Сан огород
Назад

Почвоведение

Опубликовано: 24.04.2020
Время на чтение: 26 мин
0
0
СодержаниеПоказать

Основные обменные катионы в почве:

Ca2 , Mg2 , Na , K , NH4 , H , Al3 , Fe2 , Mn2

Основные обменные анионы в почве:

PO43-, HPO42-, H2PO4-, SiO32-, NO3-, CI-

Практически все почвы в составе обменных катионов содержат кальций и магний, причем в большинстве случаев Ca2 преобладает над Mg2 . Так же среди обменных катионов всегда содержатся K и NH4 , но их доля в ППК не велика. 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.

Понятие поглотительной способности, ее значение

Процессы поглощения, происходящие в почвах, объединяют самые разнообразные явления как сорбционной природы, так и не связанные непосредственно с сорбцией на частицах почвы. Совокупность явлений поглощения и удерживания разнообразных твердых, жидких и газообразных веществ называют поглотительной способностью почвы. Наиболее существенный вклад в разработку учения о поглотительной способности почв в 20 веке внес крупнейший русский почвовед К.К.Гедройц.

Любая почва способна поглощать и удерживать разнообразные вещества (молекулы и отдельные ионы, вещества минерального и органического происхождения, коллоидные частицы и грубые суспензии, пары, газы, клетки микроорганизмов), приходящие с ней в соприкосновение. Важнейшую роль в этом процессе выполняет почвенный поглощающий комплекс (ППК). По К.К.

Гедройцу, ППК представляет собой совокупность нерастворимых в воде органических, минеральных и органо-минеральных соединений, находящихся преимущественно в высокодисперсном состоянии и имеющих высокую реакционную и ионообменную способность. Реакция обмена между ионами почвенного раствора и ионами, удерживаемыми ППК,- наиболее характерная особенность ППК как составной части почвы.

Вещественный состав ППК унаследован от почвообразующей породы в соответствии с ее гранулометрическим, минералогическим составом и химическим составом. Свои специфические особенности он приобретает в процессе почвообразования в результате трансформации и взаимодействия минеральных компонентов с гумусовыми веществами и их органо-минеральными производными, что существенно влияет на свойства поверхности тонкодисперсных частиц.

Минеральная основа ППК состоит в основном из глинистых минералов. Среди них наибольшее значение имеют минералы групп каолинита, монтмориллонита, гидрослюды, вермикулит, хлориты и смешанослойные образования.

Органическая часть ППК представлена в основном специфическими гумусовыми веществами. В почвах она находится в виде гелей, труднорастворимых солей поливалентных катионов и прочных адсорбционных комплексов с глинистыми минералами и гидроксидами. На долю адсорбционных комплексов приходится до 70% почвенного органического вещества.

Виды поглотительной способности почв

К.К.Гедройц выделил пять видов поглотительной способности – четыре абиотических вида: механическая, физическая, физико-химическая (обменная), химическая и пятый вид – биологическая поглотительная способность.

С физической точки зрения, ППК (почвенный поглощающий комплекс) представляет собой совокупность веществ в тонкодисперсном состоянии (коллоиды). В химическом отношении это нерастворимые в воде солеобразные алюмосиликатные, органические и органо-минеральные соединения.

Механическая поглотительная способность – это свойство почвы задерживать твердые частицы, взмученные в фильтрующейся воде, размеры которых превышают размеры почвенных пор. Поэтому почва способна механическим путем задерживать не только крупные взвешенные частицы, но также илистые и коллоидные. По мере заполнения каналов тонкодисперсными частицами механическая поглотительная способность возрастает.

Механическая поглотительная способность зависит от гранулометрического и агрегатного состава почвы, а также от плотности сложения. Плотные глинистые почвы практически полностью задерживают взмученные тонкодисперсные частицы. В легких по гранулометрическому составу и рыхлых почвах с крупными агрегатами низкая механическая поглотительная способность.

Явление механического поглощения используют для очистки питьевых и сточных вод путем их фильтрации через почву, для заиливания (кольматирования) дна и стенок каналов, водохранилищ в целях уменьшения потерь воды на фильтрацию.

Физическая поглотительная способность – это способность почвы изменять (увеличивать или уменьшать) концентрацию молекул различных веществ у поверхности соприкосновения тонкодисперсных частиц с почвенным раствором.

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.

Всякая дисперсная система стремится уменьшить свою поверхностную энергию. Это происходит при укрупнении частиц или при уменьшении поверхностного натяжения в результате адсорбции на поверхности частиц некоторых веществ.

Вещества, способные понижать поверхностное натяжение системы (поверхностно-активные вещества), концентрируются на поверхности твердых частиц почвы и испытывают положительную физическую адсорбцию. К таким веществам относятся органические кислоты, спирты многие высокомолекулярные органические соединения, в том числе и гумусовые кислоты.

Эти вещества притягиваются к поверхности коллоидных частиц, причем они не внедряются в твердую фазу почвы и не вступают с ней в химическую реакцию, а лишь сгущаются в растворе на границе соприкосновения его с коллоидами. Чем длиннее углеводородная цепь, тем сильнее понижение поверхностного натяжения системы, тем выше поглощение, так как свободная энергия поверхностного слоя насыщается за счет связывания поглощенного вещества.

Вещества, способные повышать поверхностное натяжение системы, отталкиваются от почвенных частиц и испытывают отрицательную физическую адсорбцию. К таким веществам относятся неорганические кислоты, соли, основания, органические вещества с большим количеством гидроксильных групп (сахара).

