- •Введение
- •1. Почвообразовательные процессы и факторы почвообразования
- •1.1. Общая схема почвообразовательного процесса
- •1.2. Факторы почвообразования
- •2. Твердая фаза почвы
- •2.1. Гранулометрический состав
- •Классификация гранулометрических элементов
- •Классификация почв по механическому признаку
- •2.2. Минералогический состав
- •2.2.1. Первичные минералы почв
- •2.2.2. Вторичные минералы почв
- •2.3. Химический состав минеральной части почв
- •Среднее содержание химических элементов в литосфере и почвах, % по массе (а.П. Виноградов, 1950)
- •Валовой состав гранулометрических фракций песчаного подзола севера Русской равнины, % (в.Д. Тонконогов, 1971)
- •3. Органическое вещество почвы
- •3.1. Источники органического вещества почв
- •3.2. Состав органического вещества почвы
- •3.3. Процессы превращения органических остатков и образование гумуса
- •3.4. Влияние условий почвообразования на характер и скорость гумусообразования
- •3.5. Роль органического вещества
- •4. Почвенные коллоиды и поглотительная способность почв
- •4.1. Строение, свойства и состав почвенных коллоидов
- •Увеличение суммарной и удельной поверхности 1 см3 тела при возрастании степени дисперсности
- •4.2. Поглотительная способность почв
- •4.3. Ионный почвенный обмен
- •Емкость обменного поглощения катионов глинистых минералов
- •Поглотительная способность почв
- •4.4. Кислотность, щелочность и буферность почв
- •5. Жидкая фаза почвы
- •5.1. Состояние и формы почвенной влаги
- •5.2. Водный баланс и типы водного режима почв
- •5.3. Почвенный раствор, его состав и свойства
- •6. Газовая фаза почвы
- •6.1. Состав и свойства газовой фазы почвы
- •6.2. Газообмен между почвой и атмосферой
- •6.3. Окислительно-восстановительные процессы в почвах
- •7. Физические, водные и механические свойства почв
- •7.1. Физические свойства
- •Плотность важнейших минералов почвы и гумуса
- •7.2. Водные свойства
- •Физические и водные свойства лесной сильноподзолистой почвы на покровном суглинке (по н.Ф. Созыкину)
- •7.3. Механические свойства
- •8. Тепловой режим и тепловые свойства почв
- •Колебания температуры почвы в европейской части России на глубине 20 см (по а.М. Шульгину)
- •13 Августа (по Хомену):
- •Тепловые свойства почв. Основными тепловыми свойствами почв являются теплопоглотительная способность, теплоемкость и теплопроводность.
- •9. Почвенный профиль
- •10. Структура почвы
- •Морфологическая классификация структур почв (по с.А. Захарову)
- •11. Плодородие почвы
- •12. Эрозия почв
- •Рекомендательный библиографический список
- •Оглавление
4. Почвенные коллоиды и поглотительная способность почв
Одним из главнейших свойств почвы является ее поглотительная способность. Являясь полидисперсной системой, состоящей из частиц разной величины, почва способна поглощать газы, пары воды и ряд веществ, растворенных в воде. Наиболее дисперсная часть почвы, представленная частицами диаметром от 0,02 до 0,0001 нм, называется почвенными коллоидами. Их количество в почве различно (от 1-2 % в легких почвах до 30-40 % в тяжелых). Образуются они путем диспергации (раздробления) более крупных частиц или конденсации многих молекул в агрегаты молекул.
4.1. Строение, свойства и состав почвенных коллоидов
Коллоиды представляют собой двухфазные системы и состоят из дисперсной фазы (коллоидных частиц) и дисперсионной среды (почвенного раствора). Характерными особенностями почвенных коллоидов являются очень большая суммарная и удельная поверхность (табл.5) и наличие двойного электрического слоя ионов на границе раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой.
Таблица 5
Увеличение суммарной и удельной поверхности 1 см3 тела при возрастании степени дисперсности
Длина стороны куба, мм |
Число кубов |
Поверхность |
Длина стороны куба, нм |
Число кубов |
Поверхность |
||
суммарная, см2 |
на единицу объема, см2/см3 |
суммарная, м2 |
на единицу объема, м2/см3 |
||||
10 |
1 |
6 |
6 |
0,1 |
1012 |
6 |
6104 |
1 |
103 |
60 |
610 |
0,01 |
1015 |
60 |
6105 |
0,1 |
106 |
600 |
6102 |
0,001 |
1018 |
600 |
6106 |
0,01 |
109 |
6000 |
6103 |
0,0001 |
1021 |
6000 |
6107 |
Большая суммарная и удельная поверхности обусловлены высокой степенью дисперсности, вследствие чего масса коллоидной частицы относительно невелика по сравнению с ее поверхностью, что определяет высокую реакционную способность коллоидов. Удельная поверхность частиц глинистых минералов составляет от 5 до 30 м2/г у каолинита, 50-100 м2/г у иллитов и 600-800 м2/г у монтмориллонита и вермикулита.
1
2
Рис.4.
Схема строения коллоидной мицеллы
(по Н.И.Горбунову)
1
и 2 – слой отрицательно и положительно
заряженных
ионов соответственно
В зависимости от состава ионов в потенциалопределяющем слое различают ацидоиды, базоиды и амфолитоиды. Ацидоиды это отрицательно заряженные коллоиды, содержащие анионы в потенциалопределяющем слое и катионы в диффузном. Базоиды – положительно заряженные коллоиды с катионами в потенциалопределяющем слое и анионами в диффузном. Амфолитоиды способны менять характер диссоциации молекул двойного электрического слоя и в зависимости от реакции среды вести себя как ацидоиды или как базоиды. основная масса коллоидов в почве является ацидоидами, присутствуют также амфолитоиды, меняющие знак в зависимости от рН среды.
Свойства коллоидов. По отношению к жидкой фазе коллоиды делятся на гидрофильные, способные поглощать молекулы воды с образованием на поверхности частицы многослойной пленки (гидратация коллоида), и гидрофобные, практически не гидратирующиеся (не смачиваются водой). К гидрофильным коллоидам относятся, например, минералы монтмориллонитовой группы, а к гидрофобным – каолинитовой.
Коллоиды могут находиться в двух состояниях: золя (коллоидного раствора) и геля (коллоидного осадка). Наличие электрического заряда обусловливает электрокинетические свойства, главнейшими из которых являются коагуляция и пептизация.
Коагуляция – переход коллоида из состояния золя в состояние геля. Коллоиды теряют заряд и слипаются в агрегаты. Причины коагуляции следующие:
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 вызывается 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+ < < K+ < Mg2+ < H+ < Ca2+ < Ba2+ < Al3+ < Fe3+. Коллоиды, насыщенные одновалентными катионами, находятся, в основном, в состоянии золя; при замене одновалентных катионов двух- или трехвалентными они переходят в гель.
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, 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.