ЛЕКЦИЯ 5

ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВЫ

План

1. ППК

2. Почвенные коллоиды

3. Виды ПСП

4. Показатели, характеризующие ПСП, состав ППК.

5. Влияние обменных катионов на свойства почвы

6. Агрономическое и экологическое значение коллоидов и ПСП

1 ВОПРОС

Совокупность явлений поглощения и удерживания разнообразных твердых, жидких и газообразных веществ называют ПСП. Первую научную трактовку это свойство получило в трудах английского исследователя Д.Уэя (1850). Наиболее существеный вклад в разработку учения о псп в 20 веке внес крупнейший русский почвовед К.К. Гедройц. Значительные исследования проводили Г. Вигнер (Швейцария) и С.Маттсон (Швеция).

Любая почва способна поглощать и удерживать разнообразные вещества (молекулы, ионы, вещества минер-го и органи-го происхождения,коллоидные частицы, грубые суспензии, пары, газы, клетки микроорганизмов). Важнейшую роль в этом процессе играет ППК. По К.К.Гедройцу, ППК – совокупность нерастворимых в воде органи-х, минер-х и органо-минеральных соединений. Особенность ППК как составной части почвы – реакция обмена между ионами почвенного раствора и ионами, удерживаемыми ППК.

Вещественный состав ППК унаследован от почвообразующей породы, ее ГС, МС, ХС, содержания гумуса, общего содержания колоидов. ППК включает все частицы меньше 0,005 мм, крупнее 0,01 мм – в поглощении не участвуют.

Минеральная основа ППК состоит из глинистых минералов. Из них наибольшее значение имеют минералы групп каолинита и монтмориллонита, гидрослюды, вермикулит, хлориты. Присутствуют аллофаны, аморфные соединения алюминия, железа, кремния и др.

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

Итак, в состав ППК входят компоненты различной природы и с разными свойствами.при этом в проявлении специфических особенностей ППК важную роль играют удельная поверхность почвенных частиц и их размеры. ППК состоит из частиц различного размера, но главная роль в его формировании принадлежит почвенным коллоидам.

2 Вопрос

Коллоиды представляют собой наиболее дисперсную часть твердой фазы почвы. Их размеры в пределах 0,2-0,001мкм. При размере менее 0,2мкм резко возрастает адсорбционная емкость почвенных частиц благодаря быстрому росту их удельной поверхности.

Коллоидные свойства начинают проявляться у частиц размером менее 1мкм и поэтому выделяют предколлоидную фракцию. Коллоиды обуславливают главные физико-химические и химические свойства почв. Коллоиды поглощают и удерживают ионы и органические вещества, служат цементом для более крупных частиц и агрегатов, влияя на структуру почвы, от которой зависит ее водно-воздушный режим.

Содержание коллоидов в почвах невелико: от 1-2 до 30-40% от массы почвы. Окружение, в котором находятся частицы раздробленного вещества называется дисперсной средой, а само раздробленное вещество – дисперсной фазой. Дисперсная среда и дисперсная фаза составляют дисперсную систему (коллоидную систему). В почве функцию дисперсной среды выполняет почвенная влага, а дисперсной фазы – раздробленные в ней твердые частицы. Типичные коллоиды – золи и гели.

Коллоиды образуются:

----при раздроблении крупных частиц в процессе выветривания и почвообразования;

----при конденсации в результате физического и химического соединения молекул и ионов до размера коллоида.

По вещественному составу коллоиды бывают минеральные, органические, органо-минеральные.

Минеральные коллоиды представлены вторичными минералами (каолинит, вермикулит, монтмориллонит, гидросдюды, гидроксиды алюминия, железа, марганца, кремнезем в коллоидной форме).

Органические коллоиды состоят из гумусовых веществ и белков. В коллоидно-дисперсном состоянии могут находиться полисахариды, лигнин, клетки мелких бактерий.

Органо-минеральные коллоиды прелставлены соединениями гумусовых веществ с глинистыми минералами и полуторными оксидами в осажденной форме.

В большинстве почв преобладают минеральные коллоиды, составляющие 85-90% их общей массы.