Таким образом, большинство минеральных солей, кислот и щелочей увеличивает поверхностное натяжение воды, в связи с чем концентрация их по мере приближения к границе раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды снижается, т.е. проявляется отрицательная физическая адсорбция. В этом случае уменьшение поверхностного натяжения достигается при избирательном поглощении молекул самой воды, а нерастворенных в ней минеральных веществ.

Благодаря отрицательной физической адсорбции из корнеобитаемого слоя почв с фильтрующей водой относительно легко вымываются различные водорастворимые соли, особенно хлориды нитраты. Так как хлор вреден для растений, то это имеет положительное значение. Вынос нитратов ведет к обеднению почв азотом – одним из важных элементов питания.

Химическая поглотительная способность – способность почвы удерживать некоторые ионы путем образования в результате химических реакций нерастворимые или труднорастворимые соединения, т.е. переводить анионы и катионы почвенного раствора в труднорастворимые соединения.

Из катионов, находящихся в почвах, чаще всего нерастворимые соединения образуют катионы Ca2 , Mg2 , Al3 , Fe3 , а среди анионов – CO32-, PO43-, SO42-.

Так, при внесении фосфорных удобрений образующиеся малорастворимые соли осаждаются и переходят из почвенного раствора в твердую фазу почвы. Процессы такого типа называют химическим поглощением: на черноземных почвах, Ca(HCO3)2 Ca(H2PO4)2 > CaHPO4 H2CO3> Ca3(PO4)2 ; на почвах элювиального ряда: Al(OH)3 Ca(H2PO4)2> AlPO4 H2O.

Образование осадков возможно и на поверхностности почвенных частиц при взаимодействии ионов, способных к взаимному осаждению. Такая сорбция получила название осадочной.

К химическому поглощению относится и комплексообразовательная сорбция. В этом случае за счет образования координационной связи происходит связывание поливалентных ионов почвенного раствора органическим веществом, сорбированным твердой фазой почвы.

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.

Состав обменных катионов и анионов в различных почвах и их влияние на свойства почв

Почвы существенно различаются между собой составом обменных катионов. Эти различия обусловлены типом почвообразования, спецификой почвообразующих пород, водным и солевым режимами почв. Заметно влияют на этот показатель химические мелиорации.

Содержание обменных катионов в почве выражается как в абсолютных величинах (мг. экв/100 г почвы), так и в относительных (% от емкости обмена).

Показатели, оценивающие поглотительную способность почв

Количественно поглотительную способность почвы характеризуют следующие показатели:

Емкость катионного обмена (ЕКО, мг•экв на 100 г почвы) – общее количество катионов, удерживаемых почвой в обменном состоянии и способных к замещению на катионы раствора, взаимодействующего с почвой; выражают в мг*экв на 100 г почвы. Величина ЕКО зависит от гранулометрического и минералогического составов почвы, содержания и качественного состава органического вещества, реакции среды.

ЕКО = сумма всех катионов способных к обмену, в т.ч. водорода и алюминия;

Кислотность и щелочность почв. Способы регулирования

Реакцию среды относят к числу важнейших свойств почвы. Она обусловлена наличием в почвенном растворе водородных (H ) и гидроксильных (OH-) ионов и их соотношением. Реакцию почвенной среды характеризуют величиной рН, представляющей собой отрицательный логарифм активности ионов водорода. При увеличении концентрации H величина рН снижается, а когда концентрация H - ионов уменьшается, величина рН возрастает.

На реакцию среды почвы влияют общая направленность почвообразовательного процесса, химический и минералогический состав почвы, содержание и состав органического вещества, состав обменных катионов, наличие или отсутствие солей, жизнедеятельность живых организмов, состав почвенного воздуха и влажность почвы.

В свою очередь, от реакции среды зависят свойства почвы и характер процессов протекающих в ней. С реакцией среды связаны растворимость многих соединений и доступность элементов питания растениям, жизнедеятельность микроорганизмов, образование гумусовых кислот, распад и синтез минералов. От реакции среды зависят подвижность минеральных и органических веществ почвы, что создает предпосылки для вовлечения их в миграционные потоки.

Предлагаем ознакомиться  Когда созревает калина? Когда собирают калину?

Величина рН является наиболее устойчивым генетическим показателем конкретной почвы. Варьирование рН в границах типичных значений составляет 5-10%. Всякое изменение реакции среды приводит к резкой смене характера почвообразования. Ряд почвенных процессов имеет строгую приуроченность к определенным пределам водородного показателя.

КИСЛОТНОСТЬ ПОЧВ – это способность почвы подкислять почвенный раствор. Обусловлена катионами H и Al3 , а также иногда Fe3 .

Кислотность почв, сформированных в гумидных областях, является их природным свойством. Лесная хвойная растительность в сочетании с промывным водным режимом и определенными группами микроорганизмов, при совместном действии которых и образуются кислые почвы, соответствует по своим биологическим требованиям особенностям созданной ею же среды.

Гидролитическая кислотность

Это та часть потенциальной кислотности, которая определяется при взаимодействии с почвой раствора гидролитически щелочной соли СН3СООNa (ацетата натрия) с рН 8,2.

В этом случае катион натрия вытесняет обменно-поглощенный водород, алюминий и другие катионы в процессе эквивалентного обмена. При этом щелочная реакция раствора соли уксуснокислого натрия способствует более интенсивному вытеснению из ППК обменно-поглощенных катионов:

ППК) Н , Al3 4СН3СООNa 3Н2О > ППК) 4Na Al(OH)3 4CH3COOH

Гидролитическая кислотность, как правило, больше обменной. Ее рассматривают как суммарную кислотность почвы, состоящую из актуальной и потенциальной кислотности, и выражают в мг-экв/100 г почвы.

Величину гидролитической кислотности используют для нахождения дозы извести, необходимой для устранения кислотности, и расчета степени насыщенности почв основаниями.

