвенных частиц в м² или см² в единице массы или объема почвы) поверхности.

Строение и заряд почвенных коллоидов. В почвах всегда присутствуют минеральные, органически и органо-минеральные коллоиды. Их состав и соотношение зависит от характера почвообразующих пород и типа почвообразования.

Основу коллоидной частицы – мицеллы – составляет ядро, которое является сложным аморфным или кристаллическим соединением различного химического состава.

Схема строения коллоидной частицы:

На поверхности ядра расположен прочно удерживаемый слой потенциалопределяющих ионов, несущих заряд. Ядро мицеллы вместе со слоем потенциалопределяющих ионов называется гранулой. Между гранулой и раствором, окружающим коллоид, возникает термодинамический потенциал, под влиянием которого из раствора притягиваются ионы противоположного знака (компенсирующие ионы). Т.О. вокруг ядра коллоидной мицеллы образуется двойной электрический слой, состоящий из слоя потенциалопределяющих и слоя компенсирующих ионов.

Компенсирующие ионы располагаются вокруг гранулы двумя слоями. Один – неподвижный слой, прочно удерживаемый электростатическими силами потенциалопределяющих ионов (слой Гельмгольца). Гранула вместе с неподвижным слоем компенсирующих ионов называется коллоидной частицей. Между коллоидной частицей и окружающим раствором возникает электрокинетический потенциал, под влиянием которого находится второй (диффузный) слой компенсирующих ионов, которые обладают способностью к эквивалентному обмену на ионы того же знака заряда из окружающего раствора.

Распределение обменных катионов в почвенном растворе в пределах диффузного слоя около поверхности твердой фазы ППК определяется двумя противоположными силами. Если поверхность частицы заряжена отрицательно, то электростатические силы притягивают катионы и отталкивают анионы. При этом создает градиент концентрации катионов в пределах диффузного слоя с максимумом около поверхности. Этим силам препятствует тепловое движение ионов, которое стремится выровнять их концентрацию во всем объеме раствора. Под действием этих противоположно направленных сил устанавливается равновесие, при этом избыток катионов около поверхности твердой фазы постепенно уменьшается при увеличении расстояния от границы раздела фаз.

Коллоидная мицелла электронейтральна. Основная масса принадлежит грануле, поэтому ее заряд устанавливает заряд всего коллоида. Знак заряда (+ или –) зависит от химического состава и структуры коллоидов. Отрицательный заряд у коллоидов за счет: глинистых минералов, кальцитов, несиликатных соединений железа и алюминия (оксидов и гидроксидов), кислорода и т.д. Коллоиды, имеющие в потенциалопределяющем слое отрицательно заряженные ионы, и диссоциирующие в раствор Н⁺, называются ацидоидами (т.е. кислотоподобными), примеры – кремнекислота и гуминовая кислота. Коллоиды, имеющие в потенциалопределяющем слое положительно заряженные ионы, и диссоциирующие в раствор ионы ОН^–, называются базоидами. Коллоиды гидроксидов железа, алюминия, протеины в зависимости от реакции среды ведут себя то как кислоты (ацидоиды), то как основания (базоиды), они называются амфотерными коллоидами, или амфолитоидами.

Основным механизмом физико-химической или обменной поглотительной способности почв является процесс сорбции. Существует неспецифическая, или обменная, сорбция катионов – за счет диффузного слоя коллоидов. Они могут обмениваться на эквивалентное количество катионов соприкасающегося с ним раствора. В обменном состоянии в почве находятся Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, NH⁴⁺, Na⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, H⁺, Al³⁺. Сорбция анионов зависит от заряда, строения и химических свойств ППК. С увеличением в почве количества алюминия и железа, а также при понижении рН среды сорбция анионов возрастает.

Физическое состояние почвенных коллоидов. Коллоиды в почве находятся в основном 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 форме золя (частицы разделены водной фазой), при этом вода создает гидрационную оболочку на поверхности частиц. Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга, и могут долго находиться в суспензии, не образуя осадок.

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

Взаимодействия и соединению коллоидных частиц мешают водные пленки на их поверхности. По количеству воды, удерживаемой коллоидами, они разделяются на гидрофильные и гидрофобные. Гидрофильные коллоиды сильно гидратированы, т.е. содержат много слоев воды, они труднее коагулируют. К ним относятся органические вещества, минералы монтмориллонитовой группы. Гидрофобные коллоиды содержат небольшое количество воды: гидроксид железа, каолин.

Экологическое значение поглотительной способности почв. Поглотительная способность почв – это одно из ее важнейших свойств, в большой степени определяет ее плодородие и характер процессов почвообразования. Она регулирует питательный режим почвы, способствует накоплению элементов минерального питания растений, регулирует реакцию почвы и ее водно-физические свойства.

На свойства почвы большое влияние оказывает состав обменных катионов. 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 водно-физическими свойствами (черноземы). Почвы с большим количеством натрия среди обменных катионов имеют щелочную реакцию, отрицательно влияющую на состояние коллоидов и рост растений. Такие коллоиды легко пептизируются, почвы плохо оструктурены, имеют неблагоприятные водно-физические свойства: повышенную плотность, плохую водопроницаемость, низкую доступность почвенной влаги (солонцы, солонцеватые почвы).