Строение коллоида. Основу коллоида составляет ядро – твердая частица, состаящая из сгустка (множества) молекул вещества. Молекулы на поверхности ядра при взаимодействии с почвенной влагой диссоциируют по типу либо кислот, отдавая в диффузный слой катионы Н, либо оснований, отдавая анионы ОН, и образуют на границе раздела между твердой и жидкой фазами почвы двойной электрический слой. На поверхности ядра диссоциируют не все молекулы. Чем больше их диссоциирует и чем дальше отдиссоциированные ионы отойдут от поверхности ядра, тем выше потенциал заряда мицеллы. Оставшиеся на поверхности ядра ионы определяют заряд коллоидной частицы и называются потенциалоопределяющими ионами. Противоположно заряженные ионы, которые после диссоциации молекул отошли от потенциалопределяющих, образуют слой компенсирующих ионов. Они могут обмениваться на эквивалентное количество однозначных по заряду ионов из соприкасающегося с мицеллой почвенного раствора. Отдиссоциируемые ионы образуют диффузный слой. Между коллоидной частицей и окружающим раствором возникает электрокинетический потенциал, под влиянием которого и находятся ионы диффузного слоя.

Ядро со слоем потенциалоопределяющих ионов называют гранулой. Гранулу со слоем неподвижных компенсирующих ионов называют частицей. Коллоидную частицу вместе с диффузным слоем ионов называют мицеллой. Коллоидная мицелла электронейтральна, однако поскольку основная масса ее приходится на гранулу, заряд последней и рассматривается как заряд коллоида.

Свойства почвенных коллоидов. Важнейшее свойство почвенных коллоидов – способность обменивать ионы, находящиеся в компенсирующем слое, на ионы того же знака, находящиеся в дисперсионной среде. Коллоиды, имеющие в потенциалоопределяющем слое отрицательно заряженные ионы, называют ацидоидами. Они несут отрицательный заряд и способны к поглощению и обмену катионов. К ацидоидам относятся коллоидная кремнекислота, ГК, ФК, глинистые минералы.

Коллоиды, имеющие в потенциалоопределяющем слое положительно заряженные ионы, называют базоидами. Они несут положительный заряд и способны к поглощению и обмену анионов. К ним относятся гидроксиды железа и алюминия, белковые соединения.

Некоторые коллоиды способны менять знак заряда: в кислой среде они заряжены положительно, в щелочной – отрицательно. Такие коллоиды называют амфолитоидами (гидроксиды железа и алюминия, белковые соединения, а также комплексные соединения).

Значение рН, при котором коллоид посылает в окружающий раствор одинаковое количество катионов и анионов, называется изоэлектрической точкой. При этом коллоид становится электронейтральным. Например, для гидроксида железа рН изоэлектрической точки равен 7,1, а для гидроксида алюминия – 8,1.

Среди почвенных коллоидов преобладают ацидоиды, играющие важнейшую роль в поглощении почвой катионов. В почвах с сильнокислой реакцией среды возрастает роль базоидов. Такие почвы плохо поглощают катионы, но активно сорбируют анионы, особенно фосфат-ионы.

Коллоиды способны притягивать к себе молекулы воды. При приближении молекулы воды к заряженной коллоидной частице ее электронейтральная оболочка деформируется. Молекулы воды принимает форму диполя. Попадая в сферу влияния электрического поля заряженной частицы , диполи ориентируются к частице противоположным зарядом. 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 удерживать мощные водные пленки называют гидрофильными. Это аморфная кремнекислота, минералы группы монтмориллонита, гумусовые кислоты. Коллоиды, слабо гидротирующиеся, называют гидрофобными. К ним относят гидроксиды железа и алюминия, минералы группы каолинита и другие вещества. Гидротация ионов возрастает от трехвалентных к одновалентным. Степень гидрофильности почвенных коллоидов нестабильна и зависит от времени, изменения реакции среды, высушивания, от состава катионов диффузного слоя. Гидрофобность проявляется в понижении смачиваемости почвенных частиц. Она увеличивается по мере насыщения диффузного слоя катионами тяжелых металлов.

Важнейшее свойство почвенных коллоидов – их агрегативная устойчивость, то есть способность коллоидной системы сохранять степень дисперсности неизменной. Причиной такой устойчивости коллоидных частиц против соединения их в агрегаты является наличие электрического заряда, а также гидратной оболочки: одноименно заряженные частицы отталкиваются, а гидратная оболочка препятствует соединению коллоидных частиц. Чем выше заряд коллоидной частицы и чем толще гидратная оболочка, тем агрегативно устойчивее коллоидный раствор. Агрегативная устойчивость коллоидных систем возрастает в присутствии веществ стабилизаторов (гуматы и фельваты натрия). Агрегативная устойчивость коллоидных систем имеет важное значение в процессах дифференциации веществ в почвенном профиле. Коллоиды, имеющие высокую устойчивость и длительное время находящиеся в состоянии золя, способны перемещаться в почвенном профиле на разную глубину, что приводит к формированию системы элювиальных иллювиальных горизонтов. Молоустойчивые коллоиды быстро выпадают в осадок.

