Поглотительность почв

 

Понятие поглотительной способности, ее значение

Процессы поглощения, происходящие в почвах, объединяют самые разнообразные явления как сорбционной природы, так и не связанные непосредственно с сорбцией на частицах почвы. Совокупность явлений поглощения и удерживания разнообразных твердых, жидких и газообразных веществ называют поглотительной способностью почвы. Наиболее существенный вклад в разработку учения о поглотительной способности почв в 20 веке внес крупнейший русский почвовед К.К.Гедройц.

Любая почва способна поглощать и удерживать разнообразные вещества (молекулы и отдельные ионы, вещества минерального и органического происхождения, коллоидные частицы и грубые суспензии, пары, газы, клетки микроорганизмов), приходящие с ней в соприкосновение. Важнейшую роль в этом процессе выполняет почвенный поглощающий комплекс (ППК). По К.К.Гедройцу, ППК представляет собой совокупность нерастворимых в воде органических, минеральных и органо-минеральных соединений, находящихся преимущественно в высокодисперсном состоянии и имеющих высокую реакционную и ионообменную способность. Реакция обмена между ионами почвенного раствора и ионами, удерживаемыми ППК,- наиболее характерная особенность ППК как составной части почвы.

Вещественный состав ППК унаследован от почвообразующей породы в соответствии с ее гранулометрическим, минералогическим составом и химическим составом. Свои специфические особенности он приобретает в процессе почвообразования в результате трансформации и взаимодействия минеральных компонентов с гумусовыми веществами и их органо-минеральными производными, что существенно влияет на свойства поверхности тонкодисперсных частиц.

Минеральная основа ППК состоит в основном из глинистых минералов. Среди них наибольшее значение имеют минералы групп каолинита, монтмориллонита, гидрослюды, вермикулит, хлориты и смешанослойные образования.

Органическая часть ППК представлена в основном специфическими гумусовыми веществами. В почвах она находится в виде гелей, труднорастворимых солей поливалентных катионов и прочных адсорбционных комплексов с глинистыми минералами и гидроксидами. На долю адсорбционных комплексов приходится до 70% почвенного органического вещества. Таким образом, в состав ППК входят компоненты различной природы и с разными свойствами. При этом в проявлении специфических особенностей ППК важную роль играют удельная поверхность почвенных частиц и их размеры.

Виды поглотительной способности почв

К.К.Гедройц выделил пять видов поглотительной способности – четыре абиотических вида: механическая, физическая, физико-химическая (обменная), химическая и пятый вид – биологическая поглотительная способность.

С физической точки зрения, ППК (почвенный поглощающий комплекс) представляет собой совокупность веществ в тонкодисперсном состоянии (коллоиды). В химическом отношении это нерастворимые в воде солеобразные алюмосиликатные, органические и органо-минеральные соединения.

Механическая поглотительная способность – это свойство почвы задерживать твердые частицы, взмученные в фильтрующейся воде, размеры которых превышают размеры почвенных пор. Поэтому почва способна механическим путем задерживать не только крупные взвешенные частицы, но также илистые и коллоидные. По мере заполнения каналов тонкодисперсными частицами механическая поглотительная способность возрастает.

Механическая поглотительная способность зависит от гранулометрического и агрегатного состава почвы, а также от плотности сложения. Плотные глинистые почвы практически полностью задерживают взмученные тонкодисперсные частицы. В легких по гранулометрическому составу и рыхлых почвах с крупными агрегатами низкая механическая поглотительная способность.

Явление механического поглощения используют для очистки питьевых и сточных вод путем их фильтрации через почву, для заиливания (кольматирования) дна и стенок каналов, водохранилищ в целях уменьшения потерь воды на фильтрацию.

Физическая поглотительная способность – это 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.

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.

Вещества, способные понижать поверхностное натяжение системы (поверхностно-активные вещества), концентрируются на поверхности твердых частиц почвы и испытывают положительную физическую адсорбцию. К таким веществам относятся органические кислоты, спирты 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 на границе соприкосновения его с коллоидами. Чем длиннее углеводородная цепь, тем сильнее понижение поверхностного натяжения системы, тем выше поглощение, так как свободная энергия поверхностного слоя насыщается за счет связывания поглощенного вещества.

Вещества, способные повышать поверхностное натяжение системы, отталкиваются от почвенных частиц и испытывают отрицательную физическую адсорбцию. К таким веществам относятся неорганические кислоты, соли, основания, органические вещества с большим количеством гидроксильных групп (сахара).

Таким образом, 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 адсорбция. В этом случае уменьшение поверхностного натяжения достигается при избирательном поглощении молекул самой воды, а нерастворенных в ней минеральных веществ. Благодаря отрицательной физической адсорбции из корнеобитаемого слоя почв с фильтрующей водой относительно легко вымываются различные водорастворимые соли, особенно хлориды 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 – способность почвы удерживать некоторые ионы путем образования в результате химических реакций нерастворимые или труднорастворимые соединения, т.е. переводить анионы и катионы почвенного раствора в труднорастворимые соединения.

Из катионов, находящихся в почвах, чаще всего нерастворимые соединения образуют катионы Ca2+, Mg2+, Al3+, Fe3+, а среди анионов – CO32-, PO43-, SO42-.

Так, при внесении фосфорных удобрений образующиеся малорастворимые соли осаждаются и переходят из почвенного раствора в твердую фазу почвы. Процессы такого типа называют химическим поглощением: на черноземных почвах, Ca(HCO3)2 + Ca(H2PO4)2 > CaHPO4 + H2CO3> Ca3(PO4)2 ; на почвах элювиального ряда: Al(OH)3 + Ca(H2PO4)2> AlPO4 +H2O.

Образование осадков возможно и на поверхностности почвенных частиц при взаимодействии ионов, способных к взаимному осаждению. Такая сорбция получила название осадочной.

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 микроэлементов. Благодаря ей почва способна предотвращать появление соды в почвенном растворе. В результате хемосорбции в почвах накапливаются гипс, карбонаты и другие соединения.