Обмінним поглинанням (обмінної сорбції) катіонів називається здатність катіонів дифузного шару колоїдів обмінюватися на еквівалентну кількість катіонів ґрунтового розчину. В обмінному стані в грунтах зазвичай знаходяться Са2 +, Mg2 +, Na +, K +, H +, Al3 +, NH4 +, в незначних кількостях Fe2 +, Mn2 +, а також Li +, Sr + та ін.
Енергія поглинання (відносна кількість поглинання катіонів грунтами при однаковій їх концентрації) визначається валентністю іона, радіусом негідратірованного іона, атомною масою іона.
Загальна кількість всіх поглинених (обмінних) катіонів називається ємністю катіонного обміну (ЕКО), яка виражається в міліграмів-еквівалентах на 100 г грунту. Склад поглинених катіонів в грунтах зонального ряду (табл. 15.1) визначається умовами грунтоутворення і, перш за все, водним режимом.
Для грунтів екстрагумідних і гумідних областей з коефіцієнтом зволоження (Ку)> 1 в складі ППК основну роль грають катіони Са2 +, Mg2 +, Н +, Аl3 +; для семігумідних з Ку<1 — са2+, mg2+ и для почв аридных областей с ку<0, 5 mg2+, na+, иногда существенным участием к+.
Ємність катіонного обміну (ЕКО) коливається від декількох мг-екв / 100 г грунту в екстрагумідних і екстраарідних областях до 50-70 мг-екв / 100 г грунту в чорноземах семігумідних (напіввологу) областей. Зональні показники ЕКО насамперед
Необмінна поглинання катіонів відбувається в шарі потенциалопределяющих іонів. Такі катіони після взаємодії з ППК не переходять в розчин при обробці грунту розчином нейтральних солей. Необмінна поглинання катіонів визначається як їх видом, так і складом ґрунтових колоїдів. У практичному відношенні заслуговують на велику увагу процеси Необмінна поглинання елементів живлення, зокрема іонів калію і амонію. Встановлено можливість переходу катіонів в системі: катіони ґрунтового розчину - обмінні - Необмінна - катіони кристалічних решіток мінералів. У такому ж порядку знижується доступність катіонів для рослин.
Кількісно поглинальну здатність грунту характеризують такі показники:
Ємність катіонного обміну (ЕКО, мг • екв на 100 г грунту) - загальна кількість катіонів, утримуваних грунтом в обмінному стані і здатних до заміщення на катіони розчину, що взаємодіє з грунтом; висловлюють в мг * екв на 100 г грунту. Величина ЕКО залежить від гранулометричного і мінералогічного складів грунту, вмісту і якісного складу органічної речовини, реакції середовища.
ЕКО = сума всіх катіонів здатних до обміну (S), в т.ч. водню і алюмінію (Нг);
Внесок того чи іншого компонента в ЕКО грунту залежить від його змісту і характеру взаємодії з іншими речовинами. Часто це взаємодія супроводжується зниженням величини ЕКО, властивої індивідуальним компонентів. Наприклад, ЕКО гумусу грунту в цілому набагато менше, ніж власне гумінових або фульвокислот. Це пов'язано з тим, що частина функціональних груп гумусових речовин взаємодіє з поверхнею глинистих мінералів і не приймає участі в реакціях обміну.
Тісний взаємозв'язок спостерігається між ЕКО і розміром грунтових частинок. Великі фракції механічних елементів, що складаються в основному з первинних мінералів, практично не беруть участь в обмінних реакціях. Зі зменшенням розміру механічних елементів і збільшенням в їх складі кількості глинистих мінералів ЕКО істотно зростає. У той же час необхідно враховувати, що тонкодисперсні частинки, особливо в гумусових горизонтах, завжди збагачені органічною речовиною, що має високу ЕКО.
На величину ЕКО грунту суттєво впливає реакція середовища. Зі збільшенням pH зростає іонізація функціональних груп глинистих мінералів, в реакції обміну крім карбоксильних груп гумусових речовин додатково включаються їх спиртові і фенольні гідроксили. У лужному середовищі відбувається перезарядка амфотерних колоїдів, і вони набувають здатність до обмінного поглинання катіонів. Все це сприяє збільшенню ЕКО грунту в міру зростання pH.
Залежно від типу грунту ємність катіонного обміну може варіювати в таких межах (табл. 8).
Таблиця 8. Ємність катіонного обміну в грунтах
Таблиця 9. Оцінка рівня поглинальної здатності грунтів
Виходячи з цього, всі грунту поділяють на дві великі групи:
1. грунту, насичені підставами
2. грунту не насичені основами
Перші не містять в ППК іони H + і Al3 +. Обмінні катіони в них представлені тільки обмінними підставами Ca2 +, Mg2 +, K +, NH4 +, Na +, кількість яких відповідає реальній ємності обміну. Другі завжди містять деяку кількість обмінних H + і Al3 +, тому сума обмінних основ у них менше ЕКО.
Ступінь насиченості грунтів підставами (V,%) - частка суми обмінних підстав від ємності катіонного обміну, виражена у відсотках.
V = (S / ЕКО) × 100,%,
інакше можна записати V = S / (S + Нг) × 100,%
Сорбційна здатність грунту - максимальна кількість речовини, яке може бути сорбированная грунтом. Як сорбент грунт поліфункціональна, тому її сорбційна ємність по відношенню до різних речовин неоднакова. Наприклад, Zn2 + може поглинатися обмінним і необмінним шляхом, а також за рахунок комплексообразовательной і осадової сорбції, Na + - переважно обмінно, K + - за обмінним і Необмінна типу. У зв'язку з цим сорбційна ємність поглинання різних речовин однієї і тієї ж грунтом істотно варіює.
Під буферностью грунту розуміють її здатність як поліфункціональної системи протистояти зміні концентрації ґрунтового розчину, особливо її лужно-кислотного і окислювально-відновного стану.
Буферні властивості грунту пов'язані з процесами фізико-хімічного (обмінного) поглинання іонів, переходу різних з'єднань в іонні і молекулярні форми, з нейтралізацією і випаданням в осад знову утворюються з'єднань. В основному буферність грунту визначається якістю її твердої фази, однак, механізм роботи буферних систем грунту дуже різноманітний і може обходитися без залучення елементів твердої фази.
Зміна концентрації ґрунтового розчину проявляється при внесенні в грунт у вигляді добрив водорозчинних солей, які локально можуть створювати токсичні для рослин концентрації. Завдяки буферности грунтів це негативна властивість високих концентрацій блокується. В цілому, чим більшою ємністю поглинання має грунт, тим вище її буферна здатність. Найменша буферність властива піщаним грунтам і пісках.
Величина буферности грунтів залежить від змісту ґрунтових колоїдів (чим більше колоїдів, тим вище буферність), їх якості (чим більше гумусових речовин, глин групи монтморилоніту, мінеральних колоїдів з широким відношенням кремнезему до глинозему, тим буферність вище), складу обмінно-поглинених катіонів ( наявності в ППК катіонів кальцію, магнію, калію, натрію перешкоджає підкислення грунтів, а катіонів водню, алюмінію - подщелачивания).