Силой, заставляющей коллоидные частицы соединяться в агрегаты, является свободная поверхностная энергия. Наличие значительной свободной поверхностной энергии у коллоидных частиц связано с их размерами (высокой дисперсностью), обусловливающими большую общую и удельную поверхности.

Куб с длиной ребра 1см, имеющий общую поверхность 6см2, при дроблении на множество кубиков до коллоидных размеров резко (до 6 га) увеличивает общую поверхность, сохраняя неизменной массу. Свободная поверхностная энергия определяет такие важнейшие свойства почвенных коллоидов, как адсорбция ( поглощение поверхностью) и каталитическое действие (ускорение хим-х реакций).

Коллоиды в почве могут находиться в состоянии коллоидного раствора – золя, либо коллоидного осадка – геля. Процесс перехода из состояния золя в гель называется коагуляцией, обратный процесс – пептизацией.

В почве коллоиды могут находиться в состоянии золя или во взвешенном состоянии, разделенные жидкой фазой. Такое существование коллоидных частиц связано с наличием электрического заряда и гидратной оболочки на поверхности частиц. 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 называется коагуляцией.

Механизм процесса коагуляции можно представить как нейтрализацию заряда коллоидных частиц и снижение их гидротации, что позволяет им соединяться (склеиваться) друг с другом.

Коагуляцию вызывают:

периодическое высушивание, нагревание, промораживание почвы, что приводит к обезвоживанию;

сильное коагулирующее действие на коллоиды оказывают электролиты (легкорастворимые соли). Чем выше валентность, а при одной и той же валентности чем больше масса катиона, тем сильнее его коагулирующее действие. По силе коагуляции катионы располагаются в лиотропный ряд: Li<Na<NH4<K<Mg<H<Ca<Ba<La<Al<Fe <Th. Одновалентные катионы обладают меньшей коагулирующей способностью, чем двухвалентные, а двухвалентные слабее, чем трехвалентные. Чем тоньше гидратная оболочка, тем сильнее коагулирующее действие катиона. Электролитная коагуляция обратима;

при взаимодействии противоположно заряженных коллоидов (взаимная коагуляция). При взаимной коагуляции двойной электрический слой мицелл разрушается, что приводит к взаимодействию между собой гранул и коагуляция становится необратимой;

при старении коллоидов (самопроизвольная потеря воды со временем). В почве таким образом коагулируют необратимо гидроксид кварца, гумусовые и белковые вещества, теряя постепенно воду.

В почвах коллоиды, насыщенные одновалентными катионами, находятся в состоянии золя. Одновалентные катионы натрия и калия попадая в почву, способствуют пептизации коллоидов глины и гумуса, разрушению почвенной структуры. Итак, пептизация происходит под влиянием одновалентных катионов и при уменьшении концентрации солей в почвенном растворе.

Коллоиды, которые легко могут переходить из золя в гель и обратно, называют обратимыми. Легко обратимы гидрофильные коллоиды, насыщенные одновалентными катионами. Необратимая коагуляция характерна для гидрофобных коллоидов, насыщенных двухвалентными и трехвалентными катионами.

3 ВОПРОС Виды поглотительной способности

К.К.Гедройц выделил пять видов поглотительной способнос­ти почв: механическую; физическую; физико-химическую, или обменную; химическую и биологическую. Важнейшую роль в проявлении поглотительной способности играет ППК.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ –

это свойство почвы как пористого тела задерживать в своей толще различные частицы, находящиеся в воде, фильтрующейся через почву. Механическая поглотительная способность обуслов­лена наличием в почве сложной системы пор, капилляров и ходов корней. Поэтому почва способна механическим путем задерживать крупные взвешенные частицы, илистые и колло­идные. По мере заполнения каналов тонко дисперсными частич­ками механическая поглотительная способность почвы возраста­ет. При определенных условиях это может привести к образова­нию плохо проницаемого для воды горизонта, который будет слу­жить водоупором.

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.

Механическое поглощение не относится к сорбционным процессам.

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.