Почвенный раствор в биогеохимическом круговороте

 

Почвенный раствор участвует в в процессах абиотических взаимодействий и масспереноса в почвах: сорбционном, комплексо- и хелатообразовании, физико-химическом разложении веществ; а также в процессах абиотического перемещения веществ в почвах.

Сорбционные процессы характеризуются перераспределением вещества в ионной и молекулярной формах между твердой, жидкой и газообразной формами почвы. Твердая фаза почвы благодаря развитой поверхности, наличию различных функциональных групп, представляет собой сложный полифункциональный сорбент, способный к одновременному поглощению катионов. Анионов и нейтральных молекул. При этом прочность образующихся связей, механизм поглощения, возможность обратного перехода сорбированных почвой частиц в раствор или газообразную фазу очень сильно варьируют. Обычно в почвах выделяют несколько типов сорбционных взаимодействий.

Обменное и необменное поглощение ионов, главным образом катионов, характерно для всех типов почв. Различные почвы в зависимости от гранулометрического состава, содержания органического вещества и других особенностей, способны поглощать от единиц до десятков миллиграмм-эквивалентов катионов на 100 гр. Почвы. При этом для большей части поглощенных катионов соблюдается правило обратимости и эквивалентности ионного обмена. Согласно этому правилу, поглощенные катионы твердой фазы могут замещаться другими катионами из почвенного раствора в эквивалентных количествах. Таким образом, обменно сорбированные катионы способны легко переходить в почвенный раствор, поглощаться растениями, мигрировать в результате диффузии, перемещаться с почвенной влагой и т.д. В то же время наряду с обменным поглощением некоторые катионы способны необменно поглощаться твердой фазой почвы, или, как иногда говорят, фиксироваться.

Состав поглощенных катионов оказывает существенное влияние на корневое питание, а следовательно, и на жизнь растений. Так, избыточное содержание обменных водорода и алюминия в кислых почвах таежной зоны и влажных субтропиков может оказывать угнетающее действие на многие культурные растения и должно быть устранено известкованием. Избыточное содержание обменных натрия и магния в засоленных почвах также оказывает неблагоприятное действие на плодородие почв и устраняется различными приемами химической мелиорации, например, гипсованием. Почвы также обменно и необменно поглощают анионы, хотя эта способность выражена заметно слабее, поскольку в почвах преобладают функциональные группы, несущие отрицательный заряд. Обменные и необменные поглощения ионов показывают, что сорбция не только массперенос вещества на коллоидном и микроагрегатном уровне, но и один из видов трансформации вещества, приводящий к возникновению качественно новых поверхностей в почвах, изменению концентрации ионов в почвенных растворах. В принципе любой тип сорбционного взаимодействия в почве может рассматриваться как трасформационный абиотический процесс.

В почвах также широко представлены другие виды сорбционных взаимодействий — поглощение молекул по типу физического взаимодействия, химического взаимодействия с образованием различных по характеру и прочности связи сорбционных систем и т.д. Процессы сорбционного закрепления молекул имеют исключительно важное значение в сохранении и относительной стабилизации почвенного гумуса, детоксикации многих пестицидов, вносимых в пахотные почвы.

Комплексо — и хелатообразование широко представлено в почвах благодаря наличию в них многих веществ, особенно органических, способных способных образовывать особый класс более сложных химических соединений, отличающихся характерным строением, в частности, наличием атома металла (реже неметалла) в определенном валентном состоянии, связанного с одним или несколькими способными к самостоятельному существованию ионами или молекулами. Вещества типа хелатов представляют собой особую группу комплексных соединений.

Комплексо- и хелатообразование может протекать в почвенном растворе практически без участия твердой фазы. В результате этих процессов существенно изменяются свойства молекул и ионов, участвующих во взаимодействии. Например, ионы металлов, входящие в состав комплексных соединений, могут полностью утратить способность к обменномк поглощению, и за счет этого существенно увеличивать способность к перемещению в составе почвенного раствора. Изменяется и способность к биологическому поглощению закомплексованного иона. В настоящее время комплексообразованию придается важное значение в процессах трансформации и миграции вещества во многих почвах.

В почвах также могут протекать реакции комплексообразования, сопровождающиеся переходом продуктов взаимодействия, образующих комплекс, в твердую фазу почвы. В этом случае имеет место так называемая комплексообразовательная сорбция.

Физико-химическое разложение вещества в почве наиболее изучено для некоторых веществ, поступающих в почву извне, Например, органических пестицидов, молекула которых распадаются на более простые соединения. Известно, что в этом распаде определенную роль может играть гидролиз, в частности, с участием гидролитических ферментов, образующихся микробилогическим путем. Некоторые компоненты почвы, например гумус, могут играть роль катализаторов, существенно ускоряющих химические процессы. Определенная роль отводится и фоторазложению - распаду вещества под действием солнечного света. Почвенные соединения также подвержены разложению под влиянием абиогенных физико-химических факторов, в т.ч. процессов кислотного и щелочного гидролиза некоторых минералов.

Почвенные растворы также участвуют в процессах перемещения вещества. В почвах, расположенных на территориях с достаточным количеством атмосферных осадков, наблюдается более или менее интенсивное нисходящее перемещение почвенной влаги, вместе с которой перемещаются и растворенные вещества, а также взвешенные тонкодис-персные частицы. Этим потокам традиционно отводилось очень очень большое место в формировании многих типов почв.

В естественных биогеоценозах на почвах подзолистого типа, в меньшей степени в других типах почв, благодаря нисходящей абиогенной миграции осуществляется возврат в корнеобитаемый слой биофильных элементов, вынесенных на поверхность почвы биологическим путем. Основные звенья биогеохимического круговорота веществ в почвах включают биологическое перемещение вещества снизу вверх и абиотическую миграцию его в обратном направлении. Благодаря абиотической нисходящей вертикальной миграции происходит перемещение удобрений, сельскохозяйственных ядохимикатов, различных загрязнений по профилю почв и частичное их поступление в грунтовые воды.

Пути вертикальной миграции вещества в почвах довольно сложны. В почвах осуществляется не сплошной фронтальный перенос влаги и растворенных веществ, а перемещение локализовано по трещинам, ходам корней и т.д. Кроме того, направление потоков вследствие неоднородности почвы, наличия постоянных и временных водоупоров и по другим причинам часто более или менее значительно отклоняется от строго вертикального, переходя в ряде случаев в боковые латеральные потоки.

В процессе миграции меняется состав почвенного раствора. Это связано с тем, что средняя скорость перемещения растворенного вещества ниже скорости перемещения воды, т.к. вода перемещается по полостям и объемам почвы, не заполненным твердой фазой, а почвенный раствор вследствие большей или меньшей сорбируемости, пемещаясь по тем же каналам, что и вода, периодически входит в состав твердой фазы, т.е. Одновременно с перемещением вещества в составе жидкой фазы протекают процессы его сорбции и десорбции. При исследовании скорости и путей перемещения почвенных растворов удобно использовать изотопно-индикаторный, а также лизиметрический методы. При этом удается наблюдать траектории перемещения вещества, оценивать средние скорости перемещения и т.д. Используется также метод лизиметрических хроматографических колонок, разработанный Кауричевым и Ноздруновой.

Анализ сорбированного вещества позволяет установить, какое его количество может выноситься из определенной части почвы или вносится в нее за время наблюдения.

Перемещение вещества с восходящими потоками почвенной влаги обычно наблюдается в аридных регионах, например, в зоне сухих степей, с ограниченным количеством осадков. После весеннего снеготаяния и увлажнения почвы в период установления жаркой сухой погоды влага начинает интенсивно испаряться с поверхности почвы. В этом случае при наличии единой ненарушенной капиллярной системы, что характерно для целинных почв, обогащенных тонкодисперсными частицами (глины, суглинки) происходит перемещение влаги в значительной толще почвы, порядка нескольких десятков сантиметров и более. В некоторых случаях в перемещение вовлекаются засоленные грунтовые воды. Таким путем формируются поверхностные скопления солей, иногда образующие сплошные солевые корочки.

В незначительных масштабах подобные механизмы перемещения наблюдались даже в пахотных почвах гумидных областей (таежная зона). При этом было обнаружено не только перемещение растворенных веществ, но и илистых частиц самой почвы с сорбированными на этих частицах веществами. Восходящее перемещение растворенных веществ является главной причиной развития процессов вторичного засоления, которое наблюдается в условиях неумеренного орошения пахотных почв при соединении почвенной влаги с засоленными грунтовыми водами. Это явление, связанное с ошибками при орошении, может принести значительный ущерб сельскому хозяйству.

Экспериментальное исследование восходящих потоков в почве проводится теми же методами, что и при нисходящей вертикальной миграции.

Почвенные растворы участвуют также в поверхностных и внутрипочвенных перемещениях вещества, которые наблюдаются практически во всех почвах. Однако местные условия существенно влияют на проявление этих процессов. Так, поверхностный сток особенно развит на почвах тяжелого механического состава, залегающих на склонах.

Поверхностному стоку способствуют ливневый характер осадков, интенсивное таяние снега весной при более или менее значительном зимнем промерзании почвы. С поверхностным стоком происходят наиболее масштабные абиотические перемещения вещества в современных почвах, как пахотных, так и целинных. Например, вынос вещества с эродируемой пашни может достигать десятков тонн на гектар в год. Принципиально важной особенностью миграции вещества с поверхностным стоком является необратимый характер перемещения и выноса вещества из почвы, поскольку основная масса мигрирующих соединений попадает в воды речного стока, выносится в океан, накапливается в донных отложениях рек и ручьев. В случае вертикальной нисходящей миграции часть вещества может попадать в грунтовые воды и также навсегда теряться из почвы, однако размеры данного выноса для сорбируемых веществ крайне незначительны по сравнению с выносом вещества из почвы с поверхностным стоком. При вертикальной миграции вещества в почвах преимущественно наблюдается перераспределение вещества в пределах почвенного профиля, а с поверхностным перемещением - необратимый вынос из почвы.

Боковое, или латеральное, перемещение вещества может быть не только поверхностным, но и внутрипочвенным. Благоприятны для развития последнего почвы на так называемых двучленных отложениях, особенно если они залегают на склонах. В таких почвах создается как бы внутрипрофильный водоупор, обычно совпадающий с иллювиальным горизонтом, по которому и происходит внутрипочвенное боковое перемещение почвенного раствора. Боковое внутрипочвенное перемещение приблизительно соизмеримо с вертикальной миграцией вещества в почвах подзолистого типа. Экспериментальный материал по боковому перемещению как с проверхностным, так и внутрипочвенным стоком, получена с использованием стоковых площадок, представляющих собой ограниченный участок территории (от нескольких сотен до нескольких тысяч квадратных метров) на склоне, в нижней части которого установлены специальные емкости, куда собираются стоки, затем проводится химический анализ собранных вод. Используется также изотопно-индикаторный метод.

Схематическая модель биогеохимического круговорота в самом общем виде включает в себя следующие звенья:

1. химические формы элемента в почве;

2. поступление в растения его доступных форм;

3. перераспределение элемента по наземным органам и корневой системе растений (биологическая миграция);

4. возвращение элемента в почву в трансформированной форме в составе прижизненных выделений и с мертвыми остатками;

5. утилизация и трансформация растительных остатков почвенными животными и микроорганизмами в сочетании с абиогенными процессами трансформации и миграции веществ до достижения исходного состояния.

Биогеохимический круговорот является необходимым условием существования жизни в глобальном масштабе, подобно тому, как обмен веществ является необходимым условием жизни отдельного организма. Без почвенного раствора биогеохимический круговорот не может осуществиться.

Заключение

 

Почвенный раствор — это жидкая часть почвы, исключительно динамичная по объему и составу, заполняющая поровое пространство почвы. Содержание и свойства почвенного раствора зависят от водно-физических свойств почвы и от ее состояния в данный момент в соответствии с условиями грунтового и атмосферного увлажнения при данном состоянии погоды. В районах с низкими зимними температурами в холодный сезон жидкая фаза почвы переходит в твердое состояние (замерзает), превращаясь в лед, при повышении температуры часть почвенного раствора может испариться, перейти в газовую фазу почвы. Жидкая фаза — это «кровь» почвенного тела, служащая основным фактором дифференциации почвенного профиля, так как главным образом путем вертикального и латерального передвижения воды в почве происходит в ней перемещение тех или иных веществ в виде суспензий или растворов, истинных либо коллоидных. Почвенный раствор служит основным и непосредственным источником элементов питания для растений. Так как из него растения усваивают большинство питательных веществ. Он создает определенную среду, в которой развиваются микроорганизмы, и служит, поэтому основным регулятором микробиологической деятельности.

Но в ряде случаев почвенный раствор может оказать неблагоприятное воздействие на условия жизни и почвообразовательный процесс.

При высокой концентрации почвенного раствора наступает так называемая физиологическая сухость, когда имеющиеся в растворе элементы питания не могут быть усвоены микроорганизмами и растениями, потому что осмотическое давление концентрированного почвенного раствора значительно превышает осмотическое давление сока в клетках корней или плазме микроорганизмов.

Кислая и щелочная реакции почвенного раствора подавляют развитие и деятельность микроорганизмов. К этому же приводит и присутствие в почвенном растворе ряда соединений, которые даже при малой концентрации губительны для растений — это сода, сероводород и закисные формы железа.

Почвенный раствор играет большую роль в почвообразовании. Кислая его реакция способствует подзолообразованию, а высокая концентрация легкорастворимых солей приводит к образованию солончаков.

Концентрацию почвенного раствора уменьшают промыванием почвы пресными водами. Состав его изменяют внесением удобрений, а реакцию — гипсованием и известкованием. Эти мероприятия позволяют создать искусственное плодородие почв. Воздействие на плодородие почв основывается на том, что все факторы жизни растений (элементы питания, вода, кислород) равнозначны. Нельзя повысить урожайность, улучшая лишь один из режимов — питательный, водный или воздушный. Односторонне воздействие на один из факторов привод к постепенному уменьшению эффекта (закон убывающего плодородия.)

Исчерпывающее знание содержания и свойств почвенного раствора позволяют воздействовать на плодородие почвы в условиях сельскохозяйственного производства, давать обоснованные разработки, направленные на улучшение питательного, водного режимов почв, на безопасное применение сельскохозяйственных ядохимикатов, находить эффективные приемы защиты почв и других природных объектов от загрязняющих веществ.

Список используемой литературы:

 

1. «Почвоведение» п/р С.Кауричева, Москва, Агропромиздат, 1989г.

2. «Земледелие с почвоведением» А.М. Лыкова, А.А. Короткова, Г.И. Баздырева, А.Ф. Сафонова Москва, «Колос», 2000 г.

3. «Почвоведение» «Почва, биосфера и жизнь на Земле» А.Д. Фокин  Москва, «Наука», 1986 г.