Роль почвенных коллоидов в питании растений и структуре почвы

Почвенные коллоиды — это мельчайшие частицы, которые определяют физические свойства почвы и удерживают большую часть питательных веществ. Именно они отличают плодородную почву от бесплодной горной породы. Коллоиды работают как крошечные электромагниты, притягивая и удерживая ионы удобрений от вымывания.

• Размер частиц — менее 0,0001–0,0002 мм
• Нижний предел дзета-потенциала — 0 мВ
• Верхний предел дзета-потенциала — 40–60 мВ

Анатомия почвенной мицеллы: как удерживается заряд

В основе каждого коллоида лежит ядро из недиссоциированных молекул, которое может иметь аморфное или кристаллическое строение. Вокруг него формируется двойной электрический слой: сначала идут прочно связанные потенциалопределяющие ионы, образуя гранулу. Затем из почвенного раствора притягиваются компенсирующие ионы противоположного знака.

Компенсирующие ионы делятся на два слоя. Часть из них плотно прилегает к грануле, создавая неподвижную коллоидную частицу. Другая часть образует свободный диффузный слой, который легко обменивается элементами с почвенным раствором. Разница зарядов между этими слоями создает электрокинетический дзета-потенциал.

Ацидоиды, базоиды и амфолитоиды: влияние кислотности на питание растений

Поведение почвенных коллоидов зависит от знака их заряда. По этому признаку их разделяют на три основные группы:

• Ацидоиды — заряжены отрицательно и диссоциируют с выделением ионов H⁺ (гумусовые кислоты, глинные минералы, гидроксиды кремния и марганца, органо-минеральные коллоиды). Они удерживают катионы металлов.
• Базоиды — заряжены положительно и отправляют в раствор ионы OH^–.
• Амфолитоиды — способны менять знак заряда в зависимости от реакции среды (гидроксиды железа и алюминия, белки, тела бактерий).

В кислой среде, где концентрация катионов H⁺ значительно превышает концентрацию анионов OH^–, амфолитоиды ведут себя как основания. Они диссоциируют по схеме Al(OH)₃ ⇌ Al(OH)₃⁺ + OH^– и приобретают положительный заряд. При щелочной реакции они работают как кислоты, диссоциируют по схеме Al(OH)₃ ⇌ AlO(OH)₂^– + H⁺ и заряжаются отрицательно.

Отрицательный заряд глинных минералов возникает из-за изоморфных замещений в их кристаллической решетке. Кремний в кремнекислородных тетраэдрах замещается на алюминий, а алюминий в октаэдрах — на магний. Этот заряд компенсируется катионами K⁺, Na⁺ и Ca²⁺, которые удерживаются как на поверхности, так и в межпакетных пространствах. У монтмориллонита эта емкость поглощения значительно выше, чем у каолинита.

Коагуляция и пептизация: как сохранить структуру и питательные вещества в поле

Почвенные коллоиды могут находиться в двух состояниях: жидкого раствора (золя) или осадка (геля). Для агронома переход между ними определяет, будет ли почва структурной или начнет заплывать. Когда коллоиды выпадают в осадок (коагулируют), они склеивают частицы в водопрочные агрегаты, удерживая питание в корнеобитаемом слое. При переходе в раствор (пептизации) коллоидная фракция легко вымывается вниз по профилю, ухудшая физико-химические свойства почвы.

Коагуляция происходит при высушивании, замораживании почвы или под действием электролитов. Способность ионов вызывать выпадение коллоидов в осадок зависит от их валентности, массы и степени гидратации. Чем больше водная пленка вокруг иона, тем сложнее ему подойти к коллоидной частице для нейтрализации ее заряда. Ион водорода (H⁺) из-за малой гидратации обладает сильным коагулирующим действием, но его точное место в ряду зависит от состава твердой фазы почвы. Особым случаем коагуляции является тиксотропия, при которой гель переходит в золь при механическом воздействии, что характерно для мерзлотных почв.

Состав коллоидов и влияние на них почвенных процессов

Количество коллоидов в пахотном слое сильно колеблется и напрямую определяет поглотительную способность почвы. Тяжелые глинистые и богатые органикой участки содержат максимум коллоидных частиц, тогда как легкие песчаные почвы бедны ими. Дерновый процесс способствует образованию и накоплению коллоидов в верхнем горизонте, а подзолообразование разрушает их и выносит вглубь почвенного профиля.

• Коллоиды к массе почвы — от 3–4 до 30–40%
• Степень гидратации Li⁺ — 552
• Степень гидратации N — 452
• Степень гидратации K⁺ — 178
• Степень гидратации Mg²⁺ — 101
• Степень гидратации Ca²⁺ (база) — 100

По отношению к воде все почвенные коллоиды делятся на гидрофильные и гидрофобные. Первые способны активно притягивать молекулы воды, образуя на своей поверхности многослойную гидратную пленку. Вторые не имеют химического сродства к воде и могут удерживать лишь минимальный ее объем.

• Гидрофильные: почвенная органика, минералы монтмориллонитовой группы.
• Гидрофобные: гидроксид железа, минералы каолинитовой группы.

По составу коллоидные частицы делятся на минеральные, органические (гумус, белки, полисахариды) и органо-минеральные. Минеральные коллоиды образуются при выветривании (диспергации) первичных пород или сборке из молекул (конденсации). Они представлены кварцем, слюдой, вторичными минералами (бейделлит, вермикулит, галлуазит, иллит, каолинит, монтмориллонит, нонтронит) и гидроксидами железа [Fe(OH)₃·nH₂O], алюминия [Al(OH)₂·nH₂O], кремния [SiO₂·nH₂O] и марганца [Mn₂O₃·nH₂O].

Коллоиды являются главными носителями сорбционных свойств почвы. Причиной этого является то, что почвенные коллоиды даже при небольшом содержании представляют основную долю общей поверхности твердой фазы почвы (табл. 35; Фокин А.Д., 1989).

Таблица 35 – Роль частиц различного размера в формировании общей поверхности среднесуглинистой почвы

Так, например, если собрать коллоидные частички в сосуд объемом всего 1 см3, то суммарная поверхность их будет колебаться от 6000 до 10000 м2, т. е. равна почти 1 га. С увеличением суммарной поверхности растет суммарная поверхностная энергия и возрастает химическая активность коллоидов. Удельная поверхность больше в суглинистых почвах, чем в песках и супесях, и выше в гумусовом горизонте, чем в нижележащих. Удельная поверхность коллоидов в гумусовых горизонтах суглинистых дерново-подзолистых почв составляет 29 м2/г, серых лесных – 33 и черноземах – 48 м2/г. Кроме того, физико-химическая природа поверхностей почвенных коллоидов благоприятствует протеканию на них сорбционных процессов. Способность к диссоциации и связанная с этим химическая активность обеспечивают участие коллоидов во всех физико-химических процессах, обусловливая постоянное присутствие в почвенных растворах элементов минерального питания и одно из важнейших свойств почв – поглотительную способность.