Почвоведение Уч пос_Николаева Т.Н. 2005

действие электролитов, ионы которых несут противоположный знак заряда;

взаимодействие двух коллоидных систем с разноименно заряженными частицами;

дегидратация гидрофильных коллоидов и повышение концентрации электролита в растворе в результате высушивания или замораживания почвы.

Наиболее легко коагулируют гидрофобные коллоиды, труднее – гидрофильные из-за наличия на поверхности водной оболочки. Гели могут быть обратимыми и необратимыми. Коагуляция способствует образованию почвенной структуры, уменьшению связности тяжелых по гранулометрическому составу почв, сохранению от вымывания колллоидов.

Пептизация – переход из состояния геля в золь. Она вызыва-

ется восстановлением заряда и повышением -потенциала коллоидной системы. Пептизация почвенных коллоидов происходит при удалении избытка электролита (в случае обратимых гелей) и под действием ионов ОН–, увеличивающих заряд ацидоидов. При пептизации разрушается структура геля, коллоиды распыляются и приобретают способность к передвижению по почвенному профилю.

Особым явлением представляется процесс тиксотропии коллоидов – явление, при котором образующийся из золя гель не отделяется от дисперсионной среды, а застудневает вместе с ней и способен возвращаться в состояние золя при механическом воздействии. Явление тиксотропии широко распространено в почвах, распространенных в зоне многолетней мерзлоты.

Физическое состояние коллоидов в значительной степени зависит от состава поглощенных катионов. Чем больше валентность поглощенных катионов и больше их заряд, тем меньше электрокинетический потенциал частицы и легче идет процесс коагуляции. К.К. Гедройц расположил все катионы по их коагулирующей способности в следующий ряд: Li+ < Na+ < NH4 < K+ < Mg2+ < H+ < Ca2+ < Ba2+ < Al3+ < Fe3+. Коллоиды, насыщенные одновалентными катионами, находятся, в основном, в состоянии золя; при замене одновалентных катионов двухили трехвалентными они переходят в гель.

41

Реакция почвы также влияет на состояние коллоидов. Кислая реакция способствует растворению некоторых коллоидов, например, гидроксида алюминия; щелочная реакция стимулирует выпадение в осадок коллоидов полуторных оксидов и переход в состояние золя органических и некоторых минеральных коллоидов.

Электрокинетические свойства коллоидов обуславливают их способность к аккумуляции и передвижению в пределах почвенного профиля и к их участию в формировании аккумулятивных, элювиальных и иллювиальных горизонтов почв.

Огромное значение имеют также адсорбционные свойства коллоидов – способность поглощать катионы, анионы и целые молекулы находящихся в почвенном растворе веществ.

Состав почвенных коллоидов. Различают минеральные,

органические и органоминеральные коллоиды.

Минеральные коллоиды представлены глинистыми минералами, коллоидными формами кремнезема и полуторных оксидов. Все глинистые минералы имеют кристаллическое строение, пластинчатую форму и являются типичными ацидоидами.

Характерные для глинистых частиц заряды обязаны своим происхождением замещению одних ионов на другие. Особенно большое значение имеет замещение Si4+ на Al3+ в тетраэдрах и Al3+ на Mg2+ в октаэдрах кристаллической решетки. Такие внутриструктурные замещения ионов в целом являются причиной появления зарядов на плоских поверхностях частиц глинистых минералов, в том числе и на плоских поверхностях частиц глинистых минералов с расширяющейся решеткой (монтмориллонита и вермикулита). В этих минералах около 80 % всей емкости приходится на внутреннюю поверхность, т.е. на поверхность элементарных пакетов. У каолинита внутренней поверхности нет, нет и внутренних замещений ионов. Его обменная емкость обусловлена свободными связями на боковых (торцевых) поверхностях пластинок. Здесь ионы обнажаются и часть присущих им связей оказывается свободной, ненасыщенной. Эти свободные связи и компенсируются обменными катионами.

Органические коллоиды представлены в почве, прежде всего,

гумусовыми кислотами и их солями (гуматами, фульватами, алюмо- и железогумусовыми соединениями) и находятся, в основном,

42

в состоянии гелей. Все они типичные ацидоиды. Являясь гидрофильными коллоидами, они легко меняют состояние: пептизируются при действии щелочных растворов и коагулируют под влиянием двух- и трехвалентных катионов. Характерная особенность гумусовых веществ – очень высокая емкость обменного поглощения катионов – обусловливает огромную их роль в поглотительной способности почв.

Органоминеральные коллоиды широко распространены в верхних горизонтах почв. Они представляют собой комплекс переменного состава из высокодисперсных минералов и гумусовых веществ, покрытых пленками гумусовых кислот, гуматов и фульватов алюмо- и железогумусовых солей. Основные минералы этих коллоидов – монтмориллонит и гидрослюды, а также всегда сопутствующие им в почве полуторные оксиды и кремнезем. Эти коллоиды формируются в почве в процессе склеивания (адгезии) гумусовых кислот и их производных с поверхностью минеральной частицы. Органоминеральные коллоиды являются ацидоидами; относительно высокая емкость обменного поглощения катионов зависит от количества гумусовых веществ.

В любой почве основная масса коллоидов находится в форме гелей, различных по степени гидратации и прочности связи с поверхностью твердых частиц. Одна часть коллоидов находится в почве в свободном состоянии, другая образует пленки на поверхности более крупных гранулометрических фракций и сильно дегидратирована. Первая категория коллоидов легко пептизируется при щелочной реакции и насыщении их диффузного слоя натрием. Вторая очень прочно связана с поверхностью крупных гранулометрических фракций, и их пептизация затруднена.

4.2. ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ

Способность почвы поглощать пары, газы, задерживать растворенные или взмученные в почвенном растворе вещества или их части, а также живые организмы называется поглотительной способностью.

К.К. Гедройц выделил пять видов поглотительной способности:

43

механическую – свойство почвы как всякого пористого тела задерживать в своей толщетвердыечастицы крупнее, чем система пор;

физическую – изменение концентрации молекул растворенного вещества на поверхности твердых частиц почвы, обусловленное наличием на поверхности коллоидных частиц сил притяжения, способствующих сорбированию молекул воды, газов и органических веществ с образованием из них поверхностных пленок. Эту поглотительную способность называют молекулярной сорбцией;

физико-химическую, или обменную, – способность обменивать некоторую часть катионов, содержащихся в твердой фазе на эквивалентное количество катионов, находящихся в соприкасающемся с нею растворе;

химическую – способность анионов растворенных солей, взаимодействуя с катионами, образовывать нерастворимые соли,

выпадающие в осадок (например, гипс по реакции Na2SO4 + CaCl2

CaSO4 + 2NaCl). К таким катионам относятся Ca2+, Al3+, Fe3+ и отчасти Mg2+;

биологическую – способность (избирательная) микроорганизмов и растений поглощать из почвенного раствора различные вещества. Живые организмы поглощают, в первую очередь, катионы

K+, NH4 , Ca2+, Fe3+, необходимые для построения своих тканей. Совокупность твердых частиц почвы, обладающих абиоти-

ческой катионной или анионной поглотительной способностью, К.К. Гедройц назвал почвенным поглощающим комплексом (ППК). С физической точки зрения, ППК представляет собой совокупность веществ в тонкодисперсном состоянии (коллоиды). В химическом отношении это нерастворимые в воде солеобразные алюмосиликатные, органические и органоминеральные соединения.

Основной сорбент в почве – ее илистая фракция, в составе которой ведущую роль играют коллоиды. Крупные фракции почвы практически не обладают обменной поглотительной способностью.

Поглощение и закрепление веществ в твердой фазе почвы происходят как с помощью сорбции, так и путем адгезии – склеивания твердых частиц почвы с сорбированными на их поверхности или выпавшими в осадок минеральными, органическими и органоминеральными веществами.

44

4.3. ИОННЫЙ ПОЧВЕННЫЙ ОБМЕН

Поглощение катионов. Поглощение почвой катионов осуществляется путем ионной (обменной) сорбции и необменной фиксации, химического и биологического поглощения.

Обменная сорбция – способность катионов диффузного слоя почвенных коллоидов обмениваться на эквивалентное количество катионов соприкасающегося с ними раствора. Обмен протекает по уравнению

Сa2

[ППК] Mg2 + 5KCl [ППК]5К+ + CaCl5 + MgCl2 + HCl.

Н

Основные закономерности этой реакции следующие:

1.Обмен происходит в эквивалентных количествах по законам обменных химических реакций.

2.Любой поглощенный катион может быть вытеснен и заменен другим катионом почвенного раствора.

3.Энергия поглощения и вытеснения катионов зависит от валентности и атомной массы и толщины гидратационной оболочки. Наиболее распространенные в почве катионы дают следующий ряд:

Na NH4 , K	Mg2 , Ca2 , H (H3O ) Al3 .
нарастание внедрения	нарастание вытеснения

Чем меньше радиус ионов с одинаковой валентностью, тем в большей степени они гидратированы и тем меньшей энергией поглощения обладают. Например, способность катиона натрия к внедрению меньше, чем способность катионов аммония и калия. Гидроксоний (Н3О+), имеющий больший радиус, поглощается почвенными коллоидами интенсивнее, чем другие одновалентные катионы.

4.Обменное поглощение носит обратимый характер.

5.Скорость обмена обусловлена строением ядер коллоидных частиц, свойствами и строением кристаллических решеток глинистых минералов. Емкость обменного поглощения катионов максимальна среди глинистых минералов группы монтмориллонита и

45

вермикулита вследствие подвижной кристаллической решетки и значительных межпакетных промежутков, в которых также сорбируются катионы. Такой тип поглощения называется интрамицеллярным, и для него характерна мгновенная скорость обменной реакции. Минимальная емкость обменного поглощения катионов и замедленная скорость обмена минералов группы каолинита связана с тем, что поглощение катионов происходит только на наружной поверхности кристаллической решетки (экстрамицеллярный тип поглощения).

В составе обменных катионов всех почв присутствуют Ca2+, Mg2+ и в небольших количествах K+ и NH4 . Кроме того, в некоторых почвах содержится катион H+ и Al3+ или Na+. В зависимости от состава обменных катионов К.К. Гедройц разделил все почвы на две группы: почвы, насыщенные основаниями, в составе обменных катионов преобладают Ca2+, Mg2+ и Na+, и почвы, не насыщенные основаниями, содержащие наряду с Ca2+ и Mg2+ катионы H+ и Al3+.

Суммарное количество обменных катионов называется емкостью обменного поглощения катионов (емкостью поглощения почвы) и выражается в миллиграмм-эквивалентах на 100 г почвы. Емкость обменного поглощения характеризует количество коллоидов, их состав и поглотительную способность почвы и зависит от реакции среды, которая определяет общую величину -потенциала коллоидов. Для сравнительной характеристики почв используется емкость поглощения почвы при рН = 7 (табл.6 и 7).

Таблица 6

Емкость обменного поглощения катионов глинистых минералов и других почвенных коллоидов при рН = 7

	Коллоид	Емкость обмена,	Коллоид	Емкость обмена,
		мг-экв/100 г		мг-экв/100 г
	Каолинит	3-15	Минеральные коллои-	70-90
			ды чернозема
	Монтмориллонит	60-150	Гуминовые кислоты	400-500
	Вермикулит	65-145	Органоминеральные
	Иллит	20-40
			коллоиды чернозема	150-250

46

Емкость обмена рыхлых пород определяется ее гранулометрическим составом, минералогическим составом илистой фракции, а емкость обмена почв, кроме того, еще и содержанием гумуса. У песчаных почв емкость обмена обычно составляет 1-5 мг-экв/100 г, у супесчаных – до 7-8 мг-экв/100 г, у суглинистых – от 7-8 до 1518 мг-экв/100 г, у глинистых – от 15-18 до 25-30 мг-экв/100 г и выше. Гумусовые горизонты почв имеют часто более высокую емкость обмена, чем материнская порода.

			Таблица 7
	Поглотительная способность почв
Почвы		Емкость поглощения,	Характерные поглощенные
		мг-экв/100 г почвы	катионы
Дерново-подзолистые		10-30	Ca, H > Mg
Серые лесные		20-40	Ca > Mg > H
Черноземы		40-60	Ca > Mg
Каштановые		15-30	Ca > Mg > Na
Серо-бурые		10-20	Ca > Mg, Na, K
Красноземы		10-18	H > Mg > Ca

Состав обменных катионов оказывает большое влияние на свойства почвы, ее агрегатный состав и условия произрастания растений. Как показали исследования К.К. Гедройца, состав обменных катионов определяет реакцию и тип коагуляции коллоидов почвы, ее физические свойства и направление процесса структурообразования.

Необменная фиксация (поглощение катионов) происходит в почве постепенно, и часть обменных катионов переходит в необменную форму, т.е. не вытесняется в раствор при действии нейтральных солей. Наиболее интенсивно фиксируются ионы K+ и NH4+. Считается, что основной причиной фиксации является защемление катионов в межплоскостных пространствах кристаллической решетки глинистых минералов с расширяющимся типом (монтмориллонит, вермикулит) при высушивании почвы. Гумусовые вещества также способствуют необменному поглощению катионов, в частности, у высокогумусных черноземов оно сильнее, чем у малогу-

47

мусных дерново-подзолистых почв.

При химическом поглощении катионы переходят в твердую фазу почвы в результате реакций солеобразования, при которых образуются нерастворимые в воде соединения. К таким катионам относятся Ca2+, Al3+, Fe3+ и отчасти Mg2+. При взаимодействии с растворимыми в воде сульфатами, карбонатами и фосфатами эти катионы образуют нерастворимые соединения и выпадают в осадок в твердой фазе почвы, например: [ППК–]Ca2+ + + Na2SO4 [ППК–]2Na+ + CaSO4 .

Некоторая часть катионов почвенного раствора поглощается в почве биологически вследствие усвоения их живыми организмами – растениями, микроорганизмами. Биологическое поглощение носит избирательный характер, так как живые организмы поглощают в первую очередь катионы (K+, NH4 , Ca2+, Fe3+), необходимые для построения своих тканей.

Поглощение анионов. Поглощение анионов обусловливается особенностями самих анионов, составом почвенных коллоидов, их электрическим потенциалом и реакцией среды. Нитраты и хлориды не образуют труднорастворимых солей и поэтому в результате химического поглощения в почвах не закрепляются. Сульфат-ион поглощается почвами в небольшом количестве. Широко распространено поглощение фосфатов.

Чем больше в почве глинистых минералов и коллоидов с базоидными свойствами, тем больше анионов она способна поглотить. Реакция среды меняет электрический потенциал коллоидов: подкисление способствует большему поглощению анионов, подщелачивание – наоборот. В частности, черноземы с реакцией, близкой к нейтральной, поглощают меньше анионов, чем кислые подзолистые почвы.

В природе наблюдается химическое, физико-химическое и биологическое поглощение анионов, а также их осаждение при коагуляции коллоидов.

Химическое осаждение является важнейшим в поглощении фосфат-ионов, которые закрепляются в почвах в форме высокоосновных фосфатов кальция и магния. Труднорастворимые фосфаты

48

кальция образуются при рН = 7 в результате обмена с Ca2+, находящимся в диффузном слое почвенных коллоидов:

[ППК]Ca2+ + Ca(H2PO4)2 [ППК]2H– + 2CaHPO4 .

Вкислых почвах фосфаты поглощаются при взаимодействии

сионами Fe, Al, Mn:

Al(OH)3 + H3PO4 AlPO4 + 3H2O.

Органические коллоиды в поглощении анионов играют меньшую роль, чем минеральные, а более гумусированные почвы адсорбируют фосфат-ионы слабее, чем малогумусные.

4.4. КИСЛОТНОСТЬ, ЩЕЛОЧНОСТЬ И БУФЕРНОСТЬ ПОЧВ

Характерным свойством почвы является ее реакция. Она проявляется при взаимодействии почвы с водой или растворами солей и зависит от соотношения свободных ионов Н+ и ОН– в почвенном растворе. Кислотно-щелочные условия обусловлены типом почв, их подтиповыми, родовыми различиями и могут колебаться в широких пределах. Концентрация свободных ионов Н+ выражается величиной рН, представляющей собой отрицательный логарифм концентрации ионов водорода: рН = 7 – нейтральная реакция; рН 7 – кислая; рН 7 – щелочная. Показатель рН почвенного раствора в различных почвах колеблется от 3,5 до 8-9 и выше. Наиболее кислая реакция у болотных почв верховых торфяников, у подзолистых и дерново-подзолистых почв рН меняется от 4 до 6, у черноземов реакция близка к нейтральной, наиболее щелочная реакция у солончаков, особенно содовых (рН от 8-9 и выше). Для сельскохозяйственных растений наиболее благоприятна слабокислая или слабощелочная реакция; наименее благоприятна сильнокислая и особенно сильнощелочная. В кислой среде преобладает грибная микрофлора, в нейтральной и слабощелочной – бактериальная.

Реакция почвы (кислотность, щелочность) в сильнейшей степени зависит от того, какие вещества поглощены ею. Если в ППК поглощены водород или алюминий, реакция будет кислой, если на-

49

трий – щелочной; почва, насыщенная кальцием, будет иметь нейтральную реакцию.

Кислотность почв связана с содержанием ионов водорода и выражается в способности почвы подкислять воду и растворы нейтральных солей. Для почвенного раствора характерна актуальная кислотность, для твердой фазы почвы – потенциальная. В почве сохраняется подвижное равновесие ионов водорода твердой фазы и почвенного раствора, но доминирует кислотность твердой фазы почвы.

Актуальная кислотность представляет собой концентрацию ионов H+ в почвенном растворе и выражается величиной pH. Жизнь животных и растений может протекать при pH от 2,5-3 до 10-10,5. За пределами этих концентраций ионов водорода проявление жизни крайне ограничено. Величина pH является наиболее устойчивым генетическим показателем конкретной почвы. Варьирование pH в границах типичных значений составляет 5-10 %. Всякие изменения реакции среды приводят к резкой смене характера почвообразования. Антропогенные изменения актуальной кислотности происходят при окультуривании и деградации почв. Поэтому величина pH для всех почв является существенным диагностическим критерием.

Потенциальная кислотность обусловлена количеством обменных ионов H+ и Al3+ в составе почвенного поглощающего комплекса. Источником обменного иона H+ являются органические кислоты, образующиеся при разложении и гумификации органических остатков, а также угольная кислота. Обменный Al3+ вытесняется в раствор из кристаллической решетки глинистых минералов при взаимодействии с растворами солей. Выделяемые в раствор катионы H+ и Al3+ подкисляют его:

[ППК–]H+ + KCl [ППК–]K+ + HCl;

[ППК–]Al3+ + 3KCl [ППК–]3K+ + AlCl3.

Образующаяся в растворе соль хлористого алюминия относится к категории гидролитически кислых солей и в водном растворе расщепляется на кислоту и основание:

AlCl3 + 3H2O Al(OH)3 + 3HCl.

50