Формы соединений химических элементов в почвах

Главные особенности химического состава почвы - присутствие органических веществ и в их составе специфической группы - гумусовых веществ, разнообразие форм соединений отдельных элементов инепостоянство (динамичность) состава во времени.

Источник минеральных соединений почвы - горные породы, из которых слагается твердая оболочка земной коры - литосфера. Органические вещества поступают в почву в результате жизнедеятельности растительных и животных организмов, населяющих почву. Взаимодействие минеральных и органических веществ создает сложный комплекс органо-минеральных соединений почв.

Минеральная часть составляет 80-90 % и более массы почв и только в органогенных почвах снижается до 10 % и менее. В составе почв обнаружены почти все известные химические элементы. Поскольку минеральная часть почвы в значительной степени обусловлена химическим составом горных пород литосферы, имеется сходство почвы с литосферой по относительному содержанию отдельных химических элементов. 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 которых содержится углерода 18 %, азота 0,3 % на живое вещество (по А. П. Виноградову). 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. Почвы наследуют геохимические черты исходного материала почвообразующих пород. Однако материнская порода в процессе почвообразования изменяется. В зависимости от типа почвообразования происходят изменения в содержании и распределении по профилю почвы различных химических элементов.

Кислород. Входит в большинство первичных и вторичных минералов почв, является одним из основных элементов органических веществ и воды.

Кремний. Наиболее распространенное соединение кремния в почвах - кварц (Si0₂). Кремний входит также в состав силикатов. При их разрушении в результате выветривания и почвообразования кремнезем переходит в раствор в форме анионов орто- и метакремневыхкислот, силикатов натрия и калия.

Алюминий находится в почвах в составе первичных и вторичных минералов в форме органо-минеральных комплексов и в поглощенном состоянии (в кислых почвах). При слабощелочной реакции гидроокись алюминия полностью выпадает в виде коллоидных осадков - гелей (А1₂О_з ·nН₂О), переходящих при кристаллизации во вторичные минералы - гиббсит (Аl₂ Oз·3Н₂О), бемит (А1₂О_з· ·Н₂О). В кислой среде (рН<5) гидроокись алюминия становится более подвижной и алюминий появляется в почвенном растворе в виде ионов Al(OH)₂⁺, Аl(ОН)²⁺, что отрицательно сказывается на росте растений.

Железо. В почвах оно встречается в составе первичных и вторичных минералов-силикатов, в виде гидроокисей и окисей, простых солей, в поглощенном состоянии, а также в составе органо-минеральных комплексов. В результате выветривания минералов, содержащих железо, освобождается его гидроокись - малоподвижное соединение, выпадающее в форме аморфного геля Fе₂Оз·nН₂О и переходящее при кристаллизации в гетит Fе₂Оз ·Н₂О и гидрогетит Fе20з ·3Н₂О. Только в сильнокислой среде (рН<3) подвижность гидроокиси железа увеличивается и в почвенном растворе появляются ионы железа Fe³⁺.

Азот. Накопление азота в почве обусловлено биологической аккумуляцией его из атмосферы. В почвообразующих породах азота очень мало. Азот доступен растениям главным образом в форме аммония, нитратов, нитритов, которые образуются при разложении азотистых органических веществ. Нитриты практически не содержатся в почве.

Фосфор. В почвах фосфор содержится в органических и минеральных соединениях. Органические представлены фитином, нуклеиновыми кислотами, нуклеопротеидами, фосфатидами, сахарофосфатами и др., минеральные - солями кальция, магния, железа и алюминия ортофосфорной кислоты. Фосфор в почве входит в состав апатита, фосфорита и вивианита, а также находится в поглощенном состоянии в виде фосфат-аниона. Апатит встречается во многих магматических породах и составляет 95 % соединений фосфора в земной коре.

Сера. Биологическая аккумуляция серы в верхних горизонтах почвы зависит от условий почвообразования. Сера находится в почве в форме сульфатов, сульфидов и в составе органического вещества. При разложении органического вещества, окислении сульфидов образуются сульфаты - наиболее устойчивая форма соединения серы в почвах, кроме FeS0₄.

Калий. Основная часть калия в почве входит в состав кристаллической решетки первичных и вторичных минералов в малодоступной для растений форме. Некоторые из этих минералов, такие как биотит и мусковит, отдают калий довольно легко и могут служить источником мобилизации доступного калия. Калий содержится в почве также в поглощенном состоянии (обменный и необменный) и в форме простых солей. В этой форме он легкодоступен растениям, но доля его не­значительна. Основным источником калия для растений является обменный калий. Его доступность тем больше, чем выше степень насыщенности им почв. Необменный калий труднодоступен. При наличии значительной доли калия в малодоступной форме растения испытывают в нем недостаток.

Кальций и магний. В почве кальций и магний находятся в кристаллической решетке минералов, в обменно-поглощенном состоянии и в форме простых солей (хлоридов, нитратов, карбонатов, сульфатов и фосфатов). Кальций среди поглощенных катионов занимает в большинстве почв первое место, магний - второе.

Микроэлементы почв

Многие элементы в почвах и биологических объектах содержатся в микроколичествах(<n10^-3%). Они составляют особую группу микроэлементов. К ним относятся бор (B), марганец (Мn), молибден (Мо), медь (Сu), цинк (Zn), кобальт (Со), иод(J), фтор (F) и др. Микроэлементы играют важную физиологическую и биохимическую роль в жизни растений, животных и человека. Они входят в состав ферментов, гормонов, витаминов. В связи cособенностями состава почвообразующих пород, наличием различных рудных месторождений, развитием элювиальных и аккумулятивных процессов выделяют территории с недостаточным или избыточным содержанием тех или иных микроэлементов. Такие районы А. П. Виноградов предложил называть биогеохимическими провинциями. На территории биогеохимических провинций вследствие недостатка или избытка микроэлементов и могут проявляться отмеченные выше нарушения нормального обмена веществ у растений, животных и человека и, как следствие, развиваться специфические заболевания - биогеохимические эндемии. Образование территорий с аномальным содержанием микроэлементов может быть связано с региональным и локальным техногенным загрязнением, обусловленным выбросами промышленных предприятий, накоплением остаточных количеств различных компонентов удобрений и другими причинами. Количество микроэлементов в почвах прежде всего определяется их содержанием в исходной почвообразующей породе и влиянием почвообразовательного процесса на их дальнейшее перераспределение. Заметное обогащение почв отдельными микроэлементами может наблюдаться вблизи рудных месторождений, в зонах деятельности вулканов. Отдельные микроэлементы могут поступать в почву при внесении удобрений и применении пестицидов, а также в результате техногенного загрязнения территории. В почвах микроэлементы содержатся в различных формах: в кристаллической решетке минералов в виде изоморфной подмеси, в форме солей и окисей, в составе органиче­ских веществ, в ионообменном состоянии и в растворимой форме в почвенном растворе. На поведение микроэлементов и формы их соединений в почвах большое влияние оказывают окислительно-восстановительные условия, реакция среды, концентрация CO₂и содержание органического вещества. При кислой реакции увеличивается подвижность Си, Zn, Мп, Со и уменьшается подвижность Мо. Бор, фтор и иод подвижны в кислой и щелочной средах. Увеличение концентрации CO₂ в почвенном растворе приводит к увеличению подвижности Мп, Ni, Ва в результате перехода карбонатов этих элементов в бикарбонаты. Гумусовые вещества и органические вещества могут связывать микроэлементы, образуя как растворимые, так и труднодоступные растениям соединения.

Радиоактивность почв

Радиоактивность почв обусловлена содержанием в них радиоактивных элементов. Различают естественную и искусственную радиоактивность.

Естественная радиоактивность вызывается естественными радиоактивными элементами, которые всегда в тех или иных количествах присутствуют в почвах и почвообразующих породах. Естественные радиоактивные элементы подразделяют на 3 группы. Первую группу составляют радиоактивные элементы, все изотопы которых радиоактивны. К ним относятся 3 семейства последовательно превращающихся изотопов: ряды урана - радия - тория и актиния. Во вторую группу входят изотопы «обычных» элементов, обладающие радиоактивными свойствами. К ним относят калий (⁴⁰К), рубидий (⁸⁷Rb), кальций (⁴⁸Са), цирконий (⁹⁶Z_r) и др. Основное значение в этой группе имеет ка­лий, обусловливающий наибольшую естественную радиоактивность. Третья группа включает радиоактивные изотопы, образующиеся в атмосфере под действием космических лучей: тритий (³Н), бериллий (⁷Ве, ¹⁰Ве) и углерод (¹⁴С). Все естественные радиоактивные элементы - в основ­ном долгоживущие изотопы с периодом полураспада 10⁸ – 10¹⁶ лет. Естественные радиоактивные элементы распределяются по профилю почв обычно относительно равномерно, но в некоторых случаях они аккумулируются в иллювиальных и глеевых горизонтах.

Искусственная радиоактивность обусловлена поступлением в почву радиоактивных изотопов, образующихся в результате атомных термоядерных взрывов, в виде отходов атомной промышленности или в результате аварий на атомных предприятиях. Включаясь в биологический круговорот, они через растительную и животную пищу попадают в организм человека и, накапливаясь в нем, вызывают радиоактивное облучение. Наибольшую опасность в этом отношении представляют изотопы стронция (⁹⁰Sr) и цезия (¹³⁷Cs), поскольку именно они обусловливают искусственную радиоактивность, характеризуются длительным периодом полураспада (28 лет у ⁹⁰Sr и 33 года у ¹³⁷Сs), обладают высокой энергией излучения и способностью активно включаться в биологический круговорот.

ЛЕКЦИЯ 5