Почвенные коллоиды.

К почвенным коллоидам относятся высокодисперсные системы, в которых дисперсионной средой служит почвенный раствор, а дисперсной фазой — частицы почвы размерами от 0,2 до 0,001 мкм. В развитии учения о почвенных коллоидах, а также в выяснении их роли в создании почвенного плодородия большое значение имели работы академика К. К. Гедройца в первые десятилетия XX в. Они были посвящены разработке вопроса о поглотительной способности почв. Под этим понятием Гедройц понимал способность почвы поглощать (задерживать) находящиеся в почвенном растворе соединения. Дело в том, что коллоиды почвы, имея огромную поверхность, обладают способностью адсорбировать из окружающей среды не только ионы электролитов, но и значительные количества газов, паров и жидкостей.

В своих исследованиях К. К. Гедройц вскрыл закономерности обмена катионов в почвах и влияния состава обменных катионов на свойства почвы, а также разработал ряд методов изучения обменного поглощения катионов. Совокупность соединений, которые обладают способностью к обменным реакциям, названа Гедройцем почвенным поглощающим комплексом. С химической точки зрения он характеризуется как комплекс нерастворимых в воде алюмосиликатных, органических и органоминеральных соединений, с физической точки зрения — как «совокупность почвенных соединений, которые находятся в почве в мелкораздробленном состоянии; это высокодисперсная часть почвы, ультрамеханическая часть ее, по всей вероятности, близко совпадает с коллоидной частью почвы».

Исследования академика Гедройца были продолжены и развиты В. Р. Вильямсом, Г. Вигнером, И. Н. Антиповым-Каратаевым, С. Маттсоном, А. Н. Соколовским, Н.П. Ремезовым, С. Н. Алешиным, Н. И. Горбуновым и другими исследователями.

Многочисленные исследования этих ученых показали, что адсорбционная способность почвы связана с наличием в ней коллоидных частиц, так как частицы более крупных размеров практически не участвуют в процессах поглощения и являются малоактивной с химической точки зрения ее частью.

По своей природе почвенные коллоиды делятся на минеральные, органические и комплексные, т. е. органо-минеральные. Минеральная часть (обычно преобладающая в составе почвенных коллоидов) в основном состоит из вторичных минералов, имеющих кристаллическое строение, и из аморфных веществ.

В природе почвенные коллоиды образуются не только в результате измельчения и выветривания горных пород и минералов, но и в результате различных реакций, происходящих в почвах между минеральными и органическими веществами. Качественный состав и количественное содержание высокодисперсной части разных почв неодинаков. Так, коллоидно-дисперсные частицы в тяжелых глинистых почвах составляют до 50% от массы почвы, в суглинистых — до 30, а в песчаных — до 3%.

Органические почвенные коллоиды в основном представлены гумусовыми веществами: гуминовыми кислотами, фульвокислотами и гумином. Органо-минеральные соединения представляют собой преимущественно соединения гумусовых веществ с глинистыми и другими вторичными минералами.

По элементарному составу коллоидная фракция значительно отличается от остальной массы почвы. В почвенных коллоидах содержится меньше кремнезема и значительно больше полуторных оксидов и особенно гумусовых веществ. Одним из важнейших свойств коллоидов почвы является их высокая поглотительная способность. Они легко адсорбируют из водных растворов (точнее из почвенных растворов) различные катионы (К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, NH₄⁺, H⁺) до полного насыщения поверхности коллоидных частиц. После насыщения дальнейшая адсорбция может происходить лишь путем обмена уже адсорбированных катионов на катионы почвенного раствора. Общее количество катионов, которое могут поглотить 100 мкг почвы, получило название емкости поглощения или емкости обмена почвы.

Емкость поглощения принято выражать в миллимолях на один килограмм почвы (ммоль/кг). Для определения емкости поглощения все катионы почвы вытесняются одним (Ва²⁺, NH₄⁺) путем многократной обработки ее раствором соли этого катиона. Избыток соли затем отмывается, а катион-вытеснитель в свою очередь вытесняется другим катионом (например, ионом водорода из раствора соля­ной кислоты) и уже в растворе определяется количественно. Величина емкости поглощения любых почв зависит от целого ряда факторов: содержания высоко­дисперсных частиц в почве, химического и минералогического состава почвенных коллоидов, а также реакции почвы.

Так, подзолистые почвы имеют емкость поглощения в пределах от 60 до 80 ммоль на 1 кг почвы, черноземные — от 400 до 600 ммоль/кг, торф — от 600 до 1000 ммоль/кг и даже более, каштановые почвы и красноземы — от 250 до 350 ммоль/кг. Наибольшей емкостью обмена обладают гумусовые вещества почвы: она исчисляется сотнями ммоль/кг этих веществ. Вот почему наиболее богатые гумусом почвы обладают и более высокой емкостью поглощения по сравнению с малогумусовыми. В качестве примера можно назвать черноземные почвы, а также верхние горизонты почв, наиболее обогащенные гумусом.

В силу разнообразия природных условий и особенностей почвообразовательного процесса состав поглощенных катионов у различных типов почв неодинаков. Например, черноземные почвы в поглощенном состоянии содержат преимущественно кальций, а подзолистые и дерново-подзолистые почвы, помимо кальция, содержат обменные ионы водорода и алюминия. Солонцовые и солонцеватые почвы содержат поглощенный натрий в различных количествах. Для красноземных почв характерно преобладание в почвенном поглощающем комплексе ионов алюминия и водорода.

Согласно учению академика К. К. Гедройца все почвы подразделяются на насыщенные и ненасыщенные основаниями. Насыщенные основаниями почвы не содержат в поглощенном состоянии ионов водорода и алюминия (черноземы обыкновенные и южные и некоторые другие). Ненасыщенные основаниями почвы кроме кальция и магния содержат в поглощенном состоянии значительное количество ионов водорода и алюминия. К таким почвам относятся прежде всего красноземы, подзолистые и некоторые другие.

Как показали многочисленные исследования, важнейшие свойства почвы — водопроницаемость, влагоемкость, набухаемость, липкость, связность, структура, рН почвенного раствора—находятся в прямой зависимости от состава поглощенных катионов. Причем адсорбированные катионы могут изменять плодородие почвы не только путем изменения ее водно-физических свойств, но, как впервые показал К. К. Гедройц, оказывают непосредственное влияние на рост и развитие культурных растений. Так, полное насыщение почвенного поглощающего комплекса ионами Na⁺, K⁺ и Mg²⁺ приводит к гибели растений. Наличие этих катионов в небольшом количестве в почвенном поглощающем комплексе, наоборот, весьма благоприятно сказывается на росте и развитии растений. Насыщение почвенного поглощающего комплекса такими ионами, как Ва²⁺, Со²⁺, Ni²⁺ или Сu²⁺, оказалось ядовитым для всех сельскохозяйственных культур.

Катионы, адсорбированные почвой, легко вступают в обменные реакции с другими катионами почвенного раствора. Именно благодаря этому явлению состав адсорбированных почвой катионов меняется. Состав поглощенных катионов можно изменять в нужную сторону, внося в соответствующем количестве в почву вещества с соответствующим катионом, например кальцием. На этом принципе основаны такие широко известные агроприемы, как известкование кислых и гипсо­вание солонцовых почв.

Адсорбция почвенными коллоидами анионов носит несколько иной характер. Как показали исследования, поглощение анионов зависит от состава почвенных коллоидов, реакции среды, величины электрокинетического потенциала коллоидов, а также от особенностей самих анионов. Ряд анионов (NO₃^-, Сl^-) почвой не поглощается. В силу этого они свободно передвигаются в почве вместе с почвенной влагой. Вообще чем выше зарядность иона, тем больше его способность поглощаться почвой; например, анион фосфорной кислоты РО₄^3- сравнительно легко поглощается почвой. Поглощение анионов почвой в значительной степени зависит от состава почвенных коллоидов. Опыт показывает, что чем больше в почве содержится глинистых минералов и полуторных оксидов, тем больше анионов она способна поглотить.

Реакция среды также оказывает свое влияние на величину поглощения анионов почвой. Как правило, подкисление способствует большему поглощению анионов, подщелачивание почвы, наоборот, способствует ослаблению поглощения ею анионов. Например, поглощение фосфат-ионов в подзолистых почвах увеличивается в шесть раз при подкислении почвенного раствора с рН 7,3 до рН 3,5. В слабокислых, нейтральных и щелочных почвах адсорбция анионов РО₄^3- происходит с образованием нерастворимых или малорастворимых соединений, таких, как фосфат кальция, фосфат алюминия, фосфат железа. Таким образом, процесс поглощения почвой анионов в отличие от процесса поглощения катионов происходит с образованием в ряде случаев химических соединений, в силу чего он зачастую носит необратимый характер.

Такое важное свойство почвы, как буферность, также определяется свойством ее коллоидов. Появляющиеся в почвенном растворе кислота и щелочь тотчас же вступают во взаимодействие с почвенными коллоидами как наиболее активной частью твердой фазы почвы. В результате взаимодействия часть кислоты или щелочи исчезает из раствора, т. е. нейтрализуется, следовательно, сдвиг реакции ослабляется.

Не все почвы обладают одинаковым буферным действием. Так, глинистые почвы более тяжелого механического состава, богатые коллоидами, обладают наибольшим буферным действием. Очень малым буферным действием обладают почвы легкого механического состава, содержащие к тому же мало гумусовых веществ.