Химический состав и радиоактивность почв

1. Химический состав почв, содержание, формы нахождения и доступность химических элементов.

2. Понятие о радиоактивности почв (естественная и искусственная). Методы борьбы с радиоактивным загрязнением почв.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОЧВ

По своему химическому составу почва существенно отличается от исходных почвообразующих пород, прежде всего, присутствием в ней органического вещества. Источником минеральных соединений почвы являются горные породы, органических веществ – растительные и животные организмы, населяющие почву. Кроме того, химический состав почв беспрерывно изменяется, так как изменяется процесс почвообразования. Основную массу горных пород составляют О, Si и Al, на долю которых приходится 84,5%. Если прибавить к ним Fe, Ca, Na, K и Mg. То в сумме эти восемь элементов составят 98,87% массы пород. Почвы наследуют характерные для пород соотношения, но среднее содержание отдельных элементов изменяется (таблица 1.1).

Таблица 1.1 – Среднее содержание химических элементов в литосфере и почве, % по массе (А.П. Виноградов)

Как в литосфере, так и в почве на первом месте стоит кислород, на втором кремний, затем алюминий, железо и т.д. Однако в почве, по сравнению с литосферой в 20 раз больше углерода и в 10 раз больше азота. Накопление этих элементов в почве связано с жизнедеятельностью организмов. В почве больше, чем в литосфере, кислорода, водорода (как элементов воды), кремния и меньше алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия и других элементов, что является следствием процессов выветривания и почвообразования. Еще меньше в породах и почвах микроэлементов (таблица 1). Это химические элементы, которые содержатся в почвах и породах в микроколичествах (обычно тысячные доли процента и ниже). К ним относятся бор, марганец, молибден, медь, цинк, кобальт, йод, фтор и др.

Для оценки почвенного плодородия, кроме валовых запасов (потенциальный резерв), необходимы сведения о тех соединениях, которые могут быть использованы растениями (ближайший резерв) и которые весьма динамичны.

Содержание кремнезема определяется наличием кварца и в меньшей мере – первичных и вторичных силикатов и алюмосиликатов. В почве может присутствовать в ряде случаев в больших количествах аморфный кремнезем (опал + халцедон). При выветривании он переходит в раствор в виде анионов орто- и метакремниевых кислот, силикатов щелочных металлов. Валовое содержание SiO колеблется от 40-70% в глинистых до 90-98% в песчаных почвах. Очень важен для растений азот. Общее количество азота колеблется от 0,1 до 0,5% (до 10 т/га в пахотном слое 0…20 см). Азот преимущественно содержится в органическом веществе, частично – в минеральном. Углерод (до 10%) содержится в гумусе, органических остатках и карбонатах. Валовое содержание фосфора составляет 0.1-0.2%. Это очень важный в земледелии элемент, так как многие почвы в естественном состоянии содержат мало доступных для растений фосфатов. Фосфор может быть в минеральном веществе, органическом веществе (40-60%), адсорбированный неорганический, в почвенном растворе. Доступные формы образуются при рН_ксl=6-6.5. Алюминий и железо входят в состав первичных и вторичных минералов, накапливаются в форме оксидов и гидроксидов, образуют с органическими веществами комплексные соединения. При их выветривании образуются аморфные гели. В кислой среде (рН_ксl меньше 3) становятся подвижными и связывают растворимые фосфаты в нерастворимые (ретроградация фосфатов), что приводит к снижению доступности фосфора растениям. В восстановительных условиях образуются растворимые формы железа, в окислительных при нейтральной среде происходит хлороз. Валовое содержание оксида алюминия – 1-20%, оксида железа 1-10%, в почвах тропиков 40-50% соответственно. Необходимый элемент для растений калий. Содержание К₂О в почвах колеблется от 1 до 2-35 (больше в тяжелых, меньше – в легких почвах). Он взодит в состав глинистых минералов, гидрослюд, калиевых полевых шпатов, биотита, мусковита, солей и др. В почве находится в форме раствора, обменного калия, труднодоступного (необменного), калия почвенных минералов. Основной источник питания для растений – калий почвенного раствора и обменный калий. Калий минералов растениям недоступен. Содержание кальция и магния в бескарбонатных суглинистых почвах колеблется от 1 до 3%. В почвах находятся – в минералах, в растворах, обменный. Доступные соединения – водорастворимые и обменные. Валовое содержание натрия в почве около 1-3%. Он входит в состав главным образом полевых шпатов, в степной зоне присутствует в виде хлоридов. Натрий имеет значение для оптимизации катионной активности в почве. В почвах находятся – в минералах, в растворах, обменный. Содержание серы (SO₃) в почве колеблется от 0,01 до 2% и более. Она присутствует в виде растворимых сульфатов, адсорбированных на почвенных минералах, сульфидов и в составе органического вещества. Для растений доступны сульфаты почвенного раствора.

Микроэлементы, хотя и содержатся в почвах и породах в микроколичествах, играют важную роль в углеводном и белковом обменах, окислительно-восстановительных процессах, входят в состав ферментов, гормонов, витаминов, повышают устойчивость живых организмов к болезням и неблагоприятным внешним условиям. Недостаток микроэлементов в почвах приводит к снижению урожайности растений и их качества, вызывает заболевания. Избыток вызывает токсикоз. Обусловлены минеральной частью почвы. Доступность их для растений определяется содержанием микроэлементов в почвенном растворе в ионно-обменном состоянии. Она зависит от реакции среды, наличия органического вещества, окислительно-восстановительных условий, биологической активности почвы. Так, при кислой реакции почвы увеличивается подвижность Zn, Cu, Mn, Co и уменьшается подвижность Mo. B, I, F подвижны в кислой и щелочной среде. Гумусовые, а также муравьиная, лимонная и другие кислоты могут образовывать с микроэлементами как растворимые, так и нерастворимые соединения.

РАДИОАКТИВНОСТЬ ПОЧВ

Радиоактивность почвобусловлена естественными и искусственными изотопами. Она выражается количеством распадов в единицу времени: по системе СИ Беккерель (1БК=1 распад/с) или Кюри (1 Ки=3,7 ×10 Бк). Все естественные радиоактивные элементы являются долгоживущими, испускают α, β и γ – лучи. Их делят на 3 группы:

1.Радиоактивные изотопы семейства урана (уран-238, торий-232, радий-226);

2. Радиоактивные изотопы «обычных» элементов (калий-40, рубидий-87, кальций-48 и др.);

3. Радиоактивные изотопы, образующиеся в атмосфере под действием космических лучей (тритий-3, бериллий-7, бериллий-10, углерод-14).

Количество естественно живущих изотопов в почве незначительно и зависит, в основном, от почвообразующих пород. Их больше в тяжелых почвах, чем в легких. Образуют прочносвязанные формы, аккумулируются в иллювиальных и глеевых горизонтах почвенного профиля. Искусственная радиоактивность обусловлена поступлением в почву радиоактивных изотопов, образующихся в результате ядерных взрывов, выбросов атомных и тепловых электростанций. Наиболее опасными являются изотопы стронция-90 и цезия-137, так как они имеют длительный период полураспада – 28 и 33 года соответственно; обладают высокой энергией излучения; способны активно включаться в биологический круговорот. Основное количество этих изотопов закрепляется в верхнем слое почвы – 5-9 см. Причем почвы с высоким содержанием гумуса поглощают радиоактивные изотопы лучше. На поступление радиоактивных изотопов в растения влияют ионы элементов, являющихся аналогами радионуклидов. Так, по своим свойствам стронций-90 близок к кальцию, а цезий-137 – к калию. Поэтому высокие дозы калия и кальция препятствуют накоплению в растениях повышенного количества радионуклидов. Разработаны коэффициенты перехода радионуклидов из почвы в урожай в зависимости от гранулометрического состава почв, результатов агрохимического и радиологического обследования почв. На базе этих коэффициентов можно определить предельно-допустимые уровни загрязнения продукции и разработать мероприятия, снижающие его. Это особенно важно для Республики Беларусь, подвергшейся радиоактивному загрязнению в результате катастрофы на Чернобыльской АЭС. Основные массивы загрязненных пахотных угодий сосредоточены в Гомельской (58%) и Могилевской (28%) областях. Многочисленными исследованиями установлено, что повышение в почве содержания гумуса, подвижных соединений фосфора и калия, снижение кислотности почвы способствуют уменьшению накопления радионуклидов растениями в 1,5-3,0 раза. Установлено также, что оно выше на гидроморфных почвах по сравнению с автоморфными и что большое значение имеют биологические особенности растений.

Лекция