Почву необходимо рассматривать как систему, состоящую из трех фаз (или частей) — твердой, жидкой и газообразной. Все три фазы почвы находятся в постоянном взаимодействии, между ними непрерывно протекают реакции обмена и поглощения. Наибольшей подвижностью и изменчивостью обладают газообразная и жидкая фазы, по сравнению с ними твердая фаза инертна, но и она содержит активную часть — почвенные коллоиды.
К коллоидам принято относить все измельченные вещества, размер частиц которых колеблется от 10-5 до 10-7 см. Тонкодисперсные частицы коллоидов обладают большой удельной поверхностью, достигающей 10—50 м2 и более на 1 г вещества, и свободной поверхностной энергией. Большой запас свободной поверхностной энергии обусловливает такие важные свойства коллоидов, как их высокую адсорбционную способность (поглощение), стремление к агрегации частиц и др.
В явлениях обмена и поглощения в почве решающая роль принадлежит коллоидам. Совокупность почвенных частиц обладающих свойствами коллоидов, принято называть коллоидным комплексом почвы или (по предложению академика К. К. Гейдройца) почвенным поглощающим комплексом (ППК).
Почвенный поглощающий комплекс — высокодисперсная минеральная и органическая часть почвы, обусловливающая ее поглотительную и обменную способность.
По составу коллоиды почвы подразделяются на три группы: минеральные, органические и органо-минеральные. В почве преобладают минеральные коллоиды, преимущественно из групп глинистых минералов, гидроокислов и окислов.
Органические коллоиды состоят из гумусовых веществ, поэтому верхние слои почвы содержат больше органических коллоидов, чем нижние. Органо-минеральные коллоиды представлены комплексными соединениями гумусовых веществ с минеральными.
Содержание коллоидов зависит от механического состава почвы и содержания гумуса. Наиболее богаты коллоидами глинистые и суглинистые почвы с высоким содержанием гумуса. Почвы песчаные, супесчаные, обедненные илистой фракцией и гумусом содержат незначительное количество коллоидов.
Коллоиды могут находиться в двух состояниях: коллоидного раствора — золя и коллоидного хлопьевидного осадка — геля. В том случае, когда твердые коллоидные частицы почвы распределены в большом объеме воды и отделены одна от другой, они находятся в состоянии золя. Подобное состояние объясняется двумя причинами: наличием электрического заряда у коллоидных частиц и водной оболочки вокруг них.
Образованию геля способствует обезвоживание коллоидных частиц при высушивании и промораживании почвы и нейтрализация заряда при добавлении в почву электролитов. Процесс соединения (слипания) коллоидных частиц называется коагуляцией.
Процесс, противоположный коагуляции, называется пептизацией (переход геля в золь), он возможен для коллоидов, хорошо набухающих в воде (гидрофильных).
В почве наблюдается переход части коллоидов из одного состояния в другое, но состояние коллоидов в виде геля — наиболее постоянное. Лишь во влажной почве небольшая часть коллоидов находится в состоянии золя.
Строение коллоидной мицеллы. В ППК единицу коллоида представляет коллоидная мицелла. В ней различают три составные части, или слоя: 1) ядро мицеллы; 2) потенциалопределяющий слой — слой, определяющий заряд коллоидной частицы; 3) слой компенсирующих ионов — внешний слой ионов, нейтрализующих заряд.
Слой компенсирующих ионов подразделяется на два слоя: слой неподвижных ионов и подвижный слой диффузных ионов. Ядро, потенциалопределяющий слой и слой компенсирующих неподвижных ионов составляют коллоидную частицу. Между ней и окружающим раствором возникает электрокинетический потенциал (свободная поверхностная энергия), под влиянием которого находится подвижный слой компенсирующих ионов — диффузный слой.
Он располагается на некотором расстоянии от слоя потенциалопределяющих ионов.
Таким образом, коллоидная частица имеет заряд, коллоидная мицелла электронейтральна и окружена водной оболочкой.
Обменные катионы. Это катионы, поглощенные высокодисперсной частью почвы, способны к обмену. Максимальное количество обменных катионов, которые могут быть поглощены почвой из солевого раствора, называют емкостью поглощения катионов почвой. Эту величину выражают в мг*экв. на 100 г почвы. Величина емкости поглощения зависит от содержания коллоидов, а следовательно, от механического состава почвы и содержания гумуса.
Большой емкостью поглощения обладают суглинистые и глинистые черноземы, солонцы, луговые и болотные почвы. Емкость поглощения в этих почвах достигает 50—60 мг-экв. и более на 100 г почвы.
В состав обменных катионов отрицательно заряженных коллоидов почвы входят Са2+, Мg2+, К+, Na+,Н+, А13+, Fе2+.
В ППК дерново-подзолистых почв, красноземов и желтоземов входят катионы Са2+, Мg2+, Н+, А13+ , в черноземных почвах в поглощенном состоянии находится Са2+ и Мg2+; в почвах засушливых областей — каштановых, солонцах — состав поглощенных катионов представлен Са2+, Мg2+,Na+. Поглощенный К+ встречается во всех типах почв, но в малых количествах.
В зависимости от состава обменных катионов академик К. К. Гедройц все почвы подразделил на насыщенные основаниями и ненасыщенные.
К почвам, насыщенным основаниями, относятся почвы, ППК которых содержит одни поглощенные основания: Са2+, Мg2+, Na+; к ненасыщенным — почвы, ППК которых не полностью насыщен основаниями, в нем содержатся ионы Н+ и А13+.
Количество поглощенных оснований принято называть суммой поглощенных оснований, которая выражается в мг*экв. на 100 г почвы. Насыщенность основаниями у почв различных типов неодинакова. Она будет близка к полной (100%) у черноземных и каштановых и неполной (30—60%) у почв ненасыщенных — дерново-подзолистых, красноземов и желтоземов и др. Степенью насыщенности почв основаниями (V) называется отношение суммы поглощенных оснований (S) к емкости поглощения катионов (Е), выраженное в процентах V=S/E*100
Влияние обменных катионов на свойства почв и произрастание растений. Наиболее благоприятными свойствами обладают почвы, насыщенные основаниями, например черноземы, в которых ППК насыщен Са2+ и Мg2+. В таких почвах образуется водопрочная структура, органические и минеральные коллоиды сохраняются и накапливаются, что способствует увеличению емкости поглощения катионов. Эти почвы имеют нейтральную или слабощелочную реакцию.
Почвы, насыщенные основаниями, но в ППК которых наряду с Са2+ и Мg2+ много Na+ (в солонцеватых почвах и солонцах), характеризуется неблагоприятными свойствами. Наличие натрия приводит к пептизации коллоидов, агрономически ценная структура не образуется, а ранее созданная разрушается. При этом ухудшаются физические свойства, водный и воздушный режимы почвы; во влажном состоянии она становится вязкой, а при высыхании образует плотную массу, трудно поддающуюся обработке. Реакция у этих почв щелочная.
Почвы, ненасыщенные основаниями (подзолистые, дерново-подзолистые, болотные и др.), содержат в ППК Н+ и А13+.. Ионы Н+ постепенно разрушают минералы почвенного поглощающего комплекса, поэтому почва обедняется коллоидами, уменьшается емкость поглощения катионов, ухудшается структура. В таких почвах создается неблагоприятный водно-воздушный режим, суглинистые почвы заплывают, образуя корку на поверхности. Кроме того, почвы обладают кислой реакцией.