Роль ґрунтових колоїдів у живленні рослин та структурі ґрунту

Ґрунтові колоїди — це найдрібніші частинки, які визначають фізичні властивості ґрунту й утримують більшу частину поживних речовин. Саме вони відрізняють родючий ґрунт від безплідної гірської породи. Колоїди працюють як крихітні електромагніти, притягуючи та утримуючи іони добрив від вимивання.

• Розмір частинок — менше 0,0001–0,0002 мм
• Нижня межа дзета-потенціалу — 0 мВ
• Верхня межа дзета-потенціалу — 40–60 мВ

Анатомія ґрунтової міцели: як утримується заряд

В основі кожного колоїду лежить ядро з недисоційованих молекул, яке може мати аморфну або кристалічну будову. Навколо нього формується подвійний електричний шар: спочатку йдуть міцно зв'язані потенціаловизначальні іони, утворюючи гранулу. Потім з ґрунтового розчину притягуються компенсуючі іони протилежного знака.

Компенсуючі іони поділяються на два шари. Частина з них щільно прилягає до гранули, створюючи нерухому колоїдну частинку. Інша частина утворює вільний дифузний шар, який легко обмінюється елементами з ґрунтовим розчином. Різниця зарядів між цими шарами створює електрокінетичний дзета-потенціал.

Ацидоїди, базоїди та амфолітоїди: вплив кислотності на живлення рослин

Поведінка ґрунтових колоїдів залежить від знака їхнього заряду. За цією ознакою їх поділяють на три основні групи:

• Ацидоїди — заряджені негативно і дисоціюють з виділенням іонів H⁺ (гумусові кислоти, глинисті мінерали, гідроксиди кремнію та марганцю, органо-мінеральні колоїди). Вони утримують катіони металів.
• Базоїди — заряджені позитивно і відправляють у розчин іони OH^–.
• Амфолітоїди — здатні змінювати знак заряду залежно від реакції середовища (гідроксиди заліза та алюмінію, білки, тіла бактерій).

У кислому середовищі, де концентрація катіонів H⁺ значно перевищує концентрацію аніонів OH^–, амфолітоїди поводяться як основи. Вони дисоціюють за схемою Al(OH)₃ ⇌ Al(OH)₃⁺ + OH^– і набувають позитивного заряду. При лужній реакції вони працюють як кислоти, дисоціюють за схемою Al(OH)₃ ⇌ AlO(OH)₂^– + H⁺ і заряджаються негативно.

Негативний заряд глинистих мінералів виникає через ізоморфні заміщення в їхній кристалічній решітці. Кремній у кремнекисневих тетраедрах заміщується на алюміній, а алюміній в октаедрах — на магній. Цей заряд компенсується катіонами K⁺, Na⁺ та Ca²⁺, які утримуються як на поверхні, так і в міжпакетних просторах. У монтморилоніту ця ємність поглинання значно вища, ніж у каолініту.

Коагуляція та пептизація: як зберегти структуру та поживні речовини в полі

Ґрунтові колоїди можуть перебувати у двох станах: рідкого розчину (золю) або осаду (гелю). Для агронома перехід між ними визначає, чи буде ґрунт структурним, чи почне запливати. Коли колоїди випадають в осад (коагулюють), вони склеюють частинки у водотривкі агрегати, утримуючи живлення в кореневмісному шарі. При переході в розчин (пептизації) колоїдна фракція легко вимивається вниз по профілю, погіршуючи фізико-хімічні властивості ґрунту.

Коагуляція відбувається при висушуванні, заморожуванні ґрунту або під дією електролітів. Здатність іонів викликати випадання колоїдів в осад залежить від їхньої валентності, маси та ступеня гідратації. Чим більша водна плівка навколо іона, тим складніше йому підійти до колоїдної частинки для нейтралізації її заряду. Іон водню (H⁺) через малу гідратацію має сильну коагулюючу дію, але його точне місце в ряду залежить від складу твердої фази ґрунту. Особливим випадком коагуляції є тиксотропія, при якій гель переходить у золь при механічному впливі, що характерно для мерзлотних ґрунтів.

Склад колоїдів та вплив на них ґрунтових процесів

Кількість колоїдів в орному шарі сильно коливається і безпосередньо визначає поглинальну здатність ґрунту. Важкі глинисті та багаті на органіку ділянки містять максимум колоїдних частинок, тоді як легкі піщані ґрунти бідні на них. Дерновий процес сприяє утворенню та накопиченню колоїдів у верхньому горизонті, а підзолоутворення руйнує їх і виносить углиб ґрунтового профілю.

• Колоїди до маси ґрунту — від 3–4 до 30–40%
• Ступінь гідратації Li⁺ — 552
• Ступінь гідратації N — 452
• Ступінь гідратації K⁺ — 178
• Ступінь гідратації Mg²⁺ — 101
• Ступінь гідратації Ca²⁺ (база) — 100

За відношенням до води всі ґрунтові колоїди поділяються на гідрофільні та гідрофобні. Перші здатні активно притягувати молекули води, утворюючи на своїй поверхні багатошарову гідратну плівку. Другі не мають хімічної спорідненості до води і можуть утримувати лише мінімальний її обсяг.

• Гідрофільні: ґрунтова органіка, мінерали монтморилонітової групи.
• Гідрофобні: гідроксид заліза, мінерали каолінітової групи.

За складом колоїдні частинки поділяються на мінеральні, органічні (гумус, білки, полісахариди) та органо-мінеральні. Мінеральні колоїди утворюються при вивітрюванні (диспергації) первинних порід або збиранні з молекул (конденсації). Вони представлені кварцом, слюдою, вторинними мінералами (бейделіт, вермикуліт, галуазит, іліт, каолініт, монтморилоніт, нонтроніт) та гідроксидами заліза [Fe(OH)₃·nH₂O], алюмінію [Al(OH)₂·nH₂O], кремнію [SiO₂·nH₂O] та марганцю [Mn₂O₃·nH₂O].

Колоїди є головними носіями сорбційних властивостей ґрунту. Причиною цього є те, що ґрунтові колоїди навіть при невеликому вмісті становлять основну частку загальної поверхні твердої фази ґрунту (табл. 35; Фокін А.Д., 1989).

Таблиця 35 – Роль частинок різного розміру у формуванні загальної поверхні середньосуглинкового ґрунту

Так, наприклад, якщо зібрати колоїдні частинки в посудину об'ємом всього 1 см3, то сумарна поверхня їх коливатиметься від 6000 до 10000 м2, тобто дорівнюватиме майже 1 га. Зі збільшенням сумарної поверхні зростає сумарна поверхнева енергія та підвищується хімічна активність колоїдів. Питома поверхня більша в суглинкових ґрунтах, ніж у пісках і супісках, і вища в гумусовому горизонті, ніж у нижчих. Питома поверхня колоїдів у гумусових горизонтах суглинкових дерново-підзолистих ґрунтів становить 29 м2/г, сірих лісових – 33 та чорноземах – 48 м2/г. Крім того, фізико-хімічна природа поверхонь ґрунтових колоїдів сприяє протіканню на них сорбційних процесів. Здатність до дисоціації та пов'язана з цим хімічна активність забезпечують участь колоїдів у всіх фізико-хімічних процесах, зумовлюючи постійну присутність у ґрунтових розчинах елементів мінерального живлення та одну з найважливіших властивостей ґрунтів – поглинальну здатність.