Лекція №5. Ґрунтовий розчин

Між твердою, рідкою та газоподібною фазами грунту ідуть постійні процеси взаємодії. Важливіший з них – поглинання твердою фазою різних речовин, що знаходяться в рідкому або газоподібному стані. Це явище поглинання та утримання різних сполук називається вбирною здатністю грунту. Вбирна зітніть грунту має велике значення не тільки в утворенні та еволюції грунтів, але й в практиці землеробства.  Вона обумовлює утримання грунтом різних розчинених сполук, в тому числі важливих для життя рослин і мікроорганізмів, елементів живлення.

Основну роль в явищах вбирної здатності грунтів відіграють тонко дисперсні частки розміром менше 0,0002 мм, які називаються колоїдами. Вся сукупність колоїдів в грунті по пропозиції академіка К.К.Гедройца називається грунтово-вбирним комплексом (ГВК). Утворення колоїдів в грунті відбувається або внаслідок подрібнення крупних часток при вивітрюванні, механічній та хімічній ерозії, або конденсаційним шляхом внаслідок сполучення молекулярно подрібнених речовин.

По складу грунтові колоїди можуть бути мінеральними, органічними та органо-мінеральними. До мінеральних відносять тонко дисперсні первинні мінерали (кварц, слюда), вторинні кристалічні мінерали (каолініт, гідрослюди та інше), вторинні аморфні мінерали (гідрати оксидів заліза, алюмінію, кремнію). Органічні колоїди представлені гумусовими кислотами та їх солями, а органо-мінеральні – комплексними сполуками гумусових речовин з мінералами.

Колоїдна частка називається міцелою. Вона складається з ядра, яке являє собою агрегати молекул даної речовини. На поверхні ядра знаходиться шар молекул, здатних до дисоціації. Цей шар називають іоногенним. Іони, що безпосередньо знаходяться на поверхні ядра утворюють так званий потенціал визначаючий шар. А за ним знаходиться шар компенсуючих іонів, які мають заряд протилежний потенціал визначаючому шару.

Відомо, що різні речовини легко вступають в реакцію з друг другом, якщо вони розчинені в воді, тому що при цьому вони розпадаються на молекули та іони, що швидко реагують між собою. Грунтові колоїди не розчиняються в воді, однак беруть активну участь в хімічних реакціях. В реакцію вступають тільки молекули та іони поверхневого шару колоїдних часток. Чим дрібніше роздроблена якась нерозчинна речовина, тим більше її сумарна поверхня і тим більше на ній знаходиться молекул та іонів. Вони мають вільний заряд І можуть притягувати з оточуючого розчину іони, які несуть протилежний заряд. Кожна колоїдна частка активно реагує з молекулами води оточуючого II розчину та гідратується. Навкруги частки утворюється гідратна плівка різної товщини в залежності від природи колоїду та сили заряду.

Колоїди, здатні утримувати багатошарові плівки води, називають гідрофільними, а слабо гідратовані - гідрофобними, до гідрофільних колоїдів відносяться: кремнекислота, гумусові кислоти, білки, а до гідрофобних - гідроокис заліза, мінерали групи каолініту. З водою колоїдні частки утворюють колоїдні розчини. Вони можуть бути двох типів: золь та гель. Золь - колоїдний розчин, в якому частки вільно рухаються в  звішеному стані, мають однаковий заряд і практично не осідають. Для того, щоб частки осіли, треба ввести в розчин речовини, що мають протилежний заряд (електроліти). До них в першу чергу відносяться прості мінеральні солі, які часто знаходяться в ґрунтовому розчині. Позитивні іони металів (катіони) взаємодіють з від’ємними колоїдними частками (аніонами) і нейтралізують їх. Електронейтральні частки починають осідати, злипаючись друг з другом, утворюючі плівки та скоринки, - так іде перехід золю в гель. Гель – це студениста дисперсна система, що утворюється з колоїдного розчину. Процес переходу золю в гель називають коагуляцією, а протилежне явище – пептизацією. Коагуляція ґрунтових колоїдів під впливом одновалентних катіонів – зворотна і приводить до утворення неводостійкої структури, грунти можуть запливати. Незворотна коагуляція проходить тільки під впливом полівалентних катіонів (Са, Мg, Аl, Fе).

Найкращі клеючі здібності в грунті мають гелі гумусових речовин, що насичені кальцієм. Ці колоїди міцно з’єднують грунтові частки і  тому є кращими структуроутворювачами. Колоїди, насичені залізом, дуже міцні, містять мало води, сприяють утворенню дуже щільних горизонтів. Колоїди, що насичені

натрієм, здатні до пептизації, яка веде до руйнування структури грунту та

збідненню гумусом. Коагуляція колоїдів може проходити також при взаємній нейтралізації протилежно заряджених колоїдів, при зменшенні кількості води, наприклад, при її випаровуванні чи замерзанні.  Колоїдам в грунті належить надзвичайна роль. З ними тісно пов’язане утворення структури грунту, її вологоємкість та Інші фізико-механічні властивості. Про кількість колоїдних речовин в грунті можна судити по його гранулометричному та мінералогічному складу, вмісту гумусу. 

Як відомо, грунт являє собою дисперсне тіло, яке складається з часток різного розміру. Це явище обумовлює важливу властивість грунту – бути пористим тілом, тобто в ньому не весь простір заповнений твердими частками і між ними є певний простір –пори та інші порожнини різного розміру. Вся порожнина в грунті в сукупності складає порозність грунту. В різних грунтах і навіть генетичних горизонтах одного грунту величина поризності може коливатись в досить широких межах від 25-30% загального об’єму грунту до 90% в лісових підстилках та торфовищах. Пори та порожнини грунту в природному стані ніколи не бувають порожніми, вони завжди заповнені або грунтовим повітрям, або водою, а найчастіше одночасно і тим, і іншім. Тому в грунті виділяють три головні складові частини або фази: тверду, газоподібну та рідку, які завжди знаходяться в стані постійного зв’язку та взаємозв’язку. Газоподібна та рідка фази грунту найбільш активні, а тверда –більш інертна, тому, що більшість речовин з яких вона складається нерозчинні у воді. Разом з тим певна частина твердої фази здатна приймати досить активну участь в багатьох грунтових процесах та реакціях завдяки її великій сумарній площі поверхні, яка залежить від дисперсності грунтових часточок. Цю частину твердої фази грунту називають грунтовими колоїдами або грунтово-колоїдним комплексом. Тобто, колоїдами грунту називаються частки менші за 0,00025.

Утворення колоїдів в грунті відбувається або внаслідок подрібнення крупних часток при вивітрюванні, механічній та хімічній ерозії, або конденсаційним шляхом внаслідок сполучення молекулярно подрібнених речовин.

 По складу грунтові колоди можуть бути мінеральними, органічними та органо-мінеральними. До мінеральних відносять тонко дисперсні превинні матеріали (кварц, слюда), вторинні кристалічні мінерали (каолініт, гідрослюди та інше), вторинні аморфні мінерали (гідрати оксидів заліза, алюмінію, кремнію). Органічні колоїди представлені гумусовими кислотами та їх солями, а органо-мінеральні – комплексними сполуками гумусових речовин з мінералами.

Відомо, що різні речовини легко вступають в реакцію з друг другом, якщо вони розчиненні у воді, тому що при цьому розпадаються на молекули та іони, що швидко реагують між собою. Грунтові колоїди не розчиняються у воді, однак беруть активну участь в хімічних реакціях. В реакцію вступають тільки молекули та іони поверхневого шару колоїдних часток. Чим дрібніше розроблена якась нерозчинна речовина, тим більша її сумарна поверхня і тим більше на ній знаходиться молекул та іонів. Вони мають вільний заряд і можуть притягувати з оточуючого розчину іони, які несуть протилежний заряд. Кожна колоїдна частка активно реагує з молекулами води оточуючого її розчину та гідратується. Навкруги частки утворюється гідратна плівка різної товщини в залежності від природи колоїду та сили заряду.

 Колоїди, здатні утримувати багатошарові плівки води, називають гідрофільними, а слабо гідратовані – гідрофобними, до гідрофільних колоїдів відносяться: кремнекислота, гумусові кислоти, білки, а до гідрофобних – гідрооксид заліза, мінерали групи каолініту. З водою колоїдні частки утворюють колоїдні розчини. Вони можуть бути двох типів: золь та гель. Золь – колоїдний розчин, в якому частки вільно рухаються в зовнішньому стані, мають однаковий заряд і практично не осідають. Для того, щоб частки осіли, треба ввести в розчин речовини що мають протилежний заряд (електроліти). До них в першу чергу відноситься приріст мінеральної солі, які часто знаходяться в грунтовому розчині. Позитивні іони металів (катіони) взаємодіють з від’ємними колоїдними частками (аніонами) і нейтралізують їх. Електронейтральні частки починають осідати, злипаючись один з одним, утворюючи плівки та скоринки, - так іде перехід золю в гель. Гель – це студениста дисперсна система, що утворюється з колоїдного розчину. Процес переходу золю в гель називають коагуляцією, а протилежне явище – пептизацією. Коагуляція грунтових колоїдів під впливом одновалентних катіонів – зворотна і приводить до утворення неводостійкої структури, грунти можуть запливати. Незворотна коагуляція проходить тільки під впливом полівалентних катіонів (Ca, Ma. Al, Fе).

Найкращі клеючі здатності в грунті мають гелі гумусових речовин, що насичені кальцієм. Ці колоїди міцно з’єднують грунтові частки і тому є кращими структуроутворювачами. Колоїди, насичені залізом, дуже міцні, містять мало води, сприяють утворенню дуже щільних горизонтів. Колоїди, що насичені натрієм, здатні до пептизації, яка веде до руйнування структури грунту та збідненню гумусом. Коагуляція колоїдів може проходити також при взаємній нейтралізації протилежно заряджених колоїдів, при зменшенні кількості води, наприклад, при її випаровуванні чи замерзанні. Колоїдам в грунті належить надзвичайна роль. З ним тісно пов’язане утворення структури грунту, її вологоємкість та інші фізико-хімічні властивості. Про кількість колоїдних речовин в грунті можна судити по його гранулометричному та мінералогічному складу, вмісту гумусу.

Грунтовий колоїдний комплекс або грунтово-вбирний комплекс (ГВК) являє собою сукупність всіх колоїдів грунту і обумовлює найважливішу властивість грунту – його вбирну здатність.

Вбирна здатність грунту – це його властивість поглинати різні тверді, рідкі та газоподібні речовини або збільшувати їх концентрацію на поверхні колоїдних часток.

Людина давно знала про поглинання різних речовин грунтом. Моряки в давні часи використовували цю унікальну властивість грунту для очищення морської води від надлишку розчинних в ній солей.

При пропусканні морської води через грунт чи вапнякове каміння солі затримувались, а вода ставала більш прісною і менш шкідливою для здоров’я.

В наш час розроблені спеціальні штучні речовини з високою поглинальною здатністю, які очищують воду від солей та інших зайвих речовин і морська вода може використовуватись в технічних цілях і, навіть, для готування їжі. Подібні речовини використовуються для очистки води від найдрібніших часток грунту, органічних залишків, деяких мікроелементів. Це так звані фільтри різної модифікації, в дрібнинних порах яких затримуються всі розчинні в воді речовини, і вода після фільтрації стає чистішою.

Вбирна здатність вугілля була використана в часи першої світової війни, коли вперше проти людства були застосовані отруйні гази. Академік Н.Д.Залінський, шляхом комбінації вати і вугілля винайшов перший протигаз, принцип дії якого застосовується до цього часу.

Вбирна здатність грунту має велике значення і для сільського господарства. Перші спостереження про поглинання деяких речовин та використання їх рослинами в період росту були зроблені біля 200 років тому.

В наш час існує багато фактів, які розширюють та поглиблюють теорію поглинання грунтом різних речовин.

Засновник вчення про вбирну здатність грунтів академік К.К.Гедройц запропонував на основі безпосередньої прочини поглинання тих чи інших речовин, розрізняти п’ять видів вбирної здатності грунтів: механічна, фізико-хімічна, фізична хімічна та біологічна. Розглянемо ці види окремо.

Механічна вбирна здатність – це здатність грунту затримувати дрібні частки іншої речовини в своїх порах.

Фізико-хімічна або обмінна вбирна здатність обумовлена обміном катіонів грунту на катіони грунтового розчину в еквівалентних кількостях. Цей вид поглинання схематично має такий вигляд

(ГВК)Ca ²⁺ + KCl↔(ГВК)     + CaCl₂

 Фізико-хімічне поглинання в грунті найчастіше проходить при зміні рівня вологості, внесенні добрив та інших меліорантів, при підйомі грунтових вод, зрошенні тощо. Навіть незначна зміна в концентрації та складі грунтового розчину викликає зміну в складі поглинутих грунтом катіонів. таким чином, грунтово-вбирний комплекс та грунтовий розчин постійно знаходяться в стані тісного взаємозв’язку та взаємовпливу. Кожна різновидність грунту містить в своєму грунтово-вбирному комплексі певний чітко визначений склад та кількість катіонів, основною суттєвою відміною фізико-хімічного поглинання від хімічного є те, що при фізико-хімічному поглинанні реакція взаємодії проходить тільки на поверхні колоїдних часток.

Хімічна вбирна здатність або хемосорбція, де здатність, яка супроводжується утворенням в грунті важкорозчинних чи нерозчинних сполук. Прикладом хімічного поглинання може бути утворення за певних умов в грунті гіпсу при взаємодії сірчанокислого натрію з хлористим кальцієм, утворення фосфорнокислого кальцію з хлористого кальцію та фосфорнокислого натрію та інше.

Фізична вбирна здатність – це збільшення концентрації молекул різних речовин (газів, парів, розчинених сполук) на поверхні грунтових колоїдів за рахунок вільної поверхневої енергії.

Фізична вбирна здатність та фізико-хімінча дужа схожі і зв’язані. Інколи за фізичну здатність приймають два явища: фізико-хімічне та хімічне поглинання. Наприклад, молекула фосфорнокислого калію поглинається грунтом, на перший погляд має місце фізичне поглинання, але при детальному розгляді цього явища виявляється, що грунтово-вбирний комплекс поглинає не цілі молекули фосфорнокислого калію, а його іони, тобто це фізико-хімічне поглинання, схематично це має такий вигляд:

3(ГВК)Ca+2К₃РО₄=(ГВК)     + Ca₃(РО₄)₂

 В даному випадку витіснений іон кальцію з фосфорною кислотою утворює нерозчинний осад, тобто має місце і хімічне поглинання. Таким чином одночасно спостерігається два види поглинання. Даний приклад показує , що диференціація вбирної здатності грунту на види прийом досить відносний. Насправді всі означені види в грунті тісно взаємопов’язані і діють одночасно в залежності від конкретних умов. 

Біологічна вбирна здатність – це здатність грунтових мікроелементів та коренів рослин поглинати та утримувати різні біологічні елементи та сполуки. Цей вид вбирної здатності грає особливу роль в процесах грунтоутворення та живлення рослин. Завдяки біологічній вбирній здатності в грунті акумулюються загальні елементи живлення рослин та сполуки азоту.

Обмінно-поглинутими катіонами грунту вважаються катіони, що знаходяться в компенсуючому шарі колоїдної частки. По кількості обмінно-поглинутих катіонів можна мати уяву про величину вбирної здатності грунтів.

 Сума катіонів, що входять до грунтово-вбирного комплексу і здатні до обміну називаються ємністю вбирання або ємністю катіонного обміну. Вона позначається символом Е і вимірюється в мг-екв. на 100 г грунту.

Ємність катіонного обміну складається з двох показників: суми обмінних основ S, куди входять головним чином Na, K, Mg, Ca та поглинутого водню Н, вміст якого позначають літерою Н. Таким чином ємність катіонного обміну – це сума всіх катіонів грунту Е=S+Н.

Ємність катіонного обміну у різних грунтів неоднакова і залежить від складу та властивостей грунтових колоїдів. Чим більше в грунті глинистих мінералів та перегною, тим вища їх ємність катіонного обміну. В легких грунтах вона складає 5…10 мг-екв., в чорноземах може досягати 50…70 мг-екв. на 100 г грунту.

По складу ввібраних катіонів грунти діляться на насичені та ненасичені основами. До насичених основами відносять грунти, в грунтово-вбирному комплексі яких більше катіонів кальцію та магнію та відсутні катіони водню та алюмінію. Такі грунти мають водостійку структуру, слабокислу або нейтральну реакцію грунтового розчину та сприятливі водно-фізичні властивості. До них належать чорноземи та каштанові грунти.

 До ненасичених основами належать грунти, які в грунтово-вбирному комплексі разом з іонами кальцію та магнію містять іони водню та алюмінію. Структура таких грунтів не водостійка, вони схильні до запливання та утворення грунтової корки, мають несприятливу для рослин підвищену кислотність. До них відносять підзолисті, дерново-підзолисті грунти.

Суттєвий вплив на агрономічні властивості грунтів здійснює ступінь насиченості основами (V), тобто відношення суми поглинутих основ S до ємності катіонного обміну Е.

V=S/(S+Н)*100.

Ступінь насиченості грунтів основам показує, яку частину ємності катіонного обміну займають обмінні основи. Виражають її в %. Грунти, які не містять поглинутого водню (каштанові, бурі, чорноземи) мають ступінь насиченості 100%. В грунтах з гідролітичною кислотністю (поглинутий водень) вона завжди менша 100%, тому їх відносять до групи грунтів, ненасичених основами. Чим більше в грунтах поглинутого водню, тим менша його насиченість основами. Для різних грунтів вона може змінюватись від 5 до 100%, тим самим дозволяє судити про необхідність вапнування.

 9. Геостатистичні методи аналізу значно полегшують процес оцінювання показників ґрунтів, які отримують в результаті агроекологічного моніторингу, оскільки вони оперують залежними змінними, які корелюються в просторі або часі, причому ступінь кореляції між точками (в цьому випадку між контрольними ділянками агроекологічного моніторингу ґрунтів) обернено пропорційно залежить від відстані між ними. Ці методи дають змогу не тільки інтерполювати значення в місцях, де не відібрано проб ґрунту, будувати поверхні просторового розподілу показників ґрунтового покриву, а й оцінювати похибку побудови геостатистичних моделей.