Путем физического поглощения почва менее энергично поглощает
Под физической поглотительной способностью понимают способность почвы изменять (увеличивать или уменьшать) концентрацию молекул различных веществ у поверхности соприкосновения тонкодисперсных частиц с почвенным раствором.
Явление физического поглощения связано с наличием свободной поверхностной энергии. Влажную почву можно рассматривать как дисперсную систему, у которой дисперсионная среда представлена почвенным раствором, а дисперсная фаза минеральными, органическими и органо-минеральными частицами. На границе раздела фаз имеется свободная поверхностная энергия, равная произведению поверхностного натяжения раствора и суммарной величины поверхности частиц. Чем выше степень дисперсности почвенных частиц, тем больше их поверхностная энергия вследствие увеличения общей удельной поверхности. Представление об общей поверхности частиц можно получить при подсчете площади всех сторон кубиков, образованных при дроблении 1 см’ твердого тела.
В почвах большая суммарная поверхность присуща илистым и особенно коллоидным частицам. Если в слое почвы мощностью 20 см содержится 10 % коллоидных частиц, то их суммарная поверхность на площади 1 га составит 70 000 га и поверхностная энергия будет весьма значительной.
Всякая дисперсная система стремится уменьшить свою поверхностную энергию. Это происходит при укрупнении частиц или при уменьшении поверхностного натяжения в результате адсорбции на поверхности частиц некоторых веществ. Такие вещества называют поверхностно-активными. К ним относятся спирты органические кислоты, многие высокомолекулярные органические соединения, в том числе и гумусовые кислоты. Эти вещества притягиваются к поверхности коллоидных частиц, причем они не внедряются в твердую фазу почвы и не вступают с ней в химическую реакцию, а лишь сгущаются в растворе па границе соприкосновения его с коллоидами. В этом месте наблюдается повышенная концентрация поверхностно-активных веществ по сравнению с остальным объемом раствора. Здесь будет иметь место положительная физическая сорбция, характерная особенность которой — удержание не отдельных ионов, а целых молекул недиссоциированных или слабодиссоциированных веществ.
Таким образом, создаются условия для последующего более прочного закрепления этих соединений минеральными компонентами путем адгезии (склеивания) при высыхании почв.
Большинство минеральных солей, кислот и щелочей увеличивает поверхностное натяжение воды, в связи с чем концентрация их по мере приближения к границе раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды снижается, т. е. проявляется отрицательная физическая сорбция. В этом случае уменьшение поверхностного натяжения достигается при избирательном поглощении молекул самой воды, а не растворенных в ней минеральных веществ. Благодаря отрицательной физической сорбции из почв с фильтрующей водой относительно легко вымываются различные водорастворимые соли, особенно хлориды и нитраты. Так как хлор вреден для растений, то это имеет положительное значение. Вынос нитратов ведет к обеднению почв азотом — одним из важных элементов питания.
ХИМИЧЕСКАЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ (ХЕМОСОРБЦИЯ)
Этот вид поглотительной способности заключается в образовании труднорастворимых соединений при взаимодействии отдельных компонентов почв с образованием новой твёрдой фазы.
Из катионов, находящихся в почвах, чаще всего нерастворимые соединения образуют катионы Са 2 , А1 3 , Fе 3 , а среди ионов — СО3, РО4 SO4. Например, при внесении фосфорных удобрений в кислые почвы алюминий, присутствующий в почвенном растворе, образует с фосфат-ионом труднорастворимое соединение и выпадает в осадок: 2А1 3 + Са(Н2Р04)2 = 2А1Р04 ↓ + Са 2 + 4Н + .
При поступлении соды в почву, содержащую соли кальция, также образуется новая твердая фаза, представленная карбонатом кальция:
Образование осадков возможно и на поверхности почвенных частиц при взаимодействии ионов, способных к взаимному осаждению. Такая сорбция получила название осадочной. Типичный пример — сорбция фосфатов на поверхности гидроксидов железа и алюминия:
К химическому поглощению относится и комплексообразовательная сорбция. В этом случае за счет образования координационной связи происходит связывание поливалентных ионов почвенного раствора органическим веществом, сорбированным твердой фазой почвы.
