Поиск

Свойства почвенных коллоидов
28.10.2015

Почвенные коллоиды обладают специфическими свойствами, которые в значительной степени передаются почвенным горизонтам и всему профилю почвы. Такими важнейшими свойствами являются громадная внутренняя поверхность, наличие у коллоидальных частиц электрического заряда, преимущественно отрицательного, способность адсорбировать газы, молекулы и ионы, способность к набуханию и сжатию в зависимости от влажности, изменению степени дисперсности, обратимому и необратимому застудневанию, пептизации и коагуляции. В почвах, бедных коллоидными веществами, содержание их может составлять 5—10% по весу. Обычно же почвы содержат 15—25%, а в некоторых случаях 40—60% и даже 90% коллоидов по весу. Однако, в отличие от лабораторных моделей, представляющих собой, как правило, очень разведенные суспензии и гидрозоли, дисперсные системы почв в натуре представлены главным образом твердой фазой. Водная (дисперсионная) среда редко достигает 50—60% веса или объема твердой фазы.

Электрический заряд частиц почвенных коллоидов

Коллоидные частицы с отрицательным (по преимуществу) зарядом можно сравнивать с многовалентным анионом нерастворимой соли. Происхождение отрицательного заряда у частиц почвенных коллоидов обязано сочетанию ряда обстоятельств. Одной из причин этого является кислотный — ацидоидный характер гумусовых коллоидов, силикатных и алюмосиликатных вторичных минералов, преобладающих в почвах. Вода обладает очень высокой диэлектрической постоянной, около 81. Диэлектрическая постоянная у почвенных коллоидов на целый порядок ниже (4—10); при таких соотношениях почвенные частицы должны приобретать отрицательный заряд. Почвенные растворы и природные воды по концентрации водородного иона в большинстве случаев слабокислые, нейтральные или щелочные. Это способствует отдиссоциированию иона водорода, установлению и поддержанию отрицательного заряда почвенных коллоидов. Отрицательный заряд частиц гумусовых коллоидов обязан наличию функциональных групп СООН, ОН, NH2, которые отдают свой водород и способны сорбировать другие катионы. Они как бы подобны слабым кислотам.
Отрицательный заряд минеральных высокодисперсных частиц в почвах объясняется тем, что на поверхности коллоидно-дисперсных частиц, на изломах, углах и сколах микрообломков кристаллических решеток обнажаются ионы Si, Al, Mg, валентные связи которых не полностью насыщены. Возникает возможность погашения этой «свободной» энергии путем образования внутреннего потенциалопределяющего слоя отрицательно заряженных ионов. Частица получает отрицательный заряд и способность поглощать и обменивать катионы.
По-видимому, кремнекислородные тетраэдры — основной структурный компонент алюмосиликатных и силикатных минералов,— обнаженные на поверхности частиц, играют ту же роль генераторов отрицательного заряда минеральных дисперсных частиц.
Возможно, что появление заряда связано с ионизацией водорода из группы ОН по схеме:
SiOH + H2O ⇔ SiО- + H3O+.

Этот путь возникновения заряда характерен для частиц двухслойных (каолинит, накрит и др.) и трехслойных минералов (монтмориллонит, вермикулит и др.). Второй столь же постоянный путь возникновения заряда частиц почвенных коллоидов типичен преимущественно для трехслойных минералов и обязан изоморфным замещениям.
Изоморфное замещение атомов кремния (Si4+) алюминием (Al3+) или другим атомом близкого размера, но меньшего заряда обусловливает возникновение свободной избыточной валентности. Это явление широко распространено в почвенных минералах. Если подобное изоморфное замещение происходит внутри слоев, то тогда возникает не сорбция катионов, а их необменная фиксация (например, калия в иллите). В минералах группы монтмориллонита заряды возникают как на поверхности частиц, так и в кристаллической решетке, на внутренней поверхности подвижных пакетов.
По совокупности названных причин отрицательный заряд и поглотительная способность у трехслойных минералов значительно выше, чем у двухслойных. Гидроокислы кремния, аморфные продукты взаимодействия гидроокислов кремния и гумуса и золей гидроокислов алюминия и железа являются высокодисперсными телами, на поверхности которых всегда имеются отрицательно заряженные карбоксильные группы гумусовых кислот или анионы кремневых кислот (HSiO3-, SiO32-). Этим также предопределяется отрицательный заряд частиц таких коагелей (например, аллофаноидов). Отрицательный заряд частиц и способность поглощения катионов тем выше, чем шире в их составе отношение SiO2 к Al2O3 (рис. 72). Величина заряда частиц почвенных коллоидов колеблется в пределах 30—90 мв, достигая в щелочной среде 100—110 мв (усиление отдиссоциирования иона водорода).
Свойства почвенных коллоидов

Различают постоянный заряд высокодисперсных частиц, обязанный изоморфным замещениям ионов и свободным валентностям, и заряд переменный, зависящий от уровня pH, от ковалентной связи водорода или других катионов с мицеллой, а также от растворения и осаждения пленок полуторных окислов на алюмосиликатных частицах (исследования Дюшофура, Гоше).
Амфолитоидная природа почвенных коллоидов

Экспериментальными исследованиями в последние годы установлено, что природа почвенных коллоидов сложнее, чем это казалось прежде. Шведский почвовед С. Маттсон ввел в химию почв представление об амфолитоидных (амфотерных) свойствах почвенных коллоидов. В России его исследования были продолжены и развиты И.Н. Антиповым-Каратаевым, Н.П. Ремезовым, Н.И. Горбуновым.
Значительная часть окристаллизованных и аморфных почвенных коллоидов является продуктом взаимного осаждения соединений кремния и полуторных окислов из истинных или золеобразных растворов. Соотношение этих компонентов в составе коллоидных частиц может колебаться в различных пределах. Преобладание полуторных окислов в частицах почвенных коллоидов придает им изоэлектрические свойства, склонность к перемене заряда. Почвенные коагели, имеющие узкое отношение кремнезема к полуторным окислам (0,5:1; 1:1), в кислой среде легко приобретают положительный заряд.
По знаку заряда частиц различают: а) отрицательно заряженные коллоиды, или ацидоиды (кислотные коллоиды), к которым относятся коллоидные формы соединений гумуса, кремневых кислот; б) положительно заряженные коллоиды, или базоиды, к которым относятся гидроокиси алюминия и железа, имеющие положительный заряд.
Однако те почвенные коллоиды, которые являются сложным продуктом взаимодействия ацидоидов и базоидов, имеют амфолитоидный характер. В слабокислой, нейтральной или слабощелочной среде амфолитоиды чаще имеют отрицательный заряд. В кислой и особенно сильнокислой среде амфолитоиды легко получают положительный заряд.
Экспериментальная перезарядка почвенных коллоидных частиц требует большей частью кислой реакции. Так, частицы каолинита приобретают положительный заряд при pH ниже 4. Почвенные коллоиды тропических и субтропических красноземных, аллитных и латеритных почв, бедных кремнеземом и богатых полуторными окислами, перезаряжаются при pH 5,5—6,0. Однако чистая гидроокись железа в лабораторных условиях приобретает положительный заряд при pH меньше 7,1, а коллоидная гидроокись алюминия легко меняет заряд при pH раствора менее 8,1 (рис. 73). Это иллюстрируется следующей схемой:
Свойства почвенных коллоидов

Тонкодисперсные частицы осадка углекислого кальция имеют положительный заряд.
Некоторые органические вещества, как, например, протеины, также присутствующие в почвах, могут оказаться положительно заряженными даже при pH 10—12. Коллоидный гумус и кремнезем даже в лабораторных условиях при подкислении среды не меняют отрицательный заряд на положительный.
Ацидоидный характер большинства почвенных коллоидов, наличие пленок гумуса и кремнезема на частицах предопределяют преимущественно отрицательный суммарный заряд частиц и являются причиной того, что почвенные коллоиды и почвы обычно адсорбируют катионы. Однако амфолитоидная природа почвенных коллоидов, наличие среди них компонентов с положительным зарядом или легко получающих его при подкислении способствует тому, что наряду и одновременно с катионами в ослабленной форме происходит поглощение анионов. В природных условиях, при избытке в почве угольной кислоты и образовании, хотя и на короткие периоды, свободной серной или азотной кислот, положительный заряд и сорбция анионов могут проявляться значительно резче, чем в условиях лабораторного опыта. При сдвиге же реакции в более кислый интервал некоторые почвы и почвенные коллоиды могут устойчиво приобретать положительный заряд с заметным поглощением и фиксацией анионов. По-видимому, этим следует объяснять ненормально высокое содержание фосфора или титана в железистых и бокситовых почвах влажных тропических областей.
Строение частиц почвенных коллоидов

Схема строения отдельной коллоидной частицы показана на рис. 74 (согласно представлениям, развитым в химии почвенных коллоидов Г. Вигнером, И.Н. Антиповым-Каратаевым, Н.И. Горбуновым, С.Н. Алешиным). Внутренняя часть коллоидной частицы занята ядром. Ядро окружено двумя слоями ионов. Внутренний слой представлен потенциалопределяющими ионами, придающими коллоидной частице отрицательный или положительный заряд, далее идет внешний относительно рыхлый слой поглощенных ионов противоположного заряда. Ядро коллоидной частицы может быть аморфным или кристаллическим.
Свойства почвенных коллоидов

Этот тип структуры приложим более всего к аморфным коллоидным системам, например, золям кремнезема, аллофана. Однако эта общая схема по мере накопления данных существенно конкретизируется применительно к определенным группам почвенных коллоидно-дисперсных частиц. Так, частицы коллоидного гумуса представляются в виде сложных фибровидных (волокнистых) переплетений полимеризованных молекул гумусовых кислот с точками отрицательного заряда в местах нахождения функциональных групп. В случае двухслойных глинных минералов, например каолинита, коллоидно-дисперсная частица является ультраобломком кристаллической решетки с точками отрицательных и положительных зарядов, что способствует одновременной сорбции катионов и анионов. У минералов группы монтмориллонита ядром коллоидно-дисперсной частицы (мицеллы, гранулы) служит ультраобломок подвижной трехслойной кристаллической решетки минерала.
Точки положительных зарядов рассеяны на внешней и внутренней поверхности частицы. К этим пунктам прикреплены потенциалопределяющие ионы внутреннего слоя, сообщающие частице высокий отрицательный заряд. Сорбированные обменно-поглощенные катионы образуют внешний диффузный слой ионов.
Рассмотренные различия в структуре коллоидных частиц гумуса и глин каолинитового и монтмориллонитового типа предопределяют и различия в их катионной поглотительной способности, которая очень велика у гумуса, у минералов группы монтмориллонита и мала у каолинита.
Как можно видеть, современные воззрения на структуру коллоидных частиц в почвах и грунтах усложнились, но в общем опираются на учение о двойном электрическом слое, развитое Гельмгольцем, Фрейндлихом, Штерном.
Способность почвенных коллоидов к набуханию

Почвенные коллоиды обладают в большей или меньшей степени способностью к набуханию при взаимодействии с водой. Насыщение коллоидов обменным натрием усиливает эффект набухания. Насыщение их водородом и особенно кальцием, железом и алюминием уменьшает способность к набуханию.
Набухание почвенных коллоидов сопровождается связыванием так называемой осмотической воды и увеличением объема до 500—1000% к исходному. Чем больше в почве содержится гидрофильных коллоидов (монтмориллонита, аллофаноидов), тем в большей степени эта почва набухает при увлажнении. Щелочная реакция среды заметно увеличивает склонность почвенных коллоидов к набуханию при увлажнении.
Солонцы, содовые солончаки, слитые черные почвы (так называемые вертисоль), такырные горизонты почв обладают способностью сильно увеличивать объем вследствие набухания гидрофильных коллоидов. При высыхании же эти почвы сильно сжимаются и растрескиваются. Многократная смена процессов сжатия и набухания в почвах вызывает горизонтальные и вертикальные смещения почвенной массы, образование плоскостей скольжения, перемешивание гумусового и подгумусового горизонтов.
Пептизация почвенных коллоидов

Почвенные коллоиды в определенных условиях могут увеличивать степень дисперсности частиц и из состояния коагулированного осадка переходить путем набухания в состояние подвижного высокодисперсного золя, т. е. пептизироваться. Увеличение дисперсности почвенных коллоидов и их пептизация происходят: а) при увеличении заряда коллоидных частиц; б) в результате уменьшения концентрации легкорастворимых солей до величин, меньших чем «порог коагуляции», в) после замены сильнокоагулирующих поглощенных двух- и трехвалентных катионов на пептизирующие одновалентные катионы аммония, калия, натрия, лития, г) в результате увеличения щелочности среды,
Уменьшение количества легкорастворимых солей в почвах с последующей пептизацией почвенных коллоидов наблюдается в природе при естественном рассолении почв или при поливах и промывках засоленных почв в целях их мелиорации.
Замещение в составе поглощенных катионов сильных коагуляторов, например кальция на калий и натрий, может произойти в результате многолетнего одностороннего внесения таких калийных удобрений, как сильвинит (KCl*NaCl).
Подщелачивание почвенного раствора с пептизацией почвенных коллоидов происходит в результате орошения почв слабощелочными водами. Так, вода оз. Севан имеет pH около 9. Воды рек Инд, Нил, подземные воды Ирана, Аргентины, Калифорнии, используемые для орошения, также являются слабощелочными. Наиболее часто активная пептизация коллоидов орошаемых почв связана с накоплением в почве свободной соды, силикатов натрия (при содовом засолении) и появлением в поглощающем комплексе большого количества обменного натрия (более 25% от емкости обмена). Аналогичные явления может вызвать углекислый аммоний (NH4)2CO3 при неумеренных навозных удобрениях.
Пептизация почвенных коллоидов обусловливает пониженную водопроницаемость почвы, уменьшение подвижности воды и ее доступности растениям, склонность к образованию корки при высыхании и потерю почвой комковато-зернистой структуры.
Защитные свойства почвенных коллоидов

Почвенные коллоиды эмульсоидного типа, как, например, желатина, коллоидный гумус, коллоидный кремнезем, оказывают так называемое защитное действие на другие, менее дисперсные и менее устойчивые коллоиды. При добавлении к гидрозолям небольшого количества защитных коллоидов малоустойчивые гидрозоли приобретают повышенную устойчивость против коагуляции и сохраняют в большей степени дисперсность и миграционную способность. Защитное действие, по-видимому, обязано обволакиванию частиц пленками защищающего коллоида, возможно, с одновременным увеличением заряда коллоидальных частиц.
Предполагается, что под защитным действием золей гумуса происходит вынос и перераспределение гидроокисей железа, алюминия, марганца. Высказывалась мысль, что коллоидный кремнезем во влажных тропиках способствует миграции и выносу окислов железа и алюминия.
Коагуляция почвенных коллоидов

Почвенные коллоиды могут изменять степень дисперсности вследствие склеивания и агрегирования коллоидных частиц с выпадением в форме хлопьевидного осадка и отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды. Этот процесс называется коагуляцией. Различают коагуляцию обратимую и необратимую.
Коагуляция почвенных коллоидов может возникать в результате различных причин. Так, коагуляция золей в почвах происходит в результате воздействия повышенных концентраций легкорастворимых солей. В тех случаях, когда в почвенном растворе концентрация солей превышает так называемый порог коагуляции, т. е. ту минимальную концентрацию, выше которой начинается оседание коллоидов, коллоидная система быстро утрачивает устойчивость, дисперсность ее уменьшается и золь выпадает в форме осадка. Коагулирующая сила легкорастворимых солей тем выше, чем меньше концентрация их при «пороге коагуляции».
Относительная коагулирующая сила хлоридов и сульфатов щелочных земель в десятки раз превышает коагулирующую силу хлоридов и сульфатов щелочей. Коагулирующая же сила солей трехвалентных металлов во много сотен раз превышает коагулирующую силу солей одновалентных металлов. Ниже приводится относительная коагулирующая сила электролитов (данные К.К. Гейдройца и др.).
Свойства почвенных коллоидов

Нисходящее движение золеобразных растворов в почве часто приводит к непосредственному контакту высокодисперсных почвенных коллоидов с нижележащими солевыми горизонтами, в которых имеются значительные концентрации карбонатов, сульфатов, хлоридов кальция, магния, натрия. В этих случаях происходит резко выраженная коагуляция почвенных коллоидов, с образованием так называемых иллювиальных горизонтов.
В засоленных почвах, содержащих большое количество сернокислых и хлористых солей, коллоидные и глинистые фракции почвы находятся также в коагулированном состоянии. Исключением являются почвы содового засоления, обычно отличающиеся высокодисперсным состоянием и нептизированностью почвенных коллоидов.
Для углекислых солей натрия и калия вообще характерна слабая коагулирующая сила, даже при сравнительно высоких концентрациях. Только при содержании в почвах 3—5% углекислый натрий вызывает коагуляцию коллоидов. При малых же концентрациях углекислые соли щелочей, едкие щелочи и гидроокиси щелочных земель вследствие сильного возрастания pH вызывают сильную пептизацию почвенных суспензий и коллоидов и их стабильность.
В процессе коагуляции под влиянием растворов электролитов различаются две фазы. Первой фазой является поглощение и обмен катионов электролитов на поглощенные катионы дисперсной фазы. Собственно коагуляцией является вторая фаза, наступающая после обменной адсорбции. С этой точки зрения коагуляцию почвенных коллоидов можно также рассматривать как следствие различного воздействия поглощенных катионов. Поглощенные катионы обладают различным коагулирующим эффектом, который зависит от их валентности и величины атомного веса.
Необратимость коагуляции в результате поглощения катионов почвенными коллоидами убывает в следующем порядке:
Al > Ba > Ca > H > Mg > Rb > CS > К > NH4 > Na > Li.

Наиболее полную и устойчивую коагуляцию почвенных коллоидов вызывают трехвалентные катионы алюминия. Сильными коагуляторами являются также поглощенный барий и кальций. Калий и особенно натрий и литий способствуют диспергированию и пептизации коллоидов. Этим же свойством обладает обменный аммоний.
В черноземах, луговых, перегнойно-карбонатных, коричневых, сероземных почвах, благодаря преобладанию поглощенного кальция среди адсорбированных катионов, коллоиды находятся в устойчиво коагулированном состоянии, что обусловливает высокую агрегированность и благоприятные физические свойства этих почв. В содовых солончаках, солонцах и солонцовых почвах в числе поглощенных катионов значительное, иногда преобладающее место принадлежит натрию и магнию, сообщающим почвенным коллоидам и почвам высокую диспергированность, пептизированность и неблагоприятные водно-физические свойства.
В природе коагуляция почвенных коллоидов часто происходит в результате взаимодействия коллоидных частиц, имеющих противоположные заряды. Так, золи гидроокиси алюминия, железа, марганца, имеющие положительный заряд, встречаясь с гидрозолями гумуса или кремнезема, для которых характерен отрицательный заряд, вступают сними во взаимодействие. В результате происходит полная или частичная взаимная коагуляция. Полная взаимная коагуляция обычно наблюдается в определенных интервалах соотношений положительно и отрицательно заряженных золей, когда образуются наиболее устойчивые коагели. За пределами соотношений, вызывающих взаимную коагуляцию, устойчивой остается смесь гидрозолей, имеющая суммарный заряд частиц, свойственный преобладающему компоненту.
В большинстве случаев продукты взаимной коагуляции дают устойчивые в воде органо-минеральные коагели и коагели алюмосиликатов. Так, устойчивые коагели гуминовой кислоты и полуторных окислов образуются в гидроморфных черных луговых почвах. Водоустойчивые, непептизирующиеся коагели полуторных окислов и кремнезема имеются также в аллитных и фераллитных красноземных почвах влажных тропиков и субтропиков. Общеизвестна водопрочность мелкокомковатых и зернистых агрегатов этих почв.
Коагуляция почвенных коллоидов может быть также вызвана медленным подсушиванием их, обезвоживанием, а также быстрым воздействием отрицательных и положительных температур, что сопровождается обезвоживанием почвенных коллоидов. Высокие температуры, порядка 300—500°, способствуют необратимой коагуляции почвенных коллоидов. Под воздействием температур около 70—80° также происходит некоторая коагуляция коллоидов, хотя и не очень устойчивая. На этом основана предложенная В.А. Ковдой в тридцатых годах термическая мелиорация бесструктурных солонцовых почв с помощью обжига или черного пара. Летнее прогревание или зимнее промораживание почв сопровождается образованием агрегированного структурного горизонта в результате совокупного действия на коллоиды высушивания, прогревания и промерзания.
Гумусовые коллоиды очень стабильны (более, чем минеральные), труднее коагулируют под влиянием одновалентных ионов, но чувствительны к кальцию и тяжелым металлам и очень реагируют на изменение температуры, высушивание и промерзание. Если коагуляция гумусовых коллоидов происходит под влиянием кальция, то гумус превращается в устойчивый цемент, агрегирующий почвенную массу.
Коагуляция коллоидов под действием легкорастворимых солей одновалентных катионов, а также в результате воздействия отрицательных температур и высушивания чаще всего обратима. Структурные агрегаты, образующиеся в почвах под влиянием обратимой коагуляции, обычно отличаются малой водоустойчивостью.
Напомним, что при промывках солончаковых почв наступает сильная гидрофилизация почвенной массы, распад структурных агрегатов, что обусловливает низкую водопроницаемость. Это связано с неустойчивой коагуляцией коллоидов солончаковых почв при воздействии легкорастворимых солей.
Застудневание почвенных коллоидов

Некоторые лиофильные почвенные коллоиды, типа гумуса, гидроокиси кремнезема, органо-минеральных и аллофановых кремне-глиноземных коагелей, при относительно низкой влажности почв переходят в студнеобразное состояние.
По условиям увлажненности почвенные коллоиды в природе по преимуществу находятся в состоянии, близком или подобном гелям. Примерами таких почвенных органо-минеральных гелей являются молодой глинистый аллювий, солопцевые и глеевые горизонты, такырные коры, слитые почвы, аллофановые («гидрольные») почвы вулканических пеплов.
Переход гидрозолей в состояние гелей, т. е. процесс остудневания, имеет некоторые общие черты с коагуляцией. При застудневании прекращается броуновское движение коллоидно-дисперсных частиц, устанавливается внутренний контакт между оводненными частицами дисперсной системы и образуется как бы эластичный сеточный каркас (подобный пчелиным сотам), приводящий систему в состояние полутвердого тела. Молекулы дисперсионной среды прочно связываются с дисперсной фазой, утрачивая подвижность, свойственную состоянию золей (рис. 75).
Постепенное обезвоживание гелей при медленном просушивании приводит к замещению воды в тонкопористой губчатой ткани геля воздухом. Органо-минеральные гели при этом сохраняют способность при повышении увлажнения вновь переходить в подвижное состояние гидрозоля. Гели кремнезема и многие коагели после высушивания начинают кристаллизоваться и утрачивают способность к последующему диспергированию и пептизации.
Часть минеральных гидрогелей выпадает на месте в осадок в результате застудневания коллоидов, возникающих при выветривании минералов или при минерализации органических веществ. Образование гелей происходит также в результате взаимной коагуляции разноименно заряженных гидрозолей кремнезема и полуторных окислов на путях их миграции.
Свойства почвенных коллоидов

Гумусовые гидрогели образуются при действии поглощенных металлов (например, гуматы кальция), а органо-минеральные гели — при взаимодействии гумуса с положительно заряженными минеральными коллоидами (гидроокислы трехвалентных металлов). Гели покрывают стенки трещин и пор, поверхность крупных обломков породы, цементируют массу почвы или отдельные комочки, образуют концентрические конкреции.
Постепенное высыхание свежего аллювия или глеевых переувлажненных горизонтов переводит гидрозоли в состояние гелей. Известны и обратные случаи, например, переход черноземных почв в гелеподобное состояние в результате многолетнего орошения слабощелочными водами. Это явление вторичного гелеобразования, по-видимому, лежит в основе процессов слитизации орошаемых гумусовых структурных почв. Mexaнизм этого процесса в настоящее время интенсивно изучается различными исследователями.
Факт обесструктуривания почв после нескольких лет орошения установлен в стенных областях и на луговых террасах и низменностях. Предварительно это явление может быть объяснено накоплением аморфных обратимых гелей из поливных щелочных вод и как результат щелочного гидролиза и экстракции щелочными почвенными растворами подвижных компонентов из почвенных минералов. Б.В. Андреев установил, -по слабые растворы нейтральных и особенно щелочных солей переводят в подвижное и в гелеобразное состояние в 3—4 раза больше соединений кремнезема, глинозема и железа, чем дистиллированная вода.
Таким образом, возникновение почвенных гелей обязано весьма разнообразным процессам. Нужно, однако, иметь в виду, что почвенные гидрогели содержат всегда значительно меньше влаги, чем студни, которые создаются в лабораторных условиях из агара, белков, желатины, крахмала или жидкого стекла.
Почвенные гидрогели, так же как и гели вообще, подвергаются существенным изменениям под действием факторов внешней среды и времени. Нагревание и промораживание существенно изменяют природу гелей. Почвенные гидрогели при этом обезвоживаются и уменьшаются в объеме, что сопровождается растрескиванием и агрегированием почвенных горизонтов. Полигональные и столбчатые структуры слитых солонцовых и такырных почв, высохшего аллювия обязаны постепенному просыханию и обезвоживанию гелей. Под влиянием обезвоживания, особенно при длительном, постепенном протекании этого процесса, происходит уменьшение заряда и дисперсности гелей. Происходит уплотнение, полимеризация дисперсной фазы, нарастание ориентированности частиц, появляются первые признаки кристаллизации.
Эти процессы, которые носят название старения почвенных гелей, характерны, в частности, для гидрогелей кремнезема и окислов алюминия, железа, марганца, для коагелей типа аллофаноидов. Именно в процессе старения этих гелей и коагелей из коллоидных форм этих соединений постепенно образуются кристаллические формы вторичного кварца, диаспора, гематита, монтмориллонита и др. Подщелачивание или подкисление среды также может существенно ускорять процесс старения гелей и их кристаллизацию. В этом же направлении воздействуют высокие концентрации солей электролитов, обладающих значительным коагулирующим эффектом.
Оводненные почвенные гели, как, например, глинистый аллювий, плывуны, свежие илистые ирригационные отложения, глеевые болота, пересыщенные влагой солонцовые горизонты, обнаруживают эффект тиксотропии. Под влиянием высоких концентраций электролитов, сильного изменения реакции среды или длительного покоя в гидрогеле может происходить эффект синерезиса, т. е. разделение жидкой и твердой фазы коллоида. Твердая фаза дисперсной системы при сиперезисе сокращает объем, жидкая же фаза остается в виде свободного раствора, легко отходящего от почвенной массы. Повторное увлажнение после синерезиса и высыхания геля далеко не всегда приводит к полному восстановлению гелеподобного состояния осадка и к исчезновению трещин и полигональных структур. Наоборот, они нередко очень длительное время сохраняются в морфологии породы и почвы.
Чем в большей степени выражена обратимость гелеподобного состояния почвенной массы, тем неблагоприятнее водно-физические, физико-механические и агротехнические свойства почв. Почвы с активным гелеподобным состоянием горизонтов, как, например, солонцы, такыры, бесструктурные молодые аллювиальные глины, тяжелые глинистые болота и др., неблагоприятны для развития культурных растений и для обработки. Эти почвы нуждаются в приемах специфической агротехники или в коренных мелиорациях, направленных на ликвидацию неблагоприятных свойств (термические пары, известкование, внесение сульфатов железа и др.).
Почвы, в которых почвенные коллоиды и гидрогели находятся в устойчиво коагулированном состоянии, отличаются хорошими агрофизическими, физико-механическими и водными свойствами. Это черные почвы прерий и саванн, черноземные, лугово-дерновые, перегнойно-карбонатные и сероземные почвы.
Значение почвенных коллоидов в почвообразовательных процессах

Роль почвенных коллоидов в почвообразовании исключительно велика. Гелеподобное состояние солонцовых и слитых горизонтов сообщает почвам крайне неблагоприятные водно-физические и агротехнические свойства, обусловливающие их низкое плодородие. Пептизация почвенных коллоидов, насыщенных обменными щелочами, и переход их в высокодисперсное подвижное состояние сопровождается образованием водонепроницаемых горизонтов, вязких во влажном состоянии и крайне плотных, корковых в сухом.
При господстве в почвах нисходящих или боковых токов воды высокодисперсные пептизированные коллоиды, перемещаясь в нижние горизонты и по уклону местности и коагулируя, образуют водонепроницаемые плотные иллювиальные горизонты и так называемый хардпен. При восходящем движении капиллярных растворов тонкие золи полуторных окислов и кремнезема также могут образовать горизонты конкреций или цементированные прослои.
Состояние физической спелости почв, крошение их под действием почвообрабатывающих орудий и агрегированность в значительной степени зависят от состава и состояния почвенных коллоидов. Устойчивое коагулированное состояние почвенных коллоидов обусловливает хорошо выраженную, водоустойчивую комковато-зернистую структуру почвы и легкость ее обработки сельскохозяйственными орудиями. Склонность почв к заплыванию при увлажнении и, в частности, при поливах, цементация пахотного слоя при высыхании и образование на его поверхности плотной корки свойственны таким почвам, коллоиды которых принадлежат к гидрофильному типу и которые легко переходят в пептизированное подвижное состояние.
Почвенные коллоиды являются носителями так называемого обменного поглощения ионов, представляющего собой важнейший фактор почвенного плодородия. Задержка в почвенных горизонтах важных элементов питания растений — кальция, калия, фосфора — обязана воздействию почвенных коллоидов. Корневое питание растений проходит в значительной степени путем контакта корней и почвенных коллоидов (рис. 76).
Между корневой системой растений и почвой протекают сложные биохимические и физко-химические реакции, при которых вытесняются, обмениваются и поглощаются катионы и анионы, необходимые для питания растений (Ca+2, K+, NO3-, PO4-3, SO4-2 и др.).
Свойства почвенных коллоидов

Почвенные коллоиды, как и всякие коллоиды, связывают значительное количество воды, поглощая ее и переводя в малоподвижное и недоступное для корневых систем растений состояние. Количество связанной воды такими гидрофильными коллоидами, как аллофаны, свежеосажденный кремнезем, составляет десятки и сотни весовых процентов. Почвы, обладающие большим количеством коллоидов этого типа, связывают воду и уменьшают ее доступность растениям. На таких почвах отрицательное влияние засухи будет проявляться быстрее и в более резкой форме (слитые почвы, солонцы).
Почвенные коллоиды в значительной степени влияют на тепловой режим пахотного горизонта. Известно, что при увлажнении сухих коллоидов и при связывании ими жидкой воды происходит выделение значительных количеств тепла. Теплота смачивания особенно велика у гидрофильных коллоидов эмульсоидного типа. Почвы, содержащие большое количество коллоидов, отличаются ясно выраженным эффектом выделения теплоты при смачивании и при связывании воды. Теплота смачивания почв колеблется в пределах 2—-15 кал/г. Возможно, что угнетение и гибель сельскохозяйственных растений после дневного дождя в жаркую погоду или после кратковременных поливов малыми нормами воды объясняются большим выделением теплоты смачивания.
Изучение свойств почвенных коллоидов и их роли в почвообразовании и почвенном плодородии необходимо для правильного понимания происхождения и свойств почв и является важнейшим условием для разработки рациональной, научно обоснованной агротехники и почвенных мелиораций.