Химический состав почв

Введение

Почвой называют рыхлый поверхностный слой земной коры (литосферы), обладающий свойством плодородия. Почва сформировалась в результате действия геологических факторов, физико-химических и биологических процессов. В ней совершаются сложные химические и биологические изменения, главным образом процессы разрушения органических веществ животного и растительного происхождения.

Почва - приемник и поглотитель различных растительных, животных и хозяйственно-бытовых отходов, резервуар и источник многообразной микрофлоры и микрофауны. В ней также образуются разнообразные новые соединения, гнездятся корни растений, в её недрах находятся подземные воды. Заболоченность почвы или высокое стояние почвенных вод могут служить причинами сырости помещений животноводческих ферм и даже наводнений.

Почва оказывает большое влияние на климат местности, а её рельеф и другие местные особенности - на микроклимат животноводческих помещений, развитие растительности. Характер почвы необходимо учитывать при строительстве и планировке отдельных зданий, благоустройстве территории ферм и эксплуатации.

Целью данного реферата является изучение химического состава почв.

Химический состав почв

Набор и количественное соотношение химических элементов в почве называют ее элементным составом. Любые почвы содержат все 92 элемента Периодической системы Д.И. Менделеева, а в случае химического загрязнения в почвах обнаруживаются и трансурановые элементы. Диапазон концентраций очень велик: от десятков и единиц массовых долей (в %), до 10- 10 - 10- 12%. Часть элементов участвует в формировании почвенной массы, то есть они играют конституционную роль, хотя они же необходимы и живым организмам, другая часть существенно не влияет на свойства почвенной массы, но зато играет важную физиологическую роль: некоторые элементы могут быть как стимуляторами физиологических и биохимических процессов, так и быть токсичными. Первая группа - это макроэлементы, вторая включает микро -, ультрамикро - и наноэлементы.

Химические элементы представлены в почвах большим набором их химических соединений. Разнообразие соединений любого из элементов обеспечивает сравнительную устойчивость химического состояния почв. Так, соединения фосфора представлены преимущественно ортофосфатами, но они могут находиться одновременно в виде различных соединений с кальцием, алюминием, железом, цинком, свинцом, марганцем. О разнообразии фосфатов дает представление следующий далеко не полный перечень их почвенных соединений:

Ca8H2(PO4)6 , Ca10(PO4)6(OH)2 , Ca10(PO4)6F2 , Ca4(PO4)3H " 3H2O, Ca3(PO4)2 , Ca(H2PO4)2 , CaHPO4 , AlPO4 " 2H2O, FePO4 " 2H2O, Fe3(PO4)2 8H2O, Zn3(PO4)2 , Pb3(PO4)2 , Pb5(PO4)3OH, PbAl3H(OH)6(PO4)2 , MnHPO4

Кроме того, значительная часть фосфора представлена органическими соединениями и конденсированными фосфатами.

Железо в почвах одновременно входит в кристаллические решетки алюмосиликатов, в гётит FeOOH, гематит Fe2O3 , в различные гидроксиды. По мере расхода наиболее растворимых соединений Fe3 + его концентрация поддерживается в почвенном растворе другими соединениями железа. Соединения кремния в почвенном растворе представлены ортокремниевой кислотой H4SiO4 или ее полимерными формами, а в твердых фазах одновременно сосуществуют аморфный и кристаллический диоксид кремния SiO2 (кварц), минералы группы алюмосиликатов. В крупных песчаных фракциях почв преобладают каркасные алюмосиликаты, во фракции менее 1 мкм - слоистые алюмосиликаты, из них наиболее распространены монтмориллонит, каолинит и гидрослюды.

Особенно многочисленны в почвах соединения углерода. Практически всегда в почвенном воздухе есть диоксид углерода CO2 , в почвенном растворе - угольная кислота, в степных и сухостепных почвах - CaCO3 и Na2CO3; это только минеральные соединения. Набор соединений в органическом веществе до сих пор не подсчитан, но в их число входят как низкомолекулярные соединения, начиная от метана CH4 , аминокислот, простейших кислот жирного ряда, моносахаридов, и до высокомолекулярных соединений, представленных целлюлозой, лигнином, полипептидами. Особое место занимают так называемые специфические для почв гуминовые вещества. При характеристике почв наиболее информативны не отдельные индивидуальные соединения, а их группы, то есть совокупность соединений со сходными строениями и свойствами. Такими группами могут быть моносахариды, аминокислоты (в почвах обнаруживают до 17 - 22 различных аминокислот), гуминовые кислоты, фульвокислоты. Вещества, входящие в одну группу, примерно одинаково участвуют в почвенно-химических реакциях.

Группы органических соединений подразделяются на фракции по характеру связи с минеральными соединениями, могут быть, например, гуминовые кислоты свободные, связанные с Ca2 +, Fe3 +, алюмосиликатами и т.п.

Сложность состава почв, большой набор химических соединений обусловливают возможность одновременного протекания различных химических реакций и способность твердых фаз почв поддерживать сравнительно постоянным состав почвенного раствора, откуда растения непосредственно черпают химические элементы. Эту способность поддерживать постоянным состав почвенного раствора называют буферностью почв. В природной обстановке буферность почв выражается в том, что при потреблении какого-либо элемента из почвенного раствора происходит частичное растворение твердых фаз и концентрация раствора восстанавливается. Если в почвенный раствор извне попадают излишние количества каких-либо соединений, то твердые фазы почв связывают такие вещества, вновь поддерживая постоянство состава почвенного раствора. Это иллюстрируют возможные переходы ионов K+ и трансформация калийсодержащих веществ в почве. Итак, действует общее правило: буферность почв обусловлена большим набором одновременно протекающих химических реакций между почвенным раствором и твердыми частями почвы. Химическое разнообразие делает почву устойчивой в изменяющихся условиях природной среды или при антропогенной деятельности.

В почвах может происходить более 30 различных химических реакций и процессов. Часть их них имеет общий характер для всех почв, часть присуща только отдельным почвенным типам. Общие для большинства почв реакции следующие: осаждение-растворение, катионный обмен, комплексообразование, синтез и минерализация органических соединений, образование гуминовых веществ. Почвам северных влажных регионов свойственны накопление кислых продуктов, развитие восстановительных процессов (глееобразование); в сухих южных районах нередко происходит накопление солей, а реакция почв зависит от карбонатов кальция и регулируется карбонатно-кальциевым равновесием. Ниже рассмотрены наиболее важные для почв реакции.

Катионный обмен. Эту реакцию в 1850 - 1852 гг. открыли английские ученые - фермер Томпсон и химик Уэй. В 1922 - 1925 гг. на этой основе советский почвовед академик К.К. Гедройц создал стройное учение о поглотительной способности почв, получившее признание во всем мире. После открытия анионного обмена была создана общая теория ионного обмена, налажено промышленное производство ионитов (ионообменных сорбентов), разработаны методы ионообменной хроматографии. Для почв наиболее характерны реакции катионного обмена между твердой частью почвы, которая поглощает катионы, и почвенным раствором, который можно рассматривать как раствор электролита. Если твердую часть почвы обозначить символом П, как это принято в почвенной литературе, то при добавлении к почве раствора KCl произойдет реакция

PCa, Mg + 4KCl PK4 + CaCl2 + MgCl2 .

Это означает, что почва содержала в обменной форме и Ca2 +, и Mg2 +, которые были вытеснены в раствор, а ионы K+ были поглощены почвой. Каких-либо других изменений при этом в почве не происходит.

В дерново-подзолистых почвах таежных лесов в обменной форме присутствуют ионы Ca2 +, Mg2 +, K+, H+, Al3 +. В черноземах, каштановых почвах степей преобладают Ca2 +, Mg2 +, K+. В солонцах и некоторых солончаках, кроме того, обычно есть Na+.

Общее количество обменных катионов в почве, согласно Международной системе единиц СИ, измеряют в смол (+) " кг- 1 (сантимоли положительных зарядов в 1 кг почвы) и называют емкостью катионного обмена (сокращенно ЕКО). Абсолютные величины ЕКО колеблются от единиц до нескольких десятков смол (+) " кг- 1. Эти реакции очень важны, поскольку от состава обменных катионов и их количества зависят почвенное плодородие, многие физические и химические свойства почв и способность противостоять химическому загрязнению почв.

Кислотность почв. Обменные катионы участвуют также в формировании потенциальной кислотности почв. Такая кислотность встречается в кислых дерново-подзолистых, серых лесных, красноземных почвах. Проявляется она только при воздействии на почву солевого раствора, так же как и при обычной реакции катионного обмена. Отличие состоит в том, что потенциальная кислотность обусловлена только катионами H+ и Al3 +:

PH+ + KCl PK+ + HCl

или

PAl3 + + 3KCl P + AlCl3

P + Al(OH)3 + 3HCl.

И в том и в другом случае в растворе появляется некоторое количество HCl, что и создает кислую реакцию среды.

Устраняют потенциальную кислотность довольно простыми приемами. Обычно к почве добавляют карбонат кальция (известь), который нейтрализует различные формы кислотности:

P + CaCO3 PCa2 + + H2CO3

PCa2 + + CO2 + H2O.

Природная кислотность почв может быть вызвана органическими кислотами, попадающими в почву с растительными остатками или корневыми выделениями, диоксидом углерода в почвенном воздухе и поступлением азотной и серной кислот с кислыми дождями. Анализ химических равновесий показал, что роль CO2 в этом процессе более значительна, чем это представлялось раньше. Растворение CO2 приводит к образованию угольной кислоты H2CO3 . Сама по себе это довольно слабая кислота, но в почвенном воздухе доля CO2 много выше, чем в атмосферном; в последнем доля CO2 составляет около 0,03%, а в почвенном воздухе достигает целых процентов. Поэтому в некарбонатных почвах только за счет CO2 величина pH может опускаться до 4,5 и даже ниже.

Щелочность почв. Щелочными считают почвы, водная суспензия которых имеет рН 7,5 - 8,0 или выше. Эти почвы формируются в степных и сухостепных природных зонах; к ним относятся солонцы, некоторые солончаки. Щелочность вызывается различными солями: карбонатами, фосфатами, боратами, гуматами, силикатами. Но главную роль играют Na2CO3 и CaCO3 , последний создает кислотно-основную буферность и сравнительно высокую щелочность. Регулирование реакции осуществляется в этом случае за счет карбонатно-кальциевой системы CaCO3-H2O-CO2 . Карбонат кальция присутствует в твердой части почвы, вода в почве имеется почти всегда (за исключением сильных засух), а CO2 всегда есть в почвенном воздухе. Почвенный раствор такой системы содержит разные количества Ca2 +, H+, , и величина рН регулируется, по сути, только парциальным давлением CO2 . Эта система работает до тех пор, пока в твердой части почвы присутствует CaCO3 , и обусловливает величины рН почвенных суспензий до 7,5 - 10,0 в зависимости от парциального давления CO2 в почвенном воздухе.

Щелочность почв неблагоприятно сказывается на их химических и физических свойствах. Под действием щелочной среды почвы расплываются, теряют структурность, а затем при высыхании сливаются в плотные, очень прочные глыбы, которые часто не поддаются действию плуга. Таковы солонцы в зонах черноземных, каштановых и бурых почв.

Засоление почвы. В бессточных впадинах сухих регионов страны, в приморских районах почвы нередко содержат высокие концентрации легкорастворимых солей. Это хлориды кальция, магния, натрия и калия, сульфаты, некоторые карбонаты, нитраты. Легкорастворимые соли отрицательно сказываются на развитии растений, поскольку они повышают осмотическое давление почвенных растворов, а некоторые катионы и анионы токсичны для растений. Засоленных почв особенно много в Предкавказье, в Прикаспийской низменности, в Средней Азии. К счастью, легкорастворимые соли сравнительно легко подвижны, и их довольно просто удалить из почвы путем обычного промывания водой. В щелочных почвах неблагоприятные вещества сначала нейтрализуют гипсом, отработанной серной кислотой, сульфатами железа, а затем образующиеся легкорастворимые соли также отмывают водой. Этот метод мелиорации засоленных почв очень широко распространен, но успех приема зависит от возможности удаления промывных вод. В противном случае промывные воды смыкаются с подземными грунтовыми водами, повышая их уровень. В результате возникает опасность вторичного засоления почв за счет поднимающихся к поверхности соленых грунтовых вод по окраинам орошаемых и промываемых массивов.

Окислительно-восстановительные режимы. Практически в каждой почве происходят реакции окисления или восстановления химических соединений или элементов. Эти реакции являются сопряженными, и если какой-либо компонент почвы окисляется, то другой неизбежно восстанавливается. Наиболее простой и распространенный вариант - окисление-восстановление ионов железа:

Окислительные процессы идут за счет кислорода воздуха, при этом органические вещества почвы окисляются или частично, или полностью до конечных продуктов распада - H2O и CO2 . При высоких окислительно-восстановительных потенциалах порядка 0,5 - 0,7 В практически все элементы с переменной валентностью приобретают высшие степени окисления, многие из них становятся малоподвижными и малодоступными растениям. Таковы ионы железа, меди, кобальта, серы, азота. Исключение составляет марганец, для перевода которого из Mn2 + в Mn7 + необходимы потенциалы около 1,4 - 1,5 В, тогда как даже в наиболее аэрированных и малоувлажненных почвах максимальные значения потенциалов редко превышают 0,6 - 0,7 В.

В переувлажненных почвах, особенно в затопляемых рисовых почвах, развиваются восстановительные процессы, потенциалы снижаются до + 0,2 / - 0,2 В, что обусловлено деятельностью микроорганизмов, способных развиваться без доступа свободного O2 и выделяющих в почву органические восстановленные соединения и свободный водород. В таких почвах элементы с переменной валентностью переходят в состояние низших степеней окисления, становятся подвижными, выделяется метан CH4 , другие углеводороды. Когда длительно развиваются восстановительные процессы, в почвах появляется сизоватая окраска, железо и марганец восстанавливаются до Fe2 + и Mn2 +. Такие почвы называют оглеенными или глеевыми. Кстати, переувлажненные или орошаемые и затопляемые почвы служат одним из важнейших природных источников выделения в атмосферу метана и других углеводородов, вызывающих проявления "парникового" эффекта.

Гумификация. Это один из самых важных почвенных биохимических процессов. Сущность его заключается в трансформации растительных остатков в своеобразные, темноокрашенные органические гуминовые вещества преимущественно кислотной природы. Впервые гуминовые кислоты выделил из торфа немецкий ученый Ф. Ахард в 1786 г., но до сих пор их строение остается неясным. В основе гуминовых веществ лежат бензолсодержащие фрагменты, их мобильная часть представлена большим набором аминокислот и моносахаридов, они содержат азот и различные кислородсодержащие функциональные группы: карбоксильные -COOH, гидроксильные -OH, хинонные и другие. Особенность гуминовых веществ заключается в высокой устойчивости к гидротермическим и биохимическим условиям; их возраст, датированный по 14C, достигает сотен и тысяч лет, а молекулярные массы составляют десятки тысяч атомных единиц массы. Функции гуминовых веществ в почвах разнообразны и чрезвычайно важны. Они аккумулируют элементы питания растений, защищают почвенные минералы от выветривания, способствуют миграции катионов различных металлов в форме комплексных соединений, регулируют тепловой и кислотно-основной режимы почв, влияют на емкость катионного обмена и на буферность почвы, обладают выраженной физиологической активностью и способны стимулировать рост и развитие сельскохозяйственных растений. Гуминовые кислоты и их соли (гуматы) получают из различного природного сырья и используют не только в сельском хозяйстве, но также в промышленности и медицине.

Таким образом, подводя общие итоги, можно сделать некоторые выводы о химическом составе и причинах химической устойчивости почв.

1. Любая почва имеет очень сложный химический состав как по набору и количественному соотношению химических элементов, так и по формам их соединений.

2. Наиболее активную химическую роль в почвах играют те вещества, которые находятся в высокодисперсном состоянии (ил, плазма); к ним относятся гуминовые вещества, слоистые глинистые минералы, ионные и молекулярные дисперсии.

3. Для почв характерно образование и накопление специфических гуминовых веществ, главных и наиболее активных составляющих органического вещества почвы.

4. В почвах одновременно протекает множество реакций, зачастую противоположно направленных, что обусловливает стабильность системы; многообразие химических соединений и реакций - главное условие устойчивости почв.

5. В каждой природной зоне формируются почвы, имеющие особый химический состав и режимы, хорошо согласованные с экологической обстановкой или соответствующие факторам почвообразования.

Заключение

В заключении хотелось бы отметить, что хорошо слаженные почвенные химические системы формировались долгие годы; особенно много времени требуется в неблагоприятных климатических условиях, при скудной растительности, под еловыми лесами. Нужны сотни лет для формирования высокобуферных почвенно-генетических химических систем, которые придают почвам способность противостоять колебаниям климата и растительности. Такая буферность обусловлена высоким разнообразием химических соединений в почвах, многие из которых обладают различными свойствами. Все это позволяет почвам оптимально обеспечивать устойчивое состояние биоценоза в целом. В сельскохозяйственных почвах частично нарушается природное равновесие, а химический состав почв не полностью отвечает требованиям выращиваемых культур, часть химических элементов отчуждается с урожаем, органическое вещество частично минерализуется. Поэтому в пахотных почвах приходится пополнять запас химических элементов и/или их соединений путем внесения минеральных и органических удобрений. С помощью удобрений и мелиоративных приемов удается значительно улучшить физические свойства почв, их химический состав, повысить плодородие. В этом случае говорят об окультуривании почв.

Если изменения почв при сельскохозяйственном использовании сравнительно легко поддаются контролю и при научно обоснованном землепользовании можно добиться сохранения и даже улучшения почв, то химическое загрязнение может приводить к необратимым изменениям почв, их разрушению. Если формирование зрелых почв требует сотен или тысяч лет, то необратимая деградация или полное уничтожение почвы могут произойти за несколько лет. Разрушить почву легко, создать заново трудно. И в этом отношении есть существенные различия между разными оболочками Земли. Загрязнение атмосферы опасно, но сильные ветры быстро меняют ситуацию. Загрязнение гидросферы нередко бывает более стойким, чем загрязнение атмосферы, но и реки и моря рано или поздно рассеивают загрязняющие вещества, в чем активно помогают течения и обновление вод.

В почвах медленнее накапливаются токсичные уровни загрязняющих веществ, но зато они долго в ней сохраняются, негативно влияя на экологическую обстановку целых регионов. Поэтому охрана почв - дело первоочередной важности, хотя влияние загрязнения почв бывает не столь заметным и очевидным, как загрязнение атмосферы и гидросферы.

Список использованной литературы

1. «Гигиена сельскохозяйственных животных» под редакцией А. Ф. Кузнецова, М. В. Демчука, Москва ВО «Агропромиздат» 1991 г.

2. «Химия почвы», Возбуцкая А. Е., М. - Издательство «высшая школа», 1968 г.

3. Большой энциклопедический словарь «сельское хозяйство» под редакцией В.К. Месяца, «Большая Российская энциклопедия» М. 1998 г.

4. Гедройц К.К. Учение о поглотительной способности почв. Избр. соч. Т. 1. М.: Гос. изд-во с.-х. лит., 1955.

5. Добровольский Г.В., Гришина Л.А Охрана почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1985.

6. Докучаев В.В. Картография русских почв. Избр. соч. Т. III. М.: Гос. изд-во с.-х. лит., 1949.

7. Докучаев В.В. Разбор главнейших почвенных классификаций. Избр. соч. Т. III. М.: Гос. изд-во с.-х. лит., 1949.

8. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1990.

9. Орлов Д.С. Химия почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1992.

10. Орлов Д.С., Малинина М.С. и др. Химическое загрязнение и охрана почв. Словарь-справочник. М.: Агропромиздат, 1991.

11. Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв / Ред. Д.С. Орлова и В.Д. Васильевской. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1994.

12. Розанов Б.Г. Живой покров Земли. М.: Педагогика, 1989.

13. Розанов Б.Г., Таргульян В.О., Орлов Д.С. Почвоведение. 1989. №. 5. С. 5.