Контрольные вопросы к третьему учебному модулю

1. Понятие о литосфере. Основные процессы преобразования горных пород.

2. Фазовый и элементный состав почв, их типы и функции.

3. Процессы образования гумуса. Проблема гумусового слоя.

4. Почвенные растворы, состав и свойства. Ионообменная способ­ность почв.

5. Виды почвенной кислотности и проблема закисления почв.

6. Формы соединений Al и Si в почвах. Марганец и железо в поч­вах.

7. Азот, фосфор и сера в почвенных процессах.

8. Микроэлементы в почвах. Проблема загрязнения почв и качества продуктов питания.

9. Карбонатные системы и природа щелочности почв.

Задачи к третьему учебному модулю

Задача II.3.1

Рассчитайте количество доломитовой муки, которую необходимо вно­сить на Ваш садовый участок (площадь 0,1 га), что бы исключить закисление почв за счет выпадения кислотных осадков, если плот­ность выпадений составляет (кг/гагод):

H⁺ - 0,77; SO₄^2- - 43,27; NO₃^- - 19,22; NH₄⁺ - 2,59; Ca²⁺ - 3,25.

Напишите уравне­ния соответствующих реакций и перечислите основные последствия закисления почв.

Задача II.3.2

Опишите, в каких случаях проводится гипсование почв и приведите соответствующие химические реакции. Оцените дозу гипса для па­хотного слоя почвы толщиной 50 см, если емкость катионного обме­на равна 23 мг-экв/100 г, а содержание обменного натрия состав­ляет 20 % от емкости катионного обмена.

Задача II.3.3

Среднее содержание гумуса в пахотных почвах Ивановской области составляет 1,9 %. Оцените степень истощения гумусового слоя, на­зовите основные причины этого явления и предложите меры по улуч­шению плодородия почв в области.

Задача II.3.4

Оцените коэффициент биологического поглощения бора, если его со­держание в почве составило 5,8 мг/кг сухой почвы, а в золе зла­ковых растений 400 мг/кг. Определите к какой группе элементов относится бор и опишите его основные функции в физиологии расте­ний.

Задача II.3.5

В воде Уводьского водохранилища среднее содержание цинка и меди составляет соответственно 0,0124 и 0,009 мг/л, степень минерали­зации воды близка к 0,4 г/л. Оцените коэффициенты водной мигра­ции каждого из элементов, если их Мировой кларк для осадочных пород равен 80 (Zn) и 51 (Cu) мг/кг, и интенсивность водной миг­рации каждого из элементов.

Задача II.3.6

В настоящее время человечество способно синтезировать около 10 млн. соединений, производит в больших масштабах 50 тысяч соеди­нений, а в особо крупных масштабах - 5 тысяч соединений. Опишите возможные последствия воздействия этих соединений для литосферы и почвенных организмов.

Задача II.3.7

Общий объем различного минерального сырья извлекаемого из недр составляет 10¹¹ т. Оцените какую долю эта величина составляет от объемов веществ, вовлекаемых в биотический круговорот суши. По­ясните основную роль ландшафтов и последствия их изменения.

Задача II.3.8

Экспериментальные данные по кинетики аэробного и анаэробного разложения некоторых токсичных веществ антропогенного происхождения в почвенной суспензии даны ниже.

Вещество	Условия	Содержание, мкг/кг		Длительность
	опыта	Начальное	К концу опыта	опыта, сутки
Мочевина	Аэробное	15	3,8	5
Мочевина	Анаэробное	15	2,7	5
Фенантрен	Аэробное	15	0,15	14
Фенантрен	Анаэробное	15	0,6	14
Трихлорэтилен	Аэробное	15	1,86	14
Трихлорэтилен	Анаэробное	15	1,65	14
ДДТ	Аэробное	15	0,38	42
ДДТ	Анаэробное	15	0,30	42
Гексахлорбензол	Аэробное	15	0,30	14
Гексахлорбензол	Анаэробное	15	0,35	14

Определите время полураспада этих соединений в аэробных и анаэробных условиях.

Установите взаимосвязь между строением и временем полураспада, а также поясните, почему одни соединения лучше разлагаются в анаэробных условиях, а другие в аэробных.

Задача II.3.9

По имеющимся данным почвы суши теряли в среднем за 10 000 лет по 30 млн. т углерода гумуса ежегодно, но в последние 50 лет - со скоростью 700 млн. т углерода ежегодно. Оценить, задаваясь территорией суши и площадью пахотных земель (около 30 млн. км²), суммарные потери углерода за последние 50 лет. Перечислить основные причины указанного процесса и наиболее вероятные следствия.

Задача II.3.10

В настоящее время скорость потерь гумусового слоя составляет в среднем 1 см ежегодно. Уменьшение мощности гумусового слоя на 1 см вызывает снижение потенциального урожая зерновых культур в черноземах на 100 кг с 1 га. Оцените последствия для мирового сообщества, если средняя урожайность зерновых культур в мире составляет 28 центнеров с га (по России - 18 центнеров с гектара). Перечислите основные причины уменьшения мощности гумусового слоя, а также укажите главные профилактические мероприятия.

Задача II.3.11

Среднее содержание соединений азота и фосфора в почвах разного генезиса (в слое 0 - 30 см) в кг/га приведено ниже.

Форма азота	Содержание, кг/га
	дерново-подзолистая	типичный чернозем	серозем
Весь азот	3560	9890	3420
Азот амминогрупп	425	1010	400
Аммонийный азот	500	1040	650
Азот амминосахаров	400	670	220
Негидролизуемый азот	1080	4340	1400
Фосфор (в пересчете на Р2О5) минеральный	1300	2900	1700
Фосфор (Р2О5)	500	1600	300

Водные потоки со склонов даже покрытых растительность приводят к смыву верхних слоев почвы в близлежащие водотоки. Вследствие этого ежегодно уносится 1-2 т почвы с гектара. Оцените поступление азота и фосфора в Уводьское водохранилище за счет указанного процесса и их среднюю концентрацию, формы нахождения в воде, если площадь зеркала водохранилища равна 10,4 км² (ширина - 1,5 км; длина - 15 км), объем воды в водохранилище - 83 млн. м³, ширина водоохранной зоны - 300 м. Перечислите основные следствия, которые могут вызвать найденные концентрации азота и фосфора для данного водного объекта.

Задача II.3.12

Среднее содержание гумуса в пахотном слое почв (до 30 см) в Ивановской области составляет 1,9 %. Оцените его запасы (р - плотность слоя почвы обычно равна 1,2 - 1,5 г/cм³) и среднюю потребность почв в органических удобрениях, если среднее ежегодное количество поступающих в почву пожнивных органических остатков составляет 0,5 т/га, коэффициент минерализации гумуса равен 0,8, а коэффициенты гумификации растительных остатков и органических удобрений равны, соответственно, 0,2 и 0,1.

Задача II.3.13

При возникновении в почвах анаэробных условий усвояемость растениями железа и марганца резко возрастает, но возрастает и токсическое действие этих элементов на растения. Такая ситуация часто возникает на заболоченных рисовых полях. Объясните данное явление и приведите соответствующие химические реакции.

Задача II.3.14

Известно, что сахарная свекла уносит из почвы необычайно большие количества азота (300 кг/га), калия (400 кг/га) и магния (45 кг/га), а кукуруза - фосфора (70 кг/га в пересчете на Р). Объясните, к каким изменениям минерального состава почвы приводит выращивание монокультур. Оцените потребность в минеральных удобрениях для выращивания указанных культур, если площади интенсивно используемых пахотных земель составляют 12 млн. км², под указанные культуры занято примерно 20 % пахотных земель. Найденную величину сравните с реальной (в настоящее время ежегодно на планете рассеивается 400 млн. т минеральных удобрений и около 4 млн. т ядохимикатов).

Задача II.3.15

Вы приняли решение выращивать в своем регионе сахарную свеклу с целью решения проблемы обеспечения населения сахаром. Однако, пахотные земли в регионе бедны калием. Какое из трех соединений, предложенных вам поставщиками, KCl, KNO₃ или K₂SO₄ вы выберете в качестве удобрений? Мотивируйте свой выбор, приведите уравнения химических реакций в почвах.

Задача II.3.16

По общей массе почвенные микроорганизмы составляют большую часть микроорганизмов нашей планеты: в 1 г чернозема их содержится до 1010⁹ штук или примерно 8 - 10 т/га (точнее 1 - 7 т бактерий, 100 - 1 000 кг микрогрибов, 10 - 300 кг водорослей, 5 - 10 кг простейших, до 1 000 кг членистоногих и 350 - 1 000 кг дождевых червей). Среднее время удвоения их массы составляет 20 - 120 минут. Оцените среднее время жизни почвенных микроорганизмов, опишите их роль в почвенных процессах и приведите соответствующие уравнения реакций.

Задача II.3.17

Определите емкость катионного поглощения для различных типов почв, имеющих следующие показатели (величины даны в мгэкв/100 г почвы):

1. Ca²⁺ - 3; Mg²⁺ - 1,5; Al³⁺ - 7 гидролитическая кислотность Н_g = 8;

2. Ca²⁺ - 20; Mg²⁺ - 5; Na⁺ - 4; Н_g =8;

3. Ca²⁺ - 6; Mg²⁺ - 0,2; K⁺ - 1,2; Na⁺ - 0,5; Н_g = 8;

4. Ca²⁺ - 40,8; Mg²⁺ - 6,6; Н_g = 4,81;

5. Ca²⁺ - 3; Mg²⁺ - 4; K⁺ - 1,5; Н_g = 3;

6. Ca²⁺ - 13; Mg²⁺ - 7; Н_g = 7.

Какие из приведенных почв наиболее подвержены загрязнению тяжелыми металлами и пестицидами?

Задача II.3.18

Какие величины степени насыщенности почв основаниями определяют сильную, среднюю и слабую потребность почвы в извести или полное отсутствие её потребности?

Задача II.3.19

Определите степень насыщенности почв основаниями и необходимость её известкования по приведенным ниже характеристикам, выраженным в мгэкв/100 г почвы (S - сумма поглощенных оснований; H_g - гидролитическая кислотность, Е - емкость поглощения катионов).

1. S = 36, Н_g = 3.

2. [Ca²⁺] = 2,5; [Mg²⁺] = 1; Н_g = 8.

3. S = 12; Н_g = 4.

4. E = 21; Н_g = 5.

5. [Ca²⁺] = 3,7; [Mg²⁺] = 2,6; Н_g = 7,9.

6. [Ca²⁺] = 7,6; [Mg²⁺] = 1,3; E = 7,4.

7. S = 10,4; E = 14,2.

8. S = 4,4; H_g = 3,5.

9. [Ca²⁺] = 5,5; [Mg²⁺] = 3; Н_g = 2.

Задача II.3.20

Определите степень солонцеватости различных типов почв, если они имеют следующие характеристики в мгэкв/100 г почвы;( S - сумма поглощенных оснований; Е - емкость поглощения катионов):

1. [Ca²⁺] = 29; [Mg²⁺] = 5,8; [Na⁺] = 1,9;

2. [Na⁺] = 2; S = 22;

3. [Na⁺] = 9; E = 28;

4. [Ca²⁺] = 7,8; [Mg²⁺] = 2,4; S = 17;

5. [Ca²⁺] + [Mg²⁺] = 22,0; [Na⁺] = 8;

6. [Ca²⁺] = 2,2; [Mg²⁺] = 2,0; [Na⁺] = 10;

7. [Ca²⁺] = 7,4; [Mg²⁺] = 2,3; [Na⁺] = 81;

8. S = 20; [Na⁺] = 5;

9. S = 30; [Na⁺] = 6;

10. S = 29; [Na⁺] = 2.

Определите дозу внесения гипса в каждый тип почв для пахотного слоя толщиной 20 см, если объемная плотность почвы составляет 1,3 г/см³.

Задача II.3.21

Оцените вероятность загрязнения почв тяжелыми металлами и пестицидами, характеристики которых даны ниже. Что можно сказать об этих почвах с точки зрения состава поглощаемых катионов почвенно-поглощающего комплекса (цифры приведены в мгэкв/100 г почвы; S - сумма поглощенных оснований; Е - емкость поглощения катионов; величина рН относится к водной суспензии)?

1. S = 14; E = 20; pH = 5.

2. [Ca²⁺] + [Mg²⁺] = 27; E = 30; pH =7,8.

3. [Ca²⁺] + [Mg²⁺] = 22; E = 30; pH > 7.

4. S = 13; E = 17; pH < 7.

5. [Ca²⁺] + [Mg²⁺] = 33; E = 38; pH >7.

6. S = 22; E = 32; pH < 7.

7. [Ca²⁺] = 3,5; [Mg²⁺] = 2,7; E = 9; pH < 7.

8. [Ca²⁺] + [Mg²⁺] = 9; S = 55; pH > 7.

9. [Ca²⁺] = 42; [Mg²⁺] = 7; E = 25; pH > 7.

Задача II.3.22

По приведенным ниже характеристикам почв определите необходимость их химической мелиорации. Если какая - либо из почв нуждается в мелиорации, то уточните, в какой именно мелиорации есть потребность (цифры - мгэкв/100 г почвы; S - сумма поглощенных оснований; Е - емкость поглощения катионов; величина рН относится к водной суспензии; Н_g - гидролитическая кислотность почв).

1. Е = 15,5; Н_г = 8.

2. S = 8,5; Н_г = 4,6.

3. [Na⁺] = 5; S = 20.

4. [Ca²⁺] + [Mg²⁺] = 2,2; E = 28; pH > 7.

5. S = 12; E = 20; pH < 7.

6. [Ca²⁺] = 8; [Mg²⁺] = 3; Н_г = 6.

7. S = 27; [Na⁺] = 8.

8. S = 18; E = 25; pH < 7.

9. E = 21; S = 10; pH < 7.

10. [Ca²⁺] + [Mg²⁺] = 35; E = 40; pH > 7.

Какие из указанных почв в наибольшей степени подвержен загрязнению тяжелыми металлами и пестицидами и почему?

Задача II.3.23

Определите тип и степень засоления почв по результатам анализа водных вытяжек (смотри таблицу). Оцените уровень потребности в мелиорирующем соединении и рассчитайте его дозу для пахотного слоя толщиной 20 см (плотность почвы равна 1,5 г/см³).

Почва	Сухой	Содержание анионов и катионов, мгэкв/100 г почвы
	остаток, %	HCO3-	Cl-	SO42-	Ca2+	Mg2+	Na+
№ 1	1,85	0,64	0,20	24,19	9,35	1,08	14,28
№ 2	0,67	0,88	1,89	7,43	0,55	1,56	8,109
№ 3	2,04	0,64	12,21	17,31	4,70	2,47	22,99
№ 4	4,004	0,43	9,0	46,56	7,70	7,15	41,14
№ 5	2,826	0,80	33,82	5,41	19,60	2,55	17,28
№ 6	5,91	0,46	18,51	10,01	8,30	6,66	44,02
№ 7	16,08	5,83	4,77	213,63	следы	следы	224,21
№ 8	2,77	9,82	4,48	22,26	следы	следы	37,42
№ 9	2,65	12,08	14,84	8,8	следы	следы	35,72
№ 10	0,93	5,56	4,37	1,97	нет	нет	11,90

Примеры решения задач

Задача 3.1

Определите емкость катионного обмена почвы, если она содержит следующие катионы (мгэкв/100 г почвы): Са²⁺ (2), Mg²⁺ (1). Потенциальная кислотность почвы составляет 7 мгэкв/100 г почвы.

Решение

Емкость поглощения катионов равна:

E = S + H_g,

где S - сумма поглощенных оснований (мгэкв/100 г почвы), Н_g - гидролитическая кислотность, определяемая количеством катионов Н⁺, содержащихся в ППК (почвенно-поглощающем комплексе, мгэкв/100 г почвы).

E = (2 + 1) + 7 = 10 мгэкв/100 г почвы.

Экспериментально определено, что при Е  20 мгэкв/100 г почвы наиболее подвержены загрязнению тяжелыми металлами и пестицидами, а при Е 50 мгэкв/100 г - почвы более устойчивы к загрязнениям.

Задача 3.2

Какие величины степени насыщенности почв основаниями определяют сильную, среднюю и слабую нуждаемость почв в извести или полное её отсутствие?

Ответ

От степени насыщенности почвы основаниями зависят её нуждаемость в известковании, а именно:

1. при степени насыщенность почв основаниями V < 50 % - нуждаемость сильная;

2. при V = 50 - 60 % - средняя;

3. при V = 60 - 70 % - слабая;

4. при V > 70 % - отсутствует необходимость известкования.

Задача 3.3

Определите степень солонцеватости почв, если в ней содержатся (в мгэкв/100 г почвы) обменные катионы Са²⁺ - 7,8; Mg²⁺ - 2,4; сумма поглощенных оснований S = 17. Определите дозу внесения гипса для пахотного слоя толщиной 20 см, если объемная масса почвы составляет 1,15 - 1,35 г/см³.

Решение

Степень солонцеватости определяют по формуле:

 = ([Na⁺]/S)100 ( в %) ;

где [Na⁺] - содержание катиона натрия в почве, а S - сумма поглощенных оснований.

Найдем, что [Na⁺] = S - [Ca²⁺] - [Mg²⁺] = 17 - 7,8 - 2,4 = 6,8 мгэкв/100 г.

Тогда,  = (6,8/17)100 = 26 %.

К солонцовым почвам относят такие, в которых содержание обменного натрия (Na⁺) составляет не менее 20 % от емкости поглощения.

Дозу гипса (D, т/га), необходимого для замены избытка поглощенного натрия кальцием, можно найти из выражения:

D = 0,086([Na⁺] - 0,05E) H,

где Е - емкость поглощения (мгэкв/100 г почвы); 0,05 - коэффициент пропорциональности ( при расчетах дозы гипса полагают, что до 5 % обменного натрия от емкости поглощения остается в почве, так как именно это количество натрия не оказывает отрицательного воздействия на свойства почвы); H - глубина пахотного слоя в см,  - объемная масса солонцового горизонта; 0,086 - значение 1 мгэкв гипса (CaSO₄2 H₂O), выраженное в г.

В рассматриваемом случае Е = S, так как гидролитическая кислотность H_g = 0 , тогда:

D = 0,086(6,8 - 0,0517) 201,15 = 11,76 т/га.

Задача 3.4

Что можно сказать о почве с точки зрения состава обменных катионов почвенно-поглощающего комплекса, если сумма поглощенных оснований равна S = 22 мгэкв/100 г, емкость поглощения катионов Е = 32 мгэкв/100 г, рН водной вытяжки меньше или равна 7? Что можно сказать о подверженности этой почвы загрязнению тяжелыми металлами и пестицидами?

Ответ

Гидролитическая кислотность равна:

H_g = Е - S = 32 - 22 = 10 мгэкв/100 г.

Так как Е > 20 (Е = 32 мгэкв/100 г) почва имеет склонность к загрязнению тяжелыми металлами и пестицидами. Степень насыщенности почв основаниями V равна:

V = S100/(S +H_г) = 22100/(22 + 10) = 68 %,

следовательно, потребность в известковании очень слабая. Величина рН водной вытяжки отражает значение актуальной кислотности, то есть кислотности почвенного раствора. Поскольку для водной вытяжки рН  7, то почва не кислая, то есть практически не нуждается в известковании.

Задача 3.5

Анализ почвы показал, что сумма поглощенных оснований S равна 20 мгэкв/100 г, содержание обменного натрия [Na⁺] = 5 мгэкв/100 г. Определите нуждается ли данная почва в химической мелиорации и если да, то в какой?

Ответ

Наличие обменного натрия указывает на вероятность её засоления.

Степень засоления почв  равна:

 = [Na⁺]100/S = 5100/20 = 25 %.

К солонцовым относятся почвы с содержанием обменного натрия в количестве не менее 20 %, следовательно, почва действительно засолена и должна гипсоваться.