Вбирна здатність, кислотність і лужність грунтів

З М І С Т

ВСТУП 1.Поняття про вбирну здатність грунту та її типи 2. Грунтові колоїди і грунтовий вбирний комплекс 3. Ємкість вбирання та її значення 4. Екологічне значення вбирної здатності грунту 5. Грунтовий розчин 6. Кислотність грунтів 7. Лужність грунтів

Література

ВСТУП

Тема реферату “Вбирна здатність, кислотність і лужність грунтів” з дисципліни “Грунтознавство”.

Грунт – самостійне природно-історичне, органо-мінеральне тіло, яке виникло внаслідок дії живих і мертвих організмів і природних вод на поверхневі горизонти гірських порід під впливом кліматичних факторів, рельєфу і гравітаційного поля Землі.

Основною властивістю грунту є родючість – здатність забезпечувати рослини поживними елементами, вологою, повітрям і теплом протягом вегетаційного періоду. Саме ця властивість відрізняє грунт від гірської породи.

Таким чином, грунт як особливе природне тіло – це складна біомінеральна (біокосна) динамічна система, яка є комплексною функцією гірської породи, організмів, клімату, рельєфу, часу і якій властива родючість.

Грунт, як будь-яке природне тіло, має своє положення в просторі, об’єм і межі; як форма природного ресурсу представлений у вигляді грунтового покриву Землі.

З виробничої точки зору грунт є предметом і продуктом праці та засобом виробництва.

Грунтознавство – наука про грунт, його утворення (генезис), будову, склад, властивості, закономірності географічного поширення, взаємозв’язок з навколишнім середовищем, роль у природі, шляхи й методи його меліорації, охорону і раціональне використання у народному господарстві.

Грунтознавство є самостійною галуззю природознавства. Як наукова дисципліна сформувалась у кінці XIX ст. завдяки працям видатних вчених В. В. Докучаєва, П. А. Костичева, М. М. Сибірцева, їхніх учнів і послідовників.

1.Поняття про вбирну здатність грунту та її типи

Грунт вбирання кислотність лужність

Здатність твердої фази грунту вбирати тверді, рідкі і газоподібні речовини називають вбирною здатністю.

Грунт вбирає речовини з грунтового розчину і грунтового повітря.

Вбирну здатність грунту грунтовно вивчав відомий грунтознавець К. К. Гедройц. Залежно від природи вбирання він виділив такі типи вбирної здатності:

Механічне вбирання відбувається під час фільтрації води крізь грунт. При цьому пори і капіляри затримують частки, розмір яких більший за діаметр капілярів. Завдяки механічному вбиранню людина одержує чисту джерельну воду, а саме явище широко використовують при будівництві штучних фільтрів для очищення води.

Молекулярно-сорбційне (фізичне) вбирання проявляється в тому, що на поверхні колоїдів грунту вбираються молекули речовин, які мають полярну будову. Прикладом фізичного вбирання є адсорбція грунтом молекул води. Вода, увібрана колоїдами грунту, називається гігроскопічною. Глинисті грунти, які містять в собі велику кількість колоїдних часток, мають високу гігроскопічність, піщані, навпаки, є низькогігроскопічними.

Іонно-сорбційне або фізико-хімічне (обмінне) вбирання – здатність грунту вбирати на поверхні колоїдних часток іони і обмінювати їх на еквівалентну кількість іонів грунтового розчину.

Хімічне вбирання зумовлено утворенням в грунтовому розчині важкорозчинних сполук, які впадають в осад. Катіони і аніони, які надходять у грунт з атмосферними опадами, добривами тощо, взаємодіють з солями грунтового розчину. В результаті утворюються нерозчинні або важкорозчинні сполуки.

Наприклад:

CaCl2+Na2CO3®¯CaCO3+2NaCl

[ГВК2-]Ca2++Na2SO4®[ГВК2-]2Na-+¯CaSO4

Біологічне вбирання зумовлене здатністю живих організмів, що населяють грунт, засвоювати хімічні елементи. Після відмирання організмів засвоєні ними хімічні елементи акумулюються у верхньому шарі грунту у складі органічних речовин.

2. Грунтові колоїди і грунтовий вбирний комплекс

Тонкодисперсна частина грунту (частки розміром менше 0.001 мм) відіграє значну роль у фізико-хімічних процесах, що відбуваються у грунті. Колоїдна частина цієї фракції (частки розміром < 0,0001 мм) має велику питому поверхню і високу вбирну здатність, яка відіграє дуже важливу роль у грунтоутворенні.

Незалежно від походження колоїди несуть на своїй поверхні заряд. Природа виникнення заряду у мінеральних колоїдів пояснюється так. Уламки більшості глинистих мінералів мають кристалічну структуру. Всередині даного уламку енергетичні зв’язки між іонами, атомами чи групами атомів взаємно врівноважені, а на поверхні вони частково ненасичені. Поверхневі іони кристалічної решітки діють на вільні іони грунтового розчину – відштовхують однойменні заряди або притягують іони з протилежним зарядом. Явище притягання іонів колоїдною часткою називають сорбцією (лат. sorbere – вбирання).

Сила сорбції окремого колоїду незначна. Проте при подрібненні уламків, коли різко зростає питома поверхня часток даної маси, сумарний ефект дії поверхневих іонів стає значним. Заряд колоїдів органічних речовин виникає за рахунок дисоціації водневих іонів карбоксильних (СООН-) і фенолгідроксильних (ОН-) груп.

Якщо колоїдні частки знаходяться в розчині і взаємодіють з його іонами, то вони набувають певної будови.

Поняття колоїдна міцела ввів у колоїдну хімію швейцарський вчений грунтознавець Г. Вігнер. Основою колоїдної міцели є ядро, яке являє собою складну сполуку аморфної або кристалічної будови різного хімічного складу. На поверхні ядра розташований шар іонів, який визначає потенціал частки. Ядро міцели з цим шаром іонів називають гранулою Між гранулою і розчином, що оточує колоїд, виникає електричний потенціал, завдяки якому з розчину вбираються іони з протилежним зарядом. Так формується шар компенсуючих іонів. Таким чином, навколо ядра міцели утворюється подвійний електронний шар. Іони компенсуючого шару, в свою чергу, розташовані навколо гранули двома шарами. Внутрішній – нерухомий шар, іони якого міцно утримуються на поверхні гранули. Гранулу разом з нерухомим шаром називають колоїдною часткою. Зовнішній шар компенсуючих іонів називають дифузним. Іони цього шару можуть еквівалентно обмінюватись на іони грунтового розчину.

В грунтах одночасно наявні мінеральні, органічні і органо-мінеральні колоїди.

Сукупність всіх колоїдів називають колоїдним, або грунтовим вбирним комплексом (КВК, ГВК).

Грунтові колоїди утворюються в процесі вивітрювання гірських порід і грунтоутворення в результаті подрібнення крупних часток або шляхом з’єднання молекулярно подрібнених речовин. В грунтових колоїдних розчинах вони становлять дисперсну фазу, де дисперсним середовищем є вода. Між дисперсною фазою і дисперсним середовищем постійно відбуваються процеси взаємодії, існує динамічна рівновага.

Фізичні властивості грунту і його родючість залежать від складу КВК і кількості увібраних іонів. Здебільшого в грунтах містяться мінеральні колоїди груп монтморилоніту і каолініту, органічні колоїди представлені гуміновими кислотами.

3. Ємкість вбирання та її значення

Загальну кількість катіонів, увібраних грунтовими колоїдами, називають ємкістю вбирання, або ємкістю катіонного обміну (ЄКО).

Це поняття ввів К. К. Гедройц. Цю величину виражають у міліграм-еквівалентах на 100 г грунту, вона залежить від механічного складу грунту, мінералогічного складу тонкодісперсної частини і вмісту гумусних речовин.

Грунти з високим вмістом тонкодисперсних часток (глинисті), природно, мають більшу ємкість вбирання порівняно з піщаними, які мають низьку питому поверхню.

Найбільшу ємкість вбирання мають глинисті грунти, у складі яких багато тонкодисперсних часток монтморилонітів і гумусних речовин. Прикладом таких грунтів є чорноземи, які сформувалися на лесах і лесовидних суглинках в умовах помірно-континентального клімату (таблиця 1).

Таблиця 1

Ємкість вбирання мінеральних і органічних колоїдів грунту

Глинисті мінерали і гумусні сполуки

Ємкість вбирання,

Мг-екв/100 г грунту

Глинисті мінерали групи каолініту

(за М. І. Горбуновим, 963)

3 – 2

Глинисті мінерали групи монтморилоніту

(за Шахтнабелем, 1952)

60 – 150
Гідрослюди (за М. І. Горбуновим, 1963)20 – 50

Гумінові кислоти і їхні солі

(за М. М. Кононовою,1963):

– підзолистих грунтів

– чорноземних грунтів

350

400 – 500

Ємкість вбирання, поряд з іншими факторами, зумовлює рівень родючості грунту. Чим вища ємкість вбирання, тим вища родючість грунту. Це пояснюється тим, що увібрані катіони доступні для живлення рослин. У процесі мінерального живлення відбувається обмін протонів водню (Н+), які виділяють кореневі волоски у складі органічних кислот, на катіони дифузного шару колоїдної міцели. Отже, чим більше грунт (ГВК) увібрав катіонів, тим більше в ньому поживних речовин. Найбільшу ємкість вбирання мають високородючі типи грунтів – чорноземи, сірі лісові і каштанові.

Важливе значення у формуванні фізичних властивостей і родючості грунтів має склад увібраних катіонів. Наявність в грунтах великої кількості двовалентних катіонів Са2+ і Mg2+ зумовлює коагуляцію грунтових колоїдів, яка лежить в основі формування структурних агрегатів. Структурні грунти, як відомо, мають оптимальні повітряний, водний і поживний режими. Колоїди, насичені одновалентними катіонами Na+, K+, протонами водню (Н+), у грунті перебувають у стані золю. Ці елементи спричиняють процес пептизації. Внаслідок заміни їх на дво – і тривалентні відбувається коагуляція. При вапнуванні (внесення СаСО3) і гіпсуванні (внесення CaSO4) грунтів Са2+ витісняє з ГВК увібрані Н+, К+, Na+ і зумовлює перехід золю в гель. В результаті, крім нейтралізації кислої або лужної реакції, поліпшується структурний стан грунту, підвищується його родючість. Цей приклад показує, що склад увібраних катіонів можна регулювати за допомогою засобів хімізації у напрямі підвищення родючості грунтів.

Загальну кількість всіх обмінних катіонів, крім Н+ і Al3+, називають сумою обмінних катіонів.

Залежно від наявності у складі ГВК іонів водню і алюмінію грунти поділяють на насичені (Н+ і Al3+ не містять) і ненасичені основами. Ступінь насиченості ГВК основами виражають у процентах (від 0 до 100). Чим вищий ступінь насиченості грунту основами, тим вища його родючість. Насиченими на території України є чорноземи і каштанові грунти, ненасиченими – дерново-підзолисті і сірі лісові.

4. Екологічне значення вбирної здатності грунту

Явище вбирання частками грунту на своїй поверхні різних речовин має важливе значення в процесі грунтоутворення, у формуванні його родючості.

Вбирна здатність грунту забезпечує і регулює поживний режим грунту, сприяє накопиченню елементів мінерального живлення рослин. Сума обмінних катіонів – один з основних показників характеристики грунту, його природної родючості. При внесенні в грунт органічних і мінеральних добрив колоїди грунту вбирають (накопичують) у верхньому шарі грунту поживні елементи для рослин.

Вбирна здатність грунту регулює реакцію грунту та її водно-фізичні властивості. Органічні кислоти, які надходять у грунт (продукти життєдіяльності мікроорганізмів і рослин), і кислоти, які синтезуються в грунті, частково нейтралізуються вільними основами, а частково (у вигляді Н+) вбираються ГВК. При цьому активна кислотність грунтового розчину зменшується. Коагуляція і пептизація, які відбуваються в результаті зміни складу увібраних катіонів, зумовлюють структурний або безструктурний стан грунтової маси. Структурні грунти мають високі водопроникність і вологоємкість, низьку водопідіймальну здатність. Безструктурні грунти, навпаки, мають погані водно-фізичні властивості, а саме низьку водопроникненість, малу вологоємкість. У безструктурних грунтах мало повітря. Їх частки легко піднімаються вітром і переносяться на великі відстані. На таких грунтах часто бувають пилові бурі.

5. Грунтовий розчин

Основні процеси грунтоутворення відбуваються лише при наявності вільної води. Грунтова волога є тим середовищем, в якому відбуваються процеси синтезу і розкладання органічних речовин, міграція і акумуляція хімічних елементів, різноманітні хімічні реакції, коагуляція, пептизація тощо. Багато речовин міститься у воді в розчиненому стані. Тому грунтову вологу називають грунтовим розчином.

Хімічний склад і значення грунтового розчину в грунтоутворенні вивчав відомий грунтознавець С. О. Захаров. Виходячи з того, що грунтовий розчин відіграє дуже велику роль в грунтоутворенні і живленні рослин, Г. М. Висоцький дійшов висновку:”Вода в грунті – все одно, що кров в організмі”.

Грунтовий розчин – найактивніша частина грунту. Він постійно перебуває в стані динамічної рівноваги з твердою фазою і повітрям грунту.

Більша частина хімічних сполук перебуває в грунтовому розчині у вигляді іонів. Основними катіонами грунтового розчину є Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+, H+. В незначній кількості містяться рідкісні та розсіяні елементи, а саме: Cu2+, Pb2+, Zn2+, Ni2+, Co2+ та ін. В засолених грунтах багато Na+, Mg2+, Sr2+ і B3+.

Основними аніонами грунтового розчину є (НСО3)-, (NO2)-, (NO3)-, (PO4)3-, (SO4)2-, Cl – та ін. У незасолених грунтах переважає бікарбонат-іон, а в засолених – хлор – і сульфат-іон.

Крім мінеральних сполук у грунтовому розчині містяться водорозчинні органічні сполуки: органічні кислоти, фульвокислоти, амінокислоти, цукри, спирти та ін.

Концентрація розчинених речовин визначає величину осмотичного тиску грунтового розчину. Осмотичний тиск незасолених грунтів не перевищує 2-3 атмосфери. У посушливі періоди, коли концентрація грунтового розчину підвищується, підвищується і осмотичний тиск, при зволоженні грунту – знижується. У засолених грунтах осмотичний тиск грунтового розчину досягає 10 атм і більше.

Величина осмотичного тиску впливає на засвоєння води корінням рослин. Якщо осмотичний тиск грунтового розчину більший, ніж тиск клітинного соку, то надходження води в кореневі волоски припиняється, незважаючи на значний вміст вільної води в грунті. В цьому разі рослина гине від фізіологічної посухи.

6. Кислотність грунтів

Від складу і концентрації речовин, розчинених в грунтовому розчині, залежить його активна реакція. Реакція грунтового розчину зумовлюється наявністю і співвідношенням в ньому водневих (Н+) і гідроксильних (ОН-) іонів. Величину активної реакції виражають в одиницях рН – десятичний логарифм концентрації Н+-іонів з від’ємним знаком. Отже, рН = – lg[H+].

Вода в звичайних умовах в незначній кількості дисоціює, тобто розпадається на іони Н+ і ОН-. Концентрація їх незначна. Добуток концентрації [H+]×[ОН-] = 10-14. В ідеально чистій воді концентрація цих іонів однакова: [H+]×[ОН-] = 10-7.

Збільшення концентрації іонів Н+ (доливання кислоти) зумовлює кислу реакцію розчину [H+]> 10-7. Збільшення концентрації основ підвищує концентрацію іонів ОН – Розчин набуває лужної реакції [ОН-]> 10-7.

В нейтральних розчинах, в яких [H+] = [ОН-] = 10-7, величина рН = 7, в кислих – менша 7, в лужних – більша 7. Рн грунтових розчинів коливається в межах від 3 до 9.

Залежно від стану іонів Н+ розрізняють актуальну і потенційну кислотність.

Актуальна кислотність (рНв или рНН2О) зумовлена наявністю в грунтовому розчині вільних іонів Н+. Її величину (рН) визначають у водних витяжках.

Потенціальна кислотність зумовлена наявністю в ГВК увібраних іонів Н+ і Аl3+, які знаходяться в твердій фазі грунту. Іони алюмінію підкислюють розчин внаслідок гідролізу солей алюмінію.

AlCl3+ 3H2O®Al(OH)3+ 3HCl

За способом визначення потенційної кислотності виділяють обмінну і гідролітичну кислотності.

Обмінна кислотність (рНKCl або рНс) – концентрація іонів водню, витіснених з дифузного шару колоїдної міцели катіонами нейтральних солей. Для визначення обмінної кислотності використовують 1.0 н. розчин KCl(рН близько 6,0).

Гідролітична кислотність (Нг). Іони водню утримуються колоїдною часткою дуже міцно і при обміні з катіонами нейтральної солі повністю не витісняються. Якщо діяти на грунт гідролітично лужною сіллю (солі з сильною основою і слабким кислотним залишком), то відбудеться майже повне витіснення увібраних іонів водню. Для визначення гідролітичної кислотності використовують ІМ розчин CH3COONa (рН близько 8,2).

Кисла реакція грунтів несприятлива для більшості культурних рослин і корисних мікроорганізмів. Вона негативно впливає на процес формування родючості грунтів. Кислі грунти мають погані фізичні властивості. Через відсутність основ органічна речовина в цих грунтах не закріплюється, вони бідні на поживні елементи, не містять хлоридів, сульфатів, карбонатів, їх грантова маса погано оструктурена. Отже, ступінь кислотності грунтів є важливим показником під час оцінки генетичної і виробничої якості грунту.

За величиною рН грунти поділяють на сім агровиробничних груп (таблиця 2).

Таблиця 2

Агровиробничі групи грунтів за величиною рН

РНГрупа грунтівТип грунтів
< 4,5СильнокисліБолотні, болотно-підзолисті, підзолисті, червоноземи, тропічні
4,5 – 5,5КисліПідзолисті, дерново-підзолисті, червоноземи, тропічні
5,5 – 6,5СлабокисліПідзолисті, дерново-підзолисті, сірі лісові, червоноземи, тропічні
6,5 – 7,0НейтральніСірі лісові, чорноземи
7,0 – 7,5СлабколужніЧорноземи південні, каштанові
7.5 – 8.5ЛужніСолонці, солончаки
> 8,5СильнолужніСодові солонці, солончаки

Кожна агровиробнича група потребує певних меліоративних заходів. Для нейтралізації надлишкової кислотності проводять вапнування грунтів. Дозу вапна розраховують за гідролітичною кислотністю орного горизонту. Внесена доза вапна має повністю нейтралізувати увібрані Н+ і AL3+. Якщо 20-сантиметровий шар грунту має щільність 1.3 г/см3, його маса на площі 1 га становитиме 2600т. Встановлено, що для нейтралізації 1 г-екв гідролітичної кислотності на 100 г грунту на 1 га слід вносити 1.3 т СаСО3. Проте в грунт вносять не повну дозу вапна, а певну її частину залежно від біологічних особливостей культурних рослин.

7. Лужність грунтів

Лужна реакція грунтових розчинів може бути зумовлена різними сполуками: карбонатами, гідрокарбонатами хлоридами і сульфатами лужних і лужноземельних металів, гуматами натрію, силікатами та іншими сполуками. Основну роль при цьому відіграють гідролітично лужні солі слабких кислот, а саме: карбонати натрію і калію, карбонати кальцію і магнію.

Розрізняють актуальну (активну) і потенціальну лужність.

Актуальна лужність зумовлена наявністю в грунтовому розчині гідролітично лужних солей, під час дисоціації яких утворюється значна кількість гідроксильних іонів. Лужність грунту визначають титруванням водної витяжки в присутності різних індикаторів і виражають в міліграм-еквівалентах на 100г грунту.

Потенціальна лужність проявляється у грунтах, які містять увібраний натрій. При дії на грунт вугільною кислотою увібраний ГВК натрій зміщується іонами Н+. В грунтовому розчині утворюється сода, яка підвищує лужну реакцію:

Висока лужність несприятлива для росту і розвитку більшості сільськогосподарських рослин. Лужні грунти мають низьку родючість, несприятливі фізичні властивості і хімічний склад. Вони, як правило, тверді, зцементовані, безструктурні, у вологому стані в’язкі, липкі, водонепроникні.

Меліорація лужних грунтів проводиться внесенням гіпсу (гіпсування) та інших солей (кальцієва селітра сульфат заліза), піритні недогарки). При цьому відбувається заміщення обмінного натрію на кальцій.

Сульфат натрію, який при цьому утворюється, потрібно вимити прісною водою в нижні горизонти. При внесенні гіпсу також відбувається нейтралізація соди, яка є найшкідливішою сполукою в засолених грунтах.

+

Содові солончаки доцільно меліорувати сірчаною кислотою (кислування).

Література

1. Ковриго В. П., Кауричев И. С. Почвоведение с основами геологии. – М.: Колос, 2000. – 416 с.

2. Добровольский В. В. География почв с основами почвоведения. – М.: ВЛАДОС, 1999. – 384 с.

3. Чорний І. Б. Географія грунтів з основами грунтознавства: Навч. посібник. – К.: Вища школа, 1995. – 240 с.

4. Лозе Ж., Матье К. Толковый словарь по почвоведению: Пер. с франц. – М.: Мир, 1998. – 398 с.

5. Атлас почв Украинской ССР / Под ред. Н. К. Крупского, Н. И. Полупана. К.: Урожай, 1979.

6. Веденичев П. Ф. Зкмельные ресурсы Украинской ССР и их хозяйственное использование. – К.: Наукова думка 1979.

7. Білявський Г. О., Падун М. М., Фурдуй Р. С. Основи загальної екології. – К.: Либідь, 1993. – 300 с.

8. Білявський Г. О., Фурдуй Н. С. Практикум із загальної екології. – К.: Либідь, 1997.

9. Сафранов Т. А. Екологічні основи природокористування. Львів: “Новий світ”, 2003. – 248 с.

10. Лабораторний та польовий практикум з екології / Під. ред. В. П. Замостяна, та Я. П. Дідуха. – Київ: Фітосоціоцентр, 2000. – 216 с.

11. Перельман А. И. Геохимия биосферы. – М.: Наука, 1973. – 168 с.

12. Якушова А. Ф., Хаин В. Е., Славин В. И. Общая геология. – М.: Изд. МГУ, 1988. – 448 с.


Вбирна здатність, кислотність і лужність грунтів