Министерство сельского хозяйства

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ имени Н.И.ВАВИЛОВА»

_________________________________________________________

Н.Е.Синицына, Т.И.Павлова, Т.В.Холкина

Физико-химические свойства почв

(интерактивный курс)

Учебно-практическое пособие

С

аратов 2012

ББК 40.3

Издание осуществлено при поддержке

программы TEMPUS JP, грант Европейской

Комиссии 159188-TEMPUS-1-2009-1-PL-TEMPUS-JPCR

Предназначено для студентов направления подготовки 110100.62 Агрохимия и агропочвоведение, а также для магистров, аспирантов, преподавателей, научных сотрудников.

Резензенты: д.с.-х.н., проф. Медведев И.Ф. (ГНУ НИИСХ Юго-Востока); д.с.-х.н., проф. Еськов И.Д. (ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова»).

Данный материал опубликован при поддержке Европейского Союза. Содержание публикации является предметом ответственности авторов и не отражает точку зрения Европейского Союза.

© ФГБОУ ВПО СГАУ имени

I

SBN Н.И. Вавилова, 2012

В учебном пособии в интерактивной форме рассмотрены строение, состав, свойства почвенных коллоидов и их роль в плодородии почв; виды поглотительной способности и их значение в питании растений; кислотность и щелочность почв, освещены мероприятия по химической мелиорации; описаны буферные свойства почв как характеристика их устойчивости. Уделено внимание составу и свойствам почвенного раствора и мероприятиям по устранению солей из почвенной толщи. Раскрыты вопросы окислительно-восстановительного состояния почв.

Теоретическому материалу предшествуют организационные указания, ключевые слова, основная и дополнительная литература. Выделенный восклицательным знаком материал отражает наиболее важные положения изучаемого вопроса. В конце каждого раздела имеются контрольные вопросы, способствующие проверке полученных знаний. Завершает учебное пособие словарь терминов.



Вы будете изучать

• 
  Происхождение почвенных коллоидов.
  
• 
  Минералогический и химический составы почвенных коллоидов.
  
• 
  Строение и свойства почвенных коллоидов.
  
• 
  Состояние почвенных коллоидов.
  
• 
  Роль коллоидов в агрономических свойствах почв.
  

• 
  Дать представление о почвенных коллоидах, их образовании.
  
• 
  Изучить состав и строение коллоидной мицеллы.
  
• 
  Рассмотреть коагуляцию и пептизацию почвенных коллоидов.
  
• 
  Обсудить значение почвенных коллоидов в агрономических свойствах почв.
  

• 
  Понимать роль почвенных коллоидов в структурообразовании почв, процессах поглощения, накоплении гумуса и влаги.
  
• 
  Разработать комплекс мероприятий по регулированию процессов коагуляции и пептизации почвенных коллоидов.
  

1. 
   Мамонтов В.Г., Панов Н.П., Кауричев И.С., Игнатьев Н.Н. Общее почвоведение. – М.: КолосС, 2006. – 456 с.
   
2. 
   Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Суханова Н.И. Химия почв. – М.: Высшая школа, 2005. – 558 с.
   
3. 
   Хабаров А.В., Яскин А.А., Хабаров В.А. Почвоведение. – М.: КолосС, 2007. – 310 с.
   

1. 
   Возбуцкая А.Е. Химия почв. – М.: Высшая школа, 1968. – 427 с.
   
2. 
   Жукова Н.Н., Суслова Т.А. Физико-химические процессы в почвах: Учебное пособие. – Сарат. гос. агр. ун-т им.Вавилова, Саратов, 2003. – 54 с.
   
3. 
   Муха Д.В. Агропочвоведение. – М.: Колос, 1994. – 528 с.
   
4. 
   Почвоведение / под ред. Кауричева И.С. – М.: Агропромиздат, 1989. – 719 с.
   
5. 
   Синицына Н.Е., Пронько В.В., Медведев И.Ф., Палагина Т.Я., Павлова Т.И. Физико-химические свойства почв: Метод. указания к лабораторным занятиям. ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2006. – 54 с.
   

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.
1.1.1. 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).

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.

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.

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:

Рис. 2. Заряд почвенных коллоидов

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.

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).
1.1.3. СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННЫХ КОЛЛОИДОВ

! В зависимости от наличия или отсутствия заряда коллоиды могут находиться в состоянии золя или геля.

? Что такое золь и гель?

Золь – коллоидный раствор. Он обусловлен наличием заряда в коллоидной системе; представляет состояние коллоидно раздробленного вещества, рассеянного в дисперсионной среде.

Гель – коллоидный осадок. При отсутствии заряда в коллоидной системе дисперсная фаза укрупняется и отделяется от дисперсионной среды.

Благодаря наличию одноименных зарядов коллоидные частицы в растворе не могут сближаться, а находятся во взвешенном состоянии. При лишении заряда они сближаются, сталкиваются и слипаются друг с другом.

Процесс соединения коллоидных частиц называется коагуляция, следующее за ним осаждение – седиментация.

Минимальная концентрация солей, при которой наступает коагуляция коллоидов называется порогом коагуляции.

Процесс, обратный коагуляции, т.е. переход из геля в золь называется пептизация. Это связано с восстановлением заряда коллоидной системы, повышением дзета-потенциала. Не все коллоиды могут легко переходить из состояния геля в золь. Такие коллоиды называют необратимыми. Коллоиды, переходящие из золя в гель и обратно, называют обратимыми.

В природных условиях коагуляция происходит под влиянием периодического высушивания почвы, нагревания, увлажнения, промораживания, изменения реакции среды и других причин. Почвенные коллоиды теряют водную оболочку, электрический заряд, слипаются друг с другом и выпадают в осадок.

При насыщении ППК катионами натрия образуется золь, что приводит к распыленности почвы, увеличению заряда почвенных коллоидов и гидратации. Замещение натрия кальцием способствует переходу из золя в гель и образованию водопрочной структуры.

Коагулирующая способность катионов возрастает с увеличением их валентности и атомного веса:

Li⁺¹+14⁺¹+1+2