ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.09.2020
Просмотров: 4914
Скачиваний: 17
обогащают
ими
верхний
слой
почвы
,
откладывают
их
в
виде
живых
и
мертвых
растительных
остатков
.
Микроорганизмы
почвы
–
бактерии
,
грибы
и
др
.
не
только
перехватывают
растворимые
элементы
пищи
растений
при
их
передвижении
в
почве
–
с
верхних
в
нижние
горизонты
ни
и
извлекают
их
горных
пород
фосфорную
кислоту
,
калий
,
связывают
азот
и
из
этих
материалов
строят
белек
своего
тела
,
аккумулируя
эти
элементы
пищи
в
верхних
слоях
почвы
.
Закрепление
растениями
и
микроорганизмами
элементов
питания
и
защита
их
от
вымывания
и
потери
является
сущностью
биологического
поглощения
.
Размеры
поглощения
анионов
зависят
от
состава
коллоидов
,
их
строения
и
степени
дисперсности
,
при
этом
главная
роль
в
поглощении
фосфат
-
ионов
при
-
надлежит
глинистым
минералам
.
На
поглощение
анионов
почвенными
коллоида
-
ми
большое
влияние
оказывает
также
изменение
реакции
среды
.
Для
анионов
,
как
и
для
катионов
,
можно
вычислить
емкость
поглощения
.
Емкость
поглощения
анионов
–
это
суммарное
количество
способных
к
обмену
поглощенных
анионов
.
Выражается
в
миллиэквивалентах
на
100
г
почвы
.
Выра
-
женное
в
процентах
отношение
количества
содержащихся
в
почве
обменных
анионов
к
емкости
поглощения
анионов
показывает
степень
насыщенности
почвы
анионами
и
рассчитывается
по
формуле
:
A
A
E
A
V
100
•
=
где
A
–
количество
содержащихся
в
почве
обменных
анионов
,
E
A
–
емкость
поглощения
анионов
.
Интенсивность
поглощения
анионов
находится
в
прямой
зависимости
от
степе
-
ни
концентрации
раствора
,
воздействующего
на
почву
.
Наиболее
прочные
связи
с
почвой
образуют
фосфат
-
ионы
,
поглощенные
в
результате
химического
осаждения
,
менее
прочные
–
в
результате
физико
-
химической
адсорбции
.
14.4.
Катионообменная
способность
почв
Катионообменная
способность
-
это
свойство
почвы
обменивать
некото
-
рую
часть
катионов
,
содержащихся
в
твердой
фазе
,
на
эквивалентное
количество
катионов
,
находящихся
в
соприкасающемся
с
ней
растворе
.
Обменные
катионы
в
почвах
представлены
главным
образом
химическими
элементами
1-
й
и
2-
й
груп
-
пы
периодической
системы
Д
.
И
.
Менделеева
.
Кроме
этого
,
в
катионном
обмене
участвуют
микроэлементы
: Zn
2+
, Cu
2+
, Mn
2+
и
другие
,
а
в
кислых
почвах
-
ионы
Н
+
и
Al
3+
.
Катионный
обмен
наиболее
подробно
изучен
для
катионов
Ca
+2
, Mg
+2
, K
+
,
Na
+
.
Катионообменная
способность
относится
к
числу
фундаментальных
свойств
почв
и
ее
значение
можно
охарактеризовать
следующими
положениями
:
1.
От
состава
обменных
катионов
зависит
пептизируемость
и
агрегирован
-
ность
почв
.
Одновалентные
катионы
(
в
основном
Na)
вызывают
пептизацию
почвенных
коллоидов
,
что
приводит
к
ухудшению
физических
свойств
почв
.
Двухвалентные
катионы
(Ca
+2
, Mg
+2
)
вызывают
коагуляцию
почвенных
кол
-
лоидов
,
повышают
степень
агрегированности
,
способствуют
формированию
водопрочной
структуры
,
что
способствует
улучшению
свойств
почвы
.
2.
В
зависимости
от
состава
обменных
катионов
реакции
в
почве
между
твердой
частью
и
органическим
веществом
протекают
по
-
разному
,
идет
обра
-
зование
органо
-
минеральных
соединений
.
3.
Реакции
между
обменными
катионами
и
катионами
почвенного
раствора
регулируют
кислотности
почвы
(
рН
)
и
его
солевой
состав
.
Являются
основным
механизмом
определяющими
кислотно
-
основные
и
буферные
свойства
почв
.
4.
Обменные
катионы
-
источник
элементов
питания
для
растений
.
5.
Состав
обменных
катионов
-
важнейший
диагностический
признак
для
классификации
и
диагностики
почв
.
6.
Законы
катионного
обмена
являются
теоретической
основой
для
некото
-
рых
видов
химической
мелиорации
(
известкование
и
гипсование
)
почв
.
Катионообменная
способность
почв
характеризуется
следующими
показате
-
лями
: 1)
почвенным
поглощающим
комплексом
(
ППК
), 2)
емкостью
катионного
обмена
(
ЕКО
)
с
подразделением
на
виды
: -
специфическая
и
неспецифическая
ад
-
сорбция
.
Для
характеристики
катионообменной
способности
почв
выделяют
так
-
же
ряд
понятий
,
таких
как
адсорбционные
центры
,
обменные
катионы
,
обменные
основания
,
константа
ионного
обмена
,
коэффициент
селективности
и
другие
по
-
казатели
.
Катионный
обмен
является
обратимым
процессом
обмена
ионами
между
двумя
контактирующими
фазами
.
Поглощающий
комплекс
почвы
отдает
в
рас
-
твор
катионы
,
а
в
обмен
берет
из
раствора
в
эквивалентных
количествах
других
.
В
общем
виде
реакцию
катионного
обмена
можно
представить
следующим
образом
:
(
)
(
)
(
)
ППК М
n M
ППК
M
mM
n
m
m
m
n
n
1
2
2
1
+
+
+
+
+
⇔
+
где
ППК
–
почвенный
поглощающий
комплекс
.
Почвенный
поглощающий
комплекс
-
совокупность
минеральных
,
органи
-
ческих
и
органоминеральных
компонентов
твердой
фазы
почвы
,
обладающих
ио
-
нообменной
способностью
.
При
этом
не
все
составляющие
твердой
фазы
почв
об
-
ладают
обменной
способностью
.
Проявление
катионообменной
способности
почв
зависит
от
минералогического
состава
,
размеров
и
химических
особенностей
поч
-
венных
частиц
.
В
обменных
процессах
практически
не
участвуют
такие
минера
-
лы
,
как
кварц
.
Очень
слабо
эти
процессы
проходят
в
гранулометрических
фракци
-
ях
крупнее
2
мкм
.
Основные
процессы
обмена
катионов
происходят
с
участием
илистой
фракции
почв
.
В
состав
почвенного
поглощающего
комплекса
также
входят
обменные
ка
-
тионы
и
основания
.
Обменные
катионы
-
это
катионы
,
входящие
в
состав
поч
-
венного
поглощающего
комплекса
,
которые
могут
быть
замещены
другими
ка
-
тионами
из
почвенного
раствора
.
Термин
''
обменные
основания
''
включает
толь
-
ко
обменные
катионы
: Ca
2+
, Mg
2+
, K
+
, Na
+
,
в
то
время
как
в
состав
обменных
ка
-
тионов
входят
еще
и
H
+
, Al
3+
и
др
.
Важнейшей
характеристикой
почв
является
емкость
катионного
обмена
(
ЕКО
).
Емкость
катионного
обмена
-
общее
количество
катионов
одного
рода
,
удерживаемых
почвой
в
обменном
состоянии
при
стандартных
условиях
,
и
спо
-
собных
к
обмену
на
катионы
взаимодействующего
с
почвой
раствора
.
Для
характеристики
почвы
по
данному
показателю
в
естественных
условиях
выделяют
три
вида
емкости
катионного
обмена
:
стандартная
,
реальная
,
диффе
-
ренциальная
.
Стандартная
емкость
катионного
обмена
определяется
с
помощью
буфер
-
ных
растворов
при
постоянном
значении
рН
.
Для
этого
почву
насыщают
ионами
Ва
+
из
буферного
раствора
с
рН
6,5.
Емкость
определяют
по
количеству
погло
-
щенного
почвой
Ва
+
.
Реальная
,
или
эффективная
,
емкость
катионного
обмена
оп
-
ределяют
путем
обработки
почвы
не
буферными
растворами
солей
.
Дифферен
-
циальная
емкость
катионного
обмена
характеризует
приращение
емкости
кати
-
онного
обмена
с
увеличением
Н
равновесного
раствора
:
∆
ЕКО
/
∆
Н
.
Единица
изменения
емкости
катионного
обмена
,
употребляемая
в
литературе
по
почвоведению
-
миллиграмм
-
эквивалент
на
100
г
почвы
.
В
Международной
системе
единиц
(
СИ
) -
сантимоли
положительных
зарядов
в
1
кг
почвы
.
Численно
эти
единицы
совпадают
.
Плотность
поверхностного
заряда
изменяется
в
довольно
широких
пределах
: 1,2 – 3,2
мг
-
экв
.
м
2
.
Внешняя
емкость
катионного
обмена
зави
-
сит
от
количества
отрицательных
зарядов
на
единицу
массы
или
поверхности
.
Емкость
катионного
обмена
зависит
от
следующих
факторов
:
гранулометри
-
ческого
и
минералогического
состава
,
а
также
содержания
органического
вещест
-
ва
.
Влияние
гранулометрического
состава
определяется
изменением
удельной
по
-
верхности
и
строением
веществ
,
входящих
в
состав
почвенного
поглощающего
комплекса
.
В
сравнении
с
минералами
крупных
фракций
,
предилистые
и
илистые
фракции
состоят
из
слоистых
алюмосиликатов
,
имеют
повышенное
содержание
гумусовых
кислот
,
что
определяет
более
высокую
плотность
зарядов
на
единицу
поверхности
.
Обычно
в
почвах
преобладают
отрицательные
заряды
поверхности
,
положительные
присутствуют
в
значительно
меньшем
количестве
.
ЕКО
в
почвах
меняется
в
очень
широких
пределах
от
0
до
900
мг
-
экв
/100
г
.
Минимальной
емкостью
поглощения
обладает
кварц
,
максимальной
-
гуминовые
кислоты
.
В
гумусовых
и
эллювиальных
горизонтах
суглинистых
дерново
-
подзолистых
почв
ЕКО
колеблется
от
5
до
20
мг
-
экв
/100
г
,
в
песчаных
и
супесча
-
ных
- 1-5
мг
-
экв
/100
г
.
Селективность
ионного
обмена
состоит
в
том
,
что
при
равной
активности
катионов
раствора
один
из
них
поглощается
почвой
в
больших
количествах
и
бо
-
лее
прочно
удерживается
.
Поэтому
количественное
соотношение
между
любыми
обменными
катионами
в
ППК
не
равно
отношению
их
активностей
или
концен
-
трации
в
равновесном
растворе
.
Это
можно
выражать
следующим
образом
.
В
обменной
реакции
между
почвой
и
раствором
+
+
+
+
+
⇔
+
2
2
2
2
[
Ca
П
Mg
Mg
П
Ca
имеет
место
неравенство
.
,
2
2
2
2
+
+
+
+
≠
Ma
Ca
Mg
Ca
a
a
п
п
где
:
П
-
катионы
в
составе
ППК
,
+
+
2
2
Mg
Ca
a
a
-
активности
катионов
в
почвенном
растворе
.
Способность
почв
селективно
поглощать
одни
катионы
в
ущерб
другим
можно
представить
уравнением
:
[ ]
[
]
[ ]
[ ]
,
1
2
2
1
2
2
2
2
M
M
M
М
K
или
Mg
Ca
K
Mg
Ca
a
a
a
a
•
•
⋅
⋅
=
=
+
+
+
+
где
:
К
-
коэффициент
пропорциональности
или
селективности
,
показывает
харак
-
тер
распределения
между
твердой
и
жидкой
частью
почвы
,
М
1
и
М
2
-
катионы
различного
рода
.
Селективность
зависит
от
свойств
катионов
и
химических
особенностей
со
-
става
ППК
.
Как
правило
,
лучше
связываются
катионы
с
более
высоким
зарядом
,
а
при
одинаковой
величине
заряда
-
с
большей
атомной
массой
.
В
порядке
возрас
-
тания
степени
поглощения
почвой
их
можно
расположить
в
следующие
ряды
:
Li
Na
NH
K
Rb
Cs
H
Mg
Ca
Ba
Al
Fe
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
<
<
<
<
<
<
<
<
<
4
2
2
2
3
3
Особенности
минералогического
состава
почв
могут
несколько
видоизме
-
нить
эти
ряды
:
монтио иллонит
Li
Na
K
H
Rb
Mg
Ca
Sr
Ba
каолинит
Li
Na
K
Rb
Mg
Ca
Sr
Ba
мусковит
Li
Na
Mg
Ca
Sr
Rb
Cs
K
Ra
р
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
<
<
<
<
<
<
=
<
<
<
<
<
<
<
=
<
<
<
<
<
<
<
<
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Избирательность
поглощения
катионов
связанна
с
характером
абсорбцион
-
ных
мест
и
ионными
радиусами
катионов
.
При
рассмотрении
взаимодействия
ме
-
жду
отрицательными
зарядами
поверхности
твердых
частиц
ППК
и
катионами
с
электростатических
позиций
,
согласно
закона
Кулона
,
следует
ожидать
,
что
сила
взаимодействия
будет
нарастать
при
увеличении
заряда
катиона
и
уменьшением
радиуса
.
Это
не
относится
к
гидротированным
ионам
,
так
как
в
этом
случае
пре
-
имущество
получают
катионы
с
меньшей
гидратационной
оболочкой
.
В
селективности
обмена
важное
значение
имеет
также
анионная
часть
ППК
.
Роль
адсорбционных
центров
минеральной
части
ППК
могут
играть
участки
ско
-
лов
кристаллов
,
диссоциирующие
гидроксильные
группы
,
где
часть
обменных
ка
-
тионов
сможет
входить
в
межпакетные
пространства
минералов
.
Для
органиче
-
ской
части
ППК
такими
центрами
служат
преимущественно
кислые
функцио
-
≠+
2
•M g
нальные
группы
-
карбоксильные
и
фенольные
.
Селективность
поглощения
ка
-
тионов
нарастает
с
увеличением
констант
диссоциации
кислых
функциональных
групп
.
Реакция
обмена
катионами
в
почве
может
протекать
мгновенно
или
быть
достаточно
продолжительной
во
времени
.
Высокая
скорость
обмена
катионами
наблюдается
в
том
случае
,
когда
обмениваются
катионы
,
расположенные
на
по
-
верхностях
частиц
ППК
и
удерживаемые
за
счет
остаточных
сил
.
Реакция
обмена
растянута
во
времени
в
том
случае
,
когда
почва
сложена
микроагрегатами
,
для
разрушения
которых
и
последующей
реакции
обмена
требуется
некоторое
время
.
Высокая
скорость
обмена
катионами
обусловлена
дефектами
решетки
,
раз
-
рывами
связей
,
наличием
функциональных
групп
,
расположенных
на
внешней
поверхности
агрегатов
гумусовых
веществ
.
Условиями
высокой
скорости
обмена
является
высокая
влажность
почвы
.
Замедляется
реакция
при
обмене
катионов
межпакетных
промежутков
глинистых
минералов
или
когда
источником
вытес
-
няющих
ионов
являются
труднорастворимые
соли
твердой
фазы
почвы
.
В
соответствии
с
общими
законами
ионообменной
сорбции
,
выделяется
пять
последовательных
стадий
осуществления
реакции
обмена
катионов
раствора
на
катионы
ППК
: 1)
перемещение
вытесняющего
иона
из
объема
раствора
к
по
-
верхности
ППК
; 2)
перемещение
вытесняющего
иона
внутри
твердой
фазы
ППК
к
точке
обмена
; 3)
химическая
реакция
обмена
катионов
; 4)
перемещение
вытес
-
ненного
иона
внутри
твердой
фазы
от
точки
обмена
к
поверхности
ППК
; 5)
пере
-
мещение
вытесненного
иона
от
поверхности
ППК
в
раствор
.
Скорость
обмена
катионов
зависит
от
той
стадии
,
которая
протекает
наиболее
медленно
.
Собственно
обмен
катионов
осуществляется
быстро
.
Наибольшие
ог
-
раничения
скорости
связаны
с
внутренней
диффузией
при
перемещении
ионов
к
точке
обмена
внутри
твердой
фазы
и
отчасти
с
внешней
диффузией
ионов
к
по
-
верхности
ППК
через
окружающую
ее
пленку
жидкости
.
Скорость
прохождения
иона
в
растворе
за
счет
самодиффузии
составляет
1-2
см
/
сутки
.
В
почвенной
среде
поток
диффундирующего
вещества
состоит
из
двух
со
-
ставляющих
:
диффузией
в
поровом
растворе
и
перемещением
в
адсорбированном
состоянии
за
счет
поверхностной
диффузии
.
При
этом
эффективный
коэффици
-
ент
диффузии
равен
E
C
D
dx
fdC
D
D
+
=
/
θ
где
D
–
коэффициент
диффузии
данного
вещества
в
свободном
растворе
,
Ө
–
доля
объема
почвы
,
занятая
раствором
,
которая
показывает
ту
часть
поперечного
сечения
некоторого
объема
почвы
,
через
которое
осуществляется
диффузия
в
свободном
поровом
растворе
,
f
–
коэффициент
сопротивления
,
который
учитывает
извилистость
по
-
рового
пространства
и
изменение
вязкости
пристенных
слоев
воды
в
тонких
по
-
рах
,
вызванное
зарядом
поверхности
твердой
фазы
почвы
,
dC/dx
–
градиент
концентрации
вещества
в
почвенном
растворе
,