ЩЕЛОЧНОСТЬ ПОЧВ – способность почв нейтрализовывать компоненты кислой природы и подщелачивать воду.
Различают актуальную и потенциальную щелочность:

Актуальная щелочность – обусловлена присутствием в почве гидролитически щелочных солей: Na2CO3, NaHCO3, Ca(HCO3)2, MgCO3, Mg(HCO3)2 и др.

Na2CO3 2НОН - H2CO3 2Na 2OH-

Эти соли увеличивают концентрацию ионов ОН- в почвенном растворе, рН становится щелочной.

Потенциальная щелочность – определяется содержанием обменно-поглощенного натрия в ППК, который переходя в раствор, подщелачивают его.

Потенциальную щелочность отдельно не оценивают, и щелочность почвы выражают по значению актуальной щелочности.

Почвы с щелочной реакцией среды формируются в регионах с дефицитом атмосферных осадков, где ограничен вынос из почв и почвообразующих пород продуктов выветривания и почвообразования. Щелочная реакция среды типична для каштановых и светло-каштановых, бурых полупустынных и серо-бурых пустынных почв, сероземов, карбонатных черноземов и темно-каштановых почв. Особенно высокой щелочностью отличаются содовые солонцы и солончаки.

Высокая щелочность почв неблагоприятна для большинства сельскохозяйственных культур. В условиях щелочной среды в растениях нарушается обмен веществ, снижается растворимость и доступность фосфатов, соединений железа, меди, марганца, бора и цинка. При щелочной реакции в почвенном растворе появляются токсичные для растений вещества, в частности, сода и алюминаты натрия.

В случае резкого повышения рН корневые волоски растений испытывают щелочной ожог, что негативно отражается на их дальнейшем развитии и может привести к отмиранию. Сильнощелочные почвы характеризуются ярко выраженными отрицательными агрофизическими свойствами, что связано с сильной пептизацией почвенных коллоидов и растворением гумусовых веществ.

Еко = s нг

Вклад того или иного компонента в ЕКО почвы зависит от его содержания и характера взаимодействия с другими веществами. Часто это взаимодействие сопровождается снижением величины ЕКО, свойственной индивидуальным компонентам. Например, ЕКО гумуса почвы в целом намного меньше, чем собственно гуминовых или фульвокислот.

Тесная взаимосвязь наблюдается между ЕКО и размером почвенных частиц. Крупные фракции механических элементов, состоящие в основном из первичных минералов, практически не участвуют в обменных реакциях. С уменьшением размера механических элементов и увеличением в их составе количества глинистых минералов ЕКО существенно возрастает.

На величину ЕКО почвы существенно влияет реакция среды. С увеличением Ph возрастает ионизация функциональных групп глинистых минералов, в реакции обмена помимо карбоксильных групп гумусовых веществ дополнительно включаются их спиртовые и фенольные гидроксилы. В щелочной среде происходит перезарядка амфотерных коллоидов, и они приобретают способность к обменному поглощению катионов. Все это способствует увеличению ЕКО почвы по мере возрастания pH.

В зависимости от типа почвы емкость катионного обмена может варьировать в следующих пределах (И.С. Кауричев)

Таблица .Емкость катионного обмена в почвах

Почва ЕКО, мг-экв/100 г почвы
Дерново-подзолистая:
песчаная 3-6
среднесуглинистая 10-20
глинистая 15-25
Серая лесная среднесуглинистая 15-30
Чернозем:
тяжелосуглинистый 30-70
суглинистый 20-50
Светло-каштановая суглинистая 20-40
Краснозем суглинистый 13-25
Серозем суглинистый 8-20

Уровень поглотительной способности можно оценить по следующей шкале:

Таблица . Оценка уровня поглотительной способности почв

ЕКО мг-экв/100 г почвы
Низкая <10>
Средняя 10-20
Высокая 20-40
Очень высокая >40

Сумма обменных оснований (S, мг•экв на 100 г почвы) – суммарное содержание обменных оснований (преимущественно Ca2 и Mg2 ) в некарбонатных незасоленных, преимущественно кислых почвах, вытесненных ионом водорода соляной кислоты. Ионы H и Al3 не учитываются (не суммируются).

Исходя из этого, все почвы разделяют на две большие группы:

  1. почвы, насыщенные основаниями
  2. почвы не насыщенные основаниями

Первые не содержат в ППК ионы H и Al3 . Обменные катионы в них представлены только обменными основаниями Ca2 , Mg2 , K , NH4 , Na , количество которых соответствует реальной емкости обмена. Вторые всегда содержат некоторое количество обменных H и Al3 , поэтому сумма обменных оснований у них меньше ЕКО.

Степень насыщенности почв основаниями (V, %) – доля суммы обменных оснований от емкости катионного обмена, выраженная в процентах.

V = (S/ЕКО) •100, %,

по другому можно записать V = S / (S Нг) •100, %

Нуждаемость почв в известковании определяют, прежде всего, по степени насыщенности почв основаниями. На основании полевых опытов установлена следующая примерная шкала нуждаемости:

Таблица . Степень нуждаемости почв в известковании

V, % Нуждаемость в известковании
<50> Сильно нуждаются
55-70 Средненуждаемые
70-80 Слабонуждаемые
>80 Не нуждаются в извести

Сорбционная способность почвы – максимальное количество вещества, которое может быть сорбировано почвой. Как сорбент почва полифункциональна, поэтому ее сорбционная емкость по отношению к различным веществам неодинакова. Например, Zn2 может поглощаться обменным и необменным путем, а также за счет комплексообразовательной и осадочной сорбции, Na – преимущественно обменно, K – по обменному и необменному типу. В связи с этим сорбционная емкость поглощения разных веществ одной и той же почвой существенно варьирует.

Значение поглотительной способности

Поглотительная способность выполняет чрезвычайно важную роль в генезисе почв, формировании их свойств и уровня плодородия.

  1. Среди разнообразных процессов поглощения, протекающих в почве, большое значение имеет сорбционное закрепление гумусовых веществ. Благодаря этому происходит формирование специфической поверхности почвенных частиц, составляющих основу ППК, образование и стабилизация гумусового профиля почвы с количественными и качественными характеристиками, соответствующими конкретному типу почвообразования.
  2. Поглотительная способность играет важную роль в процессах профильной дифференциации разнообразных органических и неорганических веществ.
  3. От поглотительной способности во многом зависит питательный режим почв. ППК- хранилище биофильных элементов, защищенное от вымывания атмосферными осадками.
  4. Состав почвенного поглощающего комплекса определяет реакцию почвенной среды и ее стабильность.
  5. Состояние коллоидной массы первостепенно детерминирует практически все физические характеристики почвы как целостной системы, и в первую очередь структурность, плотность, воздухоемкость, влагоемкость и поведение почвенной воды. Экологически оптимальное физическое состояние почв для большинства растений, животных и других организмов возникает в среде, когда 99,9% коллоидов находятся в состоянии геля и 0,1% - золя.
  6. Почвенный поглощающий комплекс является геохимическим барьером для катионов-загразнителей тяжелых металлов и радионуклидов.
  7. Количество коллоидов в почвах различно и составляет от 1-2 до 30-40 % массы почвы. Образуются коллоиды при раздроблении более крупных частиц в процессе выветривания, путем поликонденсации в процессах почвообразования и образования гумуса, а также при химических реакциях между продуктами выветривания и почвообразования. Коллоиды представляют собой наиболее дисперсную часть твердой фазы почвы. Их размеры колеблются в пределах от 0,2…0,001мкм. Важно, что при размере менее 0,1…0,2 мкм резко возрастает адсорбционная емкость почвенных частиц благодаря росту их удельной поверхности.

Обычно коллоидные свойства начинают проявляться у частиц размером меньше 1 мкм, поэтому выделяют еще предколлоидную фракцию, объединяющую частицы размером от 1 до 0,2 мкм. Коллоиды не только поглощают и удерживают ионы и органические вещества, но и служат цементом для более крупных частиц и агрегатов, влияя на структуру почвы, от которой зависит ее водно-воздушный режим.

Небольшие размеры коллоидов определяют огромную суммарную и удельную поверхность. От размеров удельной поверхности зависит величина поверхностной энергии, с которой связаны явления сорбции паров воды, газов и молекул других веществ. С поверхностной энергией дисперсных тел связан тепловой эффект – выделение тепла при их смачивании, который называется теплотой смачивания.

Значения рн почвы, оптимальное для растений и микроорганизмов

Растения рН
Пшеница 6,6-7,5
Ячмень 6,1-7,2
Рожь 5,5-7,2
Овес 5,0-7,5
Просо 7,0-8,5
Кукуруза 6,0-8,5
Рис 6,0-8,7
Люцерна 7,0-8,3
Клевер 6,0-6,5
Донник 7,0-8,7
Яблоня 6,5-7,5
Свекла 6,5-7,5
Картофель 5,3-8,0
Лен 5,0-6,0
Соя 5,5-6,5
Фасоль 7,0-8,0
Горох 6,0-7,5
Морковь 6,5-8,0
Брусника 6,0-6,2
Чайный куст 4,8-6,3
Слива 6,0-7,5
Вишня 6,5-8,0
Виноград 6,0-6,2
Хлопчатник 4,8-6,3

Буферность почв.

Под буферностью почвы понимают ее способность как полифункциональной системы противостоять изменению концентрации почвенного раствора, особенно ее щелочно-кислотного и окислительно-восстановительного состояния.

Буферные свойства почвы связаны с процессами физико-химического (обменного) поглощения ионов, перехода различных соединений в ионные и молекулярные формы, с нейтрализацией и выпадением в осадок вновь образующихся соединений. В основном буферность почвы определяется качеством ее твердой фазы, однако, механизм работы буферных систем почвы весьма разнообразен и может обходиться без вовлечения элементов твердой фазы.

Изменение концентрации почвенного раствора проявляется при внесении в почву в виде удобрений водорастворимых солей, которые локально могут создавать токсичные для растений концентрации. Благодаря буферности почв это отрицательное свойство высоких концентраций блокируется. В целом, чем большей емкостью поглощения обладает почва, тем выше ее буферная способность. Наименьшая буферность свойственна песчаным почвам и пескам.

Величина буферности почв зависит от содержания почвенных коллоидов (чем больше коллоидов, тем выше буферность), их качества (чем больше гумусовых веществ, глин группы монтмориллонита, минеральных коллоидов с широким отношением кремнезема к глинозему, тем буферность выше), состава обменно-поглощенных катионов (наличия в ППК катионов кальция, магния, калия, натрия препятствует подкислению почв, а катионов водорода, алюминия – подщелачивания).

Предлагаем ознакомиться  Нужна Ли Регистрация Садовой Постройки

Контрольные вопросы

  1. Что такое почвенные коллоиды? Каково строение коллоидной мицеллы?
  2. Как подразделяются почвенные коллоиды по происхождению, знаку заряда и отношению к воде?
  3. Как влияют коагуляция и пептизация коллоидов на свойства почв?
  4. В чем сущность механической, биологической, химической и физической поглотительной способности почв?
  5. Что понимают под физико-химической поглотительной способностью?
  6. От чего зависит степень насыщенности почв основаниями?
  7. Чем обусловлены кислотность и щелочность почв?
  8. Какие приемы применяют для регулирования реакции почвы?
  9. Как относятся различные растения к реакции почвенного раствора?
  10. Что понимают под буферностью почвы?

