Катионный обмен и почвенные коллоиды

Почвенные коллоиды — это мельчайшие заряженные частицы глины и органических веществ, поверхности которых притягивают и обратимо удерживают катионы питательных веществ. Этот процесс, называемый катионным обменом, является центральным для плодородия почв.

Definition

Почвенные коллоиды — это минеральные и органические частицы глинистого размера с большими заряженными поверхностями; катионный обмен — это обратимая адсорбция и высвобождение положительно заряженных ионов на этих поверхностях, измеряемая как емкость катионного обмена (ЕКО).

Scope

Эта тема охватывает природу и заряд глинистых и органических коллоидов, емкость катионного обмена, которая количественно определяет их способность удерживать питательные вещества, концепции обменных катионов и насыщенности основаниями, а также анионный обмен. Она объясняет, как почвы накапливают и буферизуют катионы питательных веществ, от которых зависят растения.

Core questions

• Что придает почвенным коллоидам поверхностный заряд?
• Что такое емкость катионного обмена и что ее контролирует?
• Что такое обменные катионы и насыщенность основаниями?
• Как катионный обмен буферизует почву и поставляет питательные вещества?

Key concepts

• Глинистые и органические коллоиды
• Постоянный и pH-зависимый заряд
• Емкость катионного обмена (ЕКО)
• Обменные катионы
• Насыщенность основаниями
• Емкость анионного обмена

Key theories

Поверхностный заряд коллоидов

Глинистые коллоиды несут постоянный отрицательный заряд от изоморфного замещения и pH-зависимый заряд от краевых и органических функциональных групп, поэтому общий заряд, а следовательно, и удержание питательных веществ, зависит от типа глины, органического вещества и pH.

Катионный обмен и насыщенность основаниями

Обменные катионы удерживаются электростатически на поверхностях коллоидов в динамическом равновесии с почвенным раствором; доля, занимаемая основными катионами (насыщенность основаниями) по сравнению с кислыми катионами, сильно влияет на плодородие и буферизацию pH.

Mechanisms

Глинистые коллоиды приобретают отрицательный заряд в основном за счет изоморфного замещения в их кристаллических решетках, дополняемого pH-зависимым зарядом на изломах краев и на органических функциональных группах. Этот отрицательный заряд притягивает множество катионов, которые остаются доступными для растений, но защищены от вымывания, обратимо обмениваясь с почвенным раствором по мере поглощения ионов корнями. Общее количество заряда определяет емкость катионного обмена — резервуар почвы для катионов питательных веществ и ее способность буферизовать pH.

Clinical relevance

Емкость катионного обмена определяет, насколько хорошо почва удерживает питательные вещества, такие как кальций, магний, калий и аммоний, от вымывания, насколько сильно она буферизует изменения pH и как она реагирует на удобрение и известкование; это рутинное измерение при анализе почвы и ключевой фактор для управления питательными веществами.

History

Катионный обмен в почвах был признан в середине XIX века в экспериментах Томпсона и Уэя, которые наблюдали, что почвы удерживают аммоний, высвобождая другие катионы. Коллоидная химия XX века объяснила это явление с точки зрения заряженных глинистых и органических поверхностей, сделав ЕКО фундаментальной концепцией плодородия почв.

Key figures

• Donald L. Sparks
• Nyle C. Brady
• Ray R. Weil

Seminal works

• sparks2003
• brady2016

Frequently asked questions

Почему глинистые и богатые органикой почвы удерживают питательные вещества лучше, чем песчаные?

Глинистые и органические коллоиды имеют большие отрицательно заряженные поверхности, которые притягивают и удерживают катионы питательных веществ, обеспечивая этим почвам высокую емкость катионного обмена; песчаные почвы имеют мало таких поверхностей, поэтому они удерживают мало питательных веществ и легко теряют их при вымывании.

Что емкость катионного обмена говорит о почве?

Она указывает, сколько катионов питательных веществ почва может накапливать и обменивать, и, следовательно, насколько хорошо она сопротивляется вымыванию питательных веществ и буферизует pH; почвы с высокой ЕКО дольше удерживают удобрения и известь, в то время как почвы с низкой ЕКО нуждаются в более частых, меньших внесениях.