Поглотительная способность почв — свойство почвы задерживать вещества, растворенные в почвенном растворе и контактирующие с её твердой фазой. Поглотительная способность обеспечивается почвенным поглощающим комплексом. Удерживаться вещества могут в растворенном состоянии, в виде коллоидальных частиц и суспензий.
В зависимости от способа поглощения различают виды поглотительной способности почв:
- механическую,
- физическую,
- физико-химическую (обменную),
- химическую,
- биологическую.
Почвенный поглощающий комплекс — совокупность минеральных, органических и органоминеральных частиц твердой фазы почвы.
Учение о поглотительной способности почв впервые создал К.К. Гедройц, дальнейшее развитие оно получило в работах Г. Вигнера и С. Маттсона.
Механическая поглотительная способность
Механическая поглотительная способность почвы — способность механически удерживать в порах почвы частицы, взмученные в проходящей через профиль почвы воде. При этом удерживаются суспензии алюмосиликатных и органических частиц, коллоидально-распыленных веществ, что позволяет сохранить коллоидные фракции, плохо растворимые удобрения и мелиоранты.
Интенсивность механического поглощения зависит от пористости почвы, размера пор, дисперсности вещества. Поэтому глинистые и суглинистые почвы характеризуются большей механической поглотительной способностью, чем песчаные и супесчаные.
Этот вид поглотительной способности играет также роль в распределении микроорганизмов по профилю почвы.
Физическая поглотительная способность
Физическая поглотительная способность почв — способность удерживать на поверхности твердой фазы минеральные и органические вещества за счет действия адсорбционных сил. Физическое поглощение обусловлено наличием высокодисперсной фазы почвы «почва + почвенный раствор», обладающей свободной поверхностной энергии, благодаря которой происходит притягивание и накопление почвенной воды и содержащихся в ней веществ на поверхности твердых частичек почвы.
В крупнозернистых, например, песчаных почвах, адсорбционные силы относительно небольшие, поэтому физическая поглотительная способность их низкая. С увеличением дисперсности почв, количества ила и коллоидальной фракции адсорбционные силы возрастают.
Повышение концентрации растворенного вещества в слое дисперсионной среды, примыкающей к частицам твердой фазы, называется положительной адсорбцией. Вещества, приводящие к увеличению поверхностного натяжения дисперсионной среды, вызывают отрицательную адсорбцию. В случае положительной адсорбции дисперсная фаза притягивает из дисперсионной среды к своей поверхности растворенные вещества, при отрицательной адсорбции — отталкивает. Положительно адсорбируются гидраты оксидов металлов и соли, образованных сильными основаниями и слабыми кислотами. Анионы адсорбируются отрицательно.
При данном виде поглощения содержащиеся в почвенном растворе вещества не претерпевают изменений.
В связи с большим количеством факторов (состава почвы, погодных условий), способных оказывать влияние на физическое поглощение, этот вид поглощения является динамическим.
Положительная адсорбция имеет важное значение в почвенных процессах и питании растений: растворенные вещества удерживаются от вымывания в глубокие слои почвы и создаются различные концентрации питательных веществ, позволяя растениям выбирать раствор с наиболее оптимальной для них концентрацией.
Физическое поглощение в почве может возникать также в результате коагуляции (слипания) коллоидных частиц. Этот процесс останавливает вымывание илистой фракции почвы и питательных веществ из корнеобитаемого слоя. Определить физическое поглощение сложно, так как оно находится во взаимосвязи с химическим поглощением и обменной адсорбцией.
Физическое поглощение имеет значение для рационального использования удобрений, в составе которых входят, например, растворимые нитраты и хлориды. Например, хлорид-ионы в больших количествах являются токсичными для многих культур, поэтому хлорсодержащие удобрения вносят осенью, чтобы за время осенне-весенних осадков произошло его вымывание из пахотного слоя. Наоборот, для нитратных удобрений такое вымывание нежелательно, поэтому их вносят весной перед посевом или в подкормках.
Физическая поглотительная способность почв имеет экологическое значение: адсорбция пестицидов уменьшает их проникновение в сопредельные среды, в том числе растения.
Биологическое поглощение
Биологическое поглощение — поглощение растениями и микрофлорой почвы питательных веществ, удобрений и воздуха. В процессе жизнедеятельности растений и почвенных микроорганизмов накапливается органическое вещество, включающее зольные элементы и азот.
Особенностью процесса биологического поглощения является избирательность: корни растений и микроорганизмы усваивают из почвы те элементы, в которых они нуждаются.
К биологическому поглощению относится фиксация свободного азота азотфиксирующими микроорганизмами. Азотфиксаторы переводят молекулярный атмосферный азот в доступные для растений формы. Процесс азотфиксации может регулироваться с помощью удобрений, мелиорантов, посевами бобовых культур и способами обработки почвы. Бактерии-нитрификаторы окисляют аммиачный азот в нитратный, который, если не усваивается растениями и микроорганизмами, вымывается из почвы и/или подвергается денитрификации. Биологическое поглощение является единственным способом сохранения нитратов и хлоридов в почве.
Часть питательных веществ, вносимых в почву с удобрениями потребляется микроорганизмами. При сильно выраженном процессе он может отрицательно отразиться на питании растений. В окультуренных дерново-подзолистых почвах в плазме микробных клеток содержится около 125 кг азота, примерно 40 кг P2O5 и около 25 кг K2O на 1 га.
Согласно исследованиям, проведенным радиоизотопным методом с помощью изотопа 15N, в органической форме в почве закрепляется 10-20% азота в форме нитратов и 20-40% в аммонийной форме от вносимых азотных удобрений.
На интенсивность биологического поглощения влияет:
- воздушный режим почв;
- содержание органического вещества почвы, растительных остатков и органических удобрений;
- тепловой режим почв;
- реакции среды.
Легкодоступным источником энергетического материала для микроорганизмов служат корневые выделения растений. Поэтому в зоне ризосферы особенно интенсивно протекают микробиологические процессы.
В питании растений важная роль принадлежит грибам и их микоризе, развивающейся в зоне ризосферы. Грибы снабжаются через корневую систему растений кислородом; обладают способностью разлагать органическое вещество почвы и обеспечивать растение-хозяина минеральными веществами и водой.
Микробиологические процессы в почве возможно регулировать с помощью применения органических и минеральных удобрений, известкования, внесения бактериального удобрения, севооборотом, сроками и способами обработки почв и другими агротехническими приемами.
Химическая поглотительная способность
Химическая поглотительная способность почв — способность почвы удерживать ионы посредством образования в результате химических реакций нерастворимых соединений, или, способность почвы переводить анионы и катионы почвенного раствора в труднорастворимые вещества.
Нитраты и хлориды (NO3— и Сl—) не участвуют в химическом поглощении, так как не образуют ни с одним катионом почвы труднорастворимые вещества. Карбонаты и сульфаты (СO32-, SO42-) химически поглощаются при высоком содержании в почвах кальция Са2+ и магния Mg2+. Фосфаты достаточно легко образуют труднорастворимые соединения со всеми двух- и трехвалентными катионами (Са2+, Mg2+, Fe3+, Al3+).
В нейтральных почвах или со слабощелочной реакцией, содержащих обменно-поглощенный кальций, гидрокарбонаты кальция или магния в почвенном растворе, происходит химическое поглощение фосфорной кислоты в результате образования малорастворимых фосфатов кальция и магния. Так, при внесении в почву с высоким содержанием кальция водорастворимых фосфорных удобрений (суперфосфата) происходят реакции:
Са(Н2РO4)2 + Са(НСO3)2 → 2СаНРO4 + 2Н+ + СО32-,
Са(Н2РO4)2 + 2Са(НСO3)2 → Са3(РO4)2 + 8Н+ + 4СО32-.
С обменно-поглощенным кальцием в почве:
Образующиеся в результате аналогичных химических реакций малорастворимые соли осаждаются и переходят из почвенного раствора в твердую фазу почвы.
Наряду с химическим поглощение (ретроградацией) фосфатов в почвах возможен обратный процесс — мобилизация фосфора: перевод его из недоступных форм в доступные. Мобилизация происходит при подкислении почв, которое, в частности, возможно при повышении концентрации угольной, азотной и органических кислот, образующихся в процессе жизнедеятельности и разложения растений и биоты. Так, образующаяся в процессе нитрификации азотная кислота превращать трехзамещенный фосфат кальция в однозамещенный:
4HNO3 + Ca3(PO4)2 = 2Ca(NO3)2 + Ca(H2PO4)2.
В почвах с гидролитической кислотностью выше 2,5 мг-экв/100 г растения способны усваивают трехзамещенные фосфаты. Причем, чем кислее почва, тем интенсивнее происходит этот процесс, не уступая поглощению однозамещенных фосфатов.
В кислой среде могут образовываться малорастворимые фосфаты железа и алюминия:
Fe(ОН)з + H3PO4 → FePO4 + 3H2O или
Al(ОН)з + H3PO4 → AIPO4 + 3H2O.
В отличие от фосфатов кальция фосфаты алюминия и железа малорастворимы в почвенном растворе с кислой реакцией среды. Поэтому химическое поглощение фосфатов в разных почвах происходит по-разному. В почвах с кислой реакцией образуются малорастворимые фосфаты полуторных оксидов, а с нейтральной и щелочной реакцией — образуются малорастворимые фосфаты кальция.
Свежеосажденные трехзамещенные фосфаты железа, алюминия и кальция могут поглощаться благодаря корневым выделениям растениями, однако при старении осадков их доступность растениям снижается. Двухзамещенный фосфат кальция (СаНРO4) растворим в слабых кислотах и поэтому за счет кислых корневых выделений усваивается растениями. В период от прорастания семян до появления развитых корней растения потребляют только водорастворимые однозамещенные фосфаты. Однако именно они быстро химически связываются во всех типах почв, причем не только с растворимыми, но и находящимися в поглощенном состоянии ионами кальция, магния, железа и алюминия.
По возрастанию способности к химическому поглощению фосфатов почвы располагаются в последовательности: черноземы < серозёмы < дерново-подзолистые почвы < краснозёмы. Интенсивное поглощения фосфатов обусловливает необходимость внесения и заделки фосфорных удобрений на определенную глубину вблизи участков расположения корней, так как мигрировать они не могут. Для уменьшения химического поглощения доступных форм фосфора удобрений уменьшают суммарную поверхность контакта их с почвой посредством гранулирования порошковидных форм и локализации порошковидных и гранулированных форм при допосевном внесении. Благодаря такому приемы гранулированный суперфосфат при любых способах внесения и на всех почвах обеспечивает большую прибавку урожаев культур, чем порошковидный. Фосфор органических удобрений (навоза и компостов) усваивается растениями лучше, чем из минеральных удобрений.
Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность
Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность — способность почвы удерживать на поверхности частиц ионы, или способность мелкодисперсных коллоидов почвенных частиц с отрицательным зарядом поглощать катионы из раствора. Обменное поглощение состоит в равновесном обмене катионами между раствором и твердой фазой.
К.К. Гедройц сформулировал основной закон обменной адсорбции почв: все почвы обладают способностью обменивать содержащиеся в их поглощающем комплексе катионы на катионы электролитов, причем количество катионов, поглощенных почвой, эквивалентно равно количеству катионов, вытесненных в раствор.
В обменном поглощении катионов имеет значение поверхностная энергия. При обменном поглощении электролиты почвенного раствора вступают в химическую реакцию с молекулами на поверхности почвенных частиц. Такая химическая реакция становится возможной при наличии поверхностной энергии с одной стороны, и отрицательно заряженных почвенных коллоидальных частиц, которые притягивают к своей поверхности катионы почвенного раствора, где эти катионы вступают в обменную реакцию с катионами, расположенными на поверхности частичек. Эти обменные реакции имеют физическую и химическую природу.
В отличие от химического поглощения при обменном поглощении концентрация раствора не меняется, а меняется состав катионов в растворе, концентрация анионов при этом почти не изменяется. При поглощении катиона из раствора почва отдает в раствор эквивалентное количество другого катиона, который до этого находился в твердой фазе:
В зависимости от концентрации раствора, природы катионов и свойств адсорбирующих частиц почвы между катионами раствора и твердой фазы устанавливается динамическое равновесие. Так, изменение состава почвенного раствора при внесении удобрения, образование различных растворимых соединений в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, выделение углекислого газа и других веществ корнями растений являются факторами смещения равновесия.
Обменное поглощение в почвах впервые было исследовано К.К. Гедройцем. Всю совокупность мелкодисперсных минеральных и органических частиц почвы, являющихся носителем обменной поглотительной способности почвы, он назвал почвенным поглощающим комплексом (ППК). В его состав входят почвенные коллоиды, то есть частицы размером от 0,25 до 1 мкм. С увеличение размера способность к обменному поглощению снижается. Почвенные коллоиды подразделяются на:
- органические,
- минеральные,
- органоминеральные.
Реакция обмена удобрений с ППК почвы можно представить следующим уравнением:
Органические коллоиды представляют собой преимущественно гумусовые вещества. К минеральным коллоидам относят кристаллические глинистые минералы каолинитовой и монтмориллонитовой групп, гидрослюды и аморфные соединения (гидраты полуторных оксидов, кремниевую кислоту и др.). Частицы органических и минеральных коллоидов несут отрицательный заряд, за исключением коллоидов гидроксидов алюминия и железа. Этим объясняется выраженная способность большинства почв к поглощению катионов, а не анионов. Глинистые минералы каолинитовой группы в условиях кислой реакции могут приобретать положительные заряды.
Гидроксильные группы, связанные с алюминием в октаэдрическом слое, расположенном на внешней поверхности микрокристаллических частиц каолинита, при кислой реакции могут отщепляться, образуя на отдельных участках частицы положительные заряды. В этом случае они способны поглощать из почвенного раствора анионы, обменивая их на ОН—. По этой причине, чем больше в поглощающем комплексе минералов каолинитовой группы и гидроксидов алюминия и железа, тем ниже катионная обменная способность и тем выше способность к обменному поглощению анионов. Основные свойства таких коллоидов проявляются на сильнокислых дерново-подзолистых почвах и красноземах.
В ППК сильнокислых почв, таких как болотные, подзолистые, красноземы, желтоземы, обогащенные гидроксидами железа и алюминия, наряду с ацидоидными коллоидами присутствуют положительно заряженные (базоиды), содержащие в качестве противоионов анионы, вытесняемые другими анионами почвенного раствора:
[Al(OH)2]HPO4 + (NH4)2SO4 ⇔ [Al(OH)2]SO4 + (NH4)2HPO4.
Закономерности обменного поглощения
- Реакция обмена протекает в эквивалентных соотношениях и является обратимой. При этом устанавливается динамичное равновесие между твердой фазой почвы и раствором. Равновесие зависит от состава и концентрации раствора, природы анионов и катионов, свойств почвы. Удобрения, мелиоранты, степень и интенсивность минерализации органического вещества, влажность, потребление ионов растениями смещают равновесие.
- При постоянной концентрации раствора количество катионов, вытесняемых из твердой фазы в раствор, увеличивается с ростом объема раствора; при постоянном объеме — количество катионов, вытесняемых из почвы в раствор, повышается с ростом концентрации раствора.
- Скорость обменных реакций высокая: за 3-5 мин от момента внесения водорастворимых удобрений с ППК обменивается на эквивалентное количество ионов до 85 % катионов ППК.
- Разные катионы характеризуются различными энергиями поглощения и удерживания в поглощенном состоянии.
Чем выше относительная атомная масса и больше заряд катиона, тем сильнее его поглощение и труднее вытеснение из поглощенного состояния. В ряду одновалентных катионов поглощение увеличивается в порядке:
Li+ < Na+ < NH4+ < K+ < Rb+
Относительная атомная массая этих катионов соответственно равна 6, 9, 23, 18, 39, 85. Двухвалентные катионы располагаются в ряду: Mg2+ < Ca2+ < Co2+ (относительная атомная масса 24, 40, 59 соответственно), трехвалентные: Al3+ < Fe3+ (относительная атомная масса 27 и 56).
Двухзарядные катионы магния поглощаются лучше однозарядных катионов натрия, кальций поглощается лучше калия. Для оценивания сорбируемости катионов К.К. Гедройц ввел понятие «энергия поглощения катионов».
По возрастанию способности к поглощению катионы располагаются в ряду:
7Li+ < 25Na+ < 18NH4+ < 39K+ < 89Rb+ << 27Mg2+ < 40Ca2+ < 59Co2+ << 27Al3+ < 56 Fe3+.
Среди одновалентных катионов из-за меньших размеров ионов в гидратированном состоянии исключением являются аммоний и водород Н+ или Н3O+ (гидроксоний), который по энергии поглощения в 4 раза превосходит кальций и в 17 раз — натрий.
Возрастание энергии поглощения катионов с ростом их атомной массы объясняется уменьшением степени их гидратации. Слабо гидратированные катионы сильнее притягиваются поверхностью коллоида. Минералы каолинитовой группы поглощают катионы наружной поверхностью кристалла, так как имеют небольшое свободное пространство между пакетами кристаллической решетки (2,8 А). У минералов монтмориллонитовой группы свободное пространство между пакетами больше и составляет в сухом состоянии 9,4 А, при набухании — до 21 А.
Катионный обмен может протекать на внешней (экстрамицелярно) и внутренней поверхности коллоидов (интрамицелярно). Глинистые минералы группы монтмориллонита с трехслойной кристаллической решеткой, расширяясь при увлажнении, могут поглощать катионы экстрамилярно и интрамицелярно. При подсыхании почвы, межпакетное пространство сокращается и замыкает поглощенные катионы в гексагонах. При увлажнении катионы вновь становятся доступными растениям.
Поглощение калийных и аммонийных катионов увеличивается с ростом содержания минералов группы монтмориллонита. Внесение аммиачных и калийных удобрений в слои почвы с устойчивой влажностью, позволяет снизить необменное поглощение (фиксацию) катионов и сохранить их в доступной для растений форме.
Катионное обменное поглощение определяет реакцию, буферность, структурное состояние и иные свойства почвы. В нейтральных почвах взаимодействие протекает преимущественно между водорастворимыми формами, в кислых и щелочных почвах — обусловлено обменом ионов между ППК и удобрениями, ППК и мелиорантами.
Необменное поглощение катионов
В почве также протекает необменное поглощение катионов, в результате чего глинистыми минералами с трехслойной кристаллической решеткой закрепляются катионы.
Необменное поглощение аммония и калия варьирует в широких пределах, в зависимости от генетических свойств почв, их гранулометрического и минералогического состава. На чернозёмных почвах оно выражено сильнее, чем на дерново-подзолистых. Оно возрастает также при периодическом увлажнении и высушивании. Поэтому неглубокая заделка аммиачных и калийных удобрений в слои почвы, подверженной увлажнению и подсыханию, усиливает необменное поглощение аммония и калия. Необменно-поглощенные аммоний и калий медленнее высвобождаются в доступные формы, чем обменно-поглощенные.
Емкость поглощения катионов почвой
Емкость поглощения катионов почвой, или емкость поглощения, или емкость катионного обмена (ЕКО), — максимальное количество катионов, которые могут быть обменно поглощены почвой. Ёмкость поглощения выражают в миллимолях на 100 г почвы. Например, если 100 г почвы содержат 500 мг поглощенного кальция в отсутствии других катионов, то емкость поглощения будет равна 500 : 20 = 25 ммоль-эквивалент/100 г почвы, где 20 — эквивалентная масса кальция (40 : 2 = 20), а 1 ммоль-эквивалент кальция равен 20 мг. Если весь кальций (в примере 500 мг) вытеснить NH4+, то вместо кальция поглотится 450 мг NH4+, так как эквивалентная масса иона NH4+ равна 18. Поэтому при обмене Са2+ на NH4+ на место 20 мг Са поглощается 18 мг аммония. Емкость поглощения при этом остается одинаковой: в миллимолях-эквивалентах она также будет равна 25 ммоль/100 г почвы, так как 450 : 18 = 25. Таким образом емкость поглощения для конкретной почвы является постоянной величиной.
Емкость поглощения может выражаться в миллиграмм-эквивалентах на 100 г почвы. Например, если 100 г почвы содержат в обменно-поглощенном состоянии 160 мг кальция, 24 мг магния и 3 мг водорода, то ЕКО (Т) будет равна:
где 20 — эквивалентная масса Ca, 12 — Mg и 1 — H.
Величина емкости поглощения зависит от:
- содержания высокодисперсных частиц в почве;
- химическим и минералогическим составом почвенных коллоидов;
- реакцией почвы (величиной pH).
Почвы, характеризующиеся высоким содержанием высокодисперсных частиц, отличаются высокой ёмкостью поглощения; у глинистых почв она выше, чем у песчаных.
Разные группы коллоидов почвы отличаются по ёмкости поглощения. Из глинистых минералов наибольшей емкостью катионного поглощения обладают монтмориллонитовые минералы, характеризующиеся высокой степенью дисперсности, емкость поглощения их достигает — 60-150 ммоль/100 г минерала. Каолинит отличается низкими дисперсностью и активной поверхностью, емкость поглощения катионов — 3-15 ммоль/100 г минерала.
Органические почвенные коллоиды обладают большей поглотительной способностью по сравнению с минеральными. Емкости обмена катионов гуминовыми кислотами различного происхождения определяются содержанием функциональных групп: гуминовые кислоты подзолистых почв имеют емкость около 350 ммоль/100 г вещества при pH = 7,0, а гуминовые кислоты черноземов и каштановых почв — 400-500 ммоль/100 г при тех же условиях. Поэтому чернозёмы отличаются более высокой величиной ёмкости поглощения — 40-60 ммоль/100 г почвы по сравнению с дерново-подзолистыми, емкость поглощения которых составляет 10-15 ммоль/100 г. Емкость поглощения органического вещества твердой фазы почвы в 10-30 раз больше минеральной части, а при содержании гумуса 5-6% на его долю приходится свыше 50% общей емкости.
Емкость поглощения аморфных минеральных коллоидов зависит от соотношения в их составе SiO2 : R2O3. Чем больше это соотношение и чем больше ацидоидная часть, тем выше величина емкости поглощения. Повышение pH приводит к увеличению емкости поглощения из-за возрастания отрицательного заряда коллоидов и, следовательно, поглотительной способности.
Обменная поглотительная способность зависит от состава почвенных коллоидов. Чем больше доля мелкодисперсной фракции органического вещества и монтмориллонитовых минералов, тем выше емкость поглощения. Способность органического вещества почвы к адсорбции катионов определяется кислотной (ацидоидной) природой перегнойных веществ, за счет которых органические коллоиды имеют отрицательный заряд от карбоксильных групп:
RCOOH → RCOO— + Н+.
Реакцию катионного обмена органических почвенных коллоидов, можно представить в следующем виде:
Способность к обмену катионов у минеральных частиц мелкодисперсной фракции также связана с отрицательным зарядом.
Возникновение отрицательного заряда у почвенных минералов обусловлено с наличием изоморфных замещений в силикатных и алюмосиликатных структурах. Соединение состава (SiO2)n нейтрально, но если в кремнекислородной структуре часть атомов кремния в тетраэдрической координации будет замещена на атомы алюминия, то это приводит к образованию отрицательного заряда:
[(SiO2)n]
нейтральная структура
[(SiO2)n-1AlO2]—
структура с отрицательным электрическим зарядом
Отрицательный заряд в алюмосиликатах уравновешивается соответствующим количеством катионов.
У глинистых минералов мелкодисперсной фракции почвы, эти катионы способны к диссоциации и обмену на другие катионы:
[(SiO2)n-1AlO2]K → [(SiO2)n-1AlO2]— + K+
Высокая емкость поглощения минералов группы монтмориллонита объясняется строением кристаллической решетки, которая состоит из плоских пакетов, состав и строение которых имеет вид:
…O3Si2O2OHAl2OHO2Si2O3…
Такая структура нейтральна, алюминий, расположенный в центральной части пакета, образует слой с октаэдрической координацией, и в этом положении отрицательный заряд алюмосиликатной структуре не сообщается. Однако заряд появляется, если алюминий частично замещается атомом кремния в кремнекислородном слое:
[…O3Si2O2OHAl2OHSiAlO2…]—.
[…O3Si2O2OHAl2OHSiAlO2…]—.
Таким образом, влияние алюминия на заряд алюмосиликатной структуры определяется его положением. Алюминий, образующий самостоятельный алюмокислородный или алюмогидроксильный слой с октаэдрической координацией, не обладает ацидоидными свойствами. Монтмориллонит может получать отрицательный заряд за счет изоморфного замещения, например, частичной замены алюминия в октаэдрической координации на магний:
[…O3Si2O2OHAlMgOHO2Si2O2…]—.
Высокая обменная способность минералов этого типа обусловлена также обменной способностью внутренней частью микрокристаллической структуры, вследствие того, что при набухании раствор проникает в межпакетные пространства кристаллической решетки.
Другие минералы мелкодисперсной фракции имеют более плотную упаковку, вследствие чего обмен катионов происходит только на внешней поверхности микрокристаллов. К таким минералам относится каолинит, состав и строение пакетов которого можно представить в следующем виде:
…O3Si2O2OHAI2(OH)3…
По сравнению с минералами монтмориллонитовой группы в каолините содержится больше алюминия и меньше — кремнекислоты. Алюминий в не только не сообщает ацидоидных свойств, но может проявлять основные свойства за счет связанных гидроксильных ионов, выходящих на внешнюю поверхность микрокристаллических частиц:
[…O3Si2O2OHAI2(OH)2…]+ + OH—.
В еще большей степени проявляются основные (базоидные) свойства у свободных, не связанных с кремнекислотой полуторных оксидов алюминия и железа, которые в кислой среде проявляют основные свойства:
[Fe(OH)3]n → [Fen(OH)3n-1]+ + OH—,
[Al(OH)3]n → [Aln(OH)3n-1]+ + OH—.
По мере общего увеличения в мелкодисперсной фракции алюминия и железа и уменьшения количества кремнекислоты отмечается снижение катионной обменной способности и уменьшение ёмкости поглощения.
Низкая емкость поглощения легких песчаных и бедных органическим веществом почв объясняется низким содержанием в них мелкодисперсной коллоидной фракции. Низкая ёмкость поглощения дерново-подзолистых почв может быть обусловлена повышенным содержанием свободных полуторных оксидов в мелкодисперсной фракции, а среди алюмосиликатных минералов — глин с преобладанием каолинитовых минералов.
Высокая емкость поглощения чернозёмов обусловлена повышенным содержанием тонкодисперсной фракции с высоким содержанием органических веществ и преобладанием глинистых монтмориллонитовых минералов с высоким соотношением SiO2 : (Al2O3 + Fe2O3).
Почвенные коллоиды проявляют ацидоидные свойства в большей степени в условиях нейтральной или слабощелочной среды. При кислой реакции заряд почвенных коллоидов уменьшается, снижая емкость поглощения.
Емкость поглощения разных типов почв меняется от 5-10 мг-экв/100 г для легких дерново-подзолистых почв до 20-70 мг-экв/100 г для черноземных. При подкислении и увеличении содержания амфотерных коллоидов (амфолитоидов) емкость поглощения снижается.
Состав поглощённых катионов
В обменно-поглощенном состоянии все почвы содержат кальций и магний, в выщелоченных, обыкновенных и мощных черноземах доля кальция (30-40 ммоль) и магния (5-10 ммоль) достигает 80-90% при небольшом количестве катионов водорода и алюминия.
В южных черноземных, каштановых почвах и сероземах в емкости катионного обмена преобладают кальций и магний, с небольшой долей натрия, водород отсутствует. В солонцах и солончаках в обменно-поглощенном состоянии содержится кальций, магний и натрий. В красноземах, желтоземах, подзолистых и дерново-подзолистых почвах в состав поглощенных катионов входят кальций, магний, алюминий, водород и железо. Катионы калия и аммония в обменно-поглощенном состоянии в небольшом количестве присутствуют во всех почвах.
Состав поглощенных катионов влияет на свойства почвы:
- Вследствие обратимости обменной реакции почва способна регулировать состав почвенного раствора, например, KCl на чернозёме вытесняет Са2+, на кислых почвах — Al3+ и Н+. Состав поглощённых катионов оказывает влияние на действие удобрений.
- Состав поглощенных катионов влияет на состояние поглощающего комплекса, так, кальций и магний увеличивают ёмкость поглощения, улучшая физические свойства почвы, натрий ухудшает.
Ионы водорода определяют кислотность почвы, вызывая постепенное разрушение минералов, составляющих поглощающий комплекс. Поэтому вытеснение поглощенного кальция ионами водорода приводит к уменьшению емкости поглощения, ухудшая структуру почвы. Внесение удобрений позволяет регулировать соотношение поглощенных катионов. Известкование дерново-подзолистых почв и гипсование солонцовых увеличивает содержание кальция в поглощающем комплексе.
Увеличение емкости катионного обмена
Емкость катионного обмена и состав поглощенных катионов играют огромную роль в питании растений и превращении удобрений, определяют реакцию и буферные свойства твердой и жидкой фаз, а также катионо-анионный состав и концентрацию почвенного раствора. Чем выше емкость поглощения почвы, тем экономически более выгодно и экологически безопаснее разовое (запасное, периодическое) внесение высоких доз удобрений и мелиорантов. Напротив, чем ниже емкость поглощение, тем эффективнее дробное внесение небольших доз удобрений и мелиорантов.
Состав и количество поглощенных катионов влияют на дисперсность ППК и свойства почвы, питание растений, трансформацию удобрений и мелиорантов. Катионы осаждают отрицательно заряженные почвенные коллоиды в следующей последовательности:
Li+ < NH4+ < Na+ < K+ << Mg2+ < Ca2+ < H+ << Al3+ < Fe3+.
При подкислении осаждающее действие катионов усиливается, при подщелачивании — ослабевает, катионы с одинаковым зарядом в щелочной среде не вызывают осаждения (коагуляции) коллоидов. Катионы кальция осаждают коллоиды почвы даже в щелочной среде, а магния — занимают промежуточное положение между однозарядовыми катионами и кальцием.
Преобладающий в составе поглощенных катион кальция при взаимодействии с удобрениями переходит в почвенный раствор, осаждает органические и минеральные коллоиды, содержащиеся в нем, таким образом накапливает и сохраняет их в твердой фазе, увеличивая емкость поглощения.
Содержание в ППК щелочных катионов калия и натрия более 3-5% ЕКО приводит к диспергированию коллоидной и предколлоидной фракций, резко ухудшая свойства щелочных почв. При взаимодействии с удобрениями, мелиорантами и минеральными солями почвенного раствора поглощенный натрий переходит в раствор и образует гидролитически щелочные соли, отрицательно влияющие на рост и развитие растений:
Высокое содержание в ППК обменно-поглощенных катионов водорода, алюминия, железа и марганца, что характерно для подзолистых и болотных почв, желтоземов, красноземов, ухудшает свойства кислых почв. Катион водорода постепенно разрушает минералы ППК, ухудшая структуру почвы, обедняет ее коллоидной фракцией и снижает ЕКО, что в целом отрицательно влияют на рост, развитие и урожайность культур.
Соотношения и состав обменно-поглощенных катионов разных почв регулируются удобрениями и мелиорантами. На кислых почвах катионы водорода, алюминия, железа и марганца вытесняются из ППК при внесении известковых мелиорантов, на щелочных — катионы натрия — внесением гипсосодержащих. В обоих случаях отрицательно влияющие на культуры катионы замещаются кальцием.
Чем выше емкость катионного поглощения почвы, тем большее количество различных катионов она способна сохранить от вымывания, обеспечивая тем самым лучшие условия питания, роста и развития растений. Кроме того, повышение ЕКО положительно влияет на устойчивость почв к антропогенному воздействию, в частности к химическому загрязнению.
Литература
Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.
Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия/Под ред. Б.А. Ягодина. — М.: Колос, 2002. — 584 с.: ил.
