ХИМИЯ ПОЧВЫ

Прочность связи поглощенных катионов с почвой. Необменное поглощение (фиксация) катионов

Прочность связи поглощенных катионов с почвой может быть в известных условиях настолько большой, что катионы становятся необменными, т. е. не вытесняются катионами нейтральных солей. На наличие в почве необменно поглощенных катионов указывал К. К. Гедройц еще в 1916 г. (1955).

Необменному поглощению или фиксации могут подвергаться все почвенные катионы, но наибольшую выраженность имеет фиксация К+ и NH+, отличающихся своими большими и близкими между собой размерами (радиус К+ — 1,33 А, радиус NHJ — 1,43 А) от других почвенных катионов: Са, Mg, Na (с радиусами соответственно 1,06, 0,78 и 0,98 А). Фиксированные, прочно удерживаемые коллоидами катионы меньше других поглощенных катионов доступны растениям и микроорганизмам; поэтому явление фиксации неблагоприятно для питания растений. Так как необменному поглощению подвергаются такие важные в питании растений элементы, как К и NH4, понятен интерес, вызываемый этим явлением. Изучение необменного поглощения К широко развернулось, начиная с тридцатых годов, а фиксации NH4 — лишь в самые последние годы.

Уже первые исследования показали, что высушивание почвы, а особенно многократные высушивания и увлажнения способствуют необменному поглощению катионов.

Для лучшего уяснения сущности явления опишем здесь опыт Хаузера, приведенный в книге Лаатш (1957), с почвой, обладающей резко выраженной способностью фиксации К. Из двух навесок сухой почвы по 20 г, первая увлажнялась 15 мл раствора КС1, содержащим 20 мг К+, а вторая — 15 мл Н20 (контроль). После 16 ч подсушивания через навески пропущено по 1 л 1 н. раствора CH3COONH4 (рН — 6,5) для вытеснения всех способных к обмену катионов; в фильтрате определялся калий.

Как уже было сказано, здесь была взята почва с исключительно высокой способностью к необменному поглощению; обычно эта способность почв имеет значительно меньшие размеры.

Необменно поглощенные катионы (К+, NHJ"), находящиеся в естественной почве или появившиеся в ней в результате тех или иных воздействий, могут быть непосредственно определены (после удаления обменных катионов) путем обработки почвы реактивами, более сильно действующими по сравнению с нейтральными растворами (кипящая 10% HN03, смесь HF и НС1 и др.). Особенную сложность представляет определение обменного NH4, в процессе извлечения которого может освобождаться и аммоний из органического вещества почвы.

Способностью фиксации катионов обладают трехслойные глинные минералы с разбухающей решеткой — групп гидрослюд, монтмориллонита. Особенно велика способность необменно поглощать катионы у вермикулита. Каолинит и другие минералы с двухслойной решеткой, как правило, не обладают фиксирующей способностью по отношению к катионам.

Механизм фиксации катионов может быть объяснен при помощи следующей гипотезы (Баршед,— Barshad, 1952, 1954): катионы проникают в межпакетные пространства, когда они имеют наибольшие размеры (в состоянии набухания) и занимают гексагональные пустоты в сетке кислородных атомов тетраэдрических слоев. При этом катионы притягивают к себе оба отрицательно заряженных кислородных слоя и в результате оказываются в замкнутых пространствах, приближенно представляющих собой сферы с радиусом 1,30—1,65 А. Фиксации могут подвергаться катионы, радиусы которых близки или немного больше радиуса гексагональных пустот; таковы: К+ с радиусом 1,33 A, NH4 с радиусом 1,43 А, а также Rb+ и Cs+ с радиусами 1,49 и 1,65 А соответственно. Катионы с меньшими радиусами, как Na+ (г = 0,98 А), Са (г = 1,06 А), в гексагональных пустотах располагаются не в центре, а ближе к одному из слоев, поэтому прочного замыкания слоев не производят. Согласно исследованиям Марел (Marel, 1954) фиксация калия вызывается в почвах Голландии, а также Бельгии и Франции минералом аммерзооитом — разновидностью иллита с открытыми решетками (межпакетные расстояния 15,6 А), которые уплотняются при вхождении К+ между слоями до размеров, обычных для иллита— 10,8 А. Решетки аммерзоита уплотняются, кроме К+, ионами NH4, а также Rb+ и Cs+, но не уплотняются Li+, Na+, Mg2+, Са2+.

Как уже отмечалось, процессу перехода катионов в необменное состояние способствует высушивание, но фиксация наблюдается и во влажных условиях, хотя и в значительно меньших размерах.

Из сказанного выше видно, что необменное поглощение связано с минеральными почвенными коллоидами. По мнению некоторых исследователей, в фиксации NH+ принимают участие не только глинные минералы, но и органические вещества. Однако можно предполагать, что фиксация NH£ органическим веществом является химической реакцией

В ряде исследований отмечается, что присутствие малых количеств К+ блокирует необменно поглощенный NH* и мешает его освобождению. По данным Леггит и Мудди, при отношении К •' Na в щелочном растворе, равном 0,005, извлекается только от 14 до 35% фиксированного NH+, тогда как в отсутствие К+ — 98% (Leggett a. Moodie, 1963). Причины такого взаимодействия К4 и NH4 пока неясны.

Для характеристики почв (и их отдельных горизонтов) в связи с явлением необменного поглощения катионов интересны две величины: 1) содержание необменных катионов в профиле естественных почв (и их общий запас в данной почве) и 2) способность к дополнительной фиксации катионов. На основании этих данных может быть определена и общая емкость фиксации катионов.

Различия средних запасов фиксированного NH4 ( 61), очевидно, определяются различиями в количестве и минералогическом составе их илистых фракций. Среди почв одного типа более легкие почвы содержат меньший запас фиксированного NH4, чем более тяжелые почвы.