1.3. Геохимические барьеры в почвах

Представления о важном значении геохимических барьеров для формирования аккумуляций химических элементов в почвах и почвообразующих породах были рассмотрены М.А. Глазовской. Она сформулировала концепцию ландшафтно-геохимических процессов. Почва – это один из самых информативных блоков ландшафтно-геохимической системы, её центральное ядро, в котором встречаются и взаимодействуют потоки вещества и энергии, связывающие все компоненты ландшафта в единое целое (М.А. Глазовская, 1988). Среди природных геохимических барьеров одно из первых мест занимают по распространённости комплексные аналоги. Даже в одной и той же части почвенного профиля возможно наложение двух или нескольких взаимосвязанных геохимических процессов с образованием комплексных геохимических барьеров (Н.С. Касимов, А.И. Перельман, 1992). В зависимости от способа массопереноса различают фильтрационные и диффузионные барьеры. Первые характерны для элювиальных (подзолистых) почв, вторые формируются в застойных водах, при развитии глеевого процесса.

Почвы являются природными фильтрами для многих минеральных и органических загрязняющих веществ. Это замечательное свойство и создаёт главную опасность их загрязнения. Первый техногенный «удар» (наряду с

растительным покровом) принимают на себя верхние, самые ценные, обогащенные органическим веществом и корнеобитаемые горизонты почв.

Рис. 12. В аридных зонах Земли воды рек – источник жизни биоты.

Часть элементов, поступающих на поверхность почв с техногенными пото­ками, задерживается в верхнем горизонте. Состав и количество удерживаемых элементов зависят от содержания и состава гумуса, кислотно-щелочных и окис­лительно-восстановительных условий, сорбционной способности, интенсивно­сти биологического поглощения. Другая часть проникает внутрь почвенной толщи при нисходящем токе почвенной влаги, а также механическим путём за счет перемешивающей деятельности почвенной фауны. В пределах почвенного профиля техногенный поток веществ встречает еще ряд барьеров – различные иллювиальные горизонты: иллювиально-железисто-гумусовые, иллювиальные кольматированные, карбонатные, гипсовые, солон­цовые, а также глеевые горизонты. О барьерных функциях иллювиальных гори­зонтов дерново-подзолистых почв свидетельствует накопление в них ряда мик­роэлементов даже в условиях нормального геохимического фона, вне воздейст­вия техногенных потоков.

Неотъемлемым геохимическим барьером в почвах является биогеохимический барьер. Его особенностью является не только радикальное изменение состояний и форм миграции химических элементов, но и аккумуляция ими солнечной энергии в химических связях ВОВ и гумусе (Яшин и др., 2008).

Глеевые барьеры формируются в горизонтах почв и породах, в которых наблюдается резкая смена окислительной обстановки анаэробной (глеевой). Реализуется при наличии доступных форм органических веществ, анаэробных микроорганизмов и дефицита молекулярного кислорода. Показано, что в формировании глеевого барьера ведущая роль принадлежит гетеротрофным микроорганизмам: спороносным и неспороносным бактериям (Bac. cereus, Bac. Thuringiensis), грибам (Fusarium, Aspergillus, Penicillium), актиномицетам. Большая роль в восстановлении железа принадлежит микроорганизмам-кислотообразователям, многие микроорганизмы выделяют специфические хелатообразующие соединения, извлекающие трёхвалентное железо из кристаллических решеток гидроксидов и одновременно переводящие его в двухвалентные формы.

Рис. 13. Горные ландшафты Земли – зоны создания ледников и рек.

На глеевом барьере осаждаются анионы AsO₄^3-, Fe(OH)₃^-, PO₄^3-, a также селен. Здесь отмечается масштабная мобилизация и миграция ионов железа и марганца при активном участии ферментов микрофлоры и компонентов ВОВ. Основной механизм миграции на глеевом барьере – диффузия. При этом активно формируются коллоидные системы Si, Fe, Al, Mn..., которые сами являются активными сорбентами.

Глеегенез сопровождается процессами денитрификации, которая может идти химическим путём за счет окисления нитратами органического вещества или Fe²⁺ и Mn²⁺. Особенно эти процессы заметны в оглеенных пахотных почвах таежной зоны Земли, из которых за счет денитрификации теряется значительная часть вносимых азотных удобрений.

Сорбционные барьеры проявляются в почвах, почвообразующих породах и рыхлых корах выветривания, богатых коллоидами, вторичными минералами и гумусом. Эти вещества отличает очень развитая поверхность раздела фаз, которая и обусловливает их полифункциональность как сорбентов. Гумусовые соединения, глинистые минералы, гидроксиды кремния и марганца, имеющие отрицательный знак заряда, сорбируют из растворов положительно заряженные ионы, а также анионы по типу осадочной сорбции. Данный барьер может быть одно,­ и двусторонним.

Почвенный покров можно рассматривать как площадной сорбционный геохимический барьер, хранящий информацию о биосфере Земли.

Испарительные барьеры. На испарительных геохимических барьерах увеличение концентрации химических элементов происходит в результате процессов испарения. Наиболее распространены они в регионах с засушливым климатом, но встречаются и в чернозёмных степях и даже лесостепях. В сухие периоды их временное появление возможно даже в тайге и тундре. Однако в этом случае в дождливый период идёт промывание почв и аномальные концентрации химических элементов на испарительных барьерах могут исчезнуть. Типичным примером образования испарительного геохимического барьера может быть засоление почв в результате поднятия грунтовых вод выше уровня их капиллярного подъёма на поверхность. При поднявшемся уровне грунтовых вод часть их вместе с растворёнными в них солями по капиллярам достигает поверхности почв. С поверхности идёт атмосферное испарение вод, а растворённые соли накапливаются в почвах. Так происходит формирование испарительного геохимического барьера.

Глубина, с которой возможно капиллярное поднятие вод к поверхности, а, следовательно, и засоление почв, получила название критического уровня залегания грунтовых вод (Б.Б. Полынов). В.А. Ковда (1949) на основании обработки большого статистического материала установил приблизительную математическую зависимость критической глубины уровня залегания грунтовых вод от среднегодовой температуры. От неё зависят продолжительность и интенсивность формирования испарительного барьера.

Установленная зависимость имеет вид:

У = 170 + 8t ± 15 (1)

где У – критический уровень залегания грунтовых вод, см; t – число, соответствующее среднегодовой температуре, ºС.

Техногенные испарительные барьеры образуются в результате чрезмерного орошения почв, вызывающего подъём уровня грунтовых вод выше критического. Техногенный подъём уровня вод может быть связан с созданием водохранилищ, особенно в равнинных регионах, а также со сбросами сточных вод. Еще одной природной разновидностью рассматриваемых барