Почвенный поглощающий комплекс

Понятие о почвенном поглощающем комплексе было введено в почвоведение К.К. Гедройцем. Он установил, что почвы содержат некоторое количество катионов, нерастворимых в дистиллирован­ной воде, но легко переходящих в раствор при обработке опреде­ленной навески почвы раствором нейтральной соли (NH₄C1, NaCl, ВаС1₂ и т. д.). При этом часть катионов нейтральной соли поглоща­ется почвой, а взамен поглощенной части в растворе появляются в эквивалентном количестве другие катионы, а в ряде случаев — во­дородный ион. Свойством поглощения катионов из растворов обладают предколлоидная (0,001—0,0001 мм) и особенно коллоидная (<0,0001 мм) фракции.

Вся масса присутствующих в данной почве органических и ми­неральных коллоидов вместе с поглощенными ими ионами называ­ется почвенным поглощающим комплексом, который в свою очередь состоит из двух частей: адсорбентов-коллоидов и адсорбируемых веществ — различных катионов и анионов.

В состав адсорбентов-коллоидов входят, как уже было ранее показано, минеральные, органические и органоминеральные ве­щества. Из минеральных почвенных коллоидов можно назвать следу­ющие.

1. Группа глинистых минералов (монтмориллонит, бейделлит, каолинит, галлуазит, аллофаны и др.). Это отрицательно заряжен­ные коллоиды. В состоянии золя они бесцветны, а в виде геля дают белые и светло-серые осадки. Наиболее гидрофилен из них монт­мориллонит.

2. Гидрат оксида кремния Si0₂ • nН₂0 — также гидрофильный отрицательно заряженный коллоид. В состоянии золя он дает бес­цветные, слабоопалесцирующие растворы, при переходе в гель об­разует белые студенистые осадки, по высыхании превращающиеся в тончайший белый порошок аморфного кремнезема (кремнеземи­стая присыпка).

3. Гидроксид марганца Мп₂0₃ • nН₂0 — отрицательно заряжен­ный коллоид. В состоянии золя он имеет коричневато-бурый цвет. Гель его представляет темно-коричневый осадок, по высыхании превращающийся в темно-коричневые и иссиня-черные конкреции и пленки.

4. Гидроксиды железа Fe(OH)₃ • nН₂0. Это коллоид, обладающий амфолитоидностью. В кислой среде он заряжен положительно, в щелочной — отрицательно. Изоэлектрическая точка лежит около рН 7,0. В состоянии золя он имеет красновато-коричневый цвет. При выпадении в гель дает ржаво-красный осадок, по высыхании превращающийся в темно-бурые и темно-коричневые конкреции.

5. Гидроксиды алюминия А1(ОН)₃ • nН₂0. Так же как и гидрат оксида железа, он представляет амфолитоид. Изоэлектрическая точка наступает при рН 7,0—8,0. В чистом виде дает бесцветный золь и белый хлопьевидный осадок. В природе в чистом виде обычно не встречается и образует растворы и осадки совместно с гидратами оксида железа.

В состав органических почвенных коллоидов входят:

1) коллоиды гумусовых веществ и прежде всего гуминовой кис­лоты; заряжены отрицательно, гидрофильны, в состоянии золя имеют темный красновато-коричневый цвет, в состоянии геля дают тем­но-коричневые, чернеющие при высыхании осадки.

2) тела некоторых очень мелких бактерий, обладающих свой­ством физико-химического поглощения и обмена; у белковых тел в зависимости от реакции среды заряд может быть отрицательным или положительным.

В почвах присутствуют также многочисленные комплексные ми­неральные и органоминеральные соединения коллоидной природы. Комплексный характер коллоидных веществ в почвах объясняется тем обстоятельством, что большинство коллоидов в почвах находится в скоагулированном состоянии. Они образуют клей между более круп­ными частицами почвы. При коагуляции весьма обычно совместное осаждение двух или нескольких веществ и образование коагелей. Весьма обычны кремне-глиноземные и кремне-железистые коагели, железис­то-марганцевые, гумусово-железисто-марганцевые, гумусово-глиноземные и ряд других. Соотношение компонентов в коагелях варьирует в широких пределах, отчего меняются и свойства последних.

Другая составная часть поглощающего комплекса — это погло­щенные коллоидами, способные к обменным реакциям катионы или анионы. Обзор почвенных коллоидов показывает, что большинство из них несет отрицательный заряд и поэтому способно поглощать и обменивать преимущественно катионы.

Лишь в условиях нейтральной и кислой сред некоторые коллои­ды приобретают положительный заряд и почва обнаруживает спо­собность к поглощению анионов, что особенно заметно при обиль­ном содержании гидроксидов железа и алюминия, как это наблюда­ется в красноземах и ферраллитных почвах.

Количество поглощенных катионов изменяется в зависимости от общего содержания коллоидов, соотношения между органичес­кими минеральными коллоидами и от реакции среды.

Можно привести следующие величины емкости обмена глинис­тых минералов (мг-экв на 100 г) (табл. 9.3).

Органические коллоиды обладают значительно большей погло­тительной способностью, чем минеральные. Так, чистый коллоид гуминовой кислоты может поглотить 350—450 мг-экв, а фульвокислоты — 600—700 мг-экв оснований на 100 г почвы. По данным К.К. Гейдройца, в черноземе, содержащем 10 % гумуса, около 50 % емкости обмена обусловлено органической частью. В почве колло­иды составляют лишь часть ее массы (максимум до 20—25 %), гуму­совые вещества исчисляются единицами процентов. Поэтому коли­чество оснований, способных к поглощению и обмену в почвах, значительно ниже, чем в чистых коллоидах.

Таблица 9.3

Величина емкости обмена глинистых минералов

Таблица 9.4

Время вытеснения поглощенного кальция

Максимальное количество поглощенных катионов (мг • экв на 100 г почвы), способных к обмену на другие катионы, называется емкостью поглощения (или обменной емкостью) почв.

В глинистых почвах, богатых органическими коллоидами, ем­кость поглощения достигает 60—65 мг • экв на 100 г, в большинстве почв она составляет 15—35 мгэкв, а в песчаных, бедных коллоида­ми, почвах не превышает часто 2—3 мг экв на 100 г почвы.

Емкость поглощения одной и той же почвы — величина непосто­янная: она изменяется в зависимости от реакции среды, при которой происходит вытеснение и обмен катионов, и от энергии катиона- вытеснителя. В щелочной среде емкость коллоидов-ацитоидов уве­личивается, в кислой — понижается. У коллоидов с положительным зарядом — базоидов — наоборот, повышение электростатического потенциала и емкости поглощения анионов увеличивается в кислой среде.

Реакция обмена при условии высокой влажности протекает с большой скоростью. К.К. Гедройц показал, что при взаимодействии почвы с 1 н. раствором хлористого аммония при различном време­ни воздействия последнего на почву вытесняется следующее коли­чество Са (табл. 9.4).

Таким образом, для полного вытеснения достаточно было одной минуты. Однако оно происходит лишь при широком отношении раствора-вьггеснителя в почве. По данным Н.И. Горбунова, при 38 %-й важности обмен поглощенных Са и Mg на аммоний заканчивается лишь через 10 дн.

Таблица 9.4

Время вытеснения поглощенного кальция

Состав поглощенных оснований в почвах достаточно разнооб­разен: в почвах обнаружены поглощенные Са, Mg, К, Na, NH₄, Н и А1. Этот перечень касается лишь наиболее распространенных ионов. В почвенном поглощающем комплексе присутствуют Li, Mn, Rb, Cs, Ti, Ni и др.

Прочность связи поглощенных ионов с коллоидными частица­ми поглощающего комплекса зависит от зарядности катиона, его атомной массы, степени гидратации иона, а также от свойств само­го коллоида. Так, в коллоидных частицах, сохранивших кристалли­ческое строение (как, например, в монтмориллоните), поглощен­ные катионы входят в межплоскостные расстояния кристалличес­кой решетки и вытесняются оттуда с трудом.

Физическое состояние почвенного поглощающего комплекса в зависимости от состава поглощенных оснований

Состав поглощенных оснований определяет устойчивость погло­щающего комплекса, т. е. его сопротивляемость распыляющему дей­ствию воды.

Катионы по их осаждающему действию образуют следующий ряд (в порядке возрастающего влияния):

Na⁺ < NH⁴⁺ < К⁺ < Н⁺ < Mg²⁺ < Са²⁺ < Ва²⁺ < А1³⁺ < Fe³⁺.

Порядок, который образуют катионы по их влиянию на сопро­тивляемость коллоидов распыляющему действию воды, тот же, в каком эти катионы располагаются по их коагулирующей способно­сти и энергии их вытеснения и поглощения.

Таким образом, почвы, насыщенные двух- и трехзарядными ка­тионами, обладают устойчивым поглощающим комплексом; колло­иды находятся здесь преимущественно в форме водоустойчивого геля, способного склеивать более крупные частицы; обычно такие почвы обладают хорошей структурой.

Почвы, насыщенные однозарядными катионами, особенно на­трием, легко подвергаются распыляющему действию воды: их кол­лоиды при увлажнении переходят в золь.

Даже при незначительном увлажнении состав поглощенных кати­онов резко сказывается на состоянии почвы благодаря различиям в степени гидратации ионов и коллоидов. В зависимости от состава по­глощенных катионов набухание почвы при увлажнении (выраженное в % от первоначального объема) изменяется в следующих парамет­рах: Н - 5; Са, Ва - 7,7; Mg - 9,3; К - 15,5; Na - 26,8; Li - 50,0.

Если принять степень набухания почвы при насыщении ее водо­родом за единицу, относительное набухание почвы при насыщении другими катионами выразится следующими величинами: Н — 1; Са, Ва - 1,5; Mg - 1,8; К - 3,1; Na — 5,3; Li - 10.

Почвы, насыщенные натрием, при увлажнении набухают, зап­лывают, делаются воздухо- и водонепроницаемыми, при высушива­нии, резком уменьшении объема они разбиваются вертикальными трещинами на отдельные блоки. Все эти явления не наблюдаются, если почвы насыщены Са и Mg, а тем более А1 и Fe.

В природе встречаются кислые почвы, у которых в поглощаю­щем комплексе присутствует большее или меньшее количество по­глощенного водорода. Это почвы, не насыщенные основаниями.

Процентное содержание водорода в общей сумме поглощенных ионов (выраженном в мг экв на 100 г) служит показателем степени ненасыщенности почвы.

Присутствие в поглощающем комплексе ионов водорода, алюми­ния и железа обусловливает появление в почвах обменной кислотно­сти, обнаруживаемой при воздействии на твердую фазу почв не на­сыщенных основаниями растворов нейтральных солей. В результате реакции обмена часть катионов нейтральной соли поглощается твер­дой фазой почвы, а взамен ее в растворе появляется эквивалентное количество ионов водорода и алюминия, находившихся в поглощаю­щем комплексе. Например, при воздействии на почву КС1 в резуль­тате обменных реакций с поглощенным водородным ионом в раство­ре появляется соляная кислота; реакция идет по схеме

(Кол.) Н+ + КС1 -4 (Кол.) К+ + НС1

При обмене с поглощенным алюминием (А1С13 — соль слабого основания и сильной кислоты) в воде она гидролитически расщеп­ляется по реакции

А1С13 + ЗН2ОА1(ОН)3 + ЗНС1

В результате в растворе появляется также соляная кислота, а гид­рат оксида алюминия выпадает в осадок. В случае если почва обра­батывается раствором основной, гидролитически расщепляющейся соли (соли сильного основания и слабой кислоты, например, уксус­нокислым натрием), из поглощающего комплекса можно вытеснить еще некоторое дополнительное количество обменного водорода по сравнению с вытесняемым нейтральной солью. Появляющаяся кис­лотность называется гидролитической.

