Физико-химическая поглотительная способность, или обменнаяя адсорбция.

ЛЕКЦИЯ

Тема ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВЫ

Вопросы 1.Поглотительная способность почвы и ее взаимосвязь с фазами почвы

Виды поглотительной способности почвы.

Механическая поглотительная способность.

Биологическая поглотительная способность.

Химическая поглотительная способность.

Физическая поглотительная способность, или молекулярная адсорбция.

Физико-химическая поглотительная способность, или обменнаяя адсорбция.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Решения государственных документов Украины по сельскому хозяйству направлены на увеличение среднегодового обьема производства сельскохозяйственной продукции при осушествлении дальнейшей интенсификации сельского хозяйства — на основе комплексной механизации всех отраслей производства, химизации и широкой мелиорации земель.

Рост урожайности сельскохозяйствснньїх культур неотделим от повышения плодородия почв, внедрения передовой технологии производства, рационального использования минеральных и органических удобрений, мелиаративньгх и про-тивозрозионных мероприятий. В 1975 году производство минеральных удобрений достигло 90 млн. тонн и увеличивалось вплоть до распада СССР. Одновременно возрастало, и их внесение в почву.

Зффективность вносимых удобрений в почву зависит не только от их количества и качества, но и от свойств почвы. Изучение состава и свойств почвн, в том числе и поглоти-тельной способности, имеет большое значение для понимания лроцессов взаимодеііствия удобрений с почвами. Глубокое знание почв и процессов, протекающих в них, является основой для разработки и внедрения научно обоснованной системы земледелия применительно к условиям различныхх почвенно-климатических зон страны и каждого конкретного хозяйства.

Материал, изложенньїй в данной лекции, знакомит и дает представление о тесной взаимосвязи явлений поглощения и обмена в почве с ее отдельньши фазами, знакомит с составом почвы и ее важнейшими свойствами — видами поглотительной способности.

Научным исследованиям явлений поглощения и обмена в почвах лосвящены труды выдающихся ученых в области почвоведения и агрохимии академиков К. К. Гедройца, Д. Н. Прянишникова, А. Н. Соколовского, и др.

Лекция предназначена для студентов экологического и агрономического факультетов. Полагаем, что лекция поможет студен­там усвоению материала по важному и трудному разделу почвоведения и агрохимии.

І. ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВЬІ И ЕЕ ВЗАИМОСВЯЗЬ С ФАЗАМИ ПОЧВЬІ

При изучении поглотительной способности и других свойств почвн, определяющих ее плодородие, почву следует расематривать как систему, состоящую из трех фаз (или ча-стей) — твердой, жидкой и газообразной.

Почва является пористым телом, между отдельннми механическими злементами и агрегатами имеются поры разной величини. Совокупность пор, или пустот, составляет по-ристость почвн.

Поры почвн заполнены воздухом и водой в различных соотношениях. Все три фазы почвы находятся в постоянном взаимодействии, непрернвно между ними протекают реакции обмена и поглощения. Наибольшей подвижностью и изменчивостью обладают газообразная и жидкая фазн, по сравнению с ними твердая фаза более инертна, но и в твердой фазе почвы имеется ее активная часть—почвенные коллоиды. Почвенный раствор, почвенннй воздух и почвенные коллоиды являются самими активними и подвижными компонентами почвы. Они оказнвают наибольшее влияние на услория произрастания растений и сами испнтнвают их влияние. Жидкая фаза почвы, или почвенннй раствор. Жидкая фаза почвы представляет собой раствор различных соединений, которнй принято називать почвенным раствором.

Почвенннй раствор находится в постоянном взаимодействии с твердой и газообразной фазами почвн и корнями растений. Элементы питання растения усваивают из почвенно-го раствора. С почвенннм раствором связано передвижение различннх веществ по профилю почвы. Для жизни растений большое значение имеет состав, концентрация и реакция почвенного раствора. Зти свойства зависят от типа почв, био-химических процессов в почве, их характера и интенсивности, состава поглощенннх катионов и анионов, наличия легкорастворимнх солей.

В состав почвенного раствора входят минеральные, органические и органоминеральные вещества.

В зависимости от типа почв в почвенном растворе могут преобладать органические или минеральнне соединения. В почвах дерново-подзолистых, болотно-подзолистнх, болот-ных — почвенный раствор обогащен органическими соединениями, в черноземах содержание органических и минеральннх соединений примерно равное, в почвах засушливих областей преобладают минеральнне соединения.

Из минеральннх солей в почвенном растворе встречаются нитратн, нитриты, бикарбонаты, карбонаты, хлориды, сульфати, фосфаты (кальция, магния, натрия, калия, аммония). В болотных и оглеенных почвах могут присутствовать соединения закисного железа, алюминия, марганца. Из минеральлых веществ в коллоидном состоянии в состав почвенного раствора входят гидраты окиси железа, кремневой кислоты и др. (Коллоидная часть невелика, она составляет от 1/20 до 1/4 сухого остатка).

Из органических соединений в почвенном растворе могут присутствовать сахара, органические кислоты, белки, аминокислотн, а также гумусовие кислоты и их соли.

По концентрации почвенного раствора все почвн делятся на незасоленные и засоленные. Большинство типов почв относятся к незасоленньш, поскольку у них кон­центрация почвенного раствора слабая, сухой остаток не превышает одного или нескольких граммов на 1 литр раствора или сухой остаток < 0, 25%.

Осматическое давление такого почвенного раствора не превишает 1-3 атм. и оно ниже осматического давлення клеточного сока растений.

Засоленние почвн имеют високую концентрацию солей в впочвенном растворе, сухой остаток солей составляет десятки, сотни граммов на 1литр раствора а сухой остаток> 0, 25%.

Осматическое давление в таком растворе может подниматься до 10—20 атм. и более. При зтом растения из раствора не могут использовать злементы питання. Если раствор содержит соду и хлористий натрий, то рост растений ухудшается из-за их вредности.

Почвенннй раствор обладает различной реакцией, она носит название активной или актуальной. Реакция почвенного раствора определяется соотношением в нем водородних и гидроксильннх ионов и зависит от содержания кислот и солей (кислих и щелочннх). Если в почвенном растворе преобладают ионы водорода над ионами гидроксила, то реакция определяется как кислая, при обратном соотношении - щелочная; при содержании ионов водорода» гидроксила в равных количествах реакции почвы становится нейтральной., Следовательно, реакция почвенного раствора может быть нейтральной, кислой и щелочной.

Содержание ионов водорода в почвенном растворе выражают в грамм-ионах/л или условяо, показателем рН (рН — отрицательннй десятичннй логарифм концентрации водород-них ионов). Почвенний раствор с нейтральной реакцией имеет рН-7, с кислой рН< 7, с щелочной рН> 7.

Реакция раствора в различных почвах может бить сильно-кислой (верховые болота, подзолистые почвы), кислой (дерново-подзолистые почвы, серые лесные), нейтральной (черно-земы, каштановые почвы), сильнощелочной (солонцы, особенно содовне). Для развития растений и микроорганизмов большое значение имеет устойчивость реакции почвенного раствора, т. е отсутствие резких сдвигов ее в сторону кислотности или щелочности. Способность почв и почвенного раствора противо-действовать изменению реакции при добавлений к ним кислот и щелочей назьівается б у ф є р н о с т ь ю. Буферность раствора по сравнению с буферностью почвы небольшая. Одной из наиболее широко распространенных буферних систем в растворе является смесь слабых кислот и их солей (к примеру Н₂С0₃ + Са(НС0₃)₂, подобную же роль может вьіполнять система, состоящая из органических кислот и их солей.

Не малое значєние в явленнях поглощения в почве имеет газообразная фаза почвы или почвенний воздух. Почвенный воздух является важным и необходимим компонентом почвы. Воздух в почве занимает часть пор, которые не заняты водой, поэтому его содержание зависит от общей пористости (скважности) и влажности. Эта зависимость в свою очередь обусловливается почвенным типом, структурой и культурным состоянием почв.

Почвенний воздух является основным источником кислорода для дыхания корней растений, а также для почвенных азробных микроорганизмов, активность которых возможна при свободном доступе воздуха. С деятельностью полезннх аэробних микроорганизмов связано образование в почве питательних веществ для растений. При недостатке кислорода в почвенном воздухе развиваются анааробние микроорганизмы, вызывающие восстановительные процессы, в том числе денитрификацию и образование вредных закисных соединений (железа, марганца и др.).

Почвенний воздух несколько отличается по своєму составу от атмосферного, в нем содержится больше С0₂ (от 0, 1 до 15%) в соответствии с зтим (т. е. увеличением или уменьшением СО2) меняется и содержание кислорода.

Увеличение дози СО² и изменение его количества в составе почвенного воздуха связаио с биохимическими процессами: дыханием корней, деятельностью микроорганизмов и потреблением кислорода в окислительних процессах при разложении органического вещества почвьі. Увеличение углекислого газа в почвенном воздухе ухудшает произрастание растений. Так, при уменьшении в почвенном воздухе кислорода до 8—9% и ниже резко падает энергия прорастания семян растений. Высокие концентрации С0₂ губительно действуют на развитие корневой системи растений.

Между почвенным и атмосферним воздухом происходит непрернвный обмен, в результате которого состав воздуха выравнивается. Это явление называется газообменом в почве. Чем быстрее и полнее обменивается почвенний воздух с атмосферним, тем благоприятнее создаются условия в почве для жизни культурних растений. Некоторое пополнение углекислотой атмосферного воздуха усиливает процесе фотосинтезе, а следовательно, способствует повышению урожая.

Взаимодействие почвенного воздуха с твердой и жидкой фазами почвы происходит непрерывно.

Почвы в значительных количествах и наиболее интенсивно поглощают водянне пари, из газов наиболее активно поглощаетея аммиак, затем С0₂, 0₂ и относительно мало азота.

В практике сельскохозяйственного ппризводства для создания благоприятного воздушного режима в почвах пользуются различннми приемами обработки: вспашкой, боронованием, культивацией и др. На тяжелых бесетруктурннх почвах улучшение воздушного режима в период вегетации растений достигаетея различными видами рыхления для уничтожения почвенной корки. Систематическое внесение в почву органических удобрений способствует улучшению воздушного режима, усилению газообмена в почвах временного и постоянного избыточного увлажнения (заболоченннх и периодически переувлажненных). Содержание воздуха в почве может быть улучшено применением осушительннх мероприятий.

Явлення поглощения и обмена непрерывно происходят ліежду жидкой, газообразной и твердой фазами почвы. Твердая фаза почвы состоит из минеральных и органических веществ. Органическое вещество представлено в почве, главннм образом, гумусом или перегноєм. В состав гумуса входят высокомолекулярнне соединения типа фульвокислот и гуминовых кислот, их соли, а также комплекснне соединения этих кислот с минеральной частью почвы.

Среднее процентное содержание гумуса в главннх типах почв СССР, в слое 0—20 см, составляет, примерно, для дерново-подзолистнх почв таежно-лесной зоны 1, 5-3; серых почв лесостепи 2, 5—4; черноземов выщелоченных и обыкновенннх 3, 5-5; типичныхх черноземов—4, 5-5, 5; темно-каштановнх почв 2, 5—3; сероземов 1—2; красноземов— 4—6.

Минеральная часть твердой фазы почвы образуется главным образом из минералов почвообразующих (материнских) пород. В минералолический сотав почвн входят первичные и вторичные минералы.

К первичньш минералам относятея минералн, которне входили в состав магматических горных пород и перешли в результате физического процесса выветривания в материнские породи, а затем в.почвн.

Наиболее распроетраненными первичными минералами в почвах являютея: полевые шпаты-ортоклаз, микроклин, плагиоклазн (алюмосиликаты); слюды - мусковит, биотит (водные алюмосиликаты), авгит (из групы пироксенов), роговая обманка (из группн амфиболов), оливин (все три силикатьі); кварц, гематит и магнетит (окислы) и фтор- и хлор-апатит (фосфаты). К минералам почвн следует отнести и некоторне минералы осадочныхх горных пород: известняк и мергель (карбонаты); гипс и мирабилит (сульфати) и др.

Вторичными минералами называютея минералы, которые образовались из магматических пород и минералов (первичных) в результате химического и биологического процессов выветривания и почвообразования.

К вторичннм минералам относятея группа глинистих минералов, они являютея составной частью всех природных глин (отсюда их название).

Минералам зтой группн присущи общие свойства: високая дисперсность, пластинчато-слоистое кристаллическое строение, наличие химически связанной воды.

По своим размерам глинистне минералн относятея к коллоидам. Они подразделяютея на три группы: монтмориллонитовая, каолинитовая, гидрослюдистая (каждой группе присущи свои особые свойства).

К монтмориллонитовой группе минералов относятея: монтмориллонит, бейделлит, нонтронит и др. Эти минералы широко распространены во всех почвах, за исключеніием латеритов и красноземов.

Для минералов зтой группн характерна трехелойная кристаллическая решетка: два слоя кремнекислородных тетраэдров и между ними октаэдрический слой. В кристаллах трехслойные пакеты чередуютея и придают им слоистую структуру. Связь между пакетами слабая, межпакетное расстояние колеблется от 9, 4 до 21, 4 А*. В межпакетные пространства могут проникать обменнне основания. Благодаря высокой дисперсности минералн зтой группы обладают большой емкостью поглощения (80—120 мг-зкв на 100 г), способни впитнвать много влаги, сильно набухать, увеличиваясь в обьеме, проявлять липкость.

Каолинитовая группа минералов включает в свой состав минералы: каолинит, диккит, галлуазит и др.; они встречаютея в почвах в небольшом количестве, при значительном их содержании почвы бедны основаниями. Минералы зтой грутпн имеют двухслойную кристаллическую решетку: на один слой кремнекислородных тетраздров приходится один слой алюмогидроксильных октаздров.

Между двухслойннми пакетами связь сильная, расетояниєемежду пакетами постоянное и равное 7, 2А. Доступ водиыв межпакетное пространство затруднен. Каолинит и другие минералы этой группы не набухают от воды, дисперсность их невисокая, емкость поглощения не превишает 20 мг.-зкв на 100 г.

Группа минералов гидрослюд (гидромусковит, гидробиотит и др.). По физическим свойствам гидрослюды занимают место между бейдоллитом и каолииитом. Гидрослюды—важний источник калия, содержание его может достигать 6—7% (в иллите). Доказано, что глинистне минералы участвуют в поглощении фосфора.

Строгой приуроченности глинистых минералов к типам почв нет (Горбунов Н. И.). Но состав и содержание минералов в лочвах, особенно високодисперсних, обусловливает многие их свойства и плодородие. (* А (ангстрем) — единица длины, равная одной стомиллионной доле сантиметра.).

Ко вторичннм минералам относится и пруппа гидрооксилов и окислов, в том числе и полуторных. Из полуторных окислов важнейшими являются гидраргиллит, бемит,. гетит, гематит и другие.

Глинистие минералн и минералн окислов и гидроокислов входят в иллистую фракцию гранулометрического состава почвы. (или их внделяют отдельно, как почвенные коллоиды).

Почвенные коллоиды. Условно к коллоидам принято относить все измельченные вещества, у которьіх размер частин находится в пределах величин от 10^-5 до 10^-7см (от 0, 1 микрона до 1 миллимикрона).

Любое твердое тело путем измельчения можно превратить в коллоидное состояние. В почве коллоиды образуютса в результате дробления более крупных механических элементов (частиц) или путем соединения. молекулярно-раздробленных вещеего. Коллоидная частина представляет собой агрегат, состоящий из совокупности отдельних молекул.

Коллойдные растворы представляют собой диоперсионые системи, состоящие из двух и более фаз, в которых одна фаза состоит из отдельних весьма мелких частиц (дисперсная фаза), распределенннх в другой фазе — дисперсионной-среде (растворитель). Зта неоднородность (гетерогенность) раствора присуща коллоидному состоянию вещества и она является устойчивой и характеризуется наличием поверхностк раздела между частинами дисперсной фази и дисперсионной среды. Поверхность единицы объема дисперонной фазы называется удельной поверхностью дисперсной системы. Чем мельче частицы дисперсной фазы, тем больше удельная поверхность системи.

В коллоидных системах удельная поверхность очень велика и с уменьшением размеров частиц быстро возрастает. К примеру: 1 см³ твердого тела с длиной ребра 1 см имеет общую поверхность, равную 6 см², при дроблении вещества на кубики и при длине ребра в «аждом из них в 0, 0000001 см, общая поверхность всех кубиков возрастает до 60000000 см² или 0, 6 гектара.

У коллоидных систем, удельная поверхность предельно максимальна, при дальнейшем дроблении, если зто возможно, поверхность раздела исчезает и образуется гомогенная система — молекулярный или истинннй раствор.

Явлення, происходящие на поверхности раздела фаз, называются поверхностними (концентрация энергии, адсорбция, или поглощение, смачивание и др.).

Коллоидные системи обладают большим запасом или избытком свободной знергии, сконцентрированным на поверхности частиц дисперсной фази, т. е. у молекул, расположенных на границе раздела фаз. Избыточная знергия молекул поверхностного слоя назнвается свободной поверхностной знергией.

Почвенные коллоиды, благодаря своим малым размерам имеют большую общую поверхность и свободную по-верхностную знергию.

Большим запасом свободной поверхностной энергии объясняются такие важные свойства коллоидов: высокая-сорбционная способность (поглощение), стремление к агретации частиц, сильно выраженные каталитические действия и др.

Совокупность почвенных частиц, обладающих свойствами коллоидов, принято называть коллоидным комплексом почвы, или «почввнним поглощающим комплексом» (ППК). Зто название выражает важнейшее свойство почвенных коллоидов — их поглотительную способность.

По своєму составу коллоиды почвы подразделяются на три группы: минеральные, органические и органоминеральные. Количественно в почве преобладают минеральные коллоиды, преимущественно из групп глинистих минералов и гидроокислов и окислов.

Органические коллоидн почвы состоят из гумусових веществ, поэтому верхние горизонты почв содержат больше органических коллоидов, чем нижние слои почвы.

Органо-минеральные коллоиды представлены комплексними соединениями гумусовых вещесв с минеральными (комплекснне соли гуминовой кислоти и фульвокислотн с полуторними окислами и др.).

Содержание коллоидов в почве зависит от гранулометрического состава и содержания гумуса. Наиболее богаты коллоидами глинистие и суглинистне почвы, с високим содержанием гумуса. Почвы песчанне, супесчанне, обедненнне илистой фракцией и гумусом содержат незначительное количество коллоидннх частиц.

Свойства коллоидов. Отметим некоторне характернне свойства, присущие коллоидам, в том числе и почвенным.

Коллоиды могут находиться в двух состояниях: в форме коллоидного раствора — золя и коллоидного осадка — геля (коагулята). В том случае, когда твердые коллоиднне частицы почвы распределены в большом объеме воды и отделены друг от друга, коллоиды находятся в состоянии золя. Подобное раздельное состояния коллоидов на дисперсную фазу и дисперсионную среду обьясняется двумя причинами: наличием злектрического заряда и водной оболочки у коллоидов. Однойменний злектрический заряд, которым обладают коллоиды, способствует отталкиванию коллоидннх частиц, а водная оболочка мешает им слипаться при столкновении. Следовательно, все коллоиды, в том числе почвенные, находящиеся в состоянии золя, имеют заряд, который у одних коллоидов является устойчивнм, а у других в зависимости от условий среды—переменным. Коллоидн отрицательно заряженнне, носят название ацидоиды, положительно заряженные — базоиды и с переменньїм знаком заряда — амфолитоид ы. Большая часть почвенных коллоидов относится к ацидоидам (кремневая кислота, гумусова кислоты и глинистые минералы) типичных базоидов в почвах нет. В почве встречаются амфолитоидьі (свободньїе окисли алюминия и железа, протеиновые вещества гумуса), которие меняют знак заряда при изменении, глаиньм образом, реакции среды.

Какие причины вызывают переход коллоидов из состояния коллоидного раствора золя, в состояние коллоидного осадка геля? Таких причин несколько. Основними из них являются обезвоживание коллоидных частиц и действие электролитов. Обезвоживание коллоидных частиц происходит в.результате высушивания и промораживания почвы. При зтом водная пленка коллоидных частиц уменьшается, они начинают соединяться, образовывая хлопьевидный осадок— гель. Добавление злектролитов в почву, также способствует образованию геля, поскольку злектролиты нейтрализуют заряд коллоидннх частиц.

Коллоидные частицы, лишенние заряда, слипаются между собой. К образованию геля приводит и процесе «старения» коллоидов (результат действия времени), а также и взаимодействие двух разноименно заряженннх коллоидннх частиц. Процесе соединения (слипания) коллоидньїх частиц назмваетея коагуляцией. Минимальная концентрация злектролита, при которои наступает коагуляция, называется порогом коагуляции.

По отношению к воде (жидкой фазе почвы) коллоиды делятея на гидрофильние и гидрофобные. Гидрофильные коллоиды, к которым относятея главным образом органические коллоиды (гумусовые кислоты, белки), способны гидратироваться, удерживать многослойнне пленки воды. Гидрофобные коллоиды (гидроокись железа, минералы группы каолинита) гидратируютея слабо.

Для гидрофильных коллоидов процесс коагуляции может быть обратим, т. єе. возможен переход коллоидов из со-стояния осадка (геля) в состояние раствора (зол ь). Зтот переход называетея пептизацией. Процесе коагуляции для гндрофобных коллоидов необратим. Таким образом, процесе коагуляции для коллоидов может быть обратим и необратимим.

В почвах наблюдаетея переход части коллоидов из одного состояиия в другое, но состояние коллоидов в виде геля является наиболее постоянным (и явлением положительным). Лишь во влажной почве небольшая часть коллоидов находитея в состоянии золя.

Процесе коагуляции обусловливает накопление коллоидов в почве, предохраняет их от вымывания. Процесе коагуляции участвует также в образовании прочннх структурных агрегатов. При процессах пептизации коллоидов происходит разрушение структуры и усиливаетея вымывание коллоидов по профилю почвы (в солонцах).

Строение коллоидной мицеллы. Для полного уяснения некоторнх свойств почвенных коллоидов, в частности возникновения у них злектрического заряда, проявления свойств поглощения и обмена, необходимо ознакомиться со строением коллоидной мицеллы.

Мицелла и вместе с находящимися на ее поверхности слоями ионов и молекул води, назнваетея» коллоидноймицеллой.

В коллоидной мицелле различают следующие составные части или слои (см. рисунок): а) ядро мицеллы б) потенциалоопределяющий слой, слой ионов, определяющий потенциал или заряд коллоидной частицм, в) слой компенсирующих ионов — внешний слой ионов нейтрализующих заряд. Слой компенсирующих ионов подразделяетея на два слоя - слой неподвижннх ионов и диффузный слой ионов, в котором небольшая часть ионов располагается на некотором расетоянии от потенциалопределяющего слоя. Ядрр мицеллы вместе со слоями потенциалопределяющих ионов и неподвижных•компенсирующих ионов называется коллоидной частицей. Коллоидная частица имеет заряд, коллоидная мицелла является электронейтральной.

Ядро мицеллы может быть аморфным и кристаллическим. Образование слоев коллоидной мицеллы и возникновение заряда у коллоидной частицы может происходить двумя путями: 1) в результате частичной диссоциации молекул на поверхности ядра и 2) поглощения ионов из окружающей среди.

Мицелла гуминовой кислоты образуется первым путем, т. е. на поверхности ядра, представленного гуминовой кислотой, располагается слой молекул, которые способны к диссоциащии на ионы Отдиссоциированные ионы создают двойной электрический слой. Иони, близкие по своим химическим свойствам к ядру, удерживаются около него, формируя неподвижннй потенциалопрвделяющий слой, с отрицательнмм зарядом, а противоионы располагаются за потенциалопределяющим слоем, создавая слой компенсирующих ионов не-одвижный и диффузный.

Образование коллоидной мицеллы минерального происхождени я с кристаллическим строеиием- ядра происходит вторым путем—поглощением ионов из окружающей среды. Ядро мицеллы минерального коллоида состоит, главным образом, из вторичного минерала группы алюмосиликатов.

В алюмосиликате, составляющем ядро, катионы, преимущественно железа и алюминия, расположеннне на' гранях и углах кристаллической решетки минерала, обладают частично свободными валентностями и положительннм зарядом. Благодаря атому, они опособны притятивать иони из окружающего раствора.

Легче удерживаются на поверхности ядра те иони, которые с катионами кристаллической решетки дают труднорастворимьіе соединения. Такими нонами являются иони гидроксила ОН^-, фосфорной кислоти Р0₄^---; кремневой кислоти Sі0₃^—. В результате присоединения этих ионов вокруг ядра образуется слой, плотно его окружающий. Ионы зтого слоя имеют также часть свободных валентностей, но заряд их противололожен заряду катионов ядра, т. є. он отрицательный.

Таким образом формируется потенциалопределяющий слой. Заряд ионов зтого слоя и определяет потенциал коллоидной частицн. Электрокинетический потенциал называется дзета - потенциа л (обозначается греческой буквой. дзета), он у большинства почв колеблется в пределах от 20 до 60 милли-вольт. Для компенсации заряда (понижения и уничтожения знергии) ионы потенциалопределяющего слоя притягивают катион. Так создается второй слой вокруг ядра, носящий название слоя компенсирующих ионов. Большая часть компенсирующих ионов находится в неподвижном состоянии, плотно окружая потенциалопределяющий слой, но часть компенсирующих ионов созадает диффузннй слой (см. схему — рисунок, стр. 14).

Количество и состав катионов, отдиссоциированных в диффузний слой, оказнвает большое влижие на свойства почвн, поскольку все реакции обмена и поглощения протекают, главным образом, в поверхностном, ' диффузном слое мицеллы. Диффузный слой ионов существует только во влажной почве. Есели почва высыхает, то ионы диффузного слоя переходят в неподвижний слой компенсирующих ионов.

Рассмотренная схема строения поверхностных слоев мицеллы минерального коллоида принципиально остаетея одинаковой и для органических коллоидов, имеющих аморфное строение.

Поглощенные, или обменнме, катионы. Катионы компенсирующего слоя коллоидных мицелл (коллоидов) називаются поглощенными, или обменными, часть катионов располагается в неподвижном слое, а часть— в диффузном. Сумма всех поглощенннх катионов в коллоидном комплексе почвн (ППК) называется емкостью поглощения. Зту величину вьвражают в мг.-зкв на 100 г почвн. Величина емкости поглощения зависит от содержания коллоидов в почве, а следовательно, от гранулометрического состава почв, от наличия и состава илистой фракции (минералогического состава). Емкость поглощения зависит также от содержания гумуса. Паскольку гумуса в большинетве почв не более 5%, то емкость поглощения обусловлена преимуществєнно минеральньми коллоидами.

Большей емкостью поглощения обладают суглинистне и глинистые черноземы, солонцы, луговые и болотные почвы. Емкость поглощения у зтих почв достигает 50—60 мг-зкв на 100 г почвы. У дерново-подзолистых почв легкого гранулометрического состава (песчаных и супесчаных) емкость поглощения не превышает 2—8 мг-экв. Емкость поглощения гуминовой кислоти, изолированной от почвы, составляет примерно 350 мг-зкв, а емкость поглощения монтмориллонитовой глины 80—100 мгэкв.

Большая часть поглощенннх катионов обычно является обменной, т. е. ее можно заменить на другие катионы или вытеснить другими катионами и лишь небольшая часть катионов является необменной.

Наиболее легко реакции обмена катионов идут во внешнем диффузном слое. Обмен между катионами раствора и катионами диффузного слоя почвенного поглощающего ком­плексе происходит вэзквивалентных сотношениях.

В составе поглощенных, или обменннх, катионов в почвенннх коллоидах входит сравнительно небольшое число катионов. Среди них первое место заиимает катион кальция Са++, который встречается во всех без исключения почвах, но в неравннх количествах, а в зависимости от типа почвн. Наряду с кальцием во всех почвах встречается катион магния (Мg++), но в меньших количествах, чем катион кальция. Кроме названнsх катионов, в почвеннsй пог­лощающий комплекс могут входить катионн водорода (Н+), алюминия (А1+++), натрия (Nа+), аммония (NН₄+), каия(К⁺) и др.

В почвенньш поглощающий комплекс дерново-подзолистых почв, красноземов и желтоземов входят катионн кальция, магния, водорода и алюминия.

В черноземннх почвах в поглощенном состоянии обычно-находятея кальций и магний, и в южннх черноземах к ним присоединяется натрий.

В почвах засушливих областей (каштановых, солонцах) в. состав поглощенных катионов входит кальций, магний и натрий, содержание натрия в составе поглощенных катионов. значительно возраетает. В болотних почвах, кроме кальция и магния, может присутствовать водород, алюмимий, аммоний, закисное железо. Поглощенньїй калий встречается во-всех типах почв, но в малих количествах. В таблице 1 приведен состав поглощенных катионов различных типов почв.

В зависимости от состава поглощенных катионов академик К. К. Гедройц все почвы подразделил на почвы, насыщеннне и не насыщеннне основаниями. К почвам, насыщенными основаниями, относятся почвы, поглощающий комплекс которых содержит одни металлические катиони-основания: Са⁺⁺, Мg++, Nа+; к ненасыщенным — почвы, поглощающий комплекс которых не полностью наснщен основаниями, в нем содержатся иони водорода и алюминия.

Количество поглощенннх, или обменннх, катионов-оснований принято называть суммой обменннх оснований, которая внражаетея в мг-зкв на 100 г почвы.

Насыщенность почв основаниями весьма различна: она будет близка к полной (100%) у черноземннх почв и каштанових и весьма неполной у почв, ненаснщенннх: дерново-подзолистнх, красноземов и желтоземов.

Степень насыщенности почв основанням и называется отношение суммы обменннх оснований к: емкости поглощения, выраженное в процентах У= (S: Е)∙ 100.

Состав и количество обменннх катыонов оказнвают влияние на свойства почв и на условия роста раствний.

Влияние поглощенных, или обменннх, катионов. Наиболее благоприятными свовойствами обладают почвы,. наснщеннне основаниями, типа черноземов, в которых преобладание приходится на долю Са ⁺² и Мg⁺², при благоприятном соотношении между ними — 4: 1. Широко известна роль кальция как хорошего коагулятора, его наличие в-почве способствует свертьгванию почвенннх коллоидов и об-разованию водопрочннх структурних атрегатов (агрономи-нески ценная структура почв). Поглощенный кальций, осаждая органические и минеральньїе коллоиды, способстаует сохранению и накоплению их в почве и увеличению емкости поглощения ее. При увеличении доли магния (в соотношении с кальцием) свойства почв ухудшаются. Повышается растворимость гумусових веществ, а гуматі магния токсичны, они парализуют развитие корней растений.

Почвы, насыщенные основаниями, но в которых большое место занимает натрий (солонцы, солонцеватые почвы) характеризуются неблагоприятными свойствами. Наличие натрия в почве приводит к пептизации коллоидов, агрономиче-скиденная структура не образуется, а ранее созданная разрушается. При зтом ухудшаются физические свойства, водный и воздушный режимы почвы, во влажном состоянии такая почва становится вязкой и клейкой, а при высыхании образует плотную массу, трудно поддающуюся обработке.

Липкость почв, содержащих более 20% обменного натрия, в 3—4 раза выше, чем у почв, насыщенных кальцием и магнием; велика и связность почв (их сопротивление обработке), насыщенных натрием. Диспергированные органические и минеральнне коллоиды вымываются из почвы, поэтому они обедняются питательннми веществами.

Однако, как установлено, небольшое содержание обменного натрия стимулирует развитие сахарной свеклы, способствует устойчивости растений к полеганию и заболеванию ржавчиной (опытыс пшеницей).

Почвы, не насыщенные основамиями (подзолистне, дериово-подзолистне, болотные и др.), содержат значительнне количества обменных водорода и алюминия. Ионы водорода не диспергируют почвенные коллоиды, но как активнме ионы, вступая в поглощенное состояние, постепеино разрушают минералы почвенно-поглощающего комплексе. В результате почва обедняется коллоидной фракцией- ухудшается ее структура и уменьшается емкость поглощения. Почвы, содержащие катион Н⁺ обладают неблагоприятными водно-воздушными реакциями (суглинистне заплывают, образуют плотную корку на поверхности). Кроме зтого, высокая концентрация в растворе ионов водорода и алюминия оказывает вредное действие на развитие растений.

С поглощеннымим катионами связана реакция почвы. Наиболее благоприятную (нейтральную или сла'бощелочную) реакцию имеют почвьі, наснщеннные кальцием; Почвы, в поглощающвм комплексе которых содержится водород и алюминий, обладают кислой реакцией, а почвы, содержащие поглощеними натрий, имеют щелочную реакцию. И та и другая реакция неблагоприятна для роста растений.

Обменные катионы играют большую роль как непосредственннй источник питання для растений: они не вимываются из почвы, и в то же время сравнительно легко вытесняются в раствор и хорошо усваиваются растениями. Реакция почвы расематривается отдельно.

II. ВИДЬІ ПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ПОЧВЬІ

Академик К. К. Гедройц определил поглотительную спо­собность почвы как ее «способность задерживать те или другие вещества, приходящие в соїприкосновение с ее твердой фазой через циркулирующие в ней воды. Таким образом, могут задерживаться соединения или части их, находя-щиеся в растворенном состоянии, а также коллоидально расвыленные частички минерального и органического вещества, живые микроорганизмы и грубне.суспензии».

В зависимости от опособа поглощения К. К. Гедройц лредложил различать пять видов поглотительной способно-сти лочв: 1) механическую, 2) биологическую, 3) химическую, 4) физическую, 5) физико-химическую.

Из зтих пяти видов поглощения только физическая и физико-химическая связаны с коллоидной частью почвы, остальные види объясняются иными причинами.

І. Механическая поглотительная способность

Механическое поглощение связано с пористостью почвы, т. е. почва задерживает взмученные в воде частички (суспензии).При атом задерживаются не только те частички, величина которых больше диаметра пор, но и меньшего размера, если они попадают в замкнутые или искривленные поры. Так происходит поглощение мелких твердих частичек—остатков органичееких веществ, водарослей, плазм бактерий, частей фосфоритной муки и сулерфосфата и т. п. Подобного рода суспензии могут поступать в почву извне или образовываться в самой почве при ее естественном или искусственном увлажнении.

Механическая поглотительная способность зависит от механіического состава почвн. Почвы тяжелые— глинистые и суглинистые, обладающие большой пористостью, имеют лучшую способность к поглощению, чем почвы песчанне и хрящеватые. Механическое поглощение имеет большое положи-тельное значение, благодаря ему почва способна удерживать ценнне злементн от вьноса в глубокие горизонты, в том числе коллаидные частицы и микроорганизмы. Особенно велико значение механического поглощения в областях с обилием осадков и на почвах, искусственно и систематически орошаемых. Этим видом поглощения широко пользуются в практике при очистке воды на водоочистительннх станциях, очистке сточннх вод и т. д.

2. Биологическая поглотительная способность

Биологическое поглощение выражается в усвоении из почвенного раствора и воздуха различннх веществ растениями и микроорганизмами. Растения и микроорганизмы, усваивая легкоподвижные соединения, переводят их в ткани своего организма, в форму органичееких соединений.

В таком состоянии элементи питання удерживаютея, не вымываютея атмосферними осадками. После отмирания растений и микроорганизмов и последующей минерализации органичееких остатков, питательные вещества переходят в почву и используютея новыми поколениями растений и мик­роорганизмов. Особенно важна роль растений в биологическом поглощении. Растения своими корнями проникают глубоко в почвеннне слои, извлекая необходимые для их жизни злементы питання. Избирательная поглотительная способность являетея свойством зелених растений, а не почвы. В результате зтого верхние горизонты почв, где в основном развита корневая система, обогащаются органическим веществом и зольними злементами.питання.

Существеиное участие в биологическом поглощении принимают микроорганизмы. Следует особо отметить фиксацию атмосферного азота микроорганизмами, свободно живущими в почве, и клубеньковыми бактериями.

Биологическое поглощение существенно влияет и на другие виды поглощения. Накопление в почве органического вещества в форме гумуса увеличивает содержание коллоидов в почве, улучшая в целом агропроизводственную ценность почвы.

3. Химическая поглотительная способность

Химическое поглощение является чисто химической реакцией обмена солей в растворе, в результате которой образуются труднорастворимне соли, выпадающие в осадок и удерживаемые затем почвой механическим путем. Оно может происходить и в том случае, когда анионы почвенного-раствора дают нерастворимые соединения с катионами по-верхностннх слоев коллоидннх частиц.

Процессы химичеокого поглощения в почвах особенно широко развиты по отношению к растворимым фосфатам (фосфат—иона Н₂РО^–₄).

В зависимости от свойств почвы процессы поглощения фосфатов протекают по-разному. В почвах нейтральних, на-сыщенннх основаниями и содержащих некоторое количества свободных карбонатов и бикарбонатов кальция, процесе превращеиия монокальций-фосфата протекает по следующей схеме:

Са(Н₂Р0₄)₂ + Са(НС0₃)₂ + 4Н₂0 = 2СаНР0₄∙ 2Н₂0 + +2Н₂С0₃ или

Са (Н₂Р0₄)₂+2Са (НС0₃)₂= = Са₃(Р0₄)₂ + 4Н₂С0₃.

В почвах кислых, не насыщенных основаниями, фосфорная кислота растворимнх фосфатов осаждаетея главным образом в виде фосфатов железа и алюминия, т. е. соединений малорастворимых, в условиях слабокислой среды и труднодоступных для растений. Схематически зтот процесс прев-ращения можно представить в следующем виде:

Fе(ОН)₃ + Н₃Р0₄ → FеР0₄ + ЗН₂0,

А1 (ОН)з + Н₃Р0₄ → А1Р0₄ + ЗН₂0.

Закрепление фосфат-иона железом и алюминием характерно для дерново-подзолистых, болотных почв, красноземов и желтоземов.

Кроме анионов (Н₂Р0₄^-, НР0₄^--, Р0₄^---) в почве химически могут поглощаться анионн S0₄^––_{___},