Хемосорбция играет большую роль во взаимодействии гумусовых веществ с глинистыми минералами и в образовании сорбционного глиногумусового комплекса. При этом осуществляется и адгезионное взаимодействие минеральных и органических компонентов.
Химическая поглотительная способность — важнейший фактор аккумуляции в почвенном профиле органического вещества, анионов фосфорной кислоты, многих катионов, в том числе и микро- элементов. Благодаря ей почва способна предотвращать появление соды в почвенном растворе. В результате хемосорбции в почвах накапливаются гипс, карбонаты и другие соединения.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ, ИЛИ ОБМЕННАЯ, ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ
СПОСОБНОСТЬ (ИОНООБМЕННАЯ СОРБЦИЯ)
Под ионообменной сорбцией понимают способность почвы обменивать ионы, находящиеся в компенсирующем слое коллоидов, на эквивалентное количество ионов почвенного раствора. Главную роль в её проявлении играет ППК. В зависимости от знака заряда коллоида обмениваются катионы или анионы.
Обменная поглотительная способность, у коллоидов заряженных отрицательно проявляется по отношению к катионам. Положительно заряженные Коллоиды поглощают и обменивают анионы.
Поглощение почвами катионов. Обменные катионы в почвах представлены главным образом Na, K, NH4, Ca, Mg, Al, H.
Fe, Zn, Cu, Mn и другие элементы обнаруживаются в незначительных количествах Катионный обмен наиболее подробно изучен для Са, и К. Для катионного обмена в почвах характерны следующие закономерности
• Эквивалентность и полная обратимость обмена между поглощенными катионами твердой фазы почвы и катионами почвенного раствора.
• При одинаковой концентрации ионов в растворе энергия их поглощения возрастает с увеличением валентности иона. Это связано с тем, что по мере увеличения валентности катионы образуют с анионами потенциалопределяющего слоя (СОО — , SiО2, АI2О3 и др.) менее диссоциированные соединения.
• У ионов с одинаковой валентностью энергия поглощения возрастает с увеличением атомной массы.
• Энергия поглощения зависит от радиуса негидратированного нона. Чем он меньше, тем больше плотность заряда иона, тем сильнее он гидратируется. Большие гидратные оболочки уменьшают способность катионов к взаимодействию с нонами потенциалопределяющего слоя.
Согласно этим закономерностям в зависимости от степени поглощения почвой катионы образуют следующий ряд:
Li + ). Ион гидроксония практически не гидратируется и энергично поглощается большинством почвенных коллоидов, поскольку со многими анионами потенциалопределящего слоя дает слабодиссоциированные соединения.
В некоторых случаях закономерности нонного обмена в почвах нарушаются, в результате чего происходит избирательное поглощение катионов одного рода в ущерб катионам другого рода. Это явление называется селективностью ионного обмена. Селективность, или избирательность поглощения, обусловлена как свойствами самих катионов, так и кристаллохимическими особенностями отдельных компонентов ППК. В результате проявления селективности порядок катионов в ряду поглощения может измениться.
Если для монтмориллонита и каолинита расхождение в рядах поглощения заключается только в положении К+ и Н + , то мусковит поглощает одновалентные катионы Rb, Cs и К в большей степени, чем двухвалентные — Mg + , Са 2+ и Sr 2+ .
В большинстве случаев селективность поглощения проявляется в отношении тех катионов, радиус которых с учетом гидратной оболочки соответствует кристаллохимическим особенностям структур центров поглощения. По этой причине мусковит поглощает одновалентные катионы в большей степени, чем двухвалентные.
При взаимодействии коллоидов с почвенным раствором обмен катионов происходит с разной скоростью. Подвижность катионов, поглощенных внешними поверхностями коллоидов, очень высокая. Они легко обмениваются на катионы почвенного раствора, при этом реакция обмена протекает практически мгновенно. Подвижность катионов, поглощенных в межпакетных пространствах глинистых минералов, значительно меньше, они вытесняются труднее, а реакция обмена может длиться несколько суток.
На скорость протекания обменных реакций сильно влияет влажность почвы. В природных условиях при низкой влажности почв и их агрегированности для установления равновесия обменной реакции требуется значительно больше времени, чем в лабораторных экспериментах. Так, по данным Н. И. Горбунова, при 75. 100%-ной влажности почвы реакция обмена поглощенных Mg + и Са 2+ на NН4 длилась 10 дней.
Исходя из общих закономерностей ионообменной сорбции, выделено пять последовательных стадий протекания реакций обмена катионов раствора на катионы ППК:
• перемещение вытесняющего нона из объема раствора к поверхности ППК;
• перемещение вытесняющего иона внутри твердой фазы ППК к точке обмена;
• химическая реакция обмена катионов;
• перемещение вытесненного нона внутри твердой фазы от точки обмена к поверхности ППК;
• перемещение вытесненного иона от поверхности ППК в раствор.
Скорость обменнойреакции лимитирует наиболее медленно протекающая стадия. Собственно обмен ионов протекает очень быстро. Ограничения скорости связаны с перемещением ионов к точке обмена внутри твердой фазы (внутренняя диффузия) и в меньшей степени с Внешней диффузией ионов к поверхности ППК через окружающую частицу пленку жидкости.
Скорость большинства обменных реакций неодинакова во времени. Обычно впервые 5-10 мин обменивается от 70 до 90% обменных катионов, но истинное равновесие не устанавливается. В этом случае говорят лишь о кажущемся равновесии, при котором обмен ионов резко замедляется и реакция медленно приближается к состоянию равновесия, которое не всегда можно установить экспериментальным путем.
При внесении в почву удобрений, мелиорантов и других веществ скорость обменных реакций ограничивается не только диффузной кинетикой, но и скоростью растворения соединений, внесенных в почву. Обменные катионы легко поглощают корневые системы растений, они служат важным источником их минерального питания.
Необменно-поглощенные катионы (необменная сорбция).В почвах обычно небольшая часть обменных катионов со временем переходит в необменное (фиксированное) состояние. Необменно-поглощенные катионы труднодоступны для растений и микроорганизмов. Наиболее выражена способность к внеобменному поглощению почвенными коллоидами у калия и аммония. В меньшей степени фиксируются в почве другие катионы (кальция, магния, стронция, цезия и т. д.). По прочности связи фиксированные катионы занимают промежуточное положение между обменными катионами и катионами кристаллической решетки. Необменное поглощение катионов может быть временным, поскольку возможен переход катионов почвенных коллоидов из одного состояния в другое: катионы кристаллической решетки ↔ необменные катионы обменные катионы ↔ катионы почвенного раствора.
Способность к необменному поглощению катионов отчетливо выражена у минералов с расширяющейся кристаллической решеткой — монтмориллонита и вермикулита — за счет фиксации ионов в межпакетных пространствах. Этому способствует иссушение почвы и особенно чередование процессов увлажнения и иссушении. Необменное поглощение происходит в результате изоморфных замещений, например А1 в октаэдрах на магний или цинк. Фиксация катионов — следствие старения и частичной кристаллизации коллоидов и блокировки обменных катионов пленками полуторных оксидов и гумусовых веществ. Способность необменно фиксировать катионы зависит от гумусированности и гранулометрического состава почв. Чем больше гумуса содержат почвы и чем тяжелее их гранулометрический состав, тем выше способность почв к необменному поглощению катионов.
Почвы могут содержать значительное количество необменных катионов. Так, доля фиксированного аммония может доходить до 8% от валового запаса азота в верхних горизонтах почвы и до 40 % в нижних.