Обменная емкость поглощающего комплекса почвы и состав обменных катионов определяют буферность почвы — ее способность нейтрализовать кислоты или щелочи и противодействовать измене­нию реакции почвенного раствора. Если в коллоидном поглощаю­щем комплексе почвы находится способный к обмену ион водоро­да, она буферна по отношению к щелочам:

(Кол.) Н⁺ + NaOH -» (Кол.) Na⁺ + Н₂0

если же она содержит способные к обмену основания (кальций, маг­ний, калий), она обладает буферностью по отношению к кислотам:

(Кол.) Са²⁺ +H₂S0₄ -» (Кол.) 2Н⁺ + CaS0₄

Буферность почв по отношению к действию кислот способству­ет также реакции необменного связывания водорода с почвенным гумусом в кристаллических решетках глинистых минералов.

Таким образом, состав поглощенных ионов определяет многие физические и химические свойства почв. Регулируя состав погло­щенных ионов, многие свойства почвы можно улучшить.

Известкование кислых ненасыщенных почв, внесение гипса в почвы, содержащие в поглощающем комплексе натрий, направле­ны на изменение состава поглощенных оснований, замену водород­ного иона (известкование) или иона натрия (гипсование) кальцием, благоприятно действующим на почвы.

Физическая и физико-химическая поглотительная способность почв имеет большое значение как фактор, удерживающий от вымы­вания различные вносимые в почвы минеральные удобрения.

К почвам легкого гранулометрического состава, обладающим малой естественной поглотительной способностью, применяются различные мелиорации, предусматривающие увеличение в них кол­лоидной фракции. Наиболее распространенные из них — это землевание и кольматаж, внесение навоза, компостов и торфа.

Основатель учения о почвенном поглощающем комплексе К. К. Гедройц предложил использовать его состав и свойства как основу гене­тической классификации почв. Им было выделено две главные груп­пы, объединяющие четыре типа почвообразования.

А. Насыщенные основаниями.

1. Черноземный поглощающий комплекс. Насыщен Са²⁺ и Mg²⁺. Характеризуется устойчивостью поглощающего комплекса и боль­шой долей органических коллоидов, свойствен степным областям.

2. Солонцовый. В поглощающий комплекс кроме Са²⁺ и Mg²⁺ вхо­дит натрий. Этот тип почвообразования представлен фазами солон­чаков, солонцов и солодей. В фазе солонцов и солодей коллоиды легко диспергируются, поглощающий комплекс неустойчив. Солон­цовый тип почвообразования распространен локально в степных, пустынно-степных и пустынных областях и характерен для почв, формирующихся на засоленных породах или при воздействии ми­нерализованных, содержащих Na₂C0₃ грунтовых вод.

Б. Ненасыщенные основаниями.

3. Подзолистый. Содержит в поглощающем комплексе водород­ный ион Н⁺ и ион поглощенного алюминия, а также остаточные катионы Са²⁺ и Mg²⁺. Поглощающий комплекс неустойчив, в кис­лой среде идет разрушение и растворение минеральных и органи­ческих коллоидов и вымывание их из верхних горизонтов почв. Почвы подзолистого типа с ненасыщенным и неустойчивым погло­щающим комплексом, приурочены к влажным лесным и таежным областям.

4. Латеритный (в современной терминологии — ферсиаллитный и ферраллитный). Водородный ион и ион поглощенного А1³⁺ преобладают в составе поглощенных катионов. Поглощающий ком­плекс неустойчив, легко распадается с энергичным выносом про­дуктов распада (оснований, Si0₂). Этот тип почвообразования свой­ствен влажным, субтропическим и тропическим лесным областям.

Дата добавления: 2014-05-19; просмотров: 1028; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!