Коллоидная составляющая почв В науке существует два подхода

Коллоидная составляющая почв В науке существует два подхода к изучению объектов – индукции, т. е. от частного к общему и дедукции – от общего к частному. В большинстве случаев развитие науки основано на первом подходе. Получение данных, их анализ, установление закономерностей. Второй путь чрезвычайно эффективен, если область науки, в которой проводятся исследования, является ведомой, а в смежных областях науки получено большое количество новых данных и произошла смена парадигм. В этих условиях приложение новых к парадигм к сложным системам в ведомой области науки и проверка выполнимости этих парадигм является чрезвычайно эффективным путем развития существующих представлений.

Использование дедукции также весьма удобно при ретроспективном взгляде на развитие отраслей наук. Фактически это использование приема ИКР – идеального конечного результата из теории решения изобретательских задач. Каким должно быть то, что удовлетворяет всем условиям и позволяет решить задачу? Попытаемся применить это прием к рассмотрению коллоидной составляющей почв. Рассмотрим вопрос с общих позиций.

Почвы – важнейший компонент биосферы, выполняющий в ней ряд глобальных функций, которые базируются на основополагающих ее качествах. Главная функция почвы – обеспечение жизни на Земле. Для выполнения этой своей основной функции почвы должны обеспечивать условия для роста растений, так как именно растения усваивают солнечную энергию, перераспределяющуюся затем в экосистемах. Что же необходимо растениям для вегетации?

Свет – поступает от Солнца в виде ФАР

Тепло – определяется в большой степени климатической зоной. Однако и почвы оказывают на накопление тепла и создание комфортных условий для растений большое влияние.

Углекислота. Определяется содержанием ее в воздухе. При максимальных уровнях ФАР в весенние и летние месяцы потребление СО 2 растениями например огурца в процессе фотосинтеза может приближаться к 50 кг·ч/га (т. е. до 700 кг/га СО 2 за световой день).

Углекислота поступает в воздух из почвы за счет микробиологических процессов разложения в них опада. Немалая часть углекислоты поступает из почвы, на которой произрастают растения. Именно поэтому большая часть устьиц, через которые идет поглощения углекислоты растениями, находится на нижней стороне листа. Поступление углекислоты из почвы желательно в периоды максимальной фотосинтетической активности растений, а это требует активного прохождения микробиологических процессов именно в этот период. Что из этого следует? Почва должна создавать условия для обитания микроорганизмов и в этот период должна быть влажной. В противном случае все микробиологические процессы резко замедлятся.

Влага. Климатическая зона является очень важным фактором, но и роль почвы в этом вопросе тоже очень важна. Мы уже говорили, что на почвах лишенных структуры, в которых существуют только мелкие поры, растения находятся в комфортных для них водно-воздушных условиях (когда корневым системам хватает и кислорода для дыхания, и воды) очень короткое время. Сразу после дождя растения страдают от нехватки корням кислорода, а после удаления воды, которое происходит достаточно быстро из-за наличия капиллярной связи поверхности почвы с более глубокими слоями, растения начинают страдать от нехватки воды.

Аналогичные процессы наблюдаются на грубодисперсной песчаной почве, которая неспособна удерживать воду. Она быстро иссушается. В ней растения редко страдают от нехватки кислорода и почти всегда страдают от нехватки воды. Все это приводит к замедлению вегетации растений и уменьшению усвоения ими ФАР. Следовательно, почва для обеспечения эффективного усвоения ФАР растениями должна иметь определенную структуру. В почве должны быть крупные поры, заполненные воздухом, и мелкие поры, содержащие влагу. И нечто в почве должно обеспечивать возникновение и существование такой структуры.

Растениям для вегетации необходимы также макро- и микроэлементы, которые должны содержаться в почве. Макроэлементы – азот, фосфор, калий (NPK). Азот входит в состав сложных соединений, из которых строится белок - основа живой материи. Азот также входит в состав хлорофилла, играющего важную роль в фотосинтезе растений. Азот особенно необходим листьям, при недостатке азота листья становятся бледно-зелеными, затем желтеют, рост растений задерживается, листья мельчают. От недостатка азота в первую очередь желтеют нижние листья растений, затем постепенно пожелтение охватывает все растение.

Фосфор входит в состав так называемых нуклеопротеидов - главной составной части клеточного ядра. Фосфор обеспечивает энергетические процессы в клетках растений. При недостатке фосфора - листья становятся темно-зеленого цвета, приобретают несколько голубоватый оттенок, появляются бурые или краснофиолетовые пятна, которые постепенно захватывают весь лист. В первую очередь поражаются старые нижние листья, затем процесс распространяется на все растение. Рост побегов и корней сильно замедляется, новые листья мелкие, задерживается цветение.

Калий участвует в азотном обмене (помогает растению усваивать углекислоту из воздуха) и гидратации протеинов в клетках. Калий особенно необходим цветкам, при недостатке калия цветки не образуются либо они очень мелкие. При недостатке калия, в клетках происходит накопление аммиака, от чего начинается отмирание тканей (листья желтеют с краев и начинают постепенно опадать). Рост растений резко задерживается. Характерный признак калийного голодания - светлая каемка по всей поверхности листа. Причем пожелтение начинается с верхушки листа и далее вниз между жилок к черешку. Кроме того, при недостатке калия растения легче подвергаются грибковым заболеваниям.

Дефицит макроэлементов проявляется, в первую очередь, на старых листьях. Сера - является одним из источников построения протеинов клеток. Необходима для нормального роста и развития растения. При недостатке серы листья становятся светлыми, приостанавливается рост и развитие растения. В общем, картина очень похожа на признаки недостатка азота, с той лишь разницей, что пожелтение, происходящее постепенно, начинается с более молодых листьев. При этом пожелтевшие листья почти не опадают.

Магний входит в состав хлорофилла и участвует в фотосинтезе растений. При недостатке магния листья бледнеют, возможен мезжилковый хлороз, который проявляется в том, что на листовой пластинке начинается пожелтение между продольными жилками, сначала это мелкие пятнышки, увеличивающиеся в размерах, затем широкие полосы, сами жилки остаются зелеными. Затем лист приобретает оранжевый и красноватый оттенок, буреет и отмирает. Цветение задерживается, замедляется рост растения. Недостаток магния проявляется в первую очередь на старых нижних листьях растений.

Кальций также очень необходим для растений - он участвует в углеводном и азотном обмене, обеспечивает проницаемость клеточных стенок. Недостаток кальция ослабляет рост корней, верхушки стеблей и молодые листочки отмирают. При этом молодые листья (в первую очередь) бледнеют и скручиваются, становятся как будто гофрированными, затем отмирают. Недостаток кальция приводит к понижению показателя р. Н почвы, при этом растение перестает усваивать и другие элементы питания. На фоне недостатка кальция можно отметить признаки «общего голодания» .

При замедлении развития корневой системы и замедляются все процессы. Корни непрерывно растут, осваивая все новые и новые пространства почвы, из которых они могут получить минеральное питание. На них появляются корневые волоски, через которые и идее поглощение из почвы элементов питания и воды. Время жизни корневых волосков лишь несколько дней. Поэтому прекращение развития корней приводит к угнетению растений.

Приведу Вам пример на эту тему. В свое время была защищена диссертация по ранней диагностике состояния древесных растений. Проблема для городов очень важная. Когда становится видно, что растение угнетается, как правило, изменить уже ничего нельзя и растение погибает. Возникла задача: как определить наличие угнетающих факторов на ранних стадиях, когда, изменив внешние условия, растения можно спасти. Задавшись этим вопросом, мы проанализировали задачу и поняли, что угнетение должно проявляться в замедлении всех процессов, включая поглощение ФАР.

Следовательно, устьица должны быть закрыты большую часть времени по сравнению со здоровым растением. Но, если они закрыты большую часть времени, то через них должно транспирироваться (испаряться) меньшее количество воды. Как следствие, меньшее количество воды должно поступать через корни, и количество активно действующих корневых волосков у них должно быть меньше в сравнении со здоровым растением.

Далее мы предположили, что электрическое сопротивление функционирующих корневых волосков заметно ниже по сравнению с нефункционирующими корневыми волосками и поверхностью корней, которая не пропускает воду. Предположение достаточно логичное. Проведенные исследования подтвердили наши предположения. Электрическое сопротивление между угнетаемыми растениями и почвой оказалось в разы выше, что позволило разработать метод ранней диагностики.

Вернемся от роли корневой системы к необходимым растениям элементам питания. Микроэлементы необходимы растениям, в основном, для построения ферментов, обеспечивающих процессы их метаболизма. Дефицит бора

Недостаток молибдена

Следует отметить, что все макро- и микроэлементы поглощаются растениями в виде ионов. Следовательно, они должны находиться в почвах в период вегетации растений в достаточном количестве в доступных для растений формах, но их концентрация не должна превышать определенных пределов. В противном случае они начинают угнетать растения. Для того, чтобы человек обеспечивал растения элементами питания в необходимых количествах требуется достаточно качественное оснащение.

Вы, наверное, знаете о гидропонике – выращивании растений без почвы. Корни растений частично закрепляются на инертных материалах – керамзите, минеральной вате, песке и т. д. , и к ним подается раствор, содержащий в необходимых количествах питательные элементы.

Способ удобен для механизации. Можно контролировать содержание питательных элементов в растворе на входе и на выходе при помощи набора ионселективных электродов, которые надо постоянно калибровать. При этом хорошо видно, какие элементы и в какой период потребляются более активно. Их концентрацией в растворе можно управлять. Уход от почвы упрощает борьбу с болезнями и вредителями растений. Продукция выглядит превосходно, но выращенная таким способом, она обладает не очень хорошими вкусовыми качествами.

Почва справляется с поставкой питательных элементов растениям, не имея сложного оборудования, причем делает это зачастую значительно эффективнее человека. Следовательно, в почве должно быть нечто, способное обеспечивать растения элементами питания в необходимых количествах. Еще одно свойство, которым должны обладать почвы – способность поглощать и уменьшать активность в почвенном растворе полютантов. Негативные воздействия на окружающую среду возникли не вместе с человеком. Вполне очевидно, что они существовали и до него. И природа должна была выработать механизм сохранения экосистем – способность почв поглощать загрязнители, обеспечивая устойчивое функционирование растений.

Перечислим еще раз свойства, которыми должны обладать почвы для создания условий устойчивого развития растений: l Обеспечивать существование почвенной структуры. l Обеспечивать функционирование микроорганизмов. l Удерживать влагу. l Удерживать питательные элементы в достаточном количестве в форме доступной для растений. l Обладать буферной способностью по отношению к поллютантам – уменьшать их активность в почвенном растворе.

Итак, используя метод дедукции, мы выяснили, что для роста растений в почвах должна иметься некая составляющая, способная обеспечивать у почв существование перечисленного выше набора свойств. Как я говорил на первой лекции, в почвоведении используется физическая модель почв. Почвы рассматривают как трехфазные системы, состоящие из твердой, жидкой и газообразной фаз (под фазой в данном контексте подразумевается агрегатное состояние вещества). Вполне очевидно, что только твердая фазы может обеспечивать существование у почв всех этих свойств. Но не вся твердая фаза, а только входящие в ее состав мельчайшие частицы – коллоидная составляющая почв.

Рассмотрим причины появления коллоидной составляющей в почвах. Известно, что поверхность многих неорганических веществ покрыта слоем коллоидных частиц толщиной 2 -4 нм, что оказывает влияние на их свойства. Связано это с тем, что многие минералы образуются совершенно в других условиях (Т, Р, состав контактирующих с ними веществ) по сравнению с условиями их существования. Как следствие, они оказываются в неравновесных для них условиях и начинают меняться. Пусть медленно, но происходят химические превращения.

В коллоидной химии коллоидное состояние вещества рассматривается как всеобщее особое состояние материи. Эта «всеобщность» заключается не только в широком распространении коллоидов, но и в том, что коллоидное состояние вещества является обязательной промежуточной стадией практически при любых химических превращениях и фазовых переходах.

Проанализируем этот подход. Как проходят твердофазные реакции? Например, переход одного кристаллогидрата в другой с меньшим количеством воды, имеющие разные кристаллические решетки. Трудно предположить, что при фазовом переходе одна кристаллическая решетка «развалится» до отдельных ионов и молекул, а затем из них образуется другая кристаллическая решетка. Слишком большое количество энергии на это должно затрачиваться.

Если мы обратимся к нанотехнологиям, то узнаем, что при уменьшении размера кристаллитов до нанометрового диапазона параметры кристаллической решетки перестают быть постоянными и их периодические изменения (колебания) достигают 30%. Это означает, что если кристаллическое тело при фазовом превращении перейдет в наночастицы, то для преобразования кристаллических решеток не нужно полного их разрушения.

В наносостоянии возможно «перетекание» одной кристаллической решетки в другую, с последующим взаимодействием образующихся наночастиц между собой и образованием достаточно крупных частиц новой фазы. Это подтверждается данными чл. -корр. РАН И. В. Мелихова с кафедры радиохимии. Он показывает, что многие крупные кристаллы состоят из нанокристаллов, границы между которыми обнаруживаются экспериментально.

При выполнении дипломной работы я сам столкнулся с подобным явлением. Мы изучали изменение удельной поверхности при сушке криогранулята растворов различных веществ. В полость металлического блока ДТП помещена нить накаливания из металла с высоким термическим сопротивлением (Pt, W, их сплавы, Ni и др. ). В результате прохождения через нить постоянного тока она нагревается. В случае, когда нить омывается чистым газом-носителем, она теряет постоянное количество теплоты и её температура остаётся постоянной. Содержащий примеси газ, поступающий из хроматографической колонки, имеет другие показатели теплопроводности, следовательно, изменяется и температура нити. Это приводит к изменению сопротивления нити, которое измеряют.

Для изучения поведения кристаллогидратов мы выбрали сульфат никеля. При исследовании совершенно неожиданно для нас была получена «трехгорбая» кривая.

Для почв все вышеизложенное представляет особый интерес. Фазовые переходы, химические превращения веществ в почвах вещь естественная – почва живет, непрерывно меняясь. Происходят процессы разрушения и синтеза минералов, образование и трансформация органических и органоминеральных соединений, то есть непрерывно образуются новые химические фазы. Следовательно, коллоидное состояние в почвах не исключение, а состояние, через которое проходят практически все составляющие почву вещества, а многие из них в этом состоянии существуют длительное время.

В почвах процессы выветривания первичных минералов продолжаются длительное время, и в результате должен образовываться мощный слой коллоидных частиц вторичных минералов. С другой стороны существование большого количества коллоидных частиц возможно только при замедлении процессов их укрупнения. Следовательно, в почвах должен существовать какой-то механизм ограничивающий рекристаллизацию.

Хорошо известно, что наличие примесей резко замедляет рост кристаллов из маточного раствора. Особенно большое влияние оказывают крупные органические молекулы. В связи с этим можно предположить, что наличие органических веществ в почвах приводит к увеличению удельной поверхности почв не только из-за вклада органической составляющей в общую удельную поверхность, но и за счет стабилизации коллоидных частиц вторичных минералов и предотвращения процесса их укрупнения.

Проведя анализ с позиций дедукции, мы выяснили с Вами, что для существования у почв свойств необходимых для обеспечения их плодородия в них должна присутствовать коллоидная составляющая. А также рассмотрели возможные пути возникновения коллоидной составляющей почв. Теперь же кратко остановимся на тех результатах, которые были получены в почвоведении при изучении почвенных коллоидов.

Когда речь заходит о коллоидах в почвах, в первую очередь, возникают ассоциации с поглотительной способностью почв. Это и не удивительно, так как данное свойство почв определяет плодородие, и, пожалуй, именно ему за последние 150 лет было уделено самое большое внимание. Изучение поглотительной способности почв тесно связано с именем Джона Томаса Уэя, работы которого были опубликованы в 1850 -1854 г. По мнению Вигнера, реакции обмена оснований были так основательно изучены Уэем, что в течение нескольких десятков лет не появлялось в этой области ни одной равноценной работы.

Уэй не нашел путей для выделения из почвы той ее части, которая обусловливала поглотительную способность. При оценке работ Уэя следует иметь в виду, что они появились еще до работ Грэма о коллоидном состоянии вещества (1861) и до работ Аррениуса об электролитической диссоциации (1887). Поэтому при всей своей гениальности Уэй не мог правильно объяснить процессы поглощения.

Эту задачу решил Ван-Беммелен, который на основании изучения различных гелей и вообще коллоидного состояния вещества выдвигает на первое место не химический состав, а физические свойства того мелкозема, с которым связана поглотительная способность почв. Он указывает, что в состав мелкозема входят аморфные тела коллоидного характера, аналогичные коллоидным гелям. В отличие от обычных химических реакций они дают соединения неопределенного состава, не подчиняющиеся законам классической химии и не укладывающиеся в обычные химические формулы. Эти соединения Ван-Беммелен назвал «адсорбционными соединениями» . Ван-Беммелен первым связал учение о поглотительной способности почв с коллоидной химией, показав, что происходящие в почве реакции поглощения и обмена обусловлены коллоидной частью почвы.

Большой вклад в изучение поглотительной способности почв внес Константин Каэтанович Гедройц, создавший новую эпоху в развитии почвоведения. Он показал, что почвенный поглощающий комплекс (ППК), так он назвал составляющую почв, обеспечивающую ее поглотительную способность, состоит из минеральных, органоминеральных и органических коллоидных частиц.

Сумма катионов на поверхности этих частиц и способных к обмену на катионы солевого раствора, характеризует емкость обмена почвы, от ее величины зависит буферность и другие свойства почв. Почвы могут быть насыщены и не насыщены основаниями, а энергия связи различных катионов с ППК различна. Гедройц установил закономерности обмена катионов, исследовал их состав в важнейших типах почв, а также зависимость физических и химических свойств почв от содержания в них обменных катионов. Его исследованиями были заложены основы взгляда на почву как трехфазную, динамичную физико-химическую систему, что позволило по-новому осветить вопросы генезиса почв и природу многих их свойств. Гедройц выделял пять видов поглотительной способности почв.

Биологическая поглотительная способность связана с жизнедеятельностью растений и почвенных микроорганизмов, которые избирательно поглощают из почвы необходимые элементы минерального питания, переводят их в органическую форму и предохраняют тем самым от выщелачивания. После отмирания корней, растительных остатков и тел микроорганизмов происходят их разложение и постепенная гумификация. Минерализация и последующее использование растениями ранее закрепленного в почве в органической форме азота, фосфора и серы протекают довольно медленными темпами.

Интенсивность биологического поглощения зависит от аэрации, влажности и других свойств почвы, от количества и состава органического вещества, служащего источником пищи и энергетического материала для преобладающих в почве гетеротрофных микроорганизмов. Внесение в почву значительного количества бедного азотом органического вещества (соломы или соломистого навоза) вызывает быстрое размножение микроорганизмов, сопровождающееся интенсивным биологическим, закреплением минеральных форм азота, что приводит к ухудшению азотного питания растений и снижению урожая. В то же время биологическое поглощение способствует закреплению нитратного азота, который никаким другим путем в почве не удерживается и может вымываться, особенно на легких почвах в зонах достаточного увлажнения и орошаемого земледелия.

Механическая поглотительная способность обусловлена свойством почвы, как всякого пористого тела, задерживать мелкие частицы из фильтрующихся суспензий. Механическим поглощением объясняется сохранение и характер распределения в почве илистых частиц и вносимых нерастворимых удобрений (фосфоритной муки, извести). Благодаря механической поглотительной способности они не вымываются из верхнего слоя почвы.

Физическая поглотительная способность – это положительная или отрицательная адсорбция частицами почвы целых молекул растворенных веществ. Положительная физическая адсорбция почвой растворимых минеральных солей неизвестна. Отрицательная абсорбция наблюдается при взаимодействии почвы с растворами хлоридов и нитратов, что обусловливает высокую подвижность их в почве и возможность вымывания из ее верхнего слоя при повышенной влажности. Это имеет положительное значение для Сl-иона (избыток которого вреден для некоторых растений), но для нитратов оно нежелательно.

Химическая поглотительная способность связана с образованием нерастворимых и труднорастворимых в воде соединений в результате химических реакций между отдельными растворимыми солями в почве (ионами в почвенном растворе). Особую роль химическое поглощение играет в превращении фосфора в почве. При внесении водорастворимых фосфорных удобрений – суперфосфата, содержащего фосфор в виде монокальцийфосфата Са(H 2 PO 4)2, аммофоса NH 4 H 2 PO 4 и др. в почвах происходит интенсивное химическое связывание фосфора. В кислых почвах (в подзолистых и красноземах), содержащих много полуторных окислов, химическое поглощение фосфора идет с образованием труднорастворимых фосфатов железа и алюминия.

В почвах, насыщенных основаниями и содержащих бикарбонат кальция в почвенном растворе (черноземы, сероземы), химическое связывание фосфора происходит в результате образования слаборастворимых фосфатов кальция. Химическое поглощение (фиксация) фосфора обусловливает слабую подвижность его в почве и снижает доступность растениям этого элемента из внесенных в почву легкорастворимых форм удобрений. По способности к фиксации фосфора почвы располагаются в следующем порядке: красноземы далее дерново-подзолистые почвы, сероземы и черноземы.

Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность имеет особенно важное значение при взаимодействии удобрений с почвой. Физико-химическое поглощение – это способность мелкодисперсных (от 200 нм до 1 нм) коллоидных частиц почвы поглощать из раствора различные катионы. Поглощение одних катионов сопровождается вытеснением в раствор эквивалентного количества других, ранее связанных твердой фазой почвы. Вся совокупность органических и минеральных коллоидных частиц почвы (представленных гумусовыми веществами, глинистыми минералами и гидроксидами железа и алюминия), участвующих в обменном поглощении катионов, была названа К. К. Гедройцем почвенным поглощающим комплексом (ППК).

Современные общепринятые в почвоведении представления о почвенных коллоидах основаны на строении единичной коллоидной мицеллы. Внутренняя часть мицеллы, состоящая из агрегатов аморфного или кристаллического вещества разного химического состава, называется ядром. Схема строения единичной коллоидной мицеллы: 1 - ядро мицеллы; 2 - потенциалопределяющие ионы; 3 адсорбционный слой противоионов; 4 - диффузный слой противоионов.

На его поверхности расположен слой прочно удерживаемых потенциалопределяющих ионов, которые вместе с ядром образуют гранулу. Вокруг гранулы двумя слоями располагаются ионы противоположного заряда (противоионы). К грануле примыкает слой неподвижных противоионов, прочно удерживаемых электростатическими силами ионов потенциалопределяющего слоя, образуя вместе с гранулой частицу. Часть противоионов удалена от частицы, их связь с ней по мере удаления уменьшается. Это диффузный слой, ионы которого способны к эквивалентному обмену на ионы того же заряда из дисперсионной среды и вместе с частицей образуют коллоидную мицеллу. Противоионы вместе с коионами образуют двойной электрический слой. В зависимости от заряда ионов потенциалопределяющего слоя коллоиды делятся на ацидоиды – отрицательно заряженные, базоиды – положительно заряженные и амфолитоиды.

В кислой среде базоиды имеют положительный заряд, а в щелочной – отрицательный. К ацидоидам относятся глинистые минералы, гидроксиды кремния и марганца, гумусовые кислоты и органоминеральные коллоиды. В качестве базоидов в кислой среде выступают гидроксиды железа и алюминия, белки, тела мелких бактерий, которые в щелочной среде имеют свойства ацидоидов. В кислой среде, когда в растворе много ионов Н+ и мало ионов ОН-, молекулы гидроксидов алюминия и железа диссоциируют как основания, посылая в окружающий раствор ионы ОН-, и приобретают положительный заряд. При щелочной реакции, наоборот, они ведут себя как кислоты, посылая в окружающий раствор ионы Н+, и приобретают отрицательный заряд.

Отрицательный заряд глинистых минералов возникает в результате изоморфных замещений части ионов кремния внутри кремнекислородных тетраэдров на трехвалентные ионы алюминия. В алюмогидроксильных октаэдрах часть трехвалентных ионов алюминия может быть замещена на двухвалентные ионы магния. Отрицательный заряд может вызывать и наличие свободных ионов кислорода на краях слоя кремнекислородного тетраэдра, которые соединяются с одним ионом кремния, а вторая валентность при этом остается свободной для связи с ионом водорода или основанием.

Структура каолинита

Структура монтмориллонита

Возникающий отрицательный заряд компенсируется соответствующим количеством катионов К+, Nа+, Са 2+, которые могут обмениваться на катионы почвенного раствора. При этом катионы, компенсирующие отрицательный заряд, могут попадать как на поверхность, так и в межпакетные пространства кристаллической решетки глинистых минералов, увеличивая тем самым поглотительную способность глинистого минерала. Последняя выше у монтмориллонита по сравнению с каолинитом.

Способность органических и минеральных коллоидных частиц к обменному поглощению катионов обусловлена тем, что большая часть их имеет отрицательные заряды. В естественном состоянии почвы всегда содержат определенное количество поглощенных катионов (Са 2+, Mg 2+, Н+, Аl 3+, Na+, K+, NH 4+ и др. ). Эти катионы могут обмениваться на другие катионы, находящиеся в растворе. Обмен катионами между раствором и почвенным поглощающим комплексом происходит в строго эквивалентных количествах. Реакция обмена катионов протекает быстро. При внесении в почву легкорастворимых удобрений (КСl, NH 4 Cl, NH 4 NO 3 и др. ) они сразу же вступают во взаимодействие с ППК, катионы их поглощаются в обмен на катионы, ранее находившиеся в поглощенном состоянии.

Реакция обмена катионов обратима, так как поглощенный почвой катион может быть снова вытеснен в раствор: В зависимости от концентрации раствора, его объема и природы обменивающихся катионов между катионами раствора и катионами почвенного поглощающего комплекса устанавливается некоторое подвижное равновесие. При изменении состава почвенного раствора это равновесие смещается, в результате одни катионы переходят из раствора в поглощенное состояние, а другие – из поглощенного состояния в почвенный раствор. При внесении минеральных удобрений, например KCl, концентрация почвенного раствора повышается, катионы удобрения вступают в обменную реакцию с катионами почвенного поглощающего комплекса и поглощаются почвой.

При усвоении какого-либо катиона растениями концентрация его в растворе уменьшается, он переходит из поглощенного состояния в раствор в обмен на другие катионы, содержащиеся в почвенном растворе. Чем выше степень насыщенности поглощающего комплекса данным катионом, тем легче и быстрее он вытесняется в раствор. Количество катионов, вытесняемых из поглощенного состояния в раствор, возрастает с повышением концентрации раствора, а при одинаковой концентрации – с увеличением объема раствора вытесняющей соли.

Разные катионы обладают неодинаковой способностью к поглощению. Чем больше заряд (валентность) катиона и его атомная масса, тем сильнее он поглощается и труднее вытесняется из поглощенного состояния другими катионами. Исключение из этого правила составляют ионы Н+, которые имеют наименьшую атомную массу, но обладают высокой энергией поглощения и способностью вытеснять другие катионы из ППК. Величина емкости поглощения характеризует поглотительную способность почв. Она зависит от механического и минералогического состава почвы и содержания в ней органического вещества. Почвы с малым количеством коллоидной фракции (песчаные и супесчаные) имеют невысокую емкость поглощения. Чем больше в почве минеральных и органических коллоидных частиц, тем выше ее поглотительная способность. У глинистых и суглинистых почв емкость поглощения больше, чем у песчаных и супесчаных.

Более богатые органическим веществом черноземные почвы отличаются значительно более высокой емкостью поглощения (30 -60 мгэкв на 100 г), чем подзолистые почвы и сероземы (10 -15 мгэкв на 100 г). Поглотительная способность почвы оказывает большое влияние на превращение в ней минеральных удобрений, определяет степень подвижности их в почве. На почвах с малой поглотительной способностью (песчаных и супесчаных) при внесении легкорастворимых удобрений возможно вымывание питательных веществ и излишнее повышение концентрации раствора, поэтому азотные и калийные удобрения на таких почвах лучше вносить небольшими дозами и незадолго до посева. На почвах с высокой поглотительной способностью вымывания питательных веществ и избыточного увеличения концентрации раствора не происходит.

Разные почвы отличаются не только по общей емкости поглощения, но и по составу поглощенных катионов. В большинстве почв в составе поглощенных катионов преобладает Са 2+, второе место занимает Mg 2+и в значительно меньших количествах находятся К+ и NH 4+. Сумма Са 2+и Mg 2+обычно составляет около 90% общего количества обменно-поглощенных катионов. В кислых почвах (подзолистых и красноземах) среди поглощенных катионов значительную часть занимают Н+и Аl 3+ , а в солонцовых почвах – Na+.

Состав поглощенных катионов оказывает большое влияние на свойства почвы и условия роста растений. Кальций коагулирует органические и минеральные коллоиды. Поэтому преобладание в составе поглощенных катионов Са 2+, например на черноземах, способствует поддержанию прочной структуры и обусловливает хорошие физические свойства почвы. Насыщение почвы натрием (у солонцовых почв) вызывает пептизацию коллоидов, что приводит к их вымыванию, разрушению структурных агрегатов и ухудшению физических свойств почвы (плотное сложение, вязкость и т. д. ). Кроме того, при наличии натрия в почвенном поглощающем комплексе происходит вытеснение его в раствор в обмен на другие катионы с образованием соды, что вызывает щелочную реакцию раствора, неблагоприятную для развития растений.

Наиболее интересными, на наш взгляд, являются работы, которые проводились по изучению коллоидов почв в лаборатории почвенных коллоидов Всесоюзного института удобрений, агротехники и агропочвоведения им. Гедройца в 30 -50 х годах прошлого века под руководством А. Ф. Тюлина. Отказавшись от распространенного представления о почве, как массе, свойства которой могут оцениваться только химическим и механическим анализом, Тюлин с сотрудниками основные усилия направили на изучение химических особенностей поверхности твердой фазы почвы – почвенных коллоидов, стремясь выяснить, что представляет собой та химически деятельная поверхность твердой фазы почвы, с которой соприкасается жидкая фаза почвы или почвенный раствор.

Работа в этом направлении привела Тюлина к новым представлениям о гелях в почве, об их нахождении в виде пленок на поверхности массивных минеральных частиц, как своего рода каркасах. При этом не исключалось существования в почве свободных гелей, не связанных с поверхностью грубодисперсных частиц, но особое внимание было уделено гелямпленкам, образующим вместе с каркасом совершенно своеобразные структурные элементы самого низшего порядка, которые условно назвали первичными частицами почвы.

По мнению Тюлина, качество поверхности первичных частиц имеет большое значение не только для познания и предвидения характера химических реакций на границе раздела твердая – жидкая фазы в почве. Еще в большей степени оно предопределяет и физические свойства почвы, так как процесс агрегирования первичных частиц, то есть структурных элементов низшего порядка, в структурные образования более высокого порядка (микро- и макроагрегаты) зависит от качества поверхности первичных частиц.

Тюлин писал: «…мы хорошо знаем, что механический анализ дает нам представление только о размерах частиц, оставляя в стороне качество этих частиц. Мы здесь под качеством первичных частиц разумеем поверхностные наслоения из коллоидов на этих частицах. Это не значит, что минералогический состав почвы имеет малое значение для химии почв…. . И все же, поверхность раздела между твердой и жидкой фазами у минеральной почвенной частицы может в большей степени зависеть от качества пленки из тех или иных гелей, чем от кристаллической решетки минерала, на котором адсорбированы эти пленки. А между тем, в процессе химической подготовки почвы к механическому анализу мы разрушаем эти пленки-гели, вследствие чего рафинированные таким способом механические элементы ни в коей мере не могут называться первичными частицами в коллоиднохимическом смысле. » .

Таким образом, Тюлиным и его последователями была сделана попытка, рассмотреть почву как систему, свойства которой определяются органоминеральными гелями. Это был шаг вперед, но встал вопрос о подходе к изучению почвенных коллоидов. Большое число попыток основывалось на поиске корреляций между составом коллоидной составляющей почв и свойствами почв. Основной вопрос заключался в необходимости выделения коллоидной составляющей почв для исследования.

Существуют различные подходы к выделению и изучению коллоидной составляющей почв. Одни исследователи рассматривают почвенные коллоиды как органоминеральные гели, покрывающие и связывающие почвенные частицы, поэтому они выделяют из почв илистую фракцию и изучают ее. При этом происходит разделение илистой фракции на составляющие, выделяемые из почвы при различных воздействиях на нее. Выделяют фракции последовательно. Сначала наименее прочно связанные, затем более прочно связанные.

Классическим методом выделения высокодисперсных частиц почвы является метод К. К. Гедройца, заключающийся в насыщении почвы ионами натрия, но полностью выделить коллоиды из почв этим методом невозможно. В дальнейшем методику выделения илистой фракции усовершенствовал и применял в своих исследованиях А. Ф. Тюлин. Используя метод дробной пептизации, он выделял две группы микроагрегатов размером менее 10 мкм, положив в основу их электрокинетические свойства. В первую группу он включал ил пептизируемый по Гедройцу, во вторую – ил, выделяемый методом разминания. Позднее было показано, что предельная пептизация коллоидов может быть осуществлена только после насыщения почвы натрием с последующей диссолюционной пептизацией 0, 02 н раствором Na. OH.

Из данных, полученных Тюлиным, следует, что в почвах существует два вида микроагрегатов, в которых микрочастицы почвы связаны между собой двумя различными типами гелей.

Причем содержание органического вещества, азота и фосфора в агрегатах 1 группы заметно больше, чем в агрегатах 2 группы. Подобная неоднородность гелевых структур была показана не только в работах А. Ф. Тюлина. Первым обратил внимание на существование активного и пассивного ила А. Н. Соколовский. Аналогичные результаты о существовании нескольких видов гелей в различных почвах получали и другие исследователи. Кроме последовательного выделения коллоидных фракций из почв существовал и другой подход. Переводили почву в суспензию и из этой суспензии выделяли и изучали частицы различного размера.

Однако из всех этих работ не было ясно, с чем связано наличие неоднородности гелевых структур – с их неоднородным распределением в почве (пространственная неоднородность) или с неоднородностью самого гелевого слоя. Ни один из используемых методов не позволял получить ответ на этот вопрос, так как невозможно было выделить гели без изменения их строения (разрушения). Кроме того, получаемые результаты химического анализа выделяемых почвенных коллоидов не позволяли понять их строение. Причем увеличение количества подобных результатов ничего не меняло.

Разъясняя недостаточность химических методов при исследовании почв, Кубиена проводит яркую аналогию с изучением часов. Часы можно исследовать разными путями. Их можно растолочь в порошок и сделать его химический анализ. Анализ даст исчерпывающие сведения о количестве различных металлов, входящих в состав часов, но не даст представления о существующих в этом механизме отдельных составных частях – колесиках, винтиках, стержнях и т. д. , которые участвуют в работе часов. Чтобы выяснить, что это за части, надо их рассортировать и изучить отдельно или группами. Но ясно, что и при таком разделении нелегко сделать вывод о том, как связаны отдельные части в целое, каковы рабочие функции каждой из них и функции целого механизма.

Третий способ – это исследовать часы, не разбирая их; исследовать каждую часть на месте, устанавливая ее связи с другими частями; это уточнило бы суждение об их функциях. Но существует еще четвертая возможность анализа – это исследовать часы во время их работы, исследовать составные части – их положение и роль в движении. Два последние способа анализа соответствуют микроморфологическому методу исследования почвы в целом. Однако для использования двух последних подходов в почвоведении только в последнее время появились необходимые методы.

Попытки отойти от чисто химических методов в изучении почв и их коллоидной составляющей тоже предпринимались. Например, делались попытки найти корреляцию между свойствами почв и их электрокинетическим потенциалом, т. е. найти взаимосвязь между строением двойного электрического слоя коллоидных мицелл и свойствами почв. Но это тоже не дало положительного результата, так как подход основывался на существующей парадигме. Стало ясно, что строение коллоидной составляющей почв значительно сложнее, и ее нельзя моделировать строением единичной коллоидной мицеллы. Таким образом, без учета взаимодействия между коллоидными частицами, без применения современных методов и теорий коллоидных систем, без системного подхода к почвенным коллоидам понять их строение и поведение и, как следствие, поведение почв не удавалось.

Из этой лекции видно, что в почвоведении долгое время отсутствовали ответы на основополагающие с точки зрения материаловедения вопросы: Что такое почвенный гель? Что из себя представляют гелевые пленки, которые покрывают поверхность минеральных частиц? Причем речь идет не о составе, а о строении – структурной организации. Было очевидно, что без понимания этого продвинуться вперед уже невозможно. В связи с этим мы на следующей лекции рассмотрим современные теории образования структур в коллоидных системах.