Факторы деградации

Деградация почв под влиянием протонной нагрузки обусловлена кислотными осадками, внутренними источниками протонов в почве, подкислением среды при сельскохозяйственном использовании почв. Образование кислотных осадков обусловило окисление в воздухе окислов азота и серы.

1. SO₂ + OH  HSO₃; HSO₃ + OH  H₂SO₄;

SO₂+ h  SO₂^{``</sup> ; SO<sub>2</sub><sup>``} + O₂  SO₄; SO₄ + O₂  SO₃ + O₃; SO₃ + H₂O  H₂SO₄;

2. 2NO + O₂  2NO₂; NO₂ + OH  HNO₃

Концентрация SO₂ в мкг/м³ в городе составляет 50-100; над океаном – 0,1; концентрация азота в воздухе городов достигает 10-100 мкг/м³; над океаном – 0,25. Концентрация кислот в атмосферном воздухе достигает 0,1 мг/м³. По данным Парамоновой Т.А., для региона восточной Литвы среднегодовое поступление сульфатов и нитратов с осадками соответственно 19,5 и 12,0 кг/га. По данным Ulrich B.Z., протонная нагрузка на почву в районах выпадения кислых осадков составляет 4-6 кмоль Н⁺ на 1 га. При этом, рН осадков часто достигает 3-4. Кислотность атмосферных осадков, поступающих в почву, существенно меняется при их прохождении через кроны деревьев (на 0,2-0,6 ед. рН), при этом, существенно увеличивается (на 10-30 мг/л) и их минерализация.

В литературе при оценке устойчивости почв к кислотным осадкам учитывают только протонную нагрузку – количество ионов водорода, попадающих в почву. Однако, устойчивость почв к воздействию кислых осадков в значительной степени зависит от комплексообразующей способности кислых продуктов. Конкурирующее комплексообразование усиливает разрушение твердой фазы почв. Поступающие в почву с кислыми осадками ионы водорода являются катализаторами дальнейших биологических процессов подкисления почв. В почвенном покрове увеличивается доля хвойных пород, более устойчивых к подкислению, что способствует образованию более кислого опада. Кислая реакция среды верхнего горизонта приводит к увеличению роли в разрушении продуктов опада грибной микрофлоры, что, в конечном итоге, также ведет к образованию более кислых продуктов. Подкисление почв приводит к разрушению структуры почв и, как следствие, к развитию временного анаэробиозиса, сопровождающегося образованием низкомолекулярных карбоновых кислот.

Поступление кислых продуктов в почву возможно не только за счет кислых осадков, но также при поглощении корнями растений катионов в обмен на Н⁺, выделяемых корнями; при внесении физиологически кислых удобрений типа (NH₄)₂SO₄, при развитии определенных групп ферментов и микроэлементов, при протекании в почве ряда физико-химических реакций. Внутренними источниками протонов являются преимущественное поглощение растительностью анионов, по сравнению с катионами; минерализация, трансформация и окисление органического вещества, окисление азотистых и некоторых других соединений.

Буферность почв к подкислению

Буферность почв к протонной нагрузке может быть выражена величиной Н⁺почв/ Ндобавл, где Н⁺(д) – изменение количества добавленных к почве ионов водорода мг-экв/100 г почв; Н⁺почв – изменение количества поглощенных почвой ионов водорода. Так как в почве существуют различные функциональные группы, обладающие буферностью в разных диапазонах рН, то правильнее использовать интегральную зависимость: Б_Н = Нпочв/Ндобавл для заданных интервалов Н⁺добавл или Н⁺почв. Изменение количества в почве поглощенных ионов водорода влияет на разные свойства почв Х = f (H⁺). Поэтому для практических целей в ряде случаев перспективны зависимости типа рНпочв/Н⁺добавл; А1почв/Н⁺добавл; Хпочв/Н⁺добавл, где Х – функциональное свойство почвы, имеющее большое практическое значение в данной конкретной ситуации.

Буферность почв к воздействию кислотных осадков или кислых продуктов, поступающих в почву и образующихся в почве, зависит от буферности почв к протонной нагрузке - Хпочв/Ндобавл; к восстановлению - Хпочв/Redдобавл; к воздействию лигандов, обладающих комплексообразующей способностью - Х/Ккомп. В свою очередь, действие на почву протонной нагрузки определяется рН среды и количеством кислых продуктов. Действие на почву восстановленных продуктов определяется константой равновесия в реакциях восстановления или, в первом приближении, Eh почв и количеством восстановленных продуктов. Действие на почву лигандов - комплексонов зависит от констант устойчивости образующихся комплексов и концентрации лигандов. При воздействии на почву указанных факторов чаще отмечаются процессы синергизма.

Выделяются буферные реакции в различных интервалах рН, быстрые и медленные буферные реакции. Было установлено, что при взаимодействии лесных подстилок с кислыми осадками осуществляются два основных механизма буферных реакций: быстрый, который заключается в обмене адсорбированных катионов кальция, магния, калия и, отчасти, марганца на водород, и более медленный, с участием почвенных микроорганизмов, которые разлагают соединения железа и марганца и, в меньшей степени, соли кальция, магния, калия и органических кислот. Медленные буферные реакции обеспечивают величину буферной емкости (способности нейтрализовать кислоту до рН=3) до 700 ммоль/кг, тогда как быстрые буферные реакции обеспечивают буферность до 160 ммоль/кг (Natscher, Schwertmann).

В качестве одного из механизмов буферности почв по отношению к кислотам, рассматривают реакцию протонирования зависящих от рН обменных позиций, находящихся на глинистых минералах и органическом веществе почвы. Протонирование зависящих от рН обменных позиций, находящихся на глинистых минералах, и потеря обменных катионов глинистыми минералами происходит в диапазоне рН=8,0-3,0. Кроме собственно глинистых минералов, носителями зависящего от рН заряда являются оксиды и гидроксиды алюминия и железа, которые протонируются в достаточно широком диапазоне рН. Экспериментально показано, что способны протонироваться те гидроксильные группы, которые находятся на поверхности гидроксидов алюминия и железа в единичной координации. Освобождение различных катионов из силикатов может происходить при рН < 7,0.

Буферность почв к ионам водорода неодинакова для разных типов почв, горизонтов. По данным Ивановой С.Е., запасы буферных компонентов к кислоте составляли в органогенных горизонтах 50-300 ммоль/м²; а в минеральных – 1000-7000. По данным Bache B.W., буферная емкость карбонатных почв составляла до 1000 экв/м²; а для некарбонатных почв – от 10 экв/м² для песчаных почв до 100 экв/м² для торфяных почв. При выражении буферности в мг-экв на 100 г почвы она составляла 8-34 (Mantylahti V.). Буферность выражается и в мг-экв Н⁺ на 1 кг почвы для сдвига рН на 1 единицу. По данным Federer C., эта величина достигала 100 мг-экв/кг (очевидно, что в разных интервалах рН эта величина будет неодинаковой). Binkley Dan оценивает буферность по скорости снижения способности почв к нейтрализации кислот (1,3 кмоль/га ежегодно); скорости снижения содержания обменных оснований в почве (2,2 кмоль/га ежегодно). Ниже приведена классификация буферных систем почв к подкислению.

Таблица 16

Буферные системы нейтрализации протонов в почвах (Ulrich B.)

Буферная система : Диапазон рН : Емкость, кмоль/га, дм : Примечания

карбонатная 6,2-8,6 150 на 1% карбонатности карбонаты в тонкой фракции

< 150 карбонаты в скелетной фрак-

ции или распределены нерав-

номерно

силикатная 5,0-6,2 6 на 1% глинистых мине- выветривание силикатов

ралов

карбонатно-обменная 4,2-5,0 0,1-0,15 на 1% глинис- степень насыщенности осно-

тых частиц ваниями должна быть выше

5-10%

алюминиевая 3,0-4,2 зависит от содержания растворение алюмосодержа-

алюмосиликатов и полу- щих минералов

торных окислов

железная 2,5-3,0 растворение окислов железа

почти не возникает

Устойчивость почв к подкислению и восстановлению определяется как их микробиологической активностью и наличием органического вещества, в качестве энергетического субстрата, так и количеством в ППК функциональных групп, протонирующихся или восстанавливающихся в том или ином интервале рН и Eh. Так как в разных почвах количество таких группировок неодинаково, то буферность почв к внешним воздействиям (деградации) неодинакова на разных стадиях деградации. Одна почва, по сравнению с другой, может быть более устойчива к подкислению в интервале рН=6-5, но менее устойчива в интервале рН=5-4 и т.д. Одна почва, по сравнению с другой, может быть более устойчива к развитию анаэробиозиса в интервале Eh=600-400 мв, но менее устойчива в интервале 400-200 мв.

Устойчивость почв к протонной нагрузке увеличивается с утяжелением гранулометрического состава, емкости поглощения, доли минералов с высокой емкостью катионного обмена, с увеличением содержания гумуса, суммы поглощенных оснований, СаСО₃, MgCO₃ с увеличением буферности почв в кислом интервале, чаще с увеличением рН среды. Устойчивость почв к протонной нагрузке уменьшается с увеличением подзолистого горизонта и степени оподзоленности, с увеличением продолжительности временного анаэробиозиса, с уменьшением рН опада и увеличением в нем доли дубильных веществ и смол, с увеличением массы опада, на вогнутых склонах и понижениях, при усилении промывного типа водного режима, при усилении элювиального процесса под определенными насаждениями, при увеличении комплексообразующей способности мигрирующих кислых продуктов (при усилении деградации почв и компонентов биогеоценоза по другим параметрам).