Почвенные коллоиды их строение состав и свойства

Коллоиды представляют собой двухфазные системы и состоят из дисперсной фазы (коллоидных частиц) и дисперсионной среды (почвенного раствора). Характерными особенностями почвенных коллоидов являются очень большая суммарная и удельная поверхность и наличие двойного электрического слоя ионов на границе раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Наличие двойного электрического слоя ионов является следствием строения коллоидов. Коллоидную частицу, по предложению Вигнера, называют мицеллой. Ядро мицеллы состоит из агрегата недиссоциированных молекул того или иного вещества (минерального или органического). На поверхности ядра формируется двойной электрический слой ионов, образующий границу раздела с дисперсионной средой (интрамицеллярным раствором). Этот слой образуется в результате диссоциации внешних молекул самого ядра или вследствие поглощения ионов из дисперсионной среды. Внешний, или диффузный, слой образует рой (облако) ионов, способных к обменным реакциям. В его пределах между неподвижным слоем ионов и дисперсионной средой возникает разность потенциалов вследствие перемещения части противоионов к внешней границе диффузного слоя

Собственно, качественный и количественный состав этих ионов и обеспечивает буферные свойства почв. Чем больше ионов в диффузном слое, тем больше химических реакций обмена может произойти, это особенно актуально при взаимодействии с солями, состоящими из сильного основания и слабой кислоты, либо из слабого основания и сильной кислоты.

По отношению к жидкой фазе коллоиды делятся на гидрофильные, способные поглощать молекулы воды с образованием на поверхности частицы многослойной пленки (гидратация коллоида), и гидрофобные, практически не гидратирующиеся (не смачиваются водой). Коллоиды могут находиться в двух состояниях: золя (коллоидного раствора) и геля (коллоидного осадка). Наличие электрического заряда также обусловливает электрокинетические свойства, главнейшими из которых являются коагуляция (Коагуляция - переход коллоида из состояния золя в состояние геля) и пептизация (переход из состояния геля в золь).

Физическое состояние коллоидов в значительной степени зависит от состава поглощенных катионов. Чем больше валентность поглощенных катионов и больше их заряд, тем меньше электрокинетический потенциал частицы и легче идет процесс коагуляции. Коллоиды, насыщенные одновалентными катионами, находятся, в основном, в состоянии золя; при замене одновалентных катионов двух- или трехвалентными они переходят в гель.

Электрокинетические свойства коллоидов обуславливают их способность к аккумуляции и передвижению в пределах почвенного профиля и к их участию в формировании аккумулятивных, элювиальных и иллювиальных горизонтов почв.

Огромное значение имеют также адсорбционные свойства коллоидов - способность поглощать катионы, анионы и целые молекулы находящихся в почвенном растворе веществ/

Различают минеральные, органические и органоминеральные коллоиды. Минеральные коллоиды представлены глинистыми минералами, коллоидными формами кремнезема и полуторных оксидов. Все глинистые минералы имеют кристаллическое строение, пластинчатую форму. Органические коллоиды представлены в почве, прежде всего, гумусовыми кислотами и их солями (гуматами, фульватами, алюмо- и железогумусовыми соединениями) и находятся, в основном, в состоянии гелей. Органоминеральные коллоиды широко распространены в верхних горизонтах почв. Они представляют собой комплекс переменного состава из высокодисперсных минералов и гумусовых веществ, покрытых пленками гумусовых кислот, гуматов и фульватов алюмо- и железогумусовых солей.

Способность почвы поглощать пары, газы, задерживать растворенные или взмученные в почвенном растворе вещества или их части, а также живые организмы называется поглотительной способностью.

К.К. Гедройц выделил пять видов поглотительной способности: 

механическую - свойство почвы как всякого пористого тела задерживать в своей толще твердые частицы крупнее, чем система пор; 

физическую - изменение концентрации молекул растворенного вещества на поверхности твердых частиц почвы, обусловленное наличием на поверхности коллоидных частиц сил притяжения, способствующих сорбированию молекул воды, газов и органических веществ с образованием из них поверхностных пленок. Эту поглотительную способность называют молекулярной сорбцией; 

физико-химическую, или обменную, - способность обменивать некоторую часть катионов, содержащихся в твердой фазе на эквивалентное количество катионов, находящихся в соприкасающемся с нею растворе; 

химическую - способность анионов растворенных солей, взаимодействуя с катионами, образовывать нерастворимые соли, выпадающие в осадок (например, гипс по реакции Na2SO4 + CaCl2 CaSO4 + 2NaCl). К таким катионам относятся Ca2+, Al3+, Fe3+ и отчасти Mg2+; 

биологическую - способность (избирательная) микроорганизмов и растений поглощать из почвенного раствора различные вещества.

Живые организмы поглощают, в первую очередь, катионы K+, NH4+, Ca2+, Fe3+, необходимые для построения своих тканей.

Совокупность твердых частиц почвы, обладающих абиотической катионной или анионной поглотительной способностью, К.К. Гедройц назвал почвенным поглощающим комплексом (далее ППК). С физической точки зрения, ППК представляет собой совокупность веществ в тонкодисперсном состоянии (коллоиды). В химическом отношении это нерастворимые в воде солеобразные алюмосиликатные, органические и органоминеральные соединения.

Буферность почвы и факторы ее обуславливающие.

Буферность почвы—способность жидкой и твердой фаз почвы противостоять изменению условий среды, например, рН, окислительно-восстановительным свойствам и другим. Так, противодействие изменению реакции среды (рН) происходит при добавлении сильной кислоты или физиологически кислых удобрений (кислое плечо, кислый интервал буферности или щелочки, щелочное плечо, щелочной интервал), при известковании или внесении физиологически щелочных солей. Буферность зависит от состава и свойств почвы и свойств почвенного раствора. Буферность почвенного раствора зависит от наличия ионов Na+, К+, Са2+, Мg2+, СО32- и НСО3-, растворенного СО2, гуматов, фульватов и некоторых других веществ. Буферность почвенного раствора обусловлена присутствием солей сильных кислот и слабой кислоты, которые и создают буферность. Сильными основаниями являются Nа, К, более слабыми — Са, Мg. Органические слабые кислоты — ГК, ФК.

Буферность почвы зависит от механического состава почв. У тяжелых почв, например, глинистых или суглинистых, буферная способность проявляется за счет большего содержания илистых и коллоидных частиц, которые, в свою очередь, содержат значительное количество поглощенных катионов, таких, как Са, Мg. Если в такую почву внести кислоту, то подкисления не произойдет в силу обменной реакции:

[ППК]  + 4HС1 = [ППК]Н4 + CaCl2 + MgCl2.

Вместо водорода появляются нейтральные соли СаС12 и МgС12, т.е. реакция среды не изменится или изменится незначительно. В песчаных почвах, обедненных коллоидами, в которых поглощенных оснований содержится мало, ионы водорода кислоты остаются в растворе, в результате чего резко изменяется реакция среды, т.е. для этих почв характерна низкая буферность.

Практика сельского хозяйства показывает, что в слабоудобренных почвах реакция среды может довольно резко меняться от внесения физически кислых или щелочных удобрений. В почвах, обладающих большой буферной емкостью, этого не происходит.

Буферность почвы можно повысить путем внесения органических и минеральных коллоидов. В кислых почвах буферную емкость по отношению к кислотам можно повысить известкованием. На почвах с малой буферностью рекомендуется вносить минеральные удобрения, особенно физиологически кислые и физиологически щелочные, в несколько приемов и малыми дозами, чтобы предотвратить резкое изменение реакции среды. Буферность - уникальное и важное свойство почвы. Самое лучшее определение этого свойства дал В.Д. Муха: под кислотно-основной буферностью почвы (или просто буферностью) понимают способность последней как полифункциональной системы противостоять изменению концентрации почвенного раствора, особенно её щелочно-кислотного и окислительно-восстановительного состояния. Некоторые учёные объясняли это свойство по-другому: Буферностью почвы называют способность почвы противостоять изменению реакции почвенного раствора под воздействием кислотных и щелочных агентов (Н.Ф. Ганжара). Другие исследователи обобщили свои знания о буферности, как о способности почвы противостоять изменению её актуальной реакции под воздействием различных факторов (В.А. Ковда). Однако все учёные сходятся во мнении, что буферность почвы - целый комплекс взаимосвязанных свойств, зависящих от множества систем почвы.

Основной принцип работы буферной системы почвы - нейтрализация кислот или оснований, кислых или щелочных солей, т.е. тех веществ, попавших в почву, которые могут изменить её реакцию среды (механизм работы буферных систем почвы будет описан далее).

Буферные свойства связаны с процессами физико-химического (обменного) поглощения ионов, перехода различных соединений в ионные и молекулярные формы, с нейтрализацией и выпадением в осадок вновь образующихся соединений. Поэтому, прежде всего на буферность влияют качественный и количественный состав высокодисперсных частиц (Чем больше коллоидов в почве, тем выше её буферность; песчаные почвы не обладают буферностью), катионный состав почвенно-поглощающего комплекса (далее ППК), минеральный и органический состав почвы (далее перечисленные факторы будут рассмотрены подробнее). Чаще всего буферность почвы определяется качеством её твёрдой фазы, однако механизм буферных систем почвы весьма разнообразен и может обходиться без вовлечения твёрдой фазы.

Многие учёные рассматривают буферность как часть природной системы устойчивости почвы. Например, в статье М.А. Глазовской было дано такое определение: устойчивость - потенциальный запас буферности исходных природных ландшафтов и почв, а также способность последних к восстановлению нормального функционирования.

Кислотно-основная буферность почв является интегральным показателем. Она отражает качественное и количественное состояние гетерогенной почвенной системы и является одним из важнейших факторов устойчивости почв. В молодых почвах буферность находится на начальной стадии своего развития и зависит от формирования буферных систем, которые в зрелых почвах создаются сотни лет. Высокие показатели буферности определяются комплексным действием органических, органоминеральных и минеральных буферных систем. Самой крупной буферной системой “кислота-щёлочь” в зрелых почвах является почвенно-поглощающий комплекс: органическое вещество почв и минералы.

В почвах техногенных ландшафтов элементарные почвенные процессы протекают под влиянием естественных факторов почвообразования, но условия их протекания отличаются от почвообразовательных процессов в природных “нормально развитых почвах”.

Почвы, ненасыщенные основаниями, имеющие в составе ППК обменные катионы водорода и алюминия (подзолистые, краснозёмы), обладают повышенной буферностью к подщелачиванию, так как все ионы металла (например, натрия) поглощаются в обмен на водород ППК, и пониженной к подкислению. Наличие большого количества катионов Ca2+, Mg2+, Na+ и других оснований создаёт значительную буферность в кислую сторону; почвы, имеющие в составе обменных катионов H+ или Al3+ и способные поглощать щёлочь, обнаруживают буферность в щелочную сторону ). Чем больше в почвенном растворе солей сильных оснований и слабых кислот, тем более буферна почва по отношению к кислым удобрениям; соли слабых оснований и сильных кислот буферны к щелочным удобрениям. Так как раствор находится в постоянном взаимодействии с твёрдой фазой почвы, то последняя также оказывает существенное влияние на буферность. Чем больше коллоидных частиц и гумуса в почве и чем больше они содержат поглощённых оснований, тем буфернее почва по отношению к кислым удобрениям; поглощённый коллоидами водород способствует увеличению буферности почвы к щелочным удобрениям. Наиболее буферны почвы тяжёлого (глинистого) механического состава. Атмосферные осадки, грунтовая и оросительная вода могут изменить реакцию почвы, если последняя не обладает буферностью, и наоборот. Растения реагируют на изменение реакции почвы, поэтому Буферность почвы играет большую роль в их росте и развитии. Буферность почвы можно повысить внесением органических удобрений.

В итоге, буферность почвы можно увеличить утяжелением гранулометрического состава, увеличением содержания гумуса, высокоёмкостных минералов, ёмкости поглощения.

Система соединений химических элементов почвенного индивидуума является компонентом системы более высокого иерархического уровня (ландшафта биосферы) и в свою очередь может быть расчленена на подсистемы более низкого ранга (почвенного горизонта, фаз почвы, отдельных групп соединений любого химического элемента, ионов). Системообразующие отношения в каждом из уровней системы характеризуются специфическими масштабами переноса веществ и природой процессов взаимосвязи компонентов. Эти же процессы обусловливают и сохранение структуры и функционирования различных уровней системы почвенных соединений химических элементов и буферные свойства к внешнему воздействию почвы в целом.

Основой буферности почвы в целом является буферность элементарных систем соединений отдельных химических элементов почвы. Каждая из элементарных систем представляет собой теоретически выделенную совокупность всех соединений любого химического элемента почвы в составе твёрдых, жидких, газообразных фаз почвы органической и неорганической природы, взаимосвязанных процессами трансформации и перераспределения вещества и энергии, протекающими на вещественно-фазовом уровне.

Материальным носителем элементарных систем соединений всех химических элементов почвы является почвенная масса минимального объёма (морфон, горизонт), в которой присутствуют все необходимые компоненты элементарной системы. К ним относятся следующие группы соединений любого химического элементы: прочносвязанные соединения твёрдых фаз, подвижные соединения твёрдых фаз, соединения почвенного раствора, почвенного воздуха, биоты.

Теперь стоит рассмотреть основные системы и свойства почвы, которые влияют на буферность.

Влияние минерального состава почвы на её буферность

Почва является многофазной полидисперсной системой. Она состоит из твердой части и пор, заполненных почвенным раствором, почвенным воздухом и живыми организмами. Большинство почв является минеральными. На долю их твердой фазы, представленной, главным образом, минеральным веществом, приходится 40-65 % объема почвы (или 90-99 % и более ее массы).

Минеральная часть почвы обеспечивает условия закрепления корней растений, является, наряду с органической частью, источником питательных веществ, влияет на физические и физико-химические свойства почвы.

Минеральную часть почвы принято различать по минеральному, химическому, гранулометрическому (механическому) составу. Состав минеральной части почвы зависит от состава исходной почвообразующей породы и от условий, в которых развивается почва.