Лекция №9-10

Лекция № 9-10. Поглотительная способность почвы ( 4 часа)

План:

1.      Почва как сложное многофазное образование.

2.      Тонкодисперсная часть и поглотительная способность почвы.

3.      Кислотность почвы.

Почва как сложное многофазное образование

Почва - чрезвычайно сложное образование, в состав которого входит твердое, жидкое и газообразное вещество. В свою очередь каждая из этих составных частей почвы представлена различными формами. По степени дисперсности (распыленности, раздробленности) выделяют две формы твердого вещества почвы. Первую группу образуют сравнительно крупные частицы, величина которых превышает 0,001 мм. Это крупнодисперсная масса почвы сложена она следующими компонентами:

1.   Обломками горных пород и слагающих их минералов, сравнительно устойчивых к почвообразовательному процессу.

2.         Минеральными новообразованиями, порожденными процессом почвообразования.

3. Малоизмененными органическими остатками.

Вторую группу образуют тонкодисперсные частицы величиной от 0,001 мм и менее, характер которых тесно связан с почвообразовательным процессом. Тонкодисперсная часть почвы слагается из:

1)      частиц новообразованных и породообразующих преимущественно глинистых минералов;

2)      специфических    органических    соединений    -   продуктов                глубокого разложения животных и растительных остатков, результатов синтеза из этих продуктов новых соединений.

Тонкодисперсная часть и поглотительная способность почвы

Тонкодисперсная масса играет особую роль в почвообразовании. Для процессов почвообразования важное значение имеют коллоидно-дисперсные системы, дисперсной средой которых является жидкость (вода), а дисперсной фазой - твердое вещество. Эти системы носят название золей или коллоидных растворов.

Находясь в растворе, коллоидные частицы в результате взаимодействия с ионами раствора приобретают определенное строение и электрический заряд.

Коллоидная частица с двойным электрическим слоем называется мицеллой, внутренняя часть мицеллы - ядром. 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, внешний слой носит название диффузного слоя. Диффузный слой может существовать только при наличии дисперсионной среды (воды). Если почва высохнет, то ионы диффузного слоя переходят в неподвижный слой, мицелла без диффузного слоя называется частицей.

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 из геля в золь называется пептизацией.

Гели, широко распространены в природе, особенно в зоне гипергенеза и, в частности, в почве. Многие особенности почвы связаны с наличием гелей.

Обладая, в силу высокой дисперсности, огромной поверхностью коллоиды могут поглощать (сорбировать) из раствора ионы различных химических элементов, не образуя с ними химических соединений.

Коллоидные свойства в почвенных частицах начинают проявляться при более крупных размерах, чем это предусматривает теория коллоидно- дисперсных систем. Однако ясновыраженными коллоидными свойствами обладают частицы величиной от 0,001 мм и менее. Тонкодисперсные частицы почвы в основном заряжены отрицательно и поэтому сорбируют различные катионы. В качестве обменных оснований, составляющих диффузный слой, в почвенных коллоидах встречается обычно кальций, меньше - магний. В поглощающем комплексе почв много натрия. Ион калия встречается часто, но в небольшом количестве.

При     воздействии нейтральной соли (КСl) тонкодисперсные частицы выделяют оснований меньше, чем их поглощают. Поэтому за счет свободных анионов соли образуется кислота. В частности, при действии на тонкодисперсную часть почвы раствором хлористого калия образуется соляная кислота. Это явление, получившее название обменной кислотности, происходит в результате обмена ионов калия из раствора на ионы водорода, поглощенные тонкодисперсными частицами.

Ионы водорода связаны прочно и при обмене с катионами нейтральной соли полностью не выделяются. Если подействовать на коллоиды гидролитически щелочной солью (с сильным основанием и слабым анионом, например СН3СООNa), то можно вытеснить почти все поглощенные ионы водорода. Это явление называется гидролитической кислотностью. При этом образуется больше кислоты, чем при обмене с катионами нейтральной соли.

Количество поглощенных оснований и водорода называется емкостью поглощения или обмена. Диффузный слой коллоидных мицелл может быть полностью насыщен основаниями (кальцием, магнием, натрием, калием) или частично занят ионами водорода. Поэтому говорят о степени насыщенности коллоидов основаниями, т. е. о процентном содержании суммы оснований (от емкости поглощения).

Степень насыщенности основаниями в почвенных коллоидах составляет от нескольких процентов до 100. Для поглотительной способности почвенных коллоидов важное значение имеет содержание в них гумусовых веществ и ее минеральный состав.

Минеральный состав тонкодисперсной части почв определяется составом почвообразующих пород, которые представлены в РФ в основном четвертичными отложениями.

В большей части почв преобладают минералы, группы гидрослюд и монтмориллонита, а так же смешаннослойные. Минералы группы каолинита встречаются реже.

Свойство почвы задерживать, поглощать твердые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в соприкосновении с твердой фазой почв, носит название поглотительной способности. Она определяется различными причинами. В зависимости от причин, определяющих явление поглощения,

К.К. Гедройц выделил следующие типы поглотительной способности почв.

Механическая поглотительная способность проявляется при фильтрации воды, когда в почвенных порах и капиллярах задерживаются относительно крупные частицы, взвешенные в поверхностных водах, глинистые и песчаные частицы, органический детритус и т.д. 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 очистки воды.

Под молекулярно-сорбционной или физической поглотительной способностью понимают увеличение концентрации молекул различных веществ в растворе у поверхностных коллоидов. Это обусловливается притяжением отдельных молекул поверхности твердых почвенных частиц в

результате проявления поверхностной энергии. Наличие пленочной влаги вокруг почвенных частиц обусловлено поверхностными силами. Почвенными частицами также поглощаются, не диссоциированные на ионы, молекулы твердых веществ, находящихся в виде молекулярного раствора. Сорбированные молекулы не входят в состав твердых частиц, а лишь концентрируется у их поверхности.

Ионно-сорбционная или обменная поглотительная способность заключается в обмене ионов коллоидной массы почвы на ионы почвенного раствора. Между почвенной коллоидной массой (ППК) и почвенным раствором существует подвижное равновесие. Изменение в составе почвенного раствора вызывает соответственные изменения в составе поглощенных ионов. Особо важное значение в ионном обмене имеют катионы. С поглощением анионов приходится встречаться значительно реже.

Различные почвы имеют определенную величину емкости поглощения и определенный состав поглощенных катионов.

Почвы, поглощающий комплекс которых представлен катионами металлов (щелочей), называются насыщенными. Таковыми являются черноземы, каштановые, сероземы и ряд других почв, преимущественно аридных ландшафтов. Почвы, содержащие в составе поглощающего комплекса ион

водорода, называются ненасыщенными. Сюда относятся подзолистые, красноземы и другие почвы, преимущественно гумидных ландшафтов. Количество поглощенных катионов, выраженное в процентах от емкости поглощения, называемся степенью насыщенности.

Величина емкости поглощения почв обусловливается содержанием и минералогическим составом тонкодисперсной части пород, на которых сформированы эти почвы и содержанием в них гумуса. Глинистые почвы

имеют большую емкость поглощения, чем песчаные.

Химическая поглотительная способность представляет собой образование труднорастворимых химических соединений в результате реакций обмена в почвенном растворе. Например, возникновение новообразований гипса в почве.

Биологическая поглотительная способность обусловлена присутствием животных и растительных, организмов. В процессе своего жизненного цикла растения и животные избирательно накапливают некоторые химические элементы, необходимые для нормальной жизнедеятельности организмов. После отмирания последних накопленные элементы частично задерживаются в почве. Таким образом, почва постепенно обогащается определенными элементами, например углеродом, азотом и т.д., а так же некоторыми микроэлементами.

Тонкодисперсная часть почвы в значительной мере обусловливает режим питания растений. Это связано с тем, что ионы химических элементов, освобождаясь из кристаллических решеток минералов и разрушающихся растительных остатков, частично поглощаются тонкодисперснымиМкомпонентами почвы. Катионы, находящиеся в поглощенном состоянии, являются важнейшими элементами питания растений. Таковы кальций, магний, калий, натрий и др. Поглощенные ионы настолько прочно связаны, что не могут вымываться просачивающимися водами. В то же время они могут быть оторваны осмотическими силами корневых волосков. Схема поступления ионов в растение в системе разрушающийся минерал → почвенные коллоиды корневой волосок аккумулирует ряд химических элементов, необходимых растениям для их нормального роста и развития.

Емкость поглощения почвы обусловлена количеством и составом тонкодисперсных компонентов. В свою очередь, состав поглощенных ионов определяет состояние тонкодисперсной части почвы, насыщение которой ионами водорода отрицательно сказывается на питании растений и на структуре почвы. Ионы натрия еще в большей степени способствуют разрушению почвенных агрегатов, диспергированию тонкодисперсных частиц, их вымыванию. Насыщение тонкодисперсной части почв ионами кальция наоборот, обусловливает коагуляцию частиц, их неподвижность и образование прочной структуры почвы.

Кислотность почвы

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.

Большая часть соединений находится в почвенном растворе в виде ионов. Основные анионы почвенного раствора: (НСО3); (NO2) и (NO3) - поступают в него в результате биологических процессов. В тропиках до 30 кг/га азотной кислоты попадает в почву из атмосферы, где окислы азота образуются в результате грозовых разрядов. Основная масса окислов азота в почве связана с микробиологическими процессами нитрификации.

Преобладающую часть анионов почвенного раствора незасоленных почв обычно составляет бикарбонат-ион. В засоленных почвах резко возрастает содержание хлоридов и сульфатов.

Среди катионов в почвенном растворе постоянно находятся Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+, H+. В растворе засоленных почв резко увеличивается количество Na+ и Mg++, а из рассеянных химических элементов S2 и B.

Помимо минеральных соединений в почвенном растворе постоянно присутствуют водорастворимые органические соединения: фульвокислоты, органические кислоты, аминокислоты, сахара, спирты и др.

Величина осмотического давления раствора определяется количеством частиц (ионов, молекул или мицелл) находящихся в единице объема раствора. Поэтому растворы почв, содержащие легкорастворимые соли, обладают более высоким осмотическим давлением. В засоленных почвах величина осмотического давления составляет 10 атм. и более. В незасоленных почвах осмотическое давление редко превышает 2-3 атм. Если осмотическое давление почвенного раствора больше, чем клеточного сока, то прекращается поступление воды в корневые клетки и растение погибает от физиологической сухости.

Состав и концентрация почвенного раствора обусловливает его активную реакцию. Активная реакция (актуальная кислотность или щелочность) определяется концентрацией в растворе Н+. Вода, в слабой степени подвергаясь электролитической диссоциации, распадается на два иона: Н+ и ОН-. Концентрация этих ионов ничтожна: произведение Н+ на ОН- равно 10-14 . В предельно чистой воде должно находиться равное количество обоих ионов Н+= ОН- =10-7 .

Добавление кислоты повышает концентрацию Н+- ионов [Н+] > 10-7 . В этом случае раствор обладает кислой реакцией. Присутствие оснований повышает концентрацию ОН- ионов: [ОН-] > 10-7. Реакция раствора становится щелочной. Так как иметь дело с малыми величинами неудобно, то оперируют

десятичным логарифмом величины концентрации Н+ - иона. Этот                                                                                                             логарифм

обозначает рН. Следовательно,     рН= - lg [Н+].

В нейтральных растворах величина рН=7, в щелочных больше 7, в кислых

-                 меньше 7; рН почвенного раствора изменяется от 3 до 9. При этом различают по величине рН:

рН

сильнокислые почвы 3,0-4,5 кислые 4,5-5,5 слабокислые 5,5-6,5 нейтральные 6,5-7,0 слабощелочные 7,0-7,5 щелочные 7,5-8,5 сильнощелочные 8,5 и более

 

  

Степень кислотности почв является важным показателем, характеризует многие генетические и производственные качества почвы. Как правило, в кислых почвах отсутствуют хлориды, сульфаты, карбонаты. В нейтральных почвах присутствуют каонаты. В почвах с щелочной реакцией накапливаются не только карбонаты, но так же сульфаты и хлориды. Установлено влияние концентрации водородных ионов в почвенном растворе не только на высшие растения, но и на микробиологические процессы, а вместе с тем и на весь ход почвообразования.

Почва обладает буферностью, т.е. свойством сохранять свою реакцию при небольшом добавлении кислот или щелочей. Буферность почв обусловливается составом поглощенных оснований. При воздействии кислоты на почву с

нейтральной реакцией произойдет обмен поглощенных оснований на ион водорода кислоты, а в растворе образуется нейтральная соль.

При реакции щелочной соли с кислой почвой произойдет обмен между основаниями солей и поглощенными ионами водорода, в результате чего основания будут сорбированы, а вытесненные ионы водорода вновь увеличат кислотность почв до исходной величины.

Литератураосновная: 1, 2, 3, 4.

Литературадополнительная: 5, 7, 9.