Почвенные коллоиды и их роль в плодородии почв
ВВЕДЕНИЕ
Из каких фаз состоит почва?
Почва является сложной полидисперсной системой. Она состоит из твердой, жидкой и газообразной фаз, которые находятся в тесном взаимодействии между собой. Жидкая и газообразная фазы наиболее активны. Твердая фаза инертна, но ей принадлежит огромная роль в питании растений, так как она содержит основные элементы их питания. Благодаря постоянному, хоть и медленному, растворению почвенных минералов, питательные вещества переходят в раствор, а затем усваиваются растениями и микроорганизмами. В свою очередь, растения и микроорганизмы оказывают воздействие на твердую часть почвы: они содействуют превращению веществ, которые не могут усваиваться растениями, в вещества усвояемые.
В твердой части почвы содержится еще один источник пищи растений - остатки животных и растительных организмов, которые, разлагаясь, освобождают ранее усвоенные ими питательные вещества.
Наконец, твердая часть почвы включает вносимые в нее удобрения, которые являются третьим источником пищи растений.
Твердая часть почвы состоит из частиц различного размера. Но большая роль в поглотительной способности в почве принадлежит ее тонкодисперсной части и в особенности коллоидам.
Что такое почвенные коллоиды?
Коллоиды - это частицы, размер которых менее 0,0001 мм.
Образование коллоидов в почве происходит двумя путями:
1) в результате раздробления крупных частиц, в процессе физического и химического выветривания;
2) конденсационным путем вследствие химического и физического соединения молекул или ионов.
Коллоиды принимают активное участие в физико-химических процессах. Их отдельно выделяют в почвенно-поглощающий комплекс (ППК).
Вследствие малого размера коллоидные частицы имеют большую общую поверхность и большую поверхностную энергию, благодаря которой обладают способностью поглощения.
Количество коллоидов в почве колеблется от 1-2 до 30-40 % к массе почвы. Содержание их зависит от: 1) количества гумуса и его качества; 2) гранулометрического состава.
По почвенному профилю коллоиды распределены неодинаково в зависимости от типа почв. В черноземных, каштановых и дерновых почвах коллоиды распределены по профилю равномерно; подзолистых, дерново-подзолистых и серых лесных почвах коллоиды накапливаются в горизонте В.
Первые представления о почвенных коллоидах появились в 18 веке. Академик Гедройц К.К. одними из первых указал на значение свойств коллоидов в почвообразовании. Изучением почвенных коллоидов занимались Вильямс В.Р., Антипов-Каратаев И.Н., Александрова Л.Н., Тюлин А.Ф., Кононова М.М., Соколовский А.Н., Хан Д.В., Келлерман В.В., Матсон С., Вигнер Г., Андреев Б.А., Парфенов А.И., Горбунов Н.И., Данилова Е.А., Синицына Н.Е.
1. МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВЫ ПОЧВЕННЫХ КОЛЛОИДОВ
Почвенные коллоиды состоят из минеральных, органических и органо-минеральных веществ.
Из чего состоят минеральные коллоиды?
Минеральные коллоиды представлены в основном вторичными минералами: глинистыми минералами (каолинит и монтмориллонит), полуторными окислами железа и алюминия, гидрослюдами.
Из первичных минералов в коллоидной фракции встречается в небольших количествах кварц и слюды. Кварц обладает значительной стойкостью и сохраняется даже при высокой степени выветривания, в отличие от других первичных минералов, таких, как полевые шпаты, которые в измельченном состоянии легко поддаются выветриванию и поэтому практически отсутствуют в мелких фракциях.
Чаще всего встречаются в почвах глинистые минералы (алюмосиликаты), которые обладают высокой емкостью поглощения, особенно монтмориллонит (Е = 80-120 мг-экв/100 г почвы), у каолинита Е = 10-20 мг-экв/100 г почвы. Глинистые минералы играют особое значение в плодородии почв.
Монтмориллонитовая группа встречается в основном в рыхлых почвах, имеет трехслойную кристаллическую решетку, состоящую из двух тетраэдров и октаэдра. За счет этого строения связь химических элементов слабая, проникновение воды хорошее, что усиливает набухание, липкость, связность почв и их распыленность.
Каолинитовая группа состоит из двухслойной кристаллической решетки (октаэдра и тетраэдра). Это более прочная связь, вода проникает труднее и такие почвы не набухают.
Глинистые минералы способны к коагуляции при воздействии с двух- и трехвалентными катионами и легко пептизируются при подщелачивании (натрий и калий).
Кремниевые кислоты образуются за счет гидролиза силикатных минералов и при взаимодействии с кальцием и магнием образуют прочные соединения, которые обуславливают в почве цементирующее действие.
Каков химический состав минеральных коллоидов?
Химический состав минеральных коллоидов представлен: окись кремния от 40 до 60 %; окись алюминия - 10-25 %; окись железа - 5-10% и небольшое количество соединений кальция, магния, марганца, калия, натрия, фосфора, серы и микроэлементов (бор, цинк, кобальт, медь и другие).
Количество указанных элементов зависит от породы, условий, в которых образовались коллоиды, климата, возраста почвы, растительности, микроорганизмов и других причин.
Из чего состоят органические коллоиды?
Органические коллоиды образуются в результате разложения растительных и животных организмов. Как правило, в верхних горизонтах почв органических коллоидов больше, чем в нижних. Органические коллоиды состоят из гуминовых кислот, фульвокислот, их солей, лигнина, протеина, клетчатки, смол, белковых веществ микроорганизмов и других сложных соединений.
Каков химический состав органических коллоидов?
Наиболее важными химическими элементами этих соединений являются углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор.
У органических коллоидов отрицательный заряд и способность к обменному поглощению катионов обусловлены карбоксильными группами (-СООН), которые придают кислотные (ацидоидные) свойства, а также гидроксильными группами (-ОН), водород которых может быть замещен другими катионами.
Характерной особенностью органических коллоидов является высокая емкость поглощения: 100-200 мг-экв/100 г почвы.
Органические коллоиды очень неустойчивы и могут разрушаться и снова образовываться из продуктов разложения растений и животных.
Чаще органические коллоиды находятся в тесной связи с минеральными коллоидами и образуют комплексные органо-минеральные соединения. Небольшая часть их находится в свободном состоянии.
Из чего состоят органо-минеральные коллоиды?
Органо-минеральные коллоиды представлены минеральными коллоидами, поверхность которых покрыта органической пленкой. Они заряжены отрицательно и характеризуются высокой емкостью поглощения.
2. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ПОЧВЕННЫХ КОЛЛОИДОВ
Каково строение почвенных коллоидов?
Чтобы понять свойства почвенных коллоидов, необходимо ознакомиться с их строением.
Коллоидная частица вместе с находящимся на ее поверхности слоями ионов и молекул воды, называется коллоидной мицеллой (по Вигнеру Г.).
Во влажном состоянии мицеллы могут быть (хотя и не всегда) отделены друг от друга раствором, который называется межмицеллярным или интермицеллярным раствором (рис. 1). Внутренняя часть мицеллы называется ядром, которое представляет собой агрегат недиссоциированных молекул какого-либо вещества (глинистые минералы, гуминовые кислоты, кремнезем, гидроксид алюминия и другие). На границе с дисперсионной средой в результате диссоциации внешних молекул ядра или поглощения ионов из среды, на поверхности ядра формируется двойной электрический слой ионов (ионогенный слой). Внутренние, т.е. находящиеся на ядре, ионы называются потенциалопределяющими, а внешние - компенсирующими (противоположнозаряженные). Потенциалопределяющие ионы обычно имеют отрицательный заряд, а компенсирующие - положительный. Компенсирующие ионы в почвоведении называют обменными или поглощенными катионами. Сумма этих катионов составляет емкость поглощения почв. Значительная часть поглощенных катионов расположена рядом с потенциалопределяющими ионами и образует неподвижный слой ионов. Над ним лежит диффузный слой ионов, постепенно сливающийся с интермицеллярным раствором. Ядро мицеллы вместе с потенциалопределяющими ионами называется гранулой. Гранула вместе с неподвижным слоем компенсирующих ионов называется частицей.
Рис. 1. Схема строения коллоидной мицеллы (по Н.И. Горбунову)
По строению почвенные коллоиды бывают аморфные, кристаллические и переходные от аморфных к кристаллическим.
Различное строение коллоидов сказывается на их свойствах и свойствах всей почвы.
Аморфными (изотропными) называют тела, которые во всех направлениях имеют одинаковые свойства (твердость, теплопроводность, оптические свойства и другие). В аморфных телах нет строгого расположения атомов, ионов, молекул, поэтому они не имеют определенной внешней формы. Аморфные коллоиды имеют большую поверхность и легче вступают во взаимодействие с водой, солями и друг с другом.
В кристаллических телах свойства будут различны в зависимости от направления, в котором свойство изменяется, поэтому они анизотропны. Например, кристаллы слюды в одном направлении раскалываются легко, в другом - трудно, т.е. в различных направлениях обладают различной механической прочностью. Разница объясняется различием в строении аморфных и кристаллических тел. В кристаллических телах ионы расположены относительно друг друга строго закономерно, образуя пространственную решетку. Кристаллические коллоиды имеют меньшую поверхность и труднее взаимодействуют с водой, солями и с другими коллоидами.
Какими свойствами обладают почвенные коллоиды?
В результате диффузии внешнего слоя между потенциалопределяющим и диффузным слоями возникает разность потенциала, которая обуславливает заряд коллоидной частицы и называется электрокинетическим или дзета-потенциалом. Величина его в разных почвах колеблется от 0 до 40-70 мВ в зависимости от природы коллоидов, поглощенных катионов, состава и концентрации солей в почвенном растворе. Когда электрокинетический потенциал равен 0, коллоид находится в электронейтральном или изоэлектрическом состоянии, называемом изоэлектрической точкой коллоида.
Величина потенциала имеет большое значение для свойств почвенных коллоидов. При высоком потенциале 60-70 мВ, когда силы электрического отталкивания между частицами велики, коллоиды при достаточной влажности почвы представлены золями. Такие почвы расплываются, становятся вязкими и липкими. При низких значениях потенциала (30-40 мВ) силы притяжения между частицами выше и коллоиды представлены гелями.
В зависимости от состава ионов в потенциалопределяющем слое коллоиды могут иметь отрицательный, положительный или переменный заряд:
1) Ацидоиды - поверхность частиц заряжена отрицательно, обменными ионами являются катионы. К ним относятся минеральные, органические и органо-минеральные коллоиды, представленные гумусовыми кислотами, кремнекислотами, глинистыми минералами. Преобладают в черноземах, каштановых, дерновых, темно-серых лесных почвах.
2) Базоиды - поверхность частиц заряжена положительно, обменными ионами являются анионы. Преобладают в подзолистых и дерново-подзолистых почвах.
Рис. 2. Заряд почвенных коллоидов
3) Амфолитоиды - поверхность частиц заряжена положительно или отрицательно в зависимости от рН среды. В кислой и нейтральной среде ведут себя как базоиды, а в щелочной - как ацидоиды. К амфолитоидам принадлежат гидроокиси железа и алюминия и органические коллоиды, представленные белковыми веществами, в основном плазмой микроорганизмов.
Заряд коллоидов легко обнаружить с помощью явлений электроосмоса и электрофореза (рис. 3).
Явление электроосмоса впервые наблюдал Рейсс Ф.Ф. в 1808 г. (этот способ обычно применяют для определения заряда у коллоидов почв и глин). Рейсс заполнил толченым кварцем среднюю часть U-образного электролизера-трубки. Он заметил, что приложение внешнего напряжения к электродам приводит к перемещению воды в трубке в сторону отрицательного полюса. При продолжительном пропускании тока устанавливалась постоянная и значительная (до 20 сантиметров) разность уровней жидкости. Движение жидкости через капилляры под действием электрического тока называется электроосмосом.
Чем больше заряд почвенных коллоидов, тем быстрее будет двигаться жидкость.
а б
Рис. 3. Явления электроосмоса (а) и электрофореза (б)
Рейсс Ф.Ф. продолжал видоизменять опыты по электролизу. Он вставлял во влажную глину две стеклянные трубки, заполненные водой, в трубки погружал электроды. После включения тока наряду с электроосмосом наблюдалось еще одно новое явление - движение оторвавшихся частичек глины в противоположном направлении - к положительному полюсу. Явление перемещения частиц твердой фазы в жидкости под влиянием тока было названо электрофорезом.
Что такое гидрофильность и гидрофобность почвенных коллоидов?
По отношению к жидкой фазе почвенные коллоиды делятся на гидрофильные и гидрофобные. Частицы первых адсорбируют на своей поверхности молекулы и гидратированные ионы жидкой фазы. Поэтому каждая частица гидрофильного коллоида окружена жидкой оболочкой (гуминовые кислоты, кремнекислота, монтмориллонит).
Частицы гидрофобных коллоидов не адсорбируют молекул жидкой фазы. Поэтому такие почвы характеризуются плохой смачиваемостью (гидроокиси железа и алюминия, каолинит).
3. СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННЫХ КОЛЛОИДОВ
В зависимости от наличия или отсутствия заряда коллоиды могут находиться в состоянии золя или геля.