Поиск

Поглощающий комплекс почвы. Солонцы
26.06.2015

Понятие

Коллоидную часть почвенной массы, которая непосредственно определяет собой обменную поглотительную способность почвы, называют почвенным поглощающим комплексом. Он состоит из минеральной и органической частей. Относительную роль в поглощении этих составляющих показывают следующие данные.
В одном из опытов Гедройца, где емкость определялась по продукции иона HСO3, оказалось следующее:
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

т. е. почти в два раза меньше.
А.Н. Соколовский, отмечает, что в некоторых черноземах до 67% емкости их определяется органическим веществом.
Более обширные исследования этого вопроса Hissink'oм для голландских почв дают ему повод считать, что в среднем емкость минеральной части фракций I+II (все частицы тоньше 0,016 мм) равна 1,1 г СaO на 100 г, тогда как емкость 100 г органического вещества равна 5,0 г.
Свойства поглощающего комплекса и почвы в целом при насыщении его различными катионами

Количество собственно коллоидальных частиц и даже всей илистой фракции обычно незначительно и редко превосходит один-два десятка процентов от общей массы почвы, тем не менее свойства ее, изменяющиеся под влиянием характера поглощенного катиона, в значительной части определяют собой свойства всей почвенной массы. Поэтому справедливо говорить, что характер поглощенных катионов определяет собой свойства не только поглощающего комплекса, но и всей почвы в целом.
Наиболее ярко различия свойств выступают при сравнении почв, насыщенных катионами одновалентными и двувалентными. Практически и с мелиоративной точки зрения особо важно сравнение катионов Na и Ga.
Основные изменения свойств, которые претерпевает почва под влиянием поглощенного натрия, могут быть сведены в три следующих группы:
1) Изменение дисперсности почвы.
2) Изменение устойчивости ее по отношению к действию воды и углекислоты.
3) Возникновение щелочной реакции почвы (иона ОН и затем соды Na2GO3).
Процесс внедрения в поглощающий комплекс натрия и связанное с этим изменение дисперсности, устойчивости и реакции почвы носят название солонцового процесса, а сами почвы, обладающие этими свойствами, называются солонцами.
Изменение дисперсности

Мы уже 8наем, что обычное состояние илистой части почвы есть состояние агрегатное. Оказывается, что прочность этих агрегатов в высокой степени определяется поглощенным катионом и именно: при насыщении почвы натрием агрегаты полностью (почти) распадаются в воде на свои составляющие элементы, тогда как при насыщении кальцием они, наоборот, становятся весьма устойчивыми. В каких размерах проявляется здесь различие, видно из следующего эксперимента Гедройца с кубанским черноземом. Последний в своем естественном состоянии насыщен кальцием и частью магнием. Чернозем был насыщен искусственно натрием путем обработки NaСl, и затем были сделаны параллельно механические анализы методом отмучивания почв естественной и искусственно насыщенной натрием. Получились следующие результаты:
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

Эти цифры исключительно ярки. Если сравнить между собой только суммарные показания количеств илистой фракции (37,9 для естественной почвы и 59,7 для насыщенной натрием), то здесь мы должны сказать, что имеем дело с двумя совершенно различными почвами. Ho еще резче эти различия выступают, если мы проследим динамику отдельных фракций. Оказывается, что в почве, насыщенной натрием, прежде всего уменьшается количество всех решительно фракций от 0,25 до 0,001 мм. Ho наиболее резко это изменение коснулось коллоидной фракции в части наиболее крупных частиц между 1,0 и 0,4 микрона: их было в естественной почве 31,4%, а в насыщенной натрием осталось всего 6,9%; зато, наоборот, количество тончайшей коллоидной фракции тоньше 0,22 микрона возросло в почве, насыщенной натрием, в громадной степени —с 1,3% до 45,3%, т. е. почти в 35 раз.
Громадная степень дисперсации, вызываемая поглощенным натрием, касается как минеральной части почвы, так и органической, ее гумуса.
Так из того же чернозема в его естественном состоянии переходят в водную вытяжку только следы органического вещества, тогда как после насыщения натрием его перешло 5,7% из 10%, т. е. более половины всего количества.
Эти крайние степени дисперсации почвы, которые осуществляются при полном насыщении ее натрием и которые приведены выше, имеют крупнейшее отрицательное значение в практике. Почва, насыщенная натрием, полностью теряет все элементы своей структурности и становится совершенно водонепроницаемой. Коллоидальный ил приобретает громадную набухаемость и водоудерживающую способность, как клей или желатина. Отдача воды через испарение осуществляется с крайней медленностью (при обыкновенной температуре для удаления ее требуются месяцы), а после высыхания такой ил превращается в твердую рогообразную массу. Сопротивление раздавливанию кубика такой почвы приближается к сопротивлению бетона.
Естественно, что степень выраженности всех этих изменений определяется степенью насыщенности поглощающего комплекса натрием. Интересные данные по этому вопросу получил А. Панков, и потому мы кратко их приведем.
Опыты были проделаны с горизонтом А тучного девственного северокавказского чернозема глинистого механического состава (частиц тоньше 0,01 мм — 71,54%), поглощающий комплекс которого насыщен кальцием (47,40 м/экв.) и магнием (12,16 м/тн.). На этой почвы были приготовлены отдельные пробы, в которых кальций и магний заметены натрием в количестве 0,1, 0,2, 0,3 и т. д. от емкости поглощения. В этих пробах и определялись затем различные физические свойства.
Для правильного понимания полученных результатов необходимо отметить, что введение в поглощающий комплекс натрия достигалось путем обработки почвы соответствующим количеством соды, причем получавшийся в результате обменной реакции углекислый кальций не удалялся из почвы. Присутствие навести вообще смягчает проявление тех специфических свойств, которые вызываются поглощенным натрием, и это действие естественно тем резче, чем больше количество извести. В данном случае при насыщении почвы натрием больше чем на половину ее емкости количество извести становилось столь значительным, что оно в ряде случаев, по-видимому, уже парализовало действие поглощенного натрия. Фактически определенные количества извести показаны в таблице 49.
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

Вследствие этого закономерный ход кривой изменения некоторых свойств параллельно увеличивающимся дозам натрия иногда оказывается нарушенным. Итак следовательно, когда мы будем видеть дальше при больших степенях насыщения как бы отсутствие действия натрия, это должно быть приписано привходящему фактору, именно извести. В природе это может иметь место в карбонатных солонцах.
Прежде всего приведем график изменения дисперсности почвы (черт. 38), выраженный количеством частиц тоньше 0,001 мм при отношении почвы к воде 1:20.
Мы видим, что уже 0,1 натрия от емкости поглощения очень резко повышает дисперсность, но затем с 0,3 подъем кривой замедляется, а с 0,5 практически прекращается. Это несомненно вредное действие извести. На органическом веществе оно не сказывается, и потому кривая последнего поднимается До 0,9, можно сказать, прямолинейно: абсолютное возрастание дисперсности органического вещества определяется коэффициентом 8.
Изменение величины полной влагоемкости (определенной по Мейеру на фильтре) показано на чертеже 39. Мы видим, что влагоемкость возрастает до 0,9 почти прямолинейно, превышая в конечном пункте исходную величину в 3,6 раза. Если принять в расчет, что естественная почва удерживает в себе 42,32% воды но весу, то Дисперсированная Держит следовательно уже 152%. В одном из опытов Гедройца водоудерживающая способность чернозема возросла при полном насыщении Na (без (СaCO3) с 60 до 900%.
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

Водопроницаемость, определенная на тех же фильтрах и выраженная в количестве часов, необходимых для стенания фильтрата, показана на чертеже 40. Мы видим что до степени насыщения 0.6 фильтрация очень резко уменьшается (число часов фильтрации возрастает с 2 1/4 до 60. т. е, в 27 раз), дальше же изменение становится неправильным в силу вредного влияния извести.
На чертеже 41 показано изменение объемов образцов почвы — влажных и сухих. Первую кривую можно условно принять за показатель набухаемости почвы, а вторую — за сжимаемость при высыхании. Мы видим, как резко изменяются эти свойства почвы в зависимости от степени насыщения почвы натрием. Практически это выражается в том, что если естественная почва имеет и в сухом и во влажном состоянии один и тот же объем (68,60 и 68,60), то при насыщении натрием в 0,8 влажная почва имеет объем 117,70, а в сухом — 50,10, т. е. в 2,3 раза меньший. Понятно, какая это колоссальвая деформация.
Измерение сопротивления раздавливанию было произведено на приборе Лобны-Герцика для кубиков 8 см3 и шариков 4,20 см3.
Полученные данные для кубиков, выраженные в килограммах на 1 см, показаны на чертеже 42. Мы видим, что сопротивление раздавливанию возрастает по чрезвычайно крутой кривой, а по абсолютным своим размерам аналогично бетону. После насыщения 0,7 сопротивление падает в связи с трещиноватостью кубиков и несомненно действием извести.
Мы не приводим некоторых других измерений проф. Панкова, полагая, что характер явления обрисован уже достаточно рельефно.
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

Все эти изменения имеют громадное практическое значение с точки зрения условий развития корней растений, производства с.-х. обработок и собственно в мелиорации, с точки зрения производства всякого рода земляных работ, условий фильтрации воды, организации поливов и пр. Поэтому очевидно, что детальное изучение всех этих явлений применительно к различным типам и вариантам почв представляет собой одну из актуальных задач исследования.
В состоянии тонкой дисперсности ил приобретает способность проникать через все фильтры и в частности через толщу почвы. Проникая в нее на некоторую глубину, он задерживается здесь или в силу явлений механического поглощения или коагулируя при встрече с солевыми растворами и образует таким образом иллювиальные водонепроницаемые горизонты.
Такая почва в силу названных здесь физических свойств становится непригодной к с.-х. использованию.
Изменение устойчивости по отношению к действию воды

В силу своей громадной распыленности поглощающий комплекс, насыщенный натрием, приобретает резко выраженную повышенную реактивную способность и потому легко распадается под действием воды и особенно воды, содержащей угольную кислоту.
В одном из опытов Гедройца получились следующие результаты при сравнении действия воды на суглинистый чернозем — естественный и насыщенный натрием (табл. 50).
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

Наличие в растворе полуторных окислов и кремнекислоты свидетельствует о распаде основного анионного ядра поглощающего комплекса почвы. Из сравнения цифр по вертикальным рядам с очевидностью следует, в какой громадной степени возрастает эта разрушаемость комплекса при насыщении его натрием. Необходимо при этом помнить, что природная почвенная вода, если и не насыщена, то всегда содержит значительные количества угольной кислоты, и следовательно размер разрушения комплекса в природе будет лежать между показаниями двух крайних случаев эксперимента.
В одном из наших определений растворимость полутороокисей и кремнекислоты в 0,05 N соляной кислоты в естественных почвах одного и того же типа (каштановые солонцеватые Заволжья), но с разный количеством поглощенного натрия, выразилась следующими цифрами:
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

Закономерность явления в этих естественных почвах оказывается совершенно той же, что и в искусственном эксперименте, т. е. растворимость обоих элементов резко возрастает с увеличением в почве количества поглощенного натрия.
Явление энергичного распада поглощающего комплекса в случае насыщения его натрием имеет громадное практическое, резко отрицательное значение. Поглощающий комплекс, как мы знаем, является наиболее активной, наиболее реактивно-способной составной частью почвы. Им определяются в значительной мере основные физические свойства почвы (агрегатность, порозность, следовательно водные свойства и т. д.), химические реакции и биологическая деятельность. При разрушении его он превращается в инертные окислы кремния, железа и алюминия. В ряде случаев при этом в солонцовых почвах полутороокиси выщелачиваются вниз, а на месте остается лишь кремнекислота в виде тонкой бесплодной пыли. Таким образом в этом процессе осуществляется в конечном итоге с.-х. обесценивание почвы.
Возникновение щелочной реакции в почве, образование соды

Как прямое следствие высокой реактивной способности поглощающего комплекса, насыщенного натрием, в почве возникает щелочная реакция.
Это явление можно представить в виде следующей схемы:
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

В случае присутствия угольной кислоты, что в природной обстановке и имеет всегда место, едкий натр сейчас же переходит в соду по уравнению:
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

В случае естественной почвы указанные здесь реакции никогда не идут до конца, так как образующиеся щелочи действуют в обратном направлении на поглощающий комплекс, насыщенный водородом, и таким образом устанавливается некоторое равновесие, которое можно представить в виде следующей схемы:
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

Условия равновесия определяются здесь степенью диссоциации воды плюс угольная кислота, а так как она вообще незначительна, то и продукция соды оказывается здесь ограниченной. В случае, когда в реакции участвуют более сильно диссоциирующие элементы, продукция соды может быть более значительной. Такой случай имеет широкое распространение в природе, когда действующим агентом являются не вода и угольная кислота, а углекислый кальций и углекислота.
Реакции осуществляются тогда по следующим схемам:
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

Какая разница в продукции соды здесь получается, можно видеть например из следующего эксперимента Гедройца: при действии на почву, насыщенную натрием, чистой водой получалось соды 0,042%, при действии же СаСО3+СО2 — 0,525%, т. е. уже громадное количество.
При этом, как и ранее, реакция также не идет до конца в силу условий равновесия солей в растворе. Провести ее полностью, т. е. до полного замещения поглощенного натра, можно только или удаляя последовательно растворимый продукт реакции — соду, или же, в искусственных условиях, взяв громадный избыток углекислого кальция и углекислоты по сравнению с наличным количеством поглощенного натрия. Зависимость величины щелочности от количества поглощенного натрия в почве выявлена в эксперименте А. Панкова.
Он приготовил водные вытяжки из чернозема, искусственно насыщенного разными дозами натрия, и получил следующие относительные цифры:
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

Мы видим, что щелочность по мере увеличения количества поглощенного натрия возрастает чрезвычайно быстро и при полном насыщении натрием (1,0) почти в 20 раз превышает щелочность почвы, насыщенной на 0,1 ее емкости. При насыщении половины емкости (0,5) в растворе кроме бикарбоната натрия появляется и нормальная сода.
В последней графе показано возрастание растворимости гумуса. При полном насыщении почвы натром растворимость его более чем в 80 раз больше исходной и равна приблизительно 1/3 валового количества гумуса в естественной почве.
Итак следовательно в почвах, содержащих в своем составе поглощенный натрий, возникает сода. Выше, при рассмотрении солончаков, мы видели, что сода является одной из самых вредных солей, и потому очевидно, что данный процесс должен квалифицироваться как очень вредный с практической с.-х. точки зрения.
Сода по Гильгардту.
До 1912 г. в почвоведении считали, согласно предложениям, развитым американским почвоведом проф. Гильгардтом, что сода в почве образуется за счет реакции взаимного обмена между хлористым или сернокислым натрием и известью по схемам:
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

Так как при реакции слева направо получающиеся продукты обмена оба оказываются легко растворимыми, то очень скоро устанавливается равновесие, и продукция соды скоро останавливается и не может быть значительной. Ввиду более трудной растворимости гипса реакция с сернокислым натрием дает вообще несколько большее количество соды.
В природе таким образом сода может возникать малыми порциями, а затем накапливаться в каких-либо горизонтах почвы.
Тем не менее теория Гильгардта не могла объяснить многих случаев возникновения и особенно своеобразного поведения соды в почвах.
В 1912 г. появилась классическая работа Гедройца, которая и установила вышеприведенную новую схему образования соды в почве за счет поглощенного натрия (сода по Гедройцу).
Условия, в которых натрий поглощается почвой и служит источником содообразования, выясняются из следующих экспериментов Гедройца.
Был взят образец обыкновенного чернозема (горизонт А), к нему прибавлено 10% по весу СaCO3, и затем он многократно взбалтывался с 1,0 N раствором NaCl или Na3SO4. После каждого забалтывания прозрачный раствор сливался и анализировался. Очевидно, что здесь искусственно создавались условия образования соды по Гильгардту (СaCO+NaCl), однако в фильтратах соды или совсем не оказывалось или ее были только следы. После последнего сливания с почвы раствора соли из почвы начали приготовляться последовательные водные вытяжки, каждый фильтрат анализировался и в отношении соды получился следующий результат:
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

Мы видим, что в первой водной вытяжке соды еще нет, затем в последующей сна появляется, достигает своего максимума в 4-й вытяжке, а затем количество ее начинает постепенно уменьшаться, исчезая совсем лишь в 9-й вытяжке.
Сопоставление этого хода выщелачивания соды из почвы с выщелачиванием бывшей здесь вначале соли (NaСl или Na2SO4) показывает, что сода появляется Лишь в момент заметного понижения концентрации нейтральной соли, и максимум соды совпадает обычно с моментом, когда хлористого или сернокислого натрия в почве уже нет.
Толкование этого явления в отношении Соды может быть двойственно: I) или в этих условиях сода по Гильгардту не образуется совсем или же 2) сода по Гильгардту образуется, но сейчас же поглощается почвой и начинает выщелачиваться лишь после удаления нейтральных солей.
Для решения этих вопросов был осуществлен второй эксперимент в следующей форме. Ta же почва обрабатывалась последовательно, как и в первый раз, растворами NaCl или Na2SO4, но углекислого кальция в почве прибавлено не было. Очевидно, что условий для образования соды по Гильгардту здесь не было. После некоторого числа взбалтываний последний раствор нейтральной соли слит, а остатки ее удалены из почвы нацело диализом. После этого к почве прибавлены те же 10% CaCO3 и приготовлены последовательные водные вытяжки. Анализ их дал следующие результаты:
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

Мы видим, что сода здесь появляется сразу и притом в количествах значительно больших, чем в первом варианте опыта. Так как здесь в течение всего эксперимента условий для образования соды по Гильгардту не было, то очевидно, что она образуется каким-то другим путем. Этот путь Гедройци вскрыл, показав, что реакция протекает здесь в две независимых фазы, а именно: сначала натрий нейтральной соли внедряется в поглощающий комплекс чернозема по схеме:
Поглощающий комплекс почвы. Солонцы

a затем, во второй фазе, CaCO3 или Ca(HCO3)2 действует на поглощающий комплекс, насыщенный натрием, и вытесняет натрий с образованием соды по схемам, данным ранее.
Итак следовательно основным процессом здесь является процесс внедрения в почву натрия или образования солонцовой почвы, или кратко — солонца. Формирование соды есть процесс вторичный, возникающий лишь при определенных условиях среды, а именно: 1) при отсутствии или малой концентрации воднорастворимых солей натрия (NaCl и Na2SO4); 2) при воздействии на почву воды +CO2; 8) или при воздействии CaCO3.
Почвы, содержащие в своем поглощающем комплексе обменный натрий и следовательно обладающие всеми вышеназванными свойствами, называются солонцовыми почвами, или солонцами.