Обменное поглощение катионов. Показатели катионной емкости

Обменным поглощением (обменной сорбцией) катионов называется способность катионов диффузного слоя коллоидов обмениваться на эквивалентное количество катионов почвенного раствора. В обменном состоянии в почвах обычно находятся Са2+, Mg2+, Na+, K+, H+, Al3+, NH4+, в незначительных количествах Fe2+, Mn2+, а также Li+, Sr+ и др.

Энергия поглощения (относительное количество поглощения катионов почвами при одинаковой их концентрации) определяется валентностью иона, радиусом негидратированного иона, атомной массой иона.

Общее количество всех поглощённых (обменных) катионов называется емкостью катионного обмена (ЕКО), которая выражается в милиграмм-эквивалентах на 100 г почвы. Состав поглощённых катионов в почвах зонального ряда (табл. 15.1) определяется условиями почвообразования и, прежде всего, водным режимом.

Для почв экстрагумидных и гумидных областей с коэффициентом увлажнения (Ку)>1 в составе ППК основную роль играют катионы Са2+, Mg2+, Н+, Аl3+; для семигумидных с Ку<1 — са2+, mg2+ и для почв аридных областей с ку<0, 5 mg2+, na+, иногда существенным участием к+.

Емкость катионного обмена (ЕКО) колеблется от нескольких мг-экв/100 г почвы в экстрагумидных и экстрааридных областях до 50-70 мг-экв/100 г почвы в чернозёмах семигумидных (полувлажных) областей. Зональные показатели ЕКО прежде всего

связаны с содержанием гумуса (наибольшее в черноземах, оно постепенно понижается к северу и югу от зоны их распространения). Кроме того ЕКО сильно зависит от гранулометрического состава (чем тяжелее, тем выше ЕКО), от минералогического и химического состава почв (ЕКО глинистых минералов варьирует от 5мг-экв. до 100-150 мг-экв/100 г). Наконец, ЕКО тесно связано с величиной рН. С ростом рН возрастает ионизация функциональных групп ацидоидов, снижается положительный заряд базоидов и возрастает ЕКО.

Необменное поглощение катионов происходит в слое потенциалопределяющих ионов. Такие катионы после взаимодействия с ППК не переходят в раствор при обработке почвы раствором нейтральных солей. Необменное поглощение катионов определяется как их видом, так и составом почвенных коллоидов. В практическом отношении заслуживают большого внимания процессы необменного поглощения элементов питания, в частности ионов калия и аммония. Установлена возможность перехода катионов в системе: катионы почвенного раствора — обменные — необменные — катионы кристаллических решёток минералов. В таком же порядке снижается доступность катионов для растений.

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 (S), в т.ч. водорода и алюминия (Нг);

 

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. Это связано с тем, что часть функциональных групп гумусовых веществ взаимодействует с поверхностью глинистых минералов и не принимает участия в реакциях обмена.

 

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. В то же время необходимо учитывать, что тонкодисперсные частицы, особенно в гумусовых горизонтах, всегда обогащены органическим веществом, имеющим высокую ЕКО.

 

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 (табл. 8).

 

Таблица 8. Емкость катионного обмена в почвах

Таблица 9. Оценка уровня поглотительной способности почв

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, %

 

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.

 

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).