Обменная кислотность

Это та часть потенциальной кислотности, которая определяется при взаимодействии с почвой раствора гидролитически нейтральной соли KCl.

При этом катион калия вытесняет из ППК обменно-поглощенные катионы, среди которых водород, алюминий и железо подкисляют солевую вытяжку, образуя кислоту – HCl.

ППК) Н , Al3 , Fe3 7 KCl > ППК) 7 KCl HCl AlCl3 FeCl3

Уровень обменной кислотности определяется значением рН солевой вытяжки – рНKCl.

Отмечено, что при рНKCl < 4 почвенная кислотность обусловлена в основном обменным водородом, а при рНKCl 4,0-5,5 – обменным алюминием. В кислых почвах, имеющих ион водорода в ППК, обменная кислотность всегда больше актуальной, т.е. величина рНKCl меньше величины рНН2О.

По величине рНKCl определяют степень кислотности почв и их нуждаемость в известковании.

Градации кислотности (щелочности) почв по величине рНKCl приведены в таблице:

Таблица . Градации кислотности по рНKCl

Почвы рНKCl
Сильнокислые <4,5>
Среднекислые 4,6-5,0
Слабокислые 5,1-5,5
Близкие к нейтральным >5,6

Степень нуждаемости в известковании устанавливается по рНKCl:

Если рНKCl –

      > 5,5 почвы не нуждаются в известковании;
      5,5 – 5,0 слабо нуждаются;
      5,0 – 4,5 средне нуждаются;
      < 4,5 сильно нуждаются в известковании

Важную роль в раскрытии природы обменной кислотности сыграло установление способности самопроизвольного перехода (превращения) почв, насыщенных ионом Н , в почвы, насыщенные Al3 , т.е. осуществление самопроизвольной реакции: Н - почвы > Al3 - почвы. Эту особенность можно объяснить на примере трансформации поверхностных слоев кристаллической решетки каолинита.

На сколе кристалла образуются избыточные отрицательные заряды, удерживающие обменные катионы. При действии на почву кислых водных растворов основания вытесняются и замещаются на ионы Н . Однако вследствие того что ионы Н имеют небольшой радиус, они легко мигрируют во внутренние слои решетки, где реагируют с группами ОН-, образуя молекулы Н2О, или с кислородом, что приводит к появлению устойчивой группы ОН-.

В результате этого ион Al3 , занимавший центральное место в алюмогидроксильном октаэдре, превращается в ион Al(OH)2 или Al(OH)2 , который связан с решеткой только электростатическими силами, т.е. уже не ковалентной, а ионной связью, хотя пространственно и занимает еще прежнее положение. При последующем воздействии на почву оснований алюминий вытесняется в раствор.

Развитие подзолообразовательного процесса и разрушение алюмосиликатов даже при слабокислой реакции среды происходит вследствие самопроизвольного перехода Н - почвы > Al3 - почвы, поскольку в ППК постоянно внедряется некоторое количество ионов Н . Однако Н - почвы неустойчивы и переходят в Al3 - почвы, из которых ион Al3 вновь вытесняется катионами щелочных и щелочно-земельных оснований, поступающих в почвенный раствор при разложении растительного опада.

Таким образом, ППК кислых почв всегда содержит небольшое количество обменных H и Al3 . Как правило, в малогумусных горизонтах (А2, А2В, В1, В2) кислых почв (подзолистых, дерново-подзолистых, серых лесных) обменная кислотность в основном обусловлена обменными ионами Al3 нежели H . Наоборот, в гумусовых горизонтах обменный H преобладает над обменным Al3 , причем обменный Al3 может вообще отсутствовать, т.е. обменная кислотность будет полностью обусловлена ионами H .

План

  1. Понятие поглотительной способности, ее значение.
  2. Происхождение, состав и свойства почвенных коллоидов.
  3. Строение коллоидной мицеллы. Физико-химическая поглотительная способность (обменная). Закономерности поглощения.
  4. Виды поглотительной способности.
  5. Состав обменных катионов и анионов в различных почвах и их влияние на свойства почв.
  6. Показатели, оценивающие поглотительную способность почв.
  7. Кислотность, щелочность, буферность почв. Способы регулирования.

Почва как среда обитания живых организмов

Почва обладает плодородием — является наиболее благоприятным субстратом или средой обитания для подавляющего большинства живых существ — микроорганизмов, животных и растений. Показательно также, что по их биомассе почва (суша Земли) почти в 700 раз превосходит океан, хотя на долю суши приходится менее 1/3 земной поверхности.

Почвенный воздух.

Почвенный воздух состоит из смеси различных газов:

  1. кислород, который поступает в почву из атмосферного воздуха; содержание его может меняться в зависимости от свойств самой почвы (её рыхлости, например), от количества организмов, использующих кислород для дыхания и процессов метаболизма;
  2. углекислота, которая образуется в результате дыхания организмов почвы, то есть в результате окисления органических веществ;
  3. метан и его гомологи (пропан, бутан), которые образуются в результате разложения более длинных углеводородных цепей;
  4. водород;
  5. сероводород;
  6. азот; более вероятно образование азота в виде более сложных соединений (например, мочевины)

И это далеко не все газообразные вещества, которые составляют почвенный воздух. Его химический и количественный состав зависят от содержащихся в почве организмов, содержания в ней питательных веществ, условий выветривания почвы и др.

Приемы мелиорации кислых и щелочных почв

Мелиорация (от лат. мelio – улучшать) – это система мероприятий по улучшению свойств и режима почв в благориятных производственном и экологическом направлениях. Мелиорация обеспечивает создание важнейших условий для получения высоких и устойчивых урожаев, рациональное использование почв, совершенствует производство, качественно меняет условия и производительность труда.

Примерный состав обменных катионов в почвах:

Подзолистые – Ca2 , Mg2 , NH4 , H , Al3

Серые лесные – Ca2 , Mg2 , K , NH4 , H

Чернозем обыкновенный, южный – Ca2 , Mg2 , K , NH4 , Na

Чернозем выщелоченный, оподзоленный – Ca2 , Mg2 , K , NH4 , H

Солонец – Ca2 , Mg2 , Na

Каштановые – Ca2 , Mg2 , Na , K

Почвы полярной зоны - Ca2 , Mg2 , K , Na

Отдельные поглощенные катионы неравнозначны по результативной сущности в многообразных явлениях природы почв. Об экологической значимости отдельных обменных катионов дает представление следующая информация:

Ca2 – считается катионом хранителем плодородия в связи с его многогранной значимостью. Он присутствует во всех без исключения почвах, но в разных количествах и в разных соотношениях с другими катионами. Оптимум его содержания – 80-90% от ЕКО. Это величина характерна для черноземов. Присутствие кальция в таких количествах обеспечивает 99,9%-ную коагуляцию коллоидных систем, а, следовательно, создается необходимая предпосылка для высокого структурообразования при активной деятельности корневых систем травянистой растительности и достаточного содержания гумусовых веществ.

Однако, повышенные количества кальция в почвах, содержащих монтмориллонит и другие, набухающие интенсивно глинистые минералы, могут вызвать слитогенетические явления, противоположные зернистому и комковатому структурообразованию даже при оптимальном содержании ионов кальция.

Кальций способен к ионообменному поглощению корнями растений. Однако этот способ питания растений, как правило, не принимается во внимание, так как кальций всегда присутствует в почвенных растворах и не является в биосфере дефицитным.

Mg2 – магний всегда сопровождает кальций. Типичное соотношение Ca2 : Mg2 = 5:1. В таких количествах его действие аналогично действию кальция. Экологическая дисгармония почвенной среды может возникать в щелочных почвах при повышении количества магния в ППК за счет снижения содержания Ca2 , т.е. при изменении соотношения Ca :

Mg в сторону магния. В этом случае сам магний вызывает повышение щелочности в связи с присутствием в почвенной среде карбонатов и бикарбонатов магния. Присутствие магния в ППК поддерживает свойства солонцеватости почв и даже приводит в отдельных случаях к образованию особых почв – магниевых солонцов.

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

Na – натрий в количествах менее 3% от ЕКО – необходимый компонент оптимального для биоценозов функционирования почвенной системы. В этом случае натрий обеспечивает дисперсность коллоидов на уровне около 0,1%, что важно для подвижности, динамичности и первоочередной резервности для минерализации гумусовых веществ и обеспечения почвенных растворов биологически необходимыми компонентами. Однако следует признать, что эта роль натрия в почвоведении и агрохимии изучена недостаточно.

Натрий как обменный катион является активным пептизатором коллоидов при концентрации его в почвенном растворе ниже порога коагуляции. При этом в состояние золя переходят все коллоидные системы, почва приобретает свойства солонцеватости, становясь текучей, вязкой, бесструктурной. В растворах появляются щелочные соли, рН может достигать 9,5-10,0. Образуются особые соли – солонцы.

K – в питании растений – основной источник доступного калия. Отмечена тенденция необменного поглощения калия из слоя компенсирующих противоионов в кристаллическую решетку минералов. Избыток калия может вызвать солонцеватость почв.

NH4 – ион аммония: единственная возможная аккумуляция доступного растениям азота. Поглощается коллоидами в процессе аммонификации. Легко используется корневыми системами растений. Не накапливается в количествах, превышающих 3% от ЕКО. Физическая и физико-химическая значимость не изучена. Повышенное содержание свидетельствует о недостатке азота.

H – обменный водород – источник почвенной кислотности. Его присутствие фиксируется всегда в бескарбонатных почвах, т.е. в почвах, не содержащих CaCO3.

В нейтральных почвах при рН от 6,5 до 7,2 водород присутствует в ППК в количествах менее 5% от ЕКО. В этих условиях обменный водород экологически нейтрален. В количествах более 5% от ЕКО начинают проявляться кислотные свойства почв. При этом кислотные свойства проявляются сильнее при повышении количества Н в коллоидно-поглощенном состоянии.

Максимум кислотности почвенной среды наступает когда среди обменных катионов водорода становится более 40-50%, рН почвы при этом становится кислой и сильнокислой (рН 3-5). Максимальное количество водорода в ППК может достигать 80% от ЕКО.

Al3 – алюминий в обменном состоянии – интенсивный коагулятор коллоидов. Является объектом пристального внимания в кислых почвах. При переходе в почвенный раствор образует гидролитически кислые соли, способствующие повышенной пептизации Al3 в почвенной среде, поэтому учитывается при определении кислотности почв, наравне с ионом водорода. Алюминий изучается как физиологически токсичный катион.

Предлагаем ознакомиться  Чем обработать дерево от гниения и влаги на улице: рекомендации и лучшие средства

Fe3 – интенсивный коагулятор коллоидов, как и алюминий во влажных тропических почвах. Участвует в создании структурных микроагрегатов.

Принимая во внимание огромную роль обменных катионов в жизни растений, неоднократно предпринимались попытки обосновать их оптимальное содержание в почве. Так, Байер (1945) предложил модель почвы с «идеальным» соотношением обменных катионов: Ca2 - 65%, Mg2 - 10%, K - 5%, H - 20%.

Такие модели, несомненно, представляют интерес, но следует учитывать, что оптимальный состав обменных катионов может существенно меняться в зависимости от различных факторов – требований культуры, минералогического и гранулометрического составов почв и т.д.

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 H и Al3 или Mg2 и Na состав обменных катионов регулируют с помощью химической мелиорации.

Происхождение почвенных коллоидов

Выделяют два основных пути происхождения коллоидов:

  1. Дисперсионный
  2. Поликонденсационный

Первый путь проявляется при дроблении более крупных частиц в процессе выветривания и почвообразования. Второй, при укрупнении частиц, в результате химических реакций между продуктами выветривания.

Различают актуальную и потенциальную кислотность:

1. Актуальная кислотность – обусловлена ионом H в почвенном растворе.

Определяется концентрацией ионов H в почвенном растворе в грамм-эквивалентах (моль) на 1 литр.

Выражается рНН2О – рН водной вытяжки.

Определяется в водной вытяжке (при соотношении почва : вода 1 : 2,5) или почвенной пасте.

Показатель рНН2О не является собственно характеристикой поглотительной способности почв как таковой, но позволяет составить программу ее изучения. Так, например, рН солевой вытяжки (рНKCl) и другие показатели титровальной обменной кислотности принято определять в почвах с рНН2О < 7.

Кислая реакция водной суспензии характерна для подзолистых и дерново-подзолистых, а также некоторых болотных почв. Серые лесные почвы обычно слабокислые, в черноземах реакция нейтральная, переходящая в слабощелочную в карбонатных горизонтах. Каштановые почвы и сероземы обычно имеют слабощелочную реакцию водной суспензии. Щелочная реакция характерна для солонцов, сильнощелочная – для почв с содовым засолением.

Градации кислотности (щелочности) почв по величине рНН2О приведены в таблице:

Таблица . Градации почвенной кислотности по рНН2О

Почвы рНН2О
Сильнокислые 3,0-4,5
Кислые 4,5-5,5
Слабокислые 5,5-6,5
Нейтральные 6,5-7,0
Слабощелочные 7,0-7,5
Щелочные 7,5-8,5
Сильнощелочные >8,5

Важнейшую роль в формировании актуальной кислотности в большинстве почв играет угольная кислота. В зависимости от термодинамических условий и биологической активности почв она поддерживает рН почвы в пределах от 3,9 до 5,7. Режим углекислоты в почвах тесно связан с суточно-сезонными ритмами погоды и активностью микроорганизмов.

Свободные минеральные кислоты, такие, как серная, азотная и другие, в больших количествах редко присутствуют в почвах. В то же время активная деятельность нитрифицирующих микроорганизмов способствует появлению на короткое время в почвенном растворе азотной и азотистой кислот, что вызывает снижение рН на 0,5…2,0. При разложении белковых соединений под воздействием микроорганизмов в почвенный раствор в небольшом количестве поступает серная кислота.

Кислотность почвенных растворов может быть обусловлена наличием в них свободных органических кислот, в том числе и гумусовых, а также различных компонентов, проявляющих кислотные свойства.

2. Потенциальная кислотность – обусловлена ионами водорода и алюминия, находящимися в обменно-поглощенном состоянии в ППК (диффузном слое коллоидной мицеллы).

В зависимости от того, как будут вытеснены эти ионы из почвы, потенциальную кислотность подразделяют на обменную и гидролитическую:

Свойства почвенных коллоидов

Важнейшее свойство почвенных коллоидов – способность обменивать ионы, находящиеся в компенсирующем слое, на ионы того же знака, находящиеся в дисперсионной среде. Ионы диффузного слоя обмениваются легко, гораздо труднее обмениваются ионы неподвижного слоя.

В почвах почти все коллоиды имеют отрицательный заряд. Это ацидоиды, в диффузном слое которых сосредоточены катионы. К ацидоидам относятся: коллоидно-дисперсные системы кремнезема, глинистых минералов, гидраты окиси марганца, гумусовые кислоты, а также органо-минеральные коллоиды, представляющие собой глинистые минералы, покрытые пленками органических веществ.

Коллоиды с положительным зарядом называются базоидами. У них в компенсирующем слое противоионов концентрируются анионы. Типичных базоидов в почве нет. Но в почвах могут встречаться амфолитоиды – коллоиды с переменным знаком заряда. К амфолитоидам относятся гидраты окиси железа, алюминия, а также протеиновые вещества гумуса. В кислой среде они заряжены положительно, в щелочной – отрицательно. Количество амфолитоидов в почвах крайне незначительно.

Наряду с поглощением ионов коллоиды способны притягивать к себе молекулы воды, или гидратироваться, что обусловлено проявлением поляризационных сил. При приближении молекулы воды к заряженной коллоидной частице ее электронейтральная оболочка деформируется. Хотя молекула воды остается в целом нейтральной, она принимает форму диполя.

Попадая в сферу электрического поля заряженной частицы, диполи строго ориентируются, обращаясь к ней концами, несущими заряд, противоположный заряду частицы. Вокруг коллоида образуется связанная с ним пленка воды, мощность которой зависит от природы коллоида и величины заряда частицы. В зависимости от количества воды, которое удерживают коллоиды, их разделяют на гидрофильные и гидрофобные.

Коллоиды, способные сильно гидратироваться, т.е. удерживать мощные водные пленки, называют гидрофильными. Это аморфная кремниевая кислота, минералы группы монтмориллонита, гумусовые кислоты. Коллоиды, слабо гидратирующиеся, называют гидрофобными. К ним относят гидроксиды железа и алюминия, минералы группы каолинита.

