Почвенные коллоиды их строение состав и свойства

                        Почвенные коллоиды их строение состав и свойства

Накопление в почве элементов питания растений связано с поглотительной способностью почв. Академик К. К. Гедройц предложил под поглотительной способностью почвы понимать способность ее поглощать жидкости, газы, солевые растворы и удерживать твердые частички, а также живыемикроорганизмы. Поглотительные процессы в почве обусловлены преимущественно тонкодисперсной частью почвы и особенно коллоидами. Содержание коллоидов в почве редко превышает 30 % почвенной массы, но влияние их на свойства почвы и уровень плодородия исключительно велико.

Почва состоит из частиц различного размера. Почвенными коллоидами называют частицы диаметром от 0,2 до 0,001 мкм. Они образуются при диспергировании (раздроблении) крупных частиц или при конденсации вследствие физического или химического соединения молекул.

По происхождению почвенные коллоиды бывают минеральные, органические и органо-минеральные.

Минеральные коллоиды образуются при выветривании горных пород. Это глинистые минералы, коллоидные формы кремнезема и полуторные оксиды.

К органическим коллоидам относятся гумусовые вещества почвы, сформированные в процессе гумификации растительных и животных остатков.

Органо-минеральные коллоиды образуются при взаимодействии минеральных и органических коллоидов.

В различных почвах содержание коллоидов составляет от 1...2 до 30...40 % массы почвы. Наибольшее количество коллоидов отмечено в глинистых и суглинистых почвах с высоким содержанием гумуса, наименьшее — в песчаных и супесчаных почвах, бедных гумусом.

Потенциал почвенных коллоидов зависит от их природы и реакции среды. Поскольку почвенные частицы имеют заряд, они способны притягивать дипольные молекулы воды из окружающего раствора, образуя гидратные пленки. Толщина этой пленки зависит от величины заряда. В связи с этим различают гидрофильные коллоиды (кремниевая кислота, гумусовые кислоты), удерживающие многослойные пленки воды, и гидрофобные, то есть слабогидратированные коллоиды (гидроксид железа, каолинит). Гидрофильные коллоиды имеют сродство с водой и способны сильно набухать, что предотвращает их слипание. Гидрофобные коллоиды набухают слабо, поэтому у них выражена способность свертываться и выпадать в осадок.

Коагуляция и пептизация коллоидов. Коллоиды могут находиться в двух состояниях: золя (коллоидного раствора) и геля (коллоидного осадка).

Коагуляцией называется процесс перехода коллоидов из состояния золя в состояние геля. Слипание коллоидов в агрегаты происходит под влиянием электролитов. Коагуляция ацидоидов вызвана катионами электролита, базоидов — анионами. Свертывание (слипание) коллоидов может происходить при взаимодействии противоположно заряженных коллоидных систем. При высушивании или замораживании почвы наблюдаются дегидратация (обезвоживание) гидрофильных коллоидов и повышение концентрации электролита почвенного раствора, что также вызывает коагуляцию коллоидов.

При коагуляции коллоидов происходит склеивание элементарных почвенных частиц в комочки, в результате чего улучшаются физические свойства почвы. Коагуляцию вызывают двухвалентные катионы, особенно Са2+. Кальций называют «стражем почвенного плодородия», так как он способствует образованию структуры и уменьшает кислотность почв.

Пептизация — это обратный процесс коагуляции, при котором коллоиды переходят из геля в золь. Пептизация происходит при воздействии растворов щелочных солей. Например, под влиянием одновалентного катиона натрия наблюдается усиленная гидратация коллоидов и переход их в состояние золя. При пептизации почвенных коллоидов разрушается ценная структура и ухудшаются свойства почвы. Так, столбчатый горизонт солонцовых почв, насыщенный гидратированными катионами натрия, во влажном состоянии набухает, а при высыхании растрескивается на крупные отдельности.

Роль коллоидов в почве исключительно велика: от содержания коллоидной фракции зависят связность, водопроницаемость, буферность и другие свойства почвы. 

Высокодисперсная часть почвы состоит преимущественно из коллоидов. Почвенные коллоиды – совокупность почвенных частичек размером от 1 до 100 нм. Таким образом, коллоидные растворы занимают промежуточное положение между истинными, или молекулярными растворами (размер частичек 100 нм), с другой.

Почву относят к сложной полидисперсной системе – в ее состав входят частицы различного размера. Исключительно важную роль играет высокодисперсная часть почвы. Она представлена частицами, имеющими размер меньше 0,001 мм. Их содержание в почве может колебаться от 1–2% до 30–40% к массе почвы. Значение высокодисперсной части почвы состоит в том, что она во многом определяет физические и водно-физические свойства почвы, режим питания растений, поглотительную способность почвы. 
 
Происхождение почвенных коллоидов может быть связано с лиспегацией (раздроблением) более крупных частичек, что происходит при выветривании пород. Другой путь образования коллоидов – в результате активизации поликонденсации и полимеризации низкомолекулярных органических соединений. 
По составу бывают минеральные, органические и органоминеральные коллоиды. 
 
Минеральные коллоиды представлены преимущественно глинистыми, а также некоторыми первичными минералами (например, кварц), измельченными до коллоидного состояния. Кроме того, минеральные коллоиды образуют гидрооксиды кремния SiO2 • пН2О; железа Fe(OH)3 • пН2О, алюминия А1(ОН)3 • п Н2О, марганца Мп2О3 • пН2О. На долю минералов коллоидов приходится около 80–90 % от массы всех коллоидов почвы. 
 
Органические коллоиды образуются при гумификации органического вещества. Представлены в почве гумусовыми кислотами и их солями: гуматами, фульватами, алюмо-железогумусовыми соединениями. 
 
При взаимодействии гумуса с высокодисперсными минералы частичками почвы образуются комплексные соединения сложного состава – органо-минеральные коллоиды. 
 
Количество коллоидов в почве может сильно колебаться в зависимости от содержания в ней гумусовых веществ и частичек физической глины, с их увеличением возрастает количество коллоидов. 
 
Коллоидная система почвы состоит из дисперсной фазы (масса коллоидных частичек) и дисперсионной среды (почвенного раствора), они взаимодействуют, в результате этого вокруг коллоидной частички создается двойной ионогенный слой. Коллоидную частичку с двойным ионогенным слоем называют мицеллой. Общая схема ее строения дана на рисунке 1.

Внутри мицеллы находится ядро – масса недисоциированных молекул коллоидообразующего вещества. К ядру примыкает потенциал-определяющий (внутренний) слой ионов определенного электрического заряда. Он неподвижный, прочно связан с ядром. Ядро вместе с потен-циалопределяюшим слоем образует гранулу. Вокруг нее формируется слой компенсирующих ионов, имеющих противоположный заряд по сравнению с ионами внутреннего слоя. Часть его ионов образует неподвижный слой компенсирующих ионов, другая часть отходит от внутреннего слоя на значительное расстояние, теряет с ним прочную связь и образует диффузный слой. Ионы диффузионного слоя способны к различным обменным реакциям с почвенным раствором. При потере диффузным слоем части ионов между зарядами слоя потенциалопределяющих ионов и слоем компенсирующих ионов возникает определенная разность потенциалов, называемая дзета-потенциалом. Величина его колеблется от 0 до 40–60 мВ. 
 
Основная масса мицеллы принадлежит грануле, поэтому заряд последней рассматривается как заряд всего коллоида. Коллоиды, имеющие во внутреннем слое отрицательно заряженные ионы и диссоциирующие в раствор Н-ионы, называются ацидоидами. Они способны к поглощению и обмену катионов. Положительным зарядом характеризуются базоиды – их потенциалопределяющий слой состоит из катионов, а диффузный – из ОН-ионов (анионов). Базоиды способны поглощать и обменивать анионы. 
 
Некоторые коллоиды (гидроксиды железа, алюминия) при изменении реакции среды меняют и знак заряда: в кислой среде они заряжены положительно, а в щелочной – отрицательно. Такие коллоиды называют амфолитоидами. Большинство почвенных коллоидов являются ацидоидами – это коллоиды гумусовых веществ, глинистых минералов и кремнекислоты. К базидам можно отнести гидрооксиды алюминия, железа. 
 
Взаимодействию и соединению коллоидных частиц препятствуют водные пленки, образующиеся на их поверхности. По количеству воды, которую удерживают коллоиды, они подразделяются на гидрофильные и гидрофобные. Первые сильно гидротируются, набухают в воде. К ним относятся коллоиды гумуса, глинистых минералов. Гидрофобные коллоиды удерживают небольшое количество воды – это минералы каолинитовой группы и др. 
 
Почвенные коллоиды могут находиться в двух состояниях: золя или коллоидного раствора, и геля или студенистого, комковатого или аморфного осадка. Под влиянием тех или других факторов коллоиды из состояния раствора могут переходить в осадок и наоборот. Процесс соединения отдельных коллоидных частичек и выпадения осадка называется коагуляцией. Осадок, образующийся при коагуляции, называется гелем. Переход геля в золь – пептизация. 
 
При снижении дзета-потенциала и гидротированности частичек состояние золя делается неустойчивым, и как только коллоид теряет заряд или он уменьшается настолько, что силы притяжения превышают силы отталкивания, коллоидные частички начинают сцепляться, образовывать комочки и выпадать в осадок. Коагуляция коллоидов происходит главным образом при взаимодействии с электролитами (растворами солей, кислот, щелочей). При этом ацидоиды коагулируются под влиянием катионов электролита, базоиды – под влиянием анионов. Коагулирующая способность двух-трехвалентных катионов более сильная, чем одновалентных катионов, за исключением Н-. 
 
Коагуляцию почвенных коллоидов могут вызывать и такие явления, как старение коллоидов, обезвоживание и замораживание почв. Скоагулированные коллоиды могут переходить от состояния геля в золь. Обычно это происходит с гидрофильными коллоидами, насыщенными одновалентными катионами – Н-, NH4+,Na+, и др. В этих условиях не может образоваться водопрочная структура почвы. Коллоиды передаются вниз по профилю, что может ухудшить физико-химические свойства почвы. 
 
Переход геля в золь затруднен или вообще невозможен для гидрофобных коллоидов, насыщенных двух- и трехвалентными катионами – Са2+, Mg2+, A13+, Fe3+. В таких условиях пептизации коллоидов почти не наблюдается, образуются водопрочные структурные агрегаты, в почве закрепляются гумусовые вещества. 
 
Почвенные коллоиды являются носителями сорбционных свойств почвы. Они способны поглощать и обменивать ионы диффузного слоя мицеллы на ионы почвенного раствора. 
 
Адсорбционные свойства коллоидов обусловлены большой удельной поверхностью, благодаря которой коллоидные частички приобретают силы электростатического притяжения – вокруг их могут концентрироваться молекулы воды, газов и др.

   Поглотительная  способность почвы ее виды  и значение

Поглотительная способность почвы

Поглотительная способность — способность почвы поглощать твердые, жидкие и газообразные вещества. 
В зависимости от способа поглощения различают пять видов поглотительной способности: 1) биологическую, 2) механическую, 3) химическую, 4) обменную, 5) физическую. 
Биологическое поглощение в почве — это поглощение растениями и почвенной микрофлорой элементов питания из почвенного раствора. Для этого вида поглощения характерна избирательная поглотительная способность, присущая растениям, а не почве. Биологическое поглощение существенно влияет и на другие виды поглощения. 
Механическая поглотительная способность почвы — способность ее механически задерживать в своих порах частицы другого вещества. Она связана с пористостью почвы. Так происходит поглощение твердых частиц органических веществ и удобрений, коллоидов и др. 
Особенно велико значение механической поглотительной способности почв в областях с обилием осадков и на почвах искусственно орошаемых. Этот вид поглощения широко используется в практике при очистке воды на водоочистительных станциях, очистке сточных вод. 
Химическая поглотительная способность почвы. В это понятие входит способность почвы образовывать труднорастворимые вещества. Их образование связано с химической реакцией обмена солей в растворе или с твердой фазой почвы. Труднорастворимые и нерастворимые соединения выпадают в осадок и закрепляются почвой. Процессы химического поглощения особенно широко развиты по отношению к растворимым фосфатам. 
В почвах, насыщенных основаниями, содержащих бикарбонаты и карбонаты кальция (в черноземах обыкновенных и южных), растворимый монокальцийфосфат превращается в малорастворимый трехзамещенный фосфат. 
В почвах кислых, не насыщенных основаниями, фосфорная кислота растворимых фосфатов осаждается в виде фосфатов железа и алюминия. 
Обменная поглотительная способность, почвы — свойство почвы удерживать на поверхности своих частиц ионы, способные к эквивалентному обмену. Обменная поглотительная способность основывается на реакции обмена между катионами диффузного слоя почвенных коллоидов и катионами почвенного раствора, соприкасающегося с ними. Подобный обмен может происходить и между анионами. 
Обменная поглотительная способность — важнейший вид поглотительной способности, с ней связано превращение вносимых удобрений в почве. Химическая мелиорация (известкование, гипсование) также основана на обменной поглотительной способности почв. 
Физическая поглотительная способность почвы — способность твердых частиц поглощать молекулы газов, паров и растворенных в почвенном растворе веществ. Поглощение целых молекул отдельных веществ связано с притяжением и концентрацией их вокруг коллоидной частицы. Объясняется это явление наличием свободной поверхностной энергии у коллоидов. Почвы суглинистые и глинистые с большим содержанием гумуса обладают повышенной физической поглотительной способностью по сравнению с почвами легкого механического состава. 
Поглотительная способность почвы. Поглотительная способность — способность почвы поглощать твердые, жидкие и газообразные вещества. 
В зависимости от способа поглощения различают пять видов поглотительной способности: 1) биологическую, 2) механическую, 3) химическую, 4) обменную, 5) физическую. 
Биологическое поглощение в почве — это поглощение растениями и почвенной микрофлорой элементов питания из почвенного раствора. Для этого вида поглощения характерна избирательная поглотительная способность, присущая растениям, а не почве. Биологическое поглощение существенно влияет и на другие виды поглощения. 
Механическая поглотительная способность почвы — способность ее механически задерживать в своих порах частицы другого вещества. Она связана с пористостью почвы. Так происходит поглощение твердых частиц органических веществ и удобрений, коллоидов и др. 
Особенно велико значение механической поглотительной способности почв в областях с обилием осадков и на почвах искусственно орошаемых. Этот вид поглощения широко используется в практике при очистке воды на водоочистительных станциях, очистке сточных вод. 
Химическая поглотительная способность почвы. В это понятие входит способность почвы образовывать труднорастворимые вещества. Их образование связано с химической реакцией обмена солей в растворе или с твердой фазой почвы. Труднорастворимые и нерастворимые соединения выпадают в осадок и закрепляются почвой. Процессы химического поглощения особенно широко развиты по отношению к растворимым фосфатам. 
В почвах, насыщенных основаниями, содержащих бикарбонаты и карбонаты кальция (в черноземах обыкновенных и южных), растворимый монокальцийфосфат превращается в малорастворимый трехзамещенный фосфат. 
В почвах кислых, не насыщенных основаниями, фосфорная кислота растворимых фосфатов осаждается в виде фосфатов железа и алюминия. 
Обменная поглотительная способность, почвы — свойство почвы удерживать на поверхности своих частиц ионы, способные к эквивалентному обмену. Обменная поглотительная способность основывается на реакции обмена между катионами диффузного слоя почвенных коллоидов и катионами почвенного раствора, соприкасающегося с ними. Подобный обмен может происходить и между анионами. 
Обменная поглотительная способность — важнейший вид поглотительной способности, с ней связано превращение вносимых удобрений в почве. Химическая мелиорация (известкование, гипсование) также основана на обменной поглотительной способности почв. 
Физическая поглотительная способность почвы — способность твердых частиц поглощать молекулы газов, паров и растворенных в почвенном растворе веществ. Поглощение целых молекул отдельных веществ связано с притяжением и концентрацией их вокруг коллоидной частицы. Объясняется это явление наличием свободной поверхностной энергии у коллоидов. Почвы суглинистые и глинистые с большим содержанием гумуса обладают повышенной физической поглотительной способностью по сравнению с почвами легкого механического состава. 
Примером физической поглотительной способности является сорбированная форма воды в почве (гигроскопическая и пленочная).

Значение физико-химической поглотительной способности почвы для питания растений состоит в том, что обменнопоглощенные ионы представляют собой важный резерв питательных веществ. Они не выщелачиваются водой из почвы и частично сравнительно просто переходят в усвояемое для растений состояние, т. е. в раствор. 
 
Обменные реакции между раствором и твердой фазой почвы, самой активной частью которой являются ее коллоиды, происходят благодаря наличию в почвах растворимых солей и вообще электролитов. Соли попадают в почву вместе с минеральными удобрениями и высвобождаются из органических удобрений при их минерализации вследствие микробиологических процессов. 
 
Электролитом является угольная кислота, а также другие кислоты (органические и минеральные), выделяемые микроорганизмами и корнями в почву при дыхании. Велико значение обменной поглотительной способности почвы и для многих свойств самой почвы (структуры, кислотности и др.).

Понятие емкости поглощения и насыщенности ППК основаниями

Под емкостью поглощения почвы мы понимаем общее количество содержащихся в ней катионов, способных к обмену на другие катионы, т. е. сумму цеолитных и гуматных катионов, выраженных в эквивалентах одного какого-нибудь катиона. Если почва насыщена основаниями, то для получения ее емкости поглощения берется сумма всех ее цеолитных я гуматных оснований, выраженных в Са (или СаО), т. е. к процентному содержанию цеолитного и гуматного кальция прибавляется: процентное, содержание цеолитного и гуматного магния, умноженное на 40/24 (или на 56/40), процентное содержание цеолитного калия, умноженное на 20/39 (или на 56/94), и процентное содержание цеолитного натрия, умноженное на 20/23 (или на 56/62). Если почва ненасыщена основаниями, то прибавляют сюда еще процентное содержание цеолитного (и гуматного) водорода, умноженное на 20/1 (или на 28/1). Степень ненасыщенности почвы основаниями (или коэффициент ненасыщенности) называется число, показывающее, какая часть общей суммы цеолитных и гуматных катионов почвы приходится на катион водорода; чтобы получить эту величину, делят процентное содержание в почве водородного иона, выраженное в Са (или СаО), на емкость поглощения почвы, выраженную в Са (или СаО). Эта же величина будет представлять степень насыщенности почвы водородным катионом.Степень насыщенности почвы основаниями (или коэффициент насыщенности) выражается величиной, обратной предыдущей.

Степень насыщенности почвы тем или другим основанием выражается величиной, получаемой делением процентного содержания этого цеолитного (и гуматного) основания, выраженного в Са (иди СаО), на емкость поглощения почвы, выраженной в Са (или СаО). Степень насыщенности почвы каждым катионом в отдельности, отнесенная к емкости поглощения, принятой за 100, даст процентный состав цеолитных (и гуматных) катионов. Одним из главнейших свойств почвы является ее поглотительная способность. Являясь полидисперсной системой, состоящей из частиц разной величины, почва способна поглощать газы, пары воды и ряд веществ, растворенных в воде. Наиболее дисперсная часть почвы, представленная частицами диаметром от 0,02 до 0,0001 нм, называется почвенными коллоидами. Их количество в почве различно (от 1-2 % в легких почвах до 30-40 % в тяжелых). Образуются они путем диспергации (раздробления) более крупных частиц или конденсации многих молекул в агрегаты молекул.