Виды поглотительной способности почв

Поглотительной способностью называют способность почвы поглощать пары, газы, задерживать растворенные или взмученные вещества, живые организмы. К. К. Гедройц выделил пять видов поглотительной способности. Четыре из них абиотических вида: механическая, физическая, физико-химическая (обменная), химическая. Пятый вид поглотительной способности – биологическая. Совокупность частиц почвы, обладающих абиотической катионной или анионной поглотительной способностью, называется почвенным поглощающим комплексом (ППК). С физической точки зрения, ППК представляет собой коллоид. В химическом отношении это нерастворимые в воде солеобразные алюмосиликатные, органические и органо-минеральные соединения.

Механическая поглотительная способность – это свойство почвы (подобно фильтру) твердые частицы, взмученные в фильтрующейся воде, размеры которых превышают размеры почвенных пор. Это свойство зависит от размера и формы почвенных пор, зависит от агрегатного и гранулометрического состава, плотности почвы. Песчаные, крупноагрегатные, рыхлые почвы обладают слабой механической поглотительной способностью. Глинистые способны полностью поглощать из почвенных суспензий частицы размером более 0,001 мм. В природе механическое поглощение взвешенных в почвенной воде частиц происходит при промывном режиме пористых и трещиноватых почв.

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

Физическая поглотительная способность – это поглощение целых молекул газов, веществ, растворенных в воде, изменение их концентрации на поверхности твердых почвенных частиц. Эту способность называют молекулярной адсорбцией. Физическая поглотительная способность протекает на границе твердой и жидкой фаз. Она обусловлена большой свободной поверхностной энергией, которая равна произведению поверхностного натяжения раствора на суммарную величину поверхности частиц. Всякая дисперсная система стремиться уменьшить свою поверхностную энергию. Она может быть уменьшена за счет укрупнения дисперсной фазы (коагуляция) и за счет уменьшения поверхностного натяжения раствора. Вещества, способные понижать поверхностное натяжение системы (поверностно-активные вещества – ПАВы), концентрируются на поверхности твердых частиц почвы и испытывают положительную физическую адсорбцию. К таким веществам относятся органические кислоты, спирты, алкалоиды, высокомолекулярные органические соединения. Чем длиннее углеродная цепь, тем сильнее понижение поверхностное натяжение системы, выше поглощение.

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 числом гидроксильных групп (углеводы). Нитраты, хлориды и другие соли слабо удерживаются в почве и могут вымываться за пределы корнеобитаемого слоя. В условиях промывного водного режима – за пределы почвенного профиля.

К физическому поглощению относится также поглощение почвой паров, газов из газообразной фазы почвы. По энергии поглощения газы представляют собой ряд:

H₂O > NH₃ > CO₂ > NO₂> H₂ > O₂

Легче всего поглощаются водяные пары. При этом выделяется теплота смачивания, которая тем выше, чем больше в почве органического вещества и глинистых частиц.

Газы могут поглощаться лишь сухими участками почвенных частиц. Из газов наиболее высокой энергией поглощения отличаются аммиак и CO_2.

Понижение температуры и повышение атмосферного давления увеличивают поглощение газов. Почвы являются хорошими поглотителями дымных и газообразных отравляющих веществ. Её можно использовать как подручное средство для защиты от них.

Наличие поглощенных газов – причина затрудненного смачивания сухих почв в момент ливня или полива. Для замещения поглощенного воздуха водой требуется длительное время, прежде чем произойдет полное смачивание почвы.

На поверхности твердых частиц удерживаются также микроорганизмы. Термин «адсорбция» по отношению к ним применяется условно. Чем тяжелее гранулометрический состав, чем больше в почве содержится гумуса, тем выше поглотительная способность по отношению к микроорганизмам. Бактерии, поглощенные почвой, снижают свою биохимическую активность, поэтому санитарные условия местности улучшаются, очищаются воды колодцев, грунтовых вод.

Химическая поглотительная способность (хемосорбция)– это способность почвы закреплять в форме труднорастворимых соединений ионы, поступающие в раствор. В результате химических реакций в почвенном растворе образуется труднорастворимая соль, которая закрепляет химически катионы и анионы почвенного раствора:

Na₂CO₃ + CaSO₄ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ ↓+ CO₂ + H₂O

Al(OH)₃ + H₃PO₄ → AlPO₄↓ + 3H₂O

Кроме образования новой твердой фазы химическая поглотительная способность может осуществляться за счет осаждения фосфатов на поверхности труднорастворимых гидроксидов.

Анионы PO₄^3–, H PO₄^2– , H ₂PO₄^– , SiO₃^2– хорошо поглощаются; анионы NO₂^–, NO₃^– , Cl^– слабо поглощаются, т.к. не способны образовывать с катионами труднорастворимые соли. Анионы SO₄^2– и CO₃ ^2– дают с катионами осадки средней растворимости, по химической поглотительной способности занимают промежуточное положение.

Кроме природы аниона на его химическое поглощение оказывают влияние состав коллоидов и реакция среды. Чем больше в почве амфолитоидов и чем кислее реакция среды, тем сильнее выражено химическое поглощение аниона. Гумусовые вещества снижают интенсивность поглощения фосфатов.

Поглощение фосфатов приводит к накоплению фосфора в почве, но снижает его доступность растениям.

Биологическая поглотительная способность проявляется в возможности живых почвенных организмов (корни растений, микроорганизмы) поглощать из почвы различные вещества, катионы, анионы. Особенностью этой поглотительной способности является её избирательность. Каждый вид организмов специфично извлекают жизненно необходимые вещества. Благодаря этому происходит биологическая трансформация, миграция, аккумуляция веществ, приводящая со временем к формированию почвенного плодородия. В почве удерживаются от вымывания элементы питания растений: Ca²⁺, K⁺, NO₃^–, PO₄^3–. Поглощенные соединения вновь поступают в почвенный раствор и становятся доступными новым поколениям растений и животных. Ежегодно растения на каждом гектаре поглощают и возвращают в почвы сотни килограммов химических элементов.

В результате деятельности живых организмов в почве образуются гумусовые, органо-минеральные вещества, составляющие сорбционные барьеры в почве. На таких барьерах могут накапливаться Ni, Co, Cu, Zn, Hg, Ba и другие металлы.

Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность – это способность почвы поглощать и обменивать ионы, находящиеся на поверхность коллоидных частиц (в диффузном слое), на ионы почвенного раствора. Если потенциалопределяющий слой почвенных коллоидов заряжен отрицательно, то обмениваются катионы. Если заряд положительный – обмениваются анионы. Обмен протекает по уравнению:

Ca²⁺

[ППК] Mg²⁺ + 5NH₄Cl ↔ [ППК] 5NH₄⁺ + CaCl₂ + MgCl₂ + HCl

H⁺

Основные закономерности обменного поглощения катионов заключаются в следующем.

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

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

3. Энергия поглощения и вытеснения катионов различна и зависит от величины валентности и атомной массы. Энергия поглощения с увеличением валентности возрастает: М⁺ < М²⁺ < М³⁺

Внутри рядов катионов с одной валентностью энергия поглощения возрастает с увеличением атомной массы. Ионы способны образовать на поверхности гидратационную оболочку. Чем она больше, тем меньшей энергией поглощения обладает ион. Ион водорода обладает высокой энергией поглощения. В водном растворе он присоединяет одну молекулу воды и образует гидроксоний Н₃О⁺, который поглощается сильнее, чем другие одновалентные ионы.

На энергию поглощения оказывает влияние концентрация иона в почвенном растворе. Катион натрия, обладающий меньшей способностью к внедрению, чем катионы аммония и калия, может обменно внедряться только при высокой концентрации их в почвенном растворе.

4. Обменное поглощение носит обратимый характер.

5. Скорость обмена зависит от строения ядер коллоидных частиц, строения решеток глинных минералов. Скорость обмена почти мгновенная, если она развивается на внешних поверхностях коллоидов и может развиваться несколько суток при обменном поглощении внутреннего мицелия.

В поглощенном состоянии в почве могут находиться различные катионы:

Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, NH⁴⁺, H⁺, Fe²⁺, Al³⁺, Mn²⁺ и другие. Общее количество всех поглощенных катионов называется емкостью поглощения. Она характеризуется емкостью катионного обмена (ЕКО) и выражают

в мг-экв на 100 г почвы. В различных почвах количество и состав обменных катионов, емкостью поглощения, степень насыщенности основаниями неодинаков.

Емкость поглощения зависит от содержания в почвах коллоидов и их природы. Чем больше в почве гумусовых веществ и ила содержащего минералы, тем выше ЕКО. Наибольшая емкость поглощения характерна для черноземов, в составе обменных катионов которых преобладают Ca²⁺ и Mg²⁺.

Степень насыщенности этих почв основаниями составляет 100 %.

В дерново-подзолистых почвах с небольшим содержанием гумуса емкость поглощения низкая. В составе обменных катионов кроме Ca²⁺ и Mg²⁺ присутствуют H⁺ и Al³⁺.

Обменное поглощение анионов возможно при наличии в ППК положительно заряженных участков:

ОН^–

[ППК]ОН^– + К₃РО₄ → [ППК] PO₄^3– + 3КОН

ОН^–

Лучше других поглощаются ионы гидроксила и фосфат-ионы. Состав ППК способствует химическому осаждению фосфатов. Например:

Н⁺ Н⁺

[ППК] Al³⁺ + Н₃PO₄ → [ППК]Н⁺ + AlPO₄ ↓