В зависимости от наличия и отсутствия заряда почве коллоиды могут находиться в состоянии золя (во взвешенном состоянии) или геля.

Золь – коллоидный раствор. Обусловлен наличием заряда в коллоидной системе; представляет состояние коллоидно-раздробленного вещества, рассеянного в дисперсионной среде. Электрический заряд способствует взаимному отталкиванию коллоидных частиц, а гидратная оболочка препятствует их слипанию при столкновении друг с другом.

В силу различных причин заряд коллоидов снижается, гидратная оболочка уменьшается, коллоиды начинают взаимодействовать между собой, что ведет к слипанию частиц и выпадению их в осадок в виде геля. Это явление называют коагуляцией. Гель – коллоидный осадок. При отсутствии заряда в коллоидной системе дисперсная фаза укрупняется и отделяется от дисперсионной среды.

Коагуляция – переход коллоида из состояния золя в состояние геля. Коагуляцию вызывают периодическое высушивание, нагревание, промораживание почвы, что приводит к дегидратации частиц и потере ими водной оболочки Коагуляция способствует образованию почвенной структуры, уменьшению связности тяжелых по гранулометрическому составу почв, сохранению от вымывания коллоидов, обусловливающих важнейшие агрономические свойства почвы.

Некоторые коллоиды способны переходить обратно из геля в золь. Это явление называется пептизацией. Она связана с восстановлением заряда коллоидной системы, повышением дзета-потенциалом, обусловленным главным образом действием растворов щелочей и гидролитически щелочных солей. При пептизации разрушается почвенная структура, коллоиды распыляются и приобретают способность к передвижению по почвенному профилю.

Состав почвенных коллоидов

По вещественному составу коллоиды почвы бывают минеральные, органические и органо-минеральные. В большинстве своем минеральные коллоиды представлены вторичными минералами. Часть из них находится в кристаллическом состоянии. Это, прежде всего, глинистые минералы: монтмориллонит, каолинит, вермикулит, гидрослюды.

Органические коллоиды состоят преимущественно из гумусовых веществ и белков. В коллоидно-дисперсном состоянии могут находиться полисахариды, лигнин, клетки наиболее мелких бактерий, диаметр которых соответствует диаметру коллоидных частиц.

Органо-минеральные коллоиды представлены соединениями гумусовых веществ с глинистыми минералами и полуторными оксидами в осажденной форме. В почвах присутствуют и многочисленные комплексные минеральные и органо-минеральные соединения коллоидной природы, образующиеся при совместном осаждении двух или нескольких веществ.

Строение коллоидов

Основу коллоидной частицы, называемой коллоидной мицеллой, составляет ее ядро. Ядро в химическом отношении представляет сложное соединение и имеет аморфное или кристаллическое строение. У минеральных коллоидов ядро состоит из алюмо-магниевых и других силикатов, иногда кремнезема, окислов железа и алюминия.

На поверхности ядра расположен прочно удерживаемый слой ионов, несущий заряд, – слой потенциалопределяющих ионов. 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). Так, вокруг ядра коллоидной мицеллы образуется двойной электрический слой, состоящий из слоя потенциалопределяющих и слоя компенсирующих ионов.

Компенсирующие ионы в почвоведении называются обменными или поглощенными, а сумма этих катионов составляет емкость катионного обмена.

Компенсирующие ионы. В свою очередь, располагаются вокруг гранулы двумя слоями. Один – неподвижный слой, прочно удерживаемый электростатическими силами потенциалопределяющих ионов. Гранула вместе с неподвижным слоем компенсирующих ионов называется
коллоидной частицей
. Между коллоидной частицей и окружающим раствором возникает электрокинетический потенциал (дзете-потенциал), под влиянием которого находится второй (диффузный) слой компенсирующих ионов.

Физико-химическая (обменная) поглотительная способность – способность почвы поглощать преимущественно катионы в результате эквивалентного обмена катионов, находящихся в почвенном растворе, на катионы диффузного слоя коллоидов. Поглощение преимущественно катионов обусловлено тем, что у большинства почв в поглощающем комплексе преобладают ацидоиды (заряженные коллоиды), в диффузном слое которых в качестве противоионов находятся катионы, способные к эквивалентному обмену.

Физико-химическое поглощение имеет ряд закономерностей:

  1. Поскольку поглощающий (коллоидный) комплекс в целом заряжен отрицательно, обменно поглощаются преимущественно катионы.
  2. Обмен катионов почвенного раствора на катионы диффузного слоя коллоидов происходит в строго эквивалентном количестве. При этом устанавливается динамическое равновесие между почвой и раствором.
  3. Реакция обмена катионов происходит исключительно быстро (за первые 3-5 минут сорбируется до 85% катионов).
  4. Энергия обменного поглощения различных катионов зависит от валентности, а при одинаковой валентности – от атомной массы иона. Энергия поглощения и закрепления катиона в коллоидном комплексе почвы возрастает с увеличением валентности и атомной массы. Это выражает ряд разновалентных катионов: Li <na ><k ><nh4 ><mg2 ><ca2 ><h ><al3 ><fe3 .>
  5. Интенсивность поглощения катионов зависит от концентрации реагирующего с почвой раствора, а при одинаковой концентрации – от количества раствора. Чем выше концентрация раствора, тем более активно поглощаются из него катионы.
  6. Поглощение и закрепление катионов зависит от свойств почвы.
Поделиться
Похожие записи
Комментарии:
Комментариев еще нет. Будь первым!
Имя
Укажите своё имя и фамилию
E-mail
Без СПАМа, обещаем
Текст сообщения
Adblock detector