Поглощение почвами анионов.Поглощение почвами анионов зависит от состава и свойств ППК, особенностей самих анионов и реакции почвенного раствора. Сорбция анионов почвами возрастает по мере снижения реакции среды, увеличения доли коллоидов, несущих положительный заряд, и содержания компонентов, с которыми анионы способны образовывать труднорастворимые соединения. По способности поглощаться почвой анионы образуют следующий ряд:
Несправедливость в любом месте является угрозой для правосудия везде. © Лютер Кинг ==> читать все изречения.
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:
- 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
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.
В связи с многообразными химическими, физическими, физико-химическими и биологическими свойствами, приобретаемыми почвой в процессе ее образования и развития, с которыми мы ознакомились в предыдущем изложении, в ней начинает возникать и получать все большую выраженность особое свойство, носящее название поглотительной способности и представляющее собой один из важнейших элементов ее плодородия.
Поглотительною способностью почвы называется способность почвы поглощать, задерживать растворенные вещества. В виду того, что в явлениях поглощения, как увидим ниже, принимают участие не только химические, но и физические, и физико-химические, и биологические факторы, мы в праве рассматривать данное явление как своего рода фокус, в котором сконцентрированы все специфические особенности и свойства данной почвы. Энергия и емкость поглощения той или иной почвой тех или иных веществ представляется, с этой точки зрения, равнодействующей всех тех физических, химических, физико-химических и биологических свойств, которыми обладает эта почва. Этим объясняется то чрезвычайно важное значение, которое придается и почвоведением и агрономической наукой данному свойству почвы. Громадное сельскохозяйственное значение этого явления познается уже из одного того факта, что благодаря существованию поглотительной способности почва оберегается от вымывания и связанных с ним потерь целого ряда необходимых для культурных растений питательных веществ.
Изучению поглотительной способности почв _ посвящено очень много работ; из них некоторые относятся еще к XVl столетию. Согласно изысканиям А. Соколовского, данное явление было известно еще Вакоn, применявшему многократное процеживание морской воды, в целях ее опреснения, через почву, а также St. Hales, наблюдавшему такую же способность каменных цистерн. Далее, мы находим указания на поглотительные свойства почвы у Gazzeri, Bronner и др.
Научная разработка данного явления началась, однако, лишь с появления исследований Thompson, Huxtable и особенно Way. Работы последнего ученого, объяснявшего явления поглощения почвой тех или других веществ исключительно явлениями химического порядка (реакцией обменного разложения), приковали к себе внимание и интерес со стороны целого ряда других выдающихся исследователей. Работы Liebig, видевшего в явлениях поглощения почвой различных веществ, наоборот, явления главным образом физического порядка, исследования Bodecker, Rautenberg, Eichhorn, Lemberg и др. много способствовали выяснению как сущности самого явления, так и тех факторов (вне и внутри почвы находящихся), коими обусловливается энергия и характер процессов поглощения. Еще более углублено было познание явлений поглотительной способности почвы позднейшими работами van Bemmelen, поставившего это явление в связь с наличностью в почве коллоидных соединений. Отметим интересные исследования в этой области А. Соколовского
Выдающиеся исследования последних лет русского ученого К. Гедройца внесли еще большее освещение в данный вопрос и дали возможность весь сложный и многогранный процесс поглощения почвой приходящих с нею в соприкосновение растворенных веществ представить в весьма стройном виде.
В основу дальнейшего изложения и положены те воззрения и выводы, к которым пришел на основании своих работ К. Гедройц.
В настоящее время можно различать следующие виды поглотительной способности почв.
Поглотительная способность почв – свойство поглощать и удерживать твердые, жидкие и газообразные вещества. Это свойство почвы было известно еще в Древней Греции и Древнем Риме, и его широко использовали мореходы для опреснения воды.
Механическая поглотительная способность
Способность почвы как пористого тела механически удерживать твердые вещества из фильтрующихся через почву суспензии и каллоидных растворов называется механической поглотительной способностью.
При механическом поглощении задерживается лишь такие частицы, диаметр которых больше диаметра пор почвы. Поэтому этот вид поглощения зависит прежде всего от гранулометрического состава почвы:
- чем тяжелее почва, тем меньше диаметр ее пор,
- тем сильнее механическое поглощение.
Механическая поглотительная способность играет определенную роль в почвообразовании и плодородии почв. Она предотвращает вымывание из почвы илистых и коллоидных частиц и тем самым делает устойчивыми такие показатели, как:
- гранулометрический состав почвы,
- обменное поглощение и т.д.
Благодаря механическому поглощению из пахотного слоя не вымываются плохо растворимые в воде минеральные удобрения. В условиях поливного земледелия в результате механического поглощения образуются новые почвы.
Это происходит в таких районах орошаемого земледелия, где вместе поливными водами на поля попадает большое количество взвешенных в воде пылеватых, илистых и коллоидных частиц.
Эти частицы постепенно накапливаются и формируют в течение десятилетий и столетий значительную толщу.
Нечто подобное характерно и для пойм, на поверхность которых во время паводка приносится большая масса минеральных и органических частиц, которые, постепенно накапливаясь, формируют своеобразный почвенный профиль.
Физическая(молекулярная) поглотительная способность
Под физической, или молекулярной, поглотительной способностью подразумевается способность почвы удерживать на поверхности твердых частиц вещества за счет адсорбционных сил, которыми обладают эти частицы.
При этом концентрация молекул растворенного вещества в пограничном слое раствора, окружающего почвенные частички, увеличивается. Так как свободной энергией обладают коллоидные частички, то физическая поглотительная способность почвы зависит главным образом от наличия в ней этих частичек.
Путем физического поглощения в почве могут накапливаться вода, газы, молекулы растворенных в почвенной влаге электролитов, а также продукты расщепления разнообразных солей.
При поглощении воды вокруг коллоидных частичек создаются водные оболочки, которые при их малой толщине прочно удерживаются. Утолщаясь, эти оболочки приобретают некоторую подвижность, а вода частично становится доступной растениям.
Количество воды и других веществ, поглощаемых почвой, невелико, поэтому практического значения этот вид поглотительной способности не имеет.
Химическая поглотительная способность
Химической поглотительной способностью называется способность почвы накапливать трудно растворимые в воде соединения, образующиеся в результате химических реакции, протекающих в почвенном растворе и на границе твердой фазы почвы.
Химическая поглотительная способность играет большую роль в накоплении и закреплении в почве фосфора, кальция, железа и алюминия.
Благодаря химическому поглощению в почве накапливаются фосфаты, которые становятся доступными растениями лишь при изменении реакции среды. В противном случае они находятся в почве как балласт. Поэтому химическое поглощение играет и отрицательную роль.
Биологическая поглотительная способность
Способность почвы накапливать в результате деятельности растении и микроорганизмов элементы зольной пищи, азот и физиологически активные вещества называются биологической поглотительной способностью.
Биологическое поглощение избирательно:
- растения и микроорганизмы усваивают элементы питания не пропорционально содержанию их в почве, а исходя из физиологической потребности.
При биологическом поглощении элементы питания, не поглощаемые или плохо поглощаемые обменным и химическим путем задерживаются и накапливается в верхнем части профиля.
Биологическим путем поглощаются в том или ином количестве все элементы необходимые для растений и микроорганизмов – К. Р. Md Ca и др.
Но особенно велика роль биологического поглощения в накопления нитратов. Которые химическим или каким – либо другим путем не закрепляется в почве и поэтому на поровых полях в течении почти всего года, а на других весной и осенью когда эффективность биологического поглощения невелика интенсивно вымываются из почвы.
Читайте также: