Текст книги "Почвенные ресурсы"

Наиболее полно характеристика поглотительной способности почв изложена в работах К.К. Гедройца, который выделил пять ее видов: механическая, химическая, биологическая, физическая и физико-химическая.

Механическая поглотительная способность – свойство почвы поглощать поступающие с водным или воздушным потоком твердые частицы, размеры которых превышают размеры почвенных пор. В данном случае почва выступает как «сито» или «губка», пропускающая через себя все, что мельче почвенных отверстий. Водные суспензии освобождаются от взвесей. Это свойство почвы используется для первой стадии очистки питьевых и сточных вод. Яркий пример механического поглощения твердых частиц – очистка полых речных вод (водные суспензии) при затоплении пойм рек. В результате после паводка на поверхности пойменных почв накапливаются твердые взвеси – почвенный наилок. Почва поглощает атмосферную пыль, в том числе и техногенного происхождения.

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, поливных вод катионы и анионы могут образовывать с солями почвенного раствора нерастворимые или труднорастворимые соединения. Например:

А1(ОН)₃ + Н₃РО₄ → AlPO₄↓ + 3Н₂О;

Na₂CO₃ + CaSO₄ → CaCO₃↓+ Na₂SO₄.

Химическая поглотительная способность связана с взаимодействием ионно-дисперсных систем.

Биологическая поглотительная способность – способность живых почвообитающих организмов (корни растений, микроорганизмы) поглощать различные элементы. Биологическая поглотительная способность характеризуется большой избирательностью поглощения, обусловленной специфической для каждого вида потребностью живых организмов в элементах питания.

Физическая поглотительная способность связана с изменением концентрации молекул на поверхности раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды. С увеличением поверхности частиц увеличивается их поверхностная энергия.

Поверхностная энергия частиц, измеряющаяся произведением поверхностного натяжения, возникающего на границе соприкосновения дисперсной фазы с дисперсионной средой, на суммарную поверхность дисперсной фазы, стремится к наибольшему сокращению. Это поведение можно обобщить теоремой Джиббса: поверхность раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды имеет иную концентрацию, чем в остальной части. Вещества, понижающие поверхностное натяжение, стремятся сконцентрироваться на поверхности раздела и тем самым уменьшить энергию системы; обратно, вещества, повышающие поверхностное натяжение, стремятся разжижаться на поверхности раздела, чтобы этим уменьшить поверхностную энергию системы. Вещества, понижающие поверхностное натяжение, называются поверхностно-активными. Это органические кислоты, алкалоиды, высокомолекулярные органические соединения. Они обусловливают положительную физическую адсорбцию. Многие минеральные соли, кислоты, щелочи вызывают явление отрицательной физической адсорбции, при которой концентрация данных веществ уменьшается по мере приближения к поверхности частицы.

Известна отрицательная сорбция почвой хлоридов и нитратов, которая впервые была описана К.К. Гедройцем как отрицательное физическое поглощение веществ. Сущность этого явления сводится к снижению концентрации электролита в пределах «нерастворяющего объема молекулярно сорбированной воды» во внутренней части сорбционной пленки, вследствие чего концентрация электролита в более рыхло связанных слоях водной пленки возрастает. Отрицательная сорбция нитратов – явление неблагоприятное, так как она усиливает процессы их вымывания из почвы.

Известна молекулярная сорбция ряда органических веществ. Сорбируются как низкомолекулярные органические вещества, постоянно присутствующие в почве, вследствие разложения исходных растительных остатков, так и высокомолекулярные соединения типа белков и полисахаридов вследствие амфотерности этих соединений.

Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность – способность почвы поглощать и обменивать ионы, находящиеся на поверхности коллоидных частиц, глинистых минералов и связанные в функциональных группах гумусовых веществ, на эквивалентное количество ионов раствора, взаимодействующего с твердой фазой почвы. Эта поглотительная способность связана с ионно-дисперсными и коллоидными системами.

Твердая фаза почвы, способная к реакциям ионного обмена и представляющая совокупность различных коллоидов и тонкодисперсных веществ, представляет почвенный поглощающий комплекс (ППК).

Это то, что обычно в почвоведении называют плазмой почвы, т. е. самая активная, химически, физически, физико-химически, биологически деятельная часть почвы, определяющая генезис и плодородие всего почвенного покрова. Масса почвенного поглощающего комплекса зависит от гранулометрического состава и содержания гумуса. С большой достоверностью можно отметить, что илистая фракция – это и есть масса веществ почвенной плазмы, если в илистую фракцию включены органические вещества почвы. Однако следует сделать оговорку: некоторой способностью к обменному поглощению обладает и фракция пыли и даже песка, а в составе ила могут присутствовать и инертные, неионообменные, вещества, например зерна мелкокристаллического кварца.

Общая схема обменной или физико-химической поглотительной способности показана на примере реакции, которая может происходить в подзолистых почвах:

Обменная поглотительная способность измеряется величиной емкости катионного обмена (ЕКО), которая представляет сумму всех обменных катионов, выраженную в м-экв. на 100 г почвы.

Коллоидно-дисперсные системы имеют размер дисперсной фазы от 1 до 100 мкм. В почвах коллоидными свойствами обладают частицы менее 0,001 мм (ил). Коллоиды образуются в результате совокупности процессов почвообразования и выветривания. Процессы эти могут быть разновременными: часть коллоидов, главным образом минеральных, формируется при возникновении материнской породы, а часть коллоидов – в почвообразовательном процессе. При этом, безусловно, происходит преобразование и изменение состава коллоидов материнской породы, но часть коллоидов почвообразующей породы входит в состав дисперсной фазы почвы. Основные явления, происходящие при формировании коллоидов, – дробление крупных частиц и соединение молекулярно-раздробленных частиц.

Основу коллоидной частицы (рис. 6.1), 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 алюмомагниевых и других силикатов, иногда кремнезема, окислов железа и алюминия. У органических коллоидов ядро состоит из гуминовых и фульвокислот, протеина, клетчатки и других сложных веществ. У органо-минеральных коллоидов ядро образуется в результате взаимодействия органических и минеральных компонентов.

Рис. 6.1. Строение коллоидной частицы

На поверхности ядра расположен прочно удерживаемый слой ионов, несущий заряд, – слой потенциалопределяющих ионов, который вместе с ядром мицеллы 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 (дзета-потенциал), под влиянием которого находится второй (диффузный) слой компенсирующих ионов.

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 (Мп₂O₃ Н₂O), 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 могут встречаться амфолитоиды – коллоиды с переменным знаком заряда. К амфолитоидам относятся гидраты окиси железа [Fe(OH)₃ nН₂O], алюминия [Al(ОН)₃ • nН₂O], а также протеиновые вещества гумуса. В кислой среде они заряжены положительно, в щелочной – отрицательно. Количество амфолитоидов в почвах крайне незначительно. Они чаще встречаются во влажных тропических и субтропических почвах.

Основные обменные катионы почвенных коллоидов: Са²⁺, Mg²⁺, К⁺, Na⁺, NH₄⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺. В незначительных количествах встречаются и другие катионы, относящиеся к микроэлементам и являющиеся объектом специальных исследований.

Для обменной поглотительной способности характерны следующие закономерности.

1. Обмен между катионами ППК и почвенного раствора происходит в эквивалентных количествах, т. е. количество поглощенных катионов в эквивалентах равно количеству эквивалентов катионов, вытесненных в почвенный раствор. В почвах всегда существует динамическая система, равновесие которой нарушается изменением концентрации катионов в дисперсионной среде.

2. Энергия поглощения определяется радиусом негидратированного катиона: чем меньше радиус, тем слабее связывается ион. Это объясняется большей плотностью заряда, а следовательно, большей гидратированностью иона. В связи с этим в ряду разновалентных катионов энергия поглощения возрастает с увеличением валентности: К⁺ < Са²⁺ < Fe³⁺. Внутри рядов ионов одной валентности энергия поглощения увеличивается с возрастанием атомной массы: ⁷Li < ²³Na < ³⁹К; ²⁷Mg < ⁴⁰Са < ⁵⁹Со < ¹¹²Cd; ²⁷Al < ⁵⁶Fe. Ион Н⁺ или ион гидроксония Н₃O⁺ сорбируется аномально прочно в связи с его малым размером.

3. На поглощение почвой катионов большое влияние оказывает их концентрация в почвенном растворе: чем больше тех или иных катионов в растворе, тем с большей силой они будут поглощаться, вытеснять из ППК другие катионы и занимать преобладающее место. Следовательно, ряд катионов по степени поглощения имеет значение только в условиях эквивалентных концентраций.

Сумма поглощенных катионов (ЕКО) зависит от количества коллоидов в почве, содержание которых обычно не превышает 30–40 % от почвенной массы. В глинистых почвах и богатых гумусом ЕКО может достигать 50–60 м-экв. на 100 г, а в легких малогумусных – 3–8 м-экв. на 100 г.

Коллоидные системы почвы могут находиться в состоянии золя или геля. Золи – это подвижные коллоидные растворы, в которых твердые частицы почвы отделены друг от друга дисперсионной водной средой. Одноименно заряженные частицы коллоидов взаимно отталкиваются, гидратируются диполями молекул воды и находятся в коллоидной системе в дисперсном состоянии. Коллоидная масса, а с ней и вся почва, приобретает свойства текучести, бесструктурности, сплошности, безвоздушности, слитости. Это явление экологически крайне неблагоприятное и не типично для большинства почв. Исключение составляют только солонцы.

Снижение электрокинетического потенциала и уменьшение заряда частиц разноименно заряженных коллоидов приводит к их слипанию, увеличению в размерах и выпадению в осадок. Коллоидная система переходит в состояние геля. Процесс соединения коллоидных частиц называется коагуляцией, дальнейшее осаждение – седиментацией. Из раствора коллоиды выпадают в осадок под воздействием высыхания или увеличения концентрации простых солей в почвенном растворе. При коагуляции золь, имеющий жидкое состояние, переходит в гель, имеющий твердое состояние. Коллоиды в почвах находятся на 99,9 % в состоянии геля. Частицы коллоидов сцепляются между собой, образуя пространственную структуру, в ячейках которой удерживается вода. Обратный процесс перехода коллоидов в раствор, геля – в золь, называется пептизацией.

В большинстве почв коагуляция необратима и только незначительная часть (менее 0,1 %) коллоидов пептизируется. Для некоторых почв, например солонцов, чередование явлений коагуляции и пептизации составляет сущность почвообразовательного процесса.

По количеству удерживаемой воды коллоиды разделяются на гидрофильные и гидрофобные. Из гидрофильных можно назвать коллоиды некоторых глинистых минералов, например монтмориллонита, а также органические коллоиды. Гидрофобны коллоиды соединений железа и алюминия. Почвы с гидрофильными коллоидами вязки, пластичны, сильно набухают при увлажнении, очень липки. Противоположны свойства гидрофобных коллоидов.

Физическое состояние коллоидов в значительной степени зависит от состава поглощенных катионов: чем больше валентность поглощенных ионов, их заряд, тем меньше будет диссоциация их от коллоидной частицы, электрокинетический потенциал частицы, тем легче идет процесс коагуляции.

К.К. Гедройц расположил все катионы по их коагулирующей способности в ряд, который он назвал лиотропным:

Li⁺ < Na⁺ < NH₄⁺ < К⁺ < Mg²⁺ < Н⁺ < Са²⁺ < Ва²⁺ < Al³⁺ < Fe³⁺.

Коллоиды, насыщенные одновалентными катионами, находятся в основном в состоянии золя; при замене одновалентных катионов двух– и трехвалентными они переходят в гель. Так, насыщение почвенного поглощающего комплекса натрием ведет к образованию золя, распылению почвы, увеличению заряда почвенных коллоидов и их гидратации. Замещение натрия кальцием способствует коагуляции и образованию водопрочной структуры.

Типичные гели обладают тиксотропными свойствами. В этом случае образовавшийся из золя гель не отделяется от дисперсионной среды в виде осадка, а застудневает вместе с ней. Коллоиды и более крупные частицы образуют своеобразный каркас, внутри которого свободное пространство заполнено раствором (водой). По внешнему виду тиксотропный гель напоминает студень или скисшее молоко. Образование его происходит медленно с постепенным нарастанием вязкости. Вторая особенность – при механическом воздействии (помешивании, встряхивании) гель может снова перейти в золь.

Тиксотропия наблюдается в почвах тундровой зоны. Поверхность тиксотропной почвы до механического воздействия ничем не отличается от почвы, не имеющей такого свойства. Но при механическом воздействии (копка шурфа, проезд вездехода) выступает вода, почва становится текучей. Тиксотропные почвы плохо проницаемы для воды и воздуха, поэтому в них развивается заболачивание.

Поглотительная способность относится к одному из наиболее существенных свойств почвы, так как она участвует в процессах почвообразования и развития плодородия. Поглотительная способность регулирует питательный режим почвы, обусловливая накопление многих элементов питания растений и микроорганизмов, она же регулирует реакцию почвы, степень ее буферности, водно-физические свойства. Не менее существенно значение поглотительной способности почв в развитии частных почвообразовательных процессов. Так, интенсивность накопления продуктов почвообразования и формирование гумусово-аккумулятивных горизонтов в значительной степени обусловлены поглотительной способностью почвы.

На основе анализа поглотительной способности почв можно сделать следующие обобщающие заключения.

1. Состав почвенного поглощающего комплекса определяет реакцию почвенной среды и ее стабильность. Нейтральные, кислые или щелочные условия почв напрямую зависят от состава обменных катионов.

2. Почвенный поглощающий комплекс представляет собой доступное для растений хранилище биофильных катионов, защищенное коллоидной электростатической природой от вымывания атмосферной влагой в грунтовые воды. По своей стабильности и эффективности ППК намного превосходит как регулятор питания растений почвенные растворы. Это относится к Na⁺, NH₄⁺, К⁺, Mg²⁺, Са²⁺, а также практически ко всем микроэлементам металлической природы. Особенно необходимо подчеркнуть, что калийное питание растений осуществляется исключительно за счет обменного калия коллоидов, а определяемый агрохимиками доступный растениям калий – элемент коллоидно-обменного происхождения.

3. 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.

4. Почвенный поглощающий комплекс является геохимическим барьером для катионов-загрязнителей тяжелых металлов и радионуклидов. Однако абсолютизировать катионоколлоидное поглощение не следует. В почвах с непромывным водным режимом поглощенные катионы обменно усваиваются растениями и поступают в биологические цепи питания. В почвах, промываемых водой, неизбежны обменное вытеснение загрязнителей Н⁺ и дальнейшая ландшафтная миграция.

Реакция среды имеет существенное значение для направленности почвенных процессов и уровня почвенного плодородия. Кислотно-щелочные условия зависят от типов почв, их подтиповых, родовых различий и могут колебаться в широких пределах. Черноземы, коричневые почвы, сероземы характеризуются нейтральными условиями. Щелочная реакция наблюдается у солонцов и солонцеватых почв. Кислые условия типичны для почв влажных лесов (подзолистые, серые и бурые лесные, краснозёмы, желтозёмы и др.). Кислотность почвы вызывается ионами водорода. Различают актуальную и потенциальную кислотность.

Актуальная кислотность почв – это концентрация ионов Н⁺ в почвенном растворе в грамм-эквивалентах (моль) на 1 л, выражаемая величинами pH, где pH = – lg [Н⁺].

Чистая вода неэлектропроводна, но тем не менее при 25 °C из одного моля воды диссоциирует на ионы 0,0000001 или 1 10^-7 моль воды. Так как число ионов в чистой воде Н⁺=ОН", то диссоциацию воды характеризуют ионным произведением:

К = [Н⁺] ・[ОН^—] = [1・10^–7] ・[1・10–7] = 10^–14.

Коэффициент К – константа, которая показывает, что эта величина является постоянной при любых изменениях количества ионов Н⁺ и ОН^—. До пустим, что при добавлении щелочи концентрация ионов ОН^— стала равна 10^–4, значит концентрация ионов ^Н+ будет 10^–10. Другой случай: добавили кислоту, концентрация ионов Н⁺ стала 10^–4, значит концентрация ионов ОН^— будет 10^–10. Это ионное произведение воды, сомножители которого принято обозначать показателем рН, причем отрицательным логарифмом (степень, в которую возводится 10, записывается с обратным знаком). Пишут: рН=6. Это значит, что в растворе концентрация [H⁺]=10^–6 моль/л и, следовательно, концентрация [ОН^—]=10^–8 моль/л, т. е. ионов ОН^— в 100 раз меньше, чем ионов Н⁺. Среда кислая. При рН=9 концентрация в растворе ионов Н⁺=10^–9, а ионов ОН^— = 10^–5, т. е. их в 10 000 раз больше, чем ионов Н⁺. Среда щелочная. Таким образом, за цифрами показателя рН необходимо научиться видеть и учитывать количество ионов Н⁺ и дополнительное к нему, согласно с ионным произведением воды, количество ионов ОН^—, представляемое в г-экв.(моль)/л.

Жизнь животных и растений может протекать при pH от 2,5–3 до 10–10,5. За пределами этих концентраций ионов водорода проявление жизни крайне ограничено. Этот же, даже несколько больший, размах pH мы встречаем и в почвах.

Величина pH является наиболее устойчивым генетическим показателем конкретной почвы. Варьирование pH 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. Это солонцовый процесс, оподзоливание, пептизация и коагуляция коллоидов, ферраллитизация, микробиологические явления и т. д. Антропогенетические изменения pH происходят при окультуривании или деградации почв. Для всех почв величина их pH считается существенным диагностическим критерием.

Потенциальная кислотность – это количество обменных ионов Н⁺ и Al³⁺ в составе почвенного поглощающего комплекса (ППК), выражаемое в миллиграмм-эквивалентах на 100 г почвы (м-экв. на 100 г).

В водной среде происходят реакции:

[ППК]Н⁺ + КСl ↔[ППК]К⁺ + НСl;

[ППК]Аl³⁺ + 3КСl ↔[ППК]3К⁺ + АlСl₃;

АlСl₃ + 3Н₂О ↔Аl(ОН)₃↓ + 3НСl.

В результате реакций обмена поглощенные ионы Н⁺ и Al³⁺ определяют концентрацию ионов Н⁺ в почвенном растворе или его pH, т. е. потенциальная кислотность есть скрытая в ППК кислотность.

Потенциальная кислотность разделяется на обменную и гидролитическую. Обменная кислотность проявляется при взаимодействии с почвой нейтральных солей. Обычно для ее определения используют раствор КС1. Образующаяся в растворе кислота оттитровывается щелочью, а сама кислотность выражается в м-экв. на 100 г почвы. При взаимодействии почв с нейтральной солью не все протоны переходят в раствор, так как в системе устанавливается динамическое равновесие:

[ППК]Н⁺ + КСl ↔[ППК]К⁺ + НСl;

Гидролитическая кислотность обнаруживается при воздействии на почву гидролитически щелочной соли:

[ППК]Н⁺ + CH₃COONa ↔ [ППК]Nа⁺ + СН₃СООН.

Уксуснокислый натрий как слабогидролизуемая соль связывает все водородные ионы и происходит практически полное вытеснение протонов из почвенного поглощающего комплекса. Поэтому во всех агромелиоративных расчетах пользуются данными определения гидролитической кислотности для установления доз СаCO₃ при ликвидации избыточной кислотности. Этот прием называют изеесткоеанием почв. В присутствии углекислоты известь переходит в растворимый бикарбонат и происходит необменное поглощение Н⁺:

СаCO₃ + H₂O + CO₂= Са(НСО₃)₂;

[ППК]2Н⁺ + Са(НCO₃)₂ ↔ [ППК]Са²⁺ + 2Н₂O + 2CO₂.

Нуждаемость почв в известковании определяют по степени насыщенности почв основаниями, по соотношению между поглощенными Са²⁺ + Mg²⁺ и Н⁺ + Al³⁺.

Степень насыщенности почв основаниями выражается в процентах от емкости обмена:

где V— степень насыщенности почв основаниями, %; S — сумма обменных оснований, м-экв. на 100 г; Е – емкость поглощения, м-экв. на 100 г; Н — гидролитическая кислотность, м-экв. на 100 г.

Различают также актуальную и потенциальную щелочность. Актуальная щелочность почв обусловлена присутствием в почве гидролитически щелочных солей: Na₂CO₃, NaHCO₃, Ca(HCO₃)₂, MgCO₃, Mg(HCO₃)₂ и др.:

Na₂CO₃ + 2НОН ↔ H₂CO₃ + 2Na + 20H^—

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

Потенциальная щелочность характерна для почв солонцеватых, содержащих обменный натрий:

Следовательно, потенциальная щелочность – не что иное как солонцеватость почв.