Между катионами твердой фазы почвы и катионами почвенного раствора всегда устанавливается равновесие. Катионы, находящиеся на поверхности почвенных частиц и обладающие способностью к обмену на катионы соприкасающегося раствора, называют обменными, или поглощенными, а ту часть почвы, которая обладает способностью их удерживать в обменном состоянии,— почвенным поглощающим комплексом. Физико-химическая поглотительная способность почв, как и многие другие их свойства, определяется почвенными коллоидами.
Коллоидную частицу вместе с находящимися на ее поверхности слоями ионов называют коллоидной мицеллой. Внутренняя часть мицеллы — ее ядро. На поверхности ядра коллоидов расположены два слоя, состоящие из двух противоположно заряженных ионов. Внутренние ионы — потенциалопределяющие, внешние — компенсирующие. Первые обычно имеют отрицательные заряды, вторые — положительные. Компенсирующие ионы называют обменными, или поглощенными, катионами. Сумма их составляет емкость поглощения.
Ядро мицеллы вместе с потенциалопределяющими ионами — это гранула, а гранула вместе с неподвижным слоем компенсирующих ионов — частица.
По знаку заряда частиц различают:
а) Отрицательно заряженные коллоиды, или ацидоиды (кислотные коллоиды), к которым относятся коллоидные формы гумуса, кремневых кислот, глинные минералы;
б) Положительно заряженные коллоиды, или базоиды, гидроокиси алюминия и железа, имеющие положительный заряд. Однако многие коллоиды имеют амфолитоидный характер. В слабокислой, нейтральной или слабощелочной среде амфолитоиды чаще имеют отрицательный заряд.
В кислой и особенно в сильнокислой среде они легко получают положительный заряд.
Ацидоидный характер большинства почвенных коллоидов предопределяет преимущественно отрицательный заряд частиц и служит причиной того, что почвенные коллоиды адсорбируют катионы. Однако амфолитоидная природа почвенных коллоидов, наличие среди них коллоидов с положительным зарядом способствуют также тому, что наряду с катионами в ослабленной форме происходит поглощение анионов.
Сумму обменных катионов в почве (включая водород) иначе называют емкостью поглощения катионов и выражают в мг-экв на 100 г почвы.
Вследствие разнообразия природных условии и особенностей почв состав обменных катионов различных почвенных типов неодинаков. Так, обменные катионы черноземов представлены в основном кальцием и магнием. Подзолистые и дерново-подзолистые почвы, кроме кальция и магния, содержат обменные водород и алюминий. Для солонцов и солонцеватых почв характерно наличие среди обменных катионов поглощенного натрия.
Все почвы в зависимости от состава поглощенных катионов делятся на насыщенные и не насыщенные основаниями. Насыщенные основаниями почвы в составе поглощенных катионов не содержат водорода и алюминия, например черноземы обыкновенные. Не насыщенные основаниями почвы, кроме кальция и магния, содержат поглощенный водород и алюминий, например подзолистые почвы.
Степень насыщенности почвы основаниями вычисляют исходя из данных определения гидролитической кислотности и суммы обменных оснований. Степень насыщенности почв натрием, или количество обменного натрия, выраженное в процентах к емкости поглощения почвы, называют степенью солонцеватости. Энергия поглощения катионов почвой зависит от их валентности. Поэтому двухвалетные катионы поглощаются энергичнее, чем одновалентные. У одновалентных катионов энергия поглощения возрастает с увеличением атомной массы. Вытеснение же поглощенного катиона, т. е. десорбция, протекает тем полнее, чем меньше его валентность и атомная масса.
Некоторые катионы, например калий, аммоний, могут частично закрепляться почвами и в необменной форме, фиксируясь в кристаллической решетке таких минералов, как мусковит, вермикулит и монтмориллонит.
Необменная фиксация аммония и калия почвами изменяется в широких пределах в зависимости от механического и минералогического состава почв. У черноземов она выражена больше, чем у дерново-подзолистых почв. Необменно поглощенные почвой калий и аммоний менее доступны растениям, чем обменные.
Физико-химическое поглощение анионов, и в частности фосфорной кислоты, сопровождается эквивалентным обменом других анионов. Установлено, что NO3 и НСl не поглощаются, а отталкиваются частицами твердой фазы почв. Все почвы способны в большей или меньшей степени поглощать анионы, особенно анионы фосфорной кислоты. Причем наиболее энергично это происходит в тех почвенных горизонтах, в которых много подвижных полуторных окислов. Связывание фосфорной кислоты возрастает от чернозема к подзолистой почве и особенно к красноземам. Доступность поглощенного фосфат-анио6а растениям понижена.
Состав поглощенных катионов существенно влияет на физико-химические свойства почв, кислотность, подвижность органических веществ и степень дисперсности минеральной части почвы, ее агрегатность (структуру) и физические свойства. Почвы, насыщенные кальцием и магнием, отличаются агрономически ценной структурой. Солонцовые почвы, содержащие 20—30% обменного натрия от емкости поглощения, отличаются неблагоприятной в агрономическом отношении столбчатой и глыбистой структурой. Липкость и связность почв (их сопротивление обработке) особенно велики у почв, насыщенных натрием.