Тонкодисперсная часть и поглотительная способность почвы

План

1. Тонкодисперсная часть почвы.

2. Поглотительная способность почвы.

3. Почвенный воздух, особенности состава.

4. Формы почвенного воздуха, воздушно-физические свойства почв.

5. Почвенный раствор.

6. Кислотность почв.

 

Тонкодисперсная часть почвы. Почва – сложное образование, в состав которого входит твердое, жидкое и газообразное вещество. Каждая из этих составных частей почвы представлена различными формами.

По степени дисперсности (распыленности, раздробленности) выделяются две формы твердого вещества почвы. Первую группу образуют сравнительно крупные частицы, размер которых превышает 0,001 мм. Это крупнодисперсная масса почвы, она сложена обломками горных пород и слагающих их минералов, минеральными новообразованиями, малоизмененными органическими остатками. Вторую группу образуют высокодисперсные частицы размером от 0,001 мм и менее, активно участвующие в протекающих в почве процессах. Высокодисперсная (тонкодисперсная) часть почвы слагается частицами новообразованных и породообразующих, преимущественно глинистых минералов, специфическими почвенными органическими образованиями – гумусовыми соединениями.

Высокодисперсная часть почвы играет важную роль в режиме почвообразования. От содержания частиц менее 0,001 мм зависит ряд физических, физико-химических и водно-физических свойств почвы. Большое значение имеют высокодисперсные частицы для создания благоприятной почвенной структуры. Кроме того, высокодисперсная часть почвы в значительной мере обусловливает режим питания растений.

Дисперсные вещества образуют дисперсные системы, в которых различают дисперсную фазу и дисперсионную среду. Частицы дисперсной фазы как бы растворены в дисперсионной среде. Среди дисперсных систем выделяются грубодисперсные системы с частицами дисперсной фазы крупнее 0,1 мк и коллоидно-дисперсные системы (дисперсоиды) с частицами от 0,1 мк до 1 нм. Коллоидно-дисперсные системы могут быть представлены различными комбинациями дисперсионной среды и дисперсной фазы. Для процессов почвообразования особое значение имеют коллоидно-дисперсные системы, дисперсионной средой которых является жидкость (вода), а дисперсной фазой – твердое вещество. Эти системы носят название золей или коллоидных растворов. Они состоят из коллоидных частиц.

Коллоидная частица имеет двойной электрический слой и называется мицелла. Внутренняя часть мицеллы – ядро. Слой ионов, прилегающих к ядру, называется потенциалопределяющим, а внешний слой – компенсирующим. В компенсирующем слое выделяются внешний и внутренний слои. Внутренний слой называется неподвижным слоем компенсирующих ионов, так как он представлен неотдиссоциированными ионами, прочно соединенными с ионами потенциалопределяющего слоя. Внешний слой – диффузный. Он представлен отдиссоциированными ионами, менее прочно связанными с потенциалопределяющими ионами. Диффузный слой может существовать только при наличии дисперсионной среды, т. е. воды. Если почва высохнет, то ионы диффузного слоя переходят в неподвижный слой. Мицелла без диффузного слоя называется частицей.

В коллоидном растворе частицы какого-либо вещества обладают одинаковым зарядом и в силу этого отталкиваются друг от друга. Если создадутся условия для взаимного притяжения частиц, то возникнут агрегаты из нескольких частиц, состояние коллоидного раствора будет нарушено, а вещество, находившееся в состоянии дисперсной фазы коллоидного раствора, выпадет в виде рыхлого осадка. Процесс соединения отдельных коллоидных частиц и выпадение осадка называется коагуляцией. Осадок, возникший в результате коагуляции, называется гелем. Коагуляция происходит в результате нейтрализации коллоидных частиц. Переход геля в золь называется пептизацией.

Гели широко распространены в природе. Многие особенности почвы связаны с наличием гелей. Обладая в силу высокой дисперсности огромной поверхностью, гели могут поглощать (сорбировать) из раствора ионы различных химических элементов, не образуя с ними при этом химических соединений. Катионы раствора, поглощаясь коллоидными частицами, вытесняют ранее поглощенные катионы. Таким образом, в процессе поглощения имеет место своеобразный физико-химический обмен химических элементов. Тонкодисперсная часть почвы, которая способна содержащиеся в ней анионы и катионы удерживать или обменивать на другие анионы и катионы из почвенного раствора называется почвенно-поглощающий комплекс.

Диффузный слой коллоидных мицелл может быть полностью насыщен катионами (кальцием, магнием, натрием, калием) или частично занят ионами водорода. Количество поглощенных оснований и водорода называется емкостью поглощения или обмена. Процентное содержание суммы оснований (от емкости поглощения) называют степенью насыщенности коллоидов основаниям. Степень насыщенности основаниями в почвенных коллоидах колеблется от нескольких процентов до 100.

Поглотительная способность почвы – свойство почвы задерживать, поглощать твердые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в соприкосновении с твердой фазой почв. В зависимости от причин, определяющих явление поглощения, выделяют разные типы поглотительной способности почв [7].

Механическая поглотительная способность проявляется при фильтрации воды, когда в почвенных порах и капиллярах задерживаются относительно крупные частицы, взвешенные в поверхностных водах. Механическая поглотительная способность почв и грунтов обусловливает чистоту ключевых грунтовых вод, формирующихся из поверхностных вод, мутных от большого количества механических примесей. Явление механической поглотительной способности широко используется при устройстве искусственных фильтров для очистки воды.

Молекулярно-сорбционная (физическая) поглотительная способность – увеличение концентрации молекул различных веществ в растворе у поверхности коллоидов. Это обусловливается притяжением отдельных молекул к поверхности твердых почвенных частиц в результате проявления поверхностной энергии.

Ионно-сорбционная (обменная) поглотительная способность заключается в обмене ионов, адсорбированных почвой, на ионы почвенного раствора.

Химическая поглотительная способность обусловлена образованием труднорастворимых химических соединений в результате реакций обмена в почвенном растворе.

Биологическая поглотительная способность связана с присутствием животных и растительных организмов в почве. В процессе своего жизненного цикла растения и животные избирательно накапливают некоторые химические элементы, необходимые для своей нормальной жизнедеятельности. Накопленные элементы частично задерживаются в почве. Таким образом, почва постепенно обогащается определенными элементами, например углеродом, азотом, фосфором и др.

Почвенный воздух, особенности состава. Наряду с твердой фазой важной составной частью почвы является почвенный воздух. Почва – пористая система, в которой практически всегда в том или ином количестве присутствует воздух, состоящий из смеси газов. Воздушная фаза – важная и наиболее мобильная составная часть почв, изменчивость которой отражает биологические и биохимические ритмы почвообразования.

Количество и состав почвенного воздуха оказывают существенное влияние на развитие и функционирование растений и микроорганизмов, на растворимость и миграцию химических соединений в почвенном профиле, на интенсивность и направленность почвенных процессов. Кроме того, почва является поглотителем, сорбирующим токсичные промышленные выбросы газов и очищающим атмосферу от техногенного загрязнения.

Атмосферный воздух представляет собой смесь газов, заполняющих свободное поровое пространство в почве и находящихся в постоянном взаимодействии друг с другом, а также с жидкой и твердой частями почвы. Попадая в почву, атмосферный воздух претерпевает значительные изменения вследствие процессов жизнедеятельности микроорганизмов, дыхания корней растений и почвенной фауны, а также в результате окисления органического вещества почв. Поэтому состав почвенного воздуха отличается от атмосферного.

Макрогазами почвенного воздуха являются азот, кислород, диоксид углерода. Азот один из важных элементов питания растений. Кислород обеспечивает необходимый уровень микробиологической деятельности, дыхания корней растений и почвенных животных. Диоксид углерода обеспечивает ассимиляционный процесс растений. В то же время избыток этого газа в составе почвенного воздуха (более 3%) угнетает развитие растений, замедляет прорастание семян, сокращает интенсивность поступления воды в растительные клетки. Велика почвенно-химическая и геохимическая роль диоксида углерода. Вода, насыщенная диоксидом углерода, растворяет многие труднорастворимые соединения, что вызывает миграцию карбонатов в почвенном профиле и в сопряженных геохимических ландшафтах.

Микрогазы почвенного воздуха представлены оксидами азота, моноксидом углерода, предельными и непредельными углеводородами (этилен, ацетилен, метан), водородом, сероводородом, аммиаком, фосфинами, спиртами, эфирами, парами органических и неорганических кислот и др. Происхождение микрогазов связывают с непосредственным метаболизмом микроорганизмов, с реакциями разложения и новообразования органических веществ в почве, с трансформацией в ней удобрений и гербицидов, с поступлением их в почву с продуктами техногенного загрязнения атмосферы. Концентрации микрогазов и летучих компонентов зачастую очень малы. Однако этого может быть вполне достаточно для ингибирующего действия на почвенные микроорганизмы и для снижения биологической активности почв.

Формы почвенного воздуха, воздушно-физические свойства почв. Почвенный воздух представлен разными формами. Свободный почвенный воздух – это смесь газов и летучих органических соединений, свободно перемещающихся по системам почвенных пор и сообщающихся с воздухом атмосферы. Свободный почвенный воздух обеспечивает аэрацию почв и газообмен между почвой и атмосферой. Защемленный почвенный воздух – воздух, находящийся в порах, со всех сторон изолированных водными пробками. Защемленный воздух неподвижен, практически не участвует в газообмене между почвой и атмосферой, существенно препятствует фильтрации воды в почве, может вызывать разрушение почвенной структуры при колебаниях температуры, атмосферного давления, влажности. Адсорбированный почвенный воздух – газы и летучие органические соединения, адсорбированные почвенными частицами на их поверхности. Растворенный воздух – газы, растворенные в почвенной воде. Растворенный воздух ограниченно участвует в аэрации почвы, так как диффузия газов в водной среде затруднена. Однако растворенные газы играют большую роль в обеспечении физиологических потребностей растений, микроорганизмов, почвенной фауны, а также в физико-химических процессах, протекающих в почвах.

Совокупность ряда физических свойств почв, определяющих состояние и поведение почвенного воздуха в профиле, называется воздушно-физическими свойствами почв. Наиболее важными из них являются воздухоемкость и воздухопроницаемость. Общей воздухоемкостью почв называют максимально возможное количество воздуха, которое содержится в почве ненарушенного строения при нормальных условиях. Воздухоемкость почв зависит от их гранулометрического состава, сложения, степени оструктуренности. Воздухопроницаемостью (газопроницаемостью) называют способность почвы пропускать через себя воздух. Воздухопроницаемость определяет скорость газообмена между почвой и атмосферой. Она зависит от гранулометрического состава почвы и ее оструктуренности, от объема и строения (конфигурации) порового пространства. Основным механизмом массопереноса газов в почве, а также газообмена между почвой и атмосферой является диффузия – перемещение газов под действием градиента концентраций.

Почвенный раствор. Основные химические и биологические процессы в почве могут совершаться только при наличии свободной воды. Почвенная вода является той средой, в которой осуществляется миграция и дифференциация химических элементов в процессе почвообразования. Многие вещества содержатся в свободной воде в виде истинных или коллоидных растворов, поэтому свободную почвенную воду правильнее называть почвенным раствором. Почвенный раствор играет важную роль в почвообразовании и питании растений.

Большая часть соединений в почвенном растворе находится в виде ионов. Основные анионы [НСО₃]^-, [NO₂]^- и [NO₃]^- поступают в почвенный раствор преимущественно в результате биологических процессов. Так, основная масса оксидов азота в почве связана с микробиологическими процессами нитрификации. Содержание фосфат-, хлор-, сульфат-ионов в почве связано с растворением соответствующих минералов и разрушением растительных остатков.Преобладающую часть анионов почвенного раствора незасоленных почв обычно составляет гидрокарбонат-ион. В засоленных почвах резко возрастает содержание хлоридов и сульфатов.

Среди катионов в почвенном растворе постоянно находятся в значительном количестве Са^2+, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, NH⁴⁺, H⁺. В почвенном растворе некоторых почв содержатся Fe³⁺, Fe²⁺, Аl³⁺. В растворе засоленных почв резко увеличивается количество Na⁺ и Mg²⁺, а из рассеянных химических элементов – Sr²⁺ и В³⁺. Помимо минеральных соединений в почвенном растворе постоянно присутствуют водорастворимые органические соединения: фульвокислоты, органические кислоты, аминокислоты, сахара, спирты и пр. [12].

Кислотность почв. Состав и концентрация почвенного раствора обусловливают его активную реакцию, которая называется актуальной кислотностью. Она определяется концентрацией в растворе ионов Н⁺. Вода, в слабой степени подвергаясь электролитической диссоциации, распадается на два иона: Н⁺ и ОН^-. Концентрация этих ионов ничтожна: произведение [Н⁺] • [ОН^-] = 10^-14. В идеально чистой воде должно находиться равное количество обоих ионов: [Н]⁺ = [ОН]^- = 10^-7. Иметь дело с такими малыми величинами неудобно, поэтому оперируют отрицательным десятичным логарифмом концентрации Н⁺-иона. Этот логарифм обозначают рН = -lg[H⁺]. В нейтральных растворах рН = 7, в щелочных – больше 7, в кислых – меньше 7.

рН почвенного раствора изменяется от 3 до 9, при этом по значению рН различают почвы разной степени кислотности [7]. Сильнокислые почвы имеют рН почвенного раствора 3-3,5, кислые – 3,5-5,5, слабокислые – 5,5-6,5, нейтральные – 6,5-7, слабощелочные – 7-7,5, щелочные – 7,5-8,5, сильнощелочные – 8,5 и более.

Степень кислотности почв является весьма важным показателем, так как характеризует многие генетические и производственные качества почвы. Различные растения нормально развиваются в определенных интервалах значения рН. Установлено влияние концентраций водородных ионов в почвенном растворе не только на высшие растения, но и на микробиологические процессы, а вместе с тем и на весь ход почвообразования.

Кроме актуальной кислотности существует такая форма кислотности как потенциальная. Потенциальная кислотность – способность почвы при взаимодействии с растворами солей проявлять себя как слабая кислота. Различают обменную и гидролитическую потенциальную кислотность. Обменная кислотность обнаруживается при взаимодействии с почвой растворов нейтральных солей. При этом происходит эквивалентный обмен катиона нейтральной соли на ионы водорода, алюминия и другие, находящиеся в поглощающем комплексе. Гидролитическая кислотность обнаруживается при воздействии на почву раствора гидролитически щелочной соли сильного основания и слабой кислоты, при котором происходит более полное вытеснение поглощенных водорода и других кислотных ионов.

В природе распространение кислых почв связано с определенными условиями почвообразования. Большое значение в образовании почв с той или иной реакцией имеет характер почвообразующей породы. Подзолистые почвы, бедные основаниями, в основном приурочены к выщелоченным, бескарбонатным породам. Характер почвообразовательного процесса откладывает существенный отпечаток на формирование реакции почв. В одних случаях этот процесс приводит к потере оснований и подкислению (подзолообразовательный процесс), в других наблюдается постепенное обогащение почвы основаниями (дерновый процесс). Влияют на формирование кислых почв и климатические условия. Промывной характер водного режима приводит к выносу солей из почвы, способствует выходу в раствор поглощенных Са²⁺, Mg²⁺ в обмен на водородные ионы и их последующему выщелачиванию.

Кислая реакция почв неблагоприятна для большинства культурных растений и полезных микроорганизмов. Кислые почвы обладают плохими физическими свойствами. Из-за недостатка оснований органическое вещество в этих почвах не закрепляется, почвы обеднены питательными веществами. Основным методом повышения продуктивности кислых почв, снижения их кислотности служит известкование. Сильнощелочная реакция также неблагоприятна для большинства растений. Высокая щелочность обусловливает низкое плодородие многих почв, неблагоприятные физические и химические их свойства. При рН около 9-10 почвы отличаются большой вязкостью, липкостью, водонепроницаемостью во влажном состоянии, значительной твердостью, цементированностью и бесструктурностью в сухом состоянии. Химическая мелиорация щелочных почв производится путем внесения гипса.

Все почвенные фазы (твердая, жидкая, газообразная и живая) тесно связаны между собой и находятся в сложном взаимодействии. Процессы сорбции-десорбции, растворения-дегазации в условиях изменяющихся концентраций газов, температур, давлений, влажности протекают постоянно. Система находится в состоянии подвижного равновесия, определяемого изменчивостью термодинамических условий и биологической активности. Благодаря этим явлениям почвенный воздух, раствор и поглощающий комплекс почвы образуют взаимосвязанную систему, создают свойственную почвам буферность.

Буферность – способность почвы противостоять изменению ее актуальной реакции под воздействием различных факторов. Буферность почвы зависит от: 1) количества почвенных коллоидов (чем больше коллоидов в почве, тем выше ее буферность; песчаные почвы почти не обладают буферностью); 2) состава почвенных коллоидов (чем выше в почвах содержание гумуса, монтмориллонита и почвенных коллоидов с широким отношением кремнезема к глинозему, тем выше их буферность по отношению к изменениям реакции как в кислом, так и в щелочном интервале; буферность возрастает параллельно увеличению емкости поглощения почв); 3) состава обменных катионов (наличие большого количества катионов Са²⁺, Mg²⁺, Na²⁺ и других оснований создает значительную буферность в кислую сторону; почвы, имеющие в составе обменных катионов Н⁺ или Аl³⁺ и способные поглощать щелочь, обнаруживают буферность в щелочную сторону).

Высокой буферностью в отношении кислот и низкой против щелочей отличаются гумусированные маловыщелоченные, богатые углекислыми солями почвы степных, полупустынных и пустынных областей. Высокой буферностью против щелочных агентов обладают глинистые почвы, содержащие значительные количества обменных Н⁺ и Аl³⁺ и кислых гумусовых соединений. Буферная способность является одним из элементов почвенного плодородия. Она позволяет сохранять благоприятные для растений свойства почв.

Контрольные вопросы

1. Объясните значение тонкодисперсной части почвы в почвообразовании.

2. Раскройте строение коллоидной частицы.

3. Перечислите виды поглотительной способности почвы, их особенности.

4. Назовите формы почвенного воздуха, воздушно-физические свойства почв.

5. Раскройте суть понятия «кислотность почвы» и классификацию почв по степени кислотности.