ХИМИЯ КРЕМНЕЗЕМА

Растворимый кремнезем и плодородие почв

Хотя кажется, что кремнезем не является важным для роста большинства растений, тем не менее неоднократно было пока­зано, что добавление растворимого силиката к почве или к культуральным растворам давало благотворный результат в том случае, когда имелся дефицит усвояемого фосфора. В на­стоящее время выяснен механизм этого явления. Это происхо­дит не потому, что растение способно утилизировать силикат вместо фосфат-иона, как предполагалось вначале, а скорее благодаря тому, что силикатный ион способен вытеснять фос­фат-ион с поверхности частиц почвы или коллоидного материала, увеличивая таким образом содержание фосфора в рассматри­ваемой системе.

Например, Сринивасан рассмотрел доступную информацию о роли кремния в питании растений и пришел к заключению, что силикат в' почве способствует поглощению фосфора. В дру­гих исследованиях, выполненных этим же автором [128], было показано, что растворимый кремнезем (или силикат-ион) ад­сорбируется определенными компонентами почвы, в частности глинами. Соотношение между концентрацией и степенью удер­живания силикат-иона оказывается логарифмическим, что ука­зывает на наличие адсорбции. Было продемонстрировано, что гели оксида алюминия и оксида железа адсорбировали силикат - ионы почти так же, как и почвы, образуя адсорбционный ком­плекс, из которого силикат удаляется промыванием с большим трудом. Далее было показано, что в том случае, когда почва обрабатывается растворимым силикатом, фоСфат-ионы адсорби­руются менее прочно. Силикагель не адсорбирует фосфат-ионы. Следовательно, ясно, что добавление силиката может привести к определенному эффекту в питании растения, поскольку сили­кат вытесняет фосфат-ионы, находящиеся в адсорбированном состоянии на поверхности почвы и, таким образом, делает фос­фат более доступным для растения. Бастисс [129] также пока­зал, что фосфат-ионы можно освободить из адсорбированного состояния на некоторых почвах посредством добавления раство­римого кремнезема. Этот прием особенно эффективен для лате - ритных почв, на которых фосфат-ионы прочно адсорбируются. Последние становятся недоступными для растений из-за обра­зования нерастворимых фосфатов железа и алюминия. В почвах такого типа добавление силиката ведет к вытеснению адсорби­рованных фосфат-ионов, так что в результате урожаи зерновых удваиваются или утраиваются, если среда щелочная, видоизме­ненная за счет добавления силиката, и возрастают вплоть до пятикратного размера, если среда нейтральная. Отмечалось также заметное увеличение в растении содержания Si02, Р2О5 и железа. Вытеснение фосфат-ионов из некоторого вида почв силикатом было также продемонстрировано путем измерения изотерм адсорбции [130]. Обработка почв силикатами натрия и калия вела к понижению их способности адсорбировать фос­фат из раствора. Вероятно, силикат изолирует активные адсорб­ционные центры коллоидной системы и сам удерживается более сильно, чем фосфат-ионы. Это приводит к предотвращению адсорбции фосфата.

При исследовании вытеснения анионов из почв путем добав­ления растворимого силиката было показано [131], что фосфат - ионы освобождались из адсорбированного состояния только в слабощелочной среде, так что такое вытеснение скорее осу­ществлялось гидроксил-ионами или силикат-ионами, чем крем­невой кислотой. При рН~7 растворимый кремнезем в основном оказывается в неионизированной форме и поэтому лишь слабо вытесняет фосфат-ионы. Определенное возрастание урожая ячменя и суданской травы отмечалось в том случае, когда к почве добавляли силикат кальция или магния, т. е. вещества, которые, несомненно, в достаточной мере щелочные, чтобы обеспечить образование некоторого количества силикатных ионов. Отмечалось заметное поглощение кремнезема редькой, ячменем и суданской травой, когда они выращивались на сили­катных почвах.

Среди других наблюдений, относящихся к воздействию крем­незема на питание растений, можно отметить следующие. В вод­ной культуре ячменя растворимый силикат вызывал значитель­ное повышение сухой массы растений, если в системе отмечался недостаток фосфора [132]. Развитие листьев тормозилось при недостатке фосфата и ускорялось при добавлении силиката. В присутствии достаточного количества фосфора силикат ока­зывал небольшое влияние. По данным Леммерманна и Висс - мана [133], кремнезем дает повышение урожая определенных видов культур, в частности бобовых и крестоцветных, только в том случае, когда недостаточно содержание фосфорной кис­лоты. Однако благотворное воздействие кремнезема может ока­заться значительно слабее, когда в системе отмечается дефицит поташа или азота. Указанные авторы [134] считают, что крем­незем не изменяет функциональные возможности растения, но способствует растворению фосфатных соединений.

Дюшон [135] пришел к заключению, что благоприятное дей­ствие коллоидного кремнезема на урожаи культур в песчаной среде при недостаточном содержании фосфорной кислоты, ис­пользуемой в качестве удобрения, обусловлено главным образом физическими свойствами коллоидной системы и заключается в улучшении физического состояния песчаной почвы и исполь­зования имеющегося фосфора. Хэмпл [136] пришел к аналогич­ному заключению.

Количество доступного растениям растворимого кремнезема в почвенной влаге в значительной мере определяется химиче­ским составом. Свободные оксиды железа или алюминия погло­щают и переводят в нерастворимое состояние кремнезем. Овес поглощает кремнезем со скоростью, которая непосредственно зависит от количества кремнезема в почвенных водах, и сум­марное содержание кремнезема возрастает с увеличением коли­чества испаряющейся воды. В этом случае кремнезем, таким образом, играет лишь пассивную с биохимической точки зрения роль [137].

Органические кислоты, способные образовывать хелатные соединения с Fe3+ или А13+, очевидно, приводят к выделению' кремневой кислоты из соединения кремнезема с этими элемен­тами в почве или, наоборот, удаляют указанные элементы с по­верхности кремнезема, что позволяет ему растворяться. Погло­щение кремнезема ускоряется при понижении значения рН в почве [138]. Почву можно удобрять кремнеземом, который переводится в растворимое состояние в виде комплекса с гума - том аммония, аналогичного комплексу катехолата аммония

[139] .

Фосфат-ионы, согласно данным Рейфенберга и Бучвальда

[140] , способны вытесняться из почв и глинистых минералов, таких, как монтмориллонит, причем этот эффект наименее вы­ражен при рН 7,5. Однако силикат может вытеснять фосфат, особенно при более высоких значениях рН.

Экстрагирование кремнезема растениями из почвы, целиком состоящей из инертных горных пород, таких, как базальт, рио - лит и кварцевый диорит, было исследовано Ловерингом и Эйфе­лем [141], которые использовали хвощи, известные своей спо­собностью аккумулировать кремнезем. В опытах применялась циркулирующая деминерализованная вода. Подсчитано, что количество кремнезема, поглощенного растениями, было эквива­лентно количеству базальта в слое, площадь которого равна 0,4 га, а толщина составляет 0,3 м, образовавшегося за 5000 лет. Было доказано, что по крайней мере часть поглощенного крем­незема находилась в виде комплекса с ароматическим соеди­нением.

По данным Эрхарта [142], растения играют некоторую роль при формировании глинистых минералов: В почвах, бедных кальцием и магнием, растения содержат А1 и Si в пропорциях, соответствующих каолину, и вымершие ткани растений выде­ляют прекаолинит, из которого впоследствии образуется глина. По-видимому, это подтверждается данными Пейнеманна и Фер - рейро [143], согласно которым в верхних почвенных слоях рас­тениями производится образование фракций тонкодисперсного аморфного кремнезема и глины путем формирования фитолитов и прекаолина.

Усвояемость растениями кремнезема может оказаться отно­сительно высокой в почвах, богатых гумусом. Сообщалось о том, что в ФРГ имеется район, где почва содержит кремневую кис­лоту в сочетании с подобными таннину компонентами гумуса, стабильного при рН 9—10 [144]. Рис поглощает большее коли­чество кремнезема из питательной среды, когда в систему до­бавляется поли (2-винилпиридиноксид) [145]. Сообщалось, что - найдено вещество, способное понижать токсичность коллоидного кремнезема или поликремневой кислоты. Природа образуемого' комплекса, если он существует, еще не раскрыта (см. гл. 1), изучено только воздействие рН.