ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ, ИЛИ ОБМЕННАЯ, ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ (ИОНООБМЕННАЯ СОРБЦИЯ)

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ

Это поглощение почвенными микроорганизмами и корнями растений различных веществ из почвенного раствора и воздуха. Живые организмы могут усваивать не толь­ко элементы, находящиеся в почвенном растворе, но и элементы, находящиеся в составе первичных и вторичных минералов. Био­логическая поглотительная способность характеризуется высокой избирательностью поглощения. Усваиваются только необходимые живым организмам вещества, даже при их минимальном содержа­нии в почвенном растворе на фоне высокого содержания других соединений. После отмирания и разложения растений важнейшие элементы питания остаются в верхних горизонтах почвенного профиля, где их используют растения и микроорганизмы следую­щих поколений, тем самым предотвращая их вымывание. Благо­даря биологической поглотительной способности верхние гори­зонты почв обогащаются азотом, фосфором, калием и другими биофильными элементами.

Биологическая поглотительная способность играет важнейшую роль в сохранении, перераспределении и концентрировании раз­личных элементов, во многом благодаря ей в почве создается необ­ходимое для растений соотношение между элементами питания. Особое значение биологическая поглотительная способность имеет на почвах легкого гранулометрического состава, где прояв­ление других видов поглотительной способности ограничено.

Биологическая поглотительная способность лежит в основе малого биологического круговорота веществ и энергии.

ФИЗИЧЕСКАЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ

Это спо­собность почвы поглощать целые молекулы поверхностью тонкодисперсных частиц. Поглощение поверхностью – адсорбция. Чем больше в почве коллоидных частиц и чем они дисперснее, тем выше физическая поглотительная способность.

Явление физического поглощения связано с наличием свобод­ной поверхностной энергии. Влажную почву можно рассматри­вать как дисперсную систему, у которой дисперсионная среда представлена почвенным раствором, а дисперсная фаза минераль­ными, органическими и органо-минеральными частицами. На границе раздела фаз имеется свободная поверхностная энергия, равная произведению поверхностного натяжения раствора и сум­марной величины поверхности частиц. Чем выше степень диспер­сности почвенных частиц, тем больше их поверхностная энергия вследствие увеличения общей удельной поверхности.

В почвах большая суммарная поверхность присуща илистым и особенно коллоидным частицам. Если в слое почвы мощностью 20см содержится 10 % коллоидных частиц, то их суммарная поверхность на площади 1 га составит 70 000 га и поверхностная ^энергия будет весьма значительной.

Физически поглощаются водяной пар, молекулы газов, твердых веществ, целые бактерии. Энергия поглощения газов и паров снижается в следующей последовательности: водяной пар, NН3, СО2, О2, N2. Примером физического поглощения может служить гигроскопическая вода – это молекулы воды, адсорбированные вокруг коллоидных частиц почвы.

Таким образом, физическая поглотительная способность основана на свойстве почвы изменять концентрацию молекул различных веществ на поверхности тонкодисперсных частиц.

Физическая поглотительная способность имеет большое экологическое значение, так как положительно сорбирует не только молекулы воды, но и молекулы газов и органических веществ, в том числе различных пестицидов, способствуя их закреплению и дальнейшему разложению.

ХИМИЧЕСКАЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ (ХЕМОСОРБЦИЯ)

Это поглощение преимущественно анионов в результате образова­ния труднорастворимых соединений в почвенном растворе.

Из катионов, находящихся в почвах,-чаще всего нерастворимые соединения образуют катионы Са²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Fe³⁺, а среди анионов—С0₃^2- , РО₄^3-, SO₄^2-. Например, при внесении фосфорных удобрений в кислые почвы алюминий, присутствующий в почвен­ном растворе, образует с фосфат-ионом труднорастворимое со­единение и выпадает в осадок:

2А1³⁺ + Са(Н₂РО₄)₂ -»2А1РО₄↓ + Са²⁺ + 4Н⁺.

При поступлении соды в почву, содержащую соли кальция, также образуется новая твердая фаза, представленная карбонатом каль­ция:

Na₂CO₃ + CaSO₄ -»Na₂SO₄ + СаСО₃↓

Хемосорбция играет большую роль во взаимодействии гумусо­вых веществ с глинистыми минералами и в образовании сорбционного глиногумусового комплекса. При этом осуществляется и адгезионное взаимодействие минеральных и органических компо­нентов.

Химическая поглотительная способность — важнейший фактор аккумуляции в почвенном профиле органического вещества, ани­онов фосфорной кислоты, многих катионов, в том числе и микро­элементов. Благодаря ей почва способна предотвращать появле­ние соды в почвенном растворе. В результате хемосорбции в по­чвах накапливаются гипс, карбонаты и другие соединения.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ, ИЛИ ОБМЕННАЯ, ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ (ИОНООБМЕННАЯ СОРБЦИЯ)

Под ионообменной сорбцией понимают способность почвы обменивать ионы, находящиеся в диффузном слое коллои­дов, на эквивалентное количество ионов почвенного раствора. Важнейшую роль в ее проявлении играет ППК. В зависимости от знака заряда коллоида обмениваются катионы или анионы.

Обменная поглотительная способность у коллоидов, заряжен­ных отрицательно, проявляется по отношению к катионам. Поло­жительно заряженные коллоиды поглощают и обменивают анионы.

Поглощение почвами катионов.Обменные (поглощенные) катио­ны в почвах представлены главным образом Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, H . Железо, цинк, медь, марганец и другие элементы обнаруживаются в незначительных количествах. Катионный обмен наиболее подробно изучен для Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺ и К⁺. Для катионного обмена в почвах характерны следующие закономерности.

1. Поскольку ППК в целом заряжен отрицательно, то обменно поглощаются преимущественно катионы.

2.Эквивалентность и полная обратимость обмена между по­глощенными катионами твердой фазы почвы и катионами по­чвенного раствора.

3.Реакция обмена катионов происходит исключительно быстро (за первые 3-5минут сорбируется до 85% катионов), хотя для установления динамичного равновесия необходимо около 1-3 суток.

4.При одинаковой концентрации ионов в растворе энергия их поглощения возрастает с увеличением валентности иона. У ионов с одинаковой валентностью энергия поглощения возрастает с увеличением атомной массы. Энергия поглощения зависит от радиуса негидратированного иона. Чем он меньше, тем больше плотность заряда иона, тем сильнее он гидратируется. Большие гидратные оболочки умень­шают способность катионов к взаимодействию с ионами потенциалопределяющего слоя.

Согласно этим закономерностям в зависимости от степени по­глощения почвой катионы образуют следующий ряд:

Li⁺ < Na⁺ < NH₄⁺ < К⁺ < Rb⁺ < Cs⁺ < Mg²⁺ <H⁺ < Ca²⁺ < Ba²⁺ < Al³⁺ < Fe³⁺.

Таким образом, одновалентные катионы натрия и калия поглощаются и удерживаются почвой слабее, чем двухвалентные катионы кальция и магния, а двухвалентные слабее, чем трехвалентные. Особое место занимает ион водорода, который интенсивно поглощается и сорбируется аномально прочно благодаря малым размерам и способности давать слабодиссоциирующие соединеня с рядом анионов.

5.Интенсивность поглощения катионов зависит от концентрации реагирующего с почвой раствора, а при одинаковой концентрации – от количества раствора. Чем ниже концентрация раствора, тем более активно поглощаются из него катионы.

6.Поглощение и закрепление катионов зависят не только от характера ионов, но и от свойств самой почвы (ППК).

Обменные катионы легко поглощают корневые системы растений, они служат важным источником их минераль­ного питания.

Необменно-поглощенные катионы (необменная сорбция).В по­чвах обычно небольшая часть обменных катионов со временем пе­реходит в необменное (фиксированное) состояние. Необменно-поглощенные катионы труднодоступны для растений и микроор­ганизмов. Наиболее выражена способность к необменному погло­щению почвенными коллоидами у калия и аммония. В меньшей степени фиксируются в почве другие катионы (кальция, магния, стронция, цезия и т.д.). По прочности связи фиксированные кати­оны занимают промежуточное положение между обменными ка­тионами и катионами кристаллической решетки. Необменное по­глощение катионов может быть временным, поскольку возможен переход катионов почвенных коллоидов из одного состояния в другое: катионы кристаллической решетки <—> необменные кати­оны <—> обменные катионы <—> катионы почвенного раствора.

Способности к необменному поглощению катионов способствует иссушение по­чвы и особенно чередование процессов увлажнения и иссушения. Способность необменно фиксиро­вать катионы зависит от гумусированности и гранулометрическо­го состава почв. Чем больше гумуса содержат почвы и чем тяжелее их гранулометрический состав, тем выше способность почв к не-обменному поглощению катионов.

Почвы могут содержать значительное количество необменных катионов. Так, доля фиксированного аммония может доходить до 8 % от валового запаса азота в верхних горизонтах почвы и до 40 % в нижних.

4 ВОПРОС

Количественно поглотительную способность почвы характеризуют следующие показатели.

---Сорбционная емкость почвы – максимальное количество вещества, которое может быть сорбировано почвой. Сорбционная емкость почвы по отношению к различным веществам неодинакова.

---Емкость катионного обмена (ЕКО) – общее количество катионов, удерживаемых почвой в обменном состоянии и способных к замещению на катионы раствора, взаимодействующего с почвой. Величина ЕКО зависит от ГС, МС, содержания и качественного состава органического вещества, реакции среды.

С уменьшением размера механических элементов и увеличением в их составе количества глинистых минералов ЕКО существенно возрастает. Это установил К.К.Гедройц для различных гранулометрических фракций чернозема: размер частиц – 0,25…..0,005мм - ЕКО составляет 0,5 мг*экв/100г почвы; 0,005…0,001 – 15; 0,001….0,00025 – 37,2; <0,00025 – 69,9.

ЕКО в различных почвах (мг*экв/100г почвы).

Дерново-подзолистая песчаная – 3…6

Дерново-подзолистая среднесуглинистая – 10…20

Дерново-подзолистая глинистая – 15…25

Серая лесная среднесуглинистая – 15…30

Чернозем типичный тяжелосуглинистый – 60…70

Чернозем южный суглинистый – 20…40

Светло-каштановая тяжелосуглинистая – 15…25

Серозем светлый среднесуглинистый – 8…10

Краснозем суглинистый – 15…25

Чем тяжелее ГС, чем больше она содержит органического вещества и минералов группы монтмориллонита и вермикулита, тем выше ЕКО. Т. о. ЕКО зависит отМС, ГС, гумуса, от реакции среды.

---Емкость анионного обмена – характеризует обменную способность почвы в отношении анионов. ЕАО не имеет существенного значения для большинства типов почв, у которых основная масса частиц, способных к ионному обмену, несет отрицательный заряд. Сумма положительных зарядов в ППК составляет лишь 1…5% от суммы отрицательных. ЕАО возрастает по мере подкисления среды, с увеличением содержания в почве органического вещества и аморфных минералов.

---Состав обменно-поглощенных катионов в разных почвах неодинаков. Зависит от факторов и типа почвообразования, характера с/х использования почвы, степени ее окультуренности и др. Содержание обменных катионов в почве выражается как в аб­солютных величинах (мг ■ экв/100 г почвы), так и в относительных (% от емкости обмена).

К числу важнейших обменных катионов относят Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, NH₄⁺, H⁺, Al³⁺. Практически все почвы в составе обмен­ных катионов содержат кальций и магний, причем в большинстве случаев Са²⁺ преобладает над Mg²⁺. Также среди обменных катио­нов всегда содержатся К⁺ и NH₄⁺, но их доля в ППК невелика. Так, количество обменного калия чаще всего не превышает 2...5 % от емкости обмена, содержание аммония еще меньше.

В географическом аспекте содержание обменных катионов почв варьирует в широких пределах и подчиняется определенным закономерностям. ППК типичных черноземов, домини­рующих в почвенном покрове центральной части лесостепной зоны, практически полностью насыщен обменными Са²⁺ и Mg²⁺, причем на долю кальция приходится 85...90 % от емкости обмена. В северной части зоны выпадает больше осадков, усиливаются ин­тенсивность промывания почвенного профиля и вынос из него оснований. Благодаря этому среди обменных катионов у чернозе­мов выщелоченных и оподзоленных, темно-серых и серых лесных почв в небольших количествах появляется ион водорода.

В таежно-лесной зоне почвенный покров сформировался в условиях промывного типа водного режима, на моренных отложениях, бед­ных основаниями, поэтому в составе обменных катионов подзо­листых и дерново-подзолистых почв, распространенных здесь, важную роль играют ионы Н⁺ и А1³⁺, на долю которых приходится ⁵⁰-70 % от ЕКО.

К югу от типичных черноземов уменьшается количество атмо­сферных осадков, замедляется вынос из почвенного профиля про­дуктов выветривания и почвообразования, почвообразующие по­роды обогащены щелочными и щелочно-земельными основания­ми. В связи с этим в составе обменных катионов обыкновенных и южных черноземов, темно-каштановыхпочв наряду с Са²⁺ и Mg²⁺ _в небольших количествах присутствует ион Na⁺. У обычных раз­ностей этих почв содержание Na⁺ не превышает 3...5 % от емкости обмена. В более засушливых условиях содержание обменного Na⁺ в ППК почв возрастает вследствие засоления и развития солонцо­вого процесса. В светло-каштановых и бурых полупустынных по­чвах количество обменного натрия часто находится на уровне 10... 15 % от емкости обмена. Увеличение доли иона Na⁺ в ППК почв происходит за счет обменного Са²⁺. Больше всего обменного натрия содержат солонцы, где его количество может превышать 40 % от емкости обмена. Среди солонцов выделяют малонатрие­вые солонцы. Они содержат повышенное количество обменного Mg²⁺ (40...60 % от емкости обмена) на фоне невысокого содержа­ния обменного Na⁺.

В пределах почвенных зон встречаются почвы, существенно от­личающиеся от зональных почв составом обменных катионов. На­пример, в таежно-лесной зоне среди подзолистых и дерново-под­золистых почв распространены ареалы дерново-карбонатных почв, ППК которых практически полностью насыщен Са²⁺ и Mg²⁺ при резком доминировании обменного кальция. Это связано с тем, что они формируются на элювии известняков или карбо­натной морене, химический состав которых (свободные карбона­ты) отражается на составе обменных катионов.

Аналогичный состав обменных катионов имеют дерново-глеевые и пойменные почвы, если в их образовании принимают учас­тие жесткие грунтовые воды.

В подзоне светло-каштановых почв по блюдцеобразным по­нижениям формируются лугово-каштановые (темноцветные) по­чвы, профиль которых часто отмыт от водорастворимых солей, а содержание обменного натрия не превышает 1...2% от емкости обмена.

---Общее содержание всех обменных катионов, кроме Н⁺ и А1³⁺, называют суммой обменных оснований. Исходя из этого, все почвы разделяют на две большие группы: почвы, насыщенные основани­ями, и почвы, не насыщенные основаниями. Первые не содержат в ППК ионы Н⁺ и А1³⁺. Обменные катионы в них представлены только обменными основаниями Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, NH₄⁺, ко­личество которых соответствует реальной емкости обмена. Вторые всегда содержат некоторое количество обменных Н⁺ и А1³⁺, Поэтому сумма обменных оснований у них меньше емкости обмена.

---Для относительной оценки количества обменных оснований содержащихся в почвах, используют показатель — степень насы­щенности почвы основаниями (V). Это выраженное в процентах количество оснований по отношению к общей сумме обменных катионов (ЕКО), находящихся в ППК. Если почва не содержит в поглощенном состоянии водород и алюминий, ее называют насыщенной основаниями, если содержит – ненасыщенной. V=S/ЕКО*100%.

5 ВОПРОС

Состав обменных катионов существенно влияет на агрономи­ческие характеристики почвы, обусловливающие уровень ее пло­дородия.

Влияние обменных катионов на физические и физико-механичес­кие свойства почвы.Обменные катионы непосредственно влияют на поверхностные свойства почвенных частиц. Поэтому от того, какие катионы и в каком количестве находятся в обменном состо­янии, зависят характер почвенной структуры, водно-физические и физико-механические свойства почв.

Обменный натрий оказывает негативное влияние на физичес­кие и физико-механические свойства почв. По мере уве­личения доли Na⁺ в составе обменных катионов усиливается раз­рушение почвенной структуры, возрастают пептизация тонкодис­персных частиц, набухание, пластичность и липкость почвы, снижаются пористость, особенно некапиллярная, и скорость фильтрации. Аналогично, но более слабо влияют на физические свойства почв К⁺ и NH4.

Неблагоприятные физические свойства имеют почвы с высо­ким содержанием обменного водорода, который способствует рас­пылению почвенной массы.

В отличие от одновалентных катионов обменный Са²⁺ ока­зывает на физические свойства почвы прямо противоположное влияние. Этот элемент служит главным действующим веще­ством химических мелиорантов (извести, гипса), используемых при улучшении кислых и щелочных почв. Обменный магний при невысоком его содержании в почве (до 40 % от ЕКО) влия­ет на физические свойства почвы аналогично обменному каль­цию. Типичное соотношение Са :Мg=5:1.

При высоком содержании обменного магния возрастает ра­створимость гумусовых веществ и ухудшается структура почвы, снижается водопроницаемость, что отрицательно сказывается на водном режиме. Кроме того, при повышенном содержании об­менного магния усиливается отрицательное действие обменного натрия при невысоком содержании последнего в почве.

Влияние обменных катионов на химические и физико-химичес­кие свойства почвы.Обменные катионы, например Са²⁺, А1 выступают в качестве связующих мостиков между гумусовыми кислотами и поверхностью почвенных частиц. Это сопровожда­ется образованием органо-минеральных адсорбционных комп­лексов, играющих важную роль в формировании ППК. Насыщение ППК одновалентными катионами сопровождается уве­личением заряда коллоидов и растворением гумусовых соедине­ний, что ведет к дегумификации почвы и снижению емкости катионного обмена.

Обменные реакции с участием Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, H⁺, Al³⁺ влия­ют на рН почвенного раствора, его ионный состав, кислотно-ос­новную буферную способность почв. От количества поглощенных ионов Н⁺ и А1³⁺ зависит величина обменной и гидролитической кислотности почв, от количества обменного натрия — величина потенциальной щелочности.

Влияние обменных катионов на питательный режим.Обменные катионы служат ближайшим резервом элементов минерального питания растений, так как их легко поглощают корневые системы. Кроме макроэлементов в обменном состоянии содержатся и раз­личные микроэлементы. Роль обменных катионов в питании рас­тений проявляется и через регулирование состава почвенного ра­створа, с которым они находятся в динамическом равновесии и из которого растения поглощают практически все необходимые эле­менты, а также через их влияние на свойства почвы.

При незначительном со­держании катионов Mg²⁺, K⁺, NH₄⁺, Na⁺, Al³⁺, Mn²⁺ в ППК по­вышается эффективность применения минеральных удобрений и лучше используются питательные вещества почвы в результате пе­ревода их в состояние, доступное для растений, что благоприятно отражается на росте и развитии сельскохозяйственных культур. Однако когда содержание этих катионов в ППК слишком высо­кое, происходит не только существенное снижение урожая, но и полная гибель растений.

В почвах со слабокислой, нейтральной и слабощелочной реак­цией среды состав обменных катионов, как правило, благоприя­тен для большинства сельскохозяйственных культур. При высо­ком содержании в почвах обменных Н⁺ и А1³⁺ или Na⁺ и Mg состав обменных катионов регулируют с помощью химической ме­лиорации.

6 ВОПРОС

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: