Поиск

Поглотительная способность почвы
26.06.2015

Виды поглотительной способности

Поглотительной способностью почвы вообще можно назвать способность ее прочно удерживать в себе различные вещества, приходящие с ней в соприкосновение. Она может проявляться чрезвычайно широко и разнообразно как в отношении твердых веществ (дисперсных систем всякого рода), водных растворов солей в целом, так и отдельных ионов — катионов и анионов — и наконец в отношении газов.
Соответственно столь различным объектам возможного поглощения различают и несколько типов самого процесса, или механизма поглощения, систематизацию которых дал впервые акад. К. Гедройц. Он различает пять следующих типов поглощения: 1) физикохимическое, или обменное, поглощение, 2) механическое поглощение, 3) физическое поглощение, 4) химическое поглощение и 5) биологическое поглощение.
Мы начнем наше ознакомление с важнейшего типа этого явления, которому исторически только и присваивалось наименование поглотительной способности, именно с физико-химического, или обменного, поглощения.
Обменная, или физико-химическая, поглотительная способность

1. Самое явление поглощения этого типа состоит в реакции обмена Катионов между раствором соли и коллоидной частью почвы по схеме:
почва Ca + 2NaCl = почва Na2 + CaCl2.

Катионы, которые вытесняются из почвы при обработке ее нейтральной солью, носят вообще название поглощенных, или обменных катионов (оснований) почвы.
Реакция обмена протекает только на поверхности твердых почвенных частиц. Поскольку явления на поверхности твердых тел рассматриваются обычно как явления физического (адсорбционного) порядка, постольку рассматриваемое явление поглощения в целом называется физико-химическим, обменным, поглощением.
2. Если мы будем обрабатывать одну и ту же навеску почвы разными количествами соли (употребляя для этого или одни и те же объемы раствора, но разных концентраций, или беря одну и ту же концентрацию, но в разных объемах), то с увеличением последней будем получать и большее количество вытесняемых, обменных, оснований. Однако строгой пропорциональности здесь не наблюдается. Это видно из цифр следующего эксперимента:
Поглотительная способность почвы

Мы видим, что первая концентрация хлористого аммония здесь больше последней в 400 раз, тогда как количество вытесненного кальция (и следовательно количество поглощенного аммония) возросло всего только в 12 раз. Вся сумма катионов почвы, способных к обмену, носит название емкости поглощения почвы и выражается или в граммах какого-либо одного катиона (обычно кальция) или обезличенно в грамм-эквивалентах.
Величина емкости поглощения для каждого вида почвы является характерной и в общем постоянной величиной.
Для разных типов почв величина емкости варьирует примерно в пределах от 0,1 до 1,2% иона Ca, или от 5 до 60 миллиэквивалентов.
3. Емкость поглощения почвы может быть насыщена искусственно любым катионом, однако природные почвы содержат в себе весьма ограниченный ряд их и именно следующий: Ca, Mg, Na и Н. В небольших количествах имеется в почвах поглощенный калий, и спорным остается до сего времени вопрос о поглощенных алюминии и железе.
Почвы, емкость которых насыщена Ca, Mg или натрием (или их смесью), носят название почв «насыщенных основаниями», те же почвы, которые содержат в составе поглощенных оснований и водород, носят название почв «не насыщенных» основаниями. Этот последний случай имеет широкое развитие в северных зонах, и все такие почвы обладают более или менее выраженной кислой реакцией.
4. Различные катионы обладают не одинаковой энергией поглощения почвой. В этом легко убедиться следующим экспериментом. Насытим ряд одинаковых навесок почвы каким-либо одним катионом (например Ba) и затем обработаем каждую из них своим раствором соли, но таким образом, чтобы все растворы были одинаковой концентрации, эквимолекулярны. Тогда величина поглощения катиона из каждого раствора и будет мерой его относительной энергии поглощения. Один на таких экспериментов Гедройца дал следующие результаты (табл. 46).
Поглотительная способность почвы

Этот ряд расположен в порядке возрастающей энергии поглощения катионов. В нем ясно выступают две закономерности, которым подчиняется это явление, а именно: 1) энергия поглощения возрастает с увеличением валентности и 2) в пределах группы металлов одинаковой валентности энергия поглощения возрастает с увеличением атомного веса элемента. Кроме того энергия обмена зависит от степени гидратации иона и его растворимости. Эти закономерности имеют чрезвычайно большое практическое значение, так как они дают возможность качественно предвидеть, какие катионы будут преимущественно внедряться в почву в случае, когда с ней соприкасается раствор смеси солей, как это имеет место обычно в солончаках. Необходимо однако иметь в виду, что последние исследования устанавливают существенные изменения относительной энергии поглощения катионов в зависимости, во-первых, от концентрации раствора, а во-вторых — от соотношения катионов в действующем растворе. Так, в эксперименте нашей лаборатории получены следующие данные (табл. 47, Лобанова):
Поглотительная способность почвы

Из этого эксперимента видно, что относительная энергия кальция резко возрастает с уменьшением концентрации раствора, тогда как для натрия зависимость обратная. По-видимому это связано с условиями диссоциации солей. Эти закономерности исключительно важны о практической точки зрения и потому подлежат детальному количественному изучению.
5. В вышеприведенном ряде солей не показан ион водорода. По своему положению в системе химических элементов — одновалентный металл с атомным весом около единицы — этот ион должен был бы обладать наименьшей энергией поглощения, однако фактически он представляет собой очень резкое исключение (сравн. выше поведение иона водорода как коагулянта). Это можно видеть ив следующих данных (Гедройц):
Поглотительная способность почвы

Аарнио в своих экспериментах по изучению энергии поглощения иона NH4 из (NH4)2SO4 прибавлял одновременно другие катионы и наблюдал при этом степень понижения поглощения иона NH4. По степени вызываемого понижения поглощения иона можно судить об относительной энергии действия этих прибавляемых ионов. В одном из таких опытов были получены следующие результаты:
Поглотительная способность почвы

Из обоих этих показаний следует, что ион водорода сильнее всех других одновалентных катионов и, по-видимому, даже сильнее катионов двухвалентных.
Факт особо повышенной энергии поглощения иона водорода имеет чрезвычайно большое практическое значение в почвоведении. Дело в том, что в почвах почти никогда не бывает больших количеств свободных минеральных кислот, которые могли бы обеспечить высокую концентрацию иона водорода в почвенном растворе и следовательно внедрение его в почвенный поглощающий комплекс. Вместе с тем малые концентрации иона водорода всегда имеют место в почве за счет диссоциации воды плюс угольная кислота и слабых органических кислот. Благодаря своей исключительно высокой энергии поглощения ион водорода даже в очень малых концентрациях становится конкурентоспособным с другими катионами (главным образом с Ga и Mg) и таким образом внедряется в почву. Этим и объясняется его широкое распространение всюду в почвах северных широт, где концентрация в почвенном растворе кальция и магния обычно низка. Проникает он (ион H') далеко и на юг в так называемые осолоделые солонцовые почвы.
Другие виды поглотительной способности почв

Механическая поглотительная способность. Сущность механического поглощения заключается в способности почвы задерживать в своих порах и капиллярных промежутках всякого рода взвеси и даже коллоидально распыленные вещества. Это явление имеет весьма существенное практическое значение с точки зрения образовании в почвах так называемых иллювиальных горизонтов. В почвах всегда возникают различные дисперсные коллоидные системы, которые вмываются и почву с нисходящими токами воды, на некоторой глубине задерживаются образуют часто совершенно водонепроницаемый слой и тем самым кардинально нарушают весь первоначальный режим почвы. На севере такие иллювиальные горизонты наиболее ярко представлены так называемыми ортштейнами, на юге в солонцовых почвах — так называемыми горизонтами уплотнения и в частности столбчатыми горизонтами. В условиях орошаемого хозяйства такие горизонты часто возникают на границе пахотного слоя при подходящих почвенных условиях и неправильной агротехнике, могут возникнуть при промывках солончаков второго типа, развиваются при искусственном кольматаже и т. д.
Физическая поглотительная способность. Явление физического поглощения солей состоит в следующем: если мы взболтаем навеску почвы со слабым раствором соли, отфильтруем раствор и определим его концентрацию, то найдем, что она изменилась как в отношении катиона, так и аниона в эквивалентном размере. Поглощение здесь происходит следовательно всей соли в целом, а не отдельных ионов ее. Размер этого поглощения обычно незначителен, но тем не менее измерим. Самое направление изменения концентрации может быть как положительным, так и отрицательным. Следовательно мы здесь имеем дело о положительной и отрицательной адсорбцией.
Громадное большинство электролитов поглощается почвой отрицательно.
Явления физического поглощения солей имеют определенное значение в процессах почвообразования, регулируя процессы выщелачивания солей.
Кроме того вероятно, что это явление не безразлично с точки арения установления предельных норм осолонения в почвах различного механического состава. В самом деле, в почвах глинистых, обладающих громадной поверхностью, отрицательная адсорбция электролитов может заметно повышать концентрацию солевых растворов в капиллярах. Наоборот, в почвах песчаных, с малой поверхностью, изменение концентрации соли этим путем вероятно ничтожно. Таким образом можно предполагать, что предел осолонения, выраженный весовым процентом солей по отношению к почве, для глинистых почв должен быть ниже, чем для почв песчаных. Экспериментально этот вопрос пока не затронут изучением.
F. Breazeal затрагивает этот вопрос в отношении влияния таких коллоидных масс, как гидраты алюминия и железа, но его эксперименты осуществлены в проточном солевом растворе, т. в. методологически принципиально неверно, и потому полученные им результаты не могут быть приняты во внимание.
Химическая поглотительная способность. Химическое поглощение есть процесс образования в почвах нерастворимых солей и выпадение их в осадок. В зависимости от характера реагирующих тел выпадать в осадок и следовательно поглощаться почвой, могут либо отдельные ионы либо вся соль целиком. В качестве примеров приведем следующие возможные реакции:
Ca (почва) + Na2CO3 = Na2(почва) + CaCO3.

В этом случае и катион (Na) и анион (CO3) закрепились в почве (поглотились в виде нерастворимых соединений;
3СаСО3 + 2Na3PО4 = Ca3(PO4)2 + 3Na2CO3.

Фосфорнокислый кальций нерастворим в воде, и следовательно фосфорная кислота закрепилась (поглотилась) в этой форме почвой.
Большой ряд аналогичных реакций осуществляется в почве, они и составляют содержание понятия химического поглощения.
Биологическая поглотительная способность. Неотъемлемой составной частью почвы является, как известно, богатое микробиологическое население. Оно живет, следовательно, питается и таким образом закрепляет в своем организме на известный период времени ряд веществ. Эти процессы и носят название биологического поглощения в почве. Они захватывают главным образом такие главнейшие питательные элементы растений, как азот, фосфор, калий, и потому играют первостепенную роль во всех вопросах плодородия почв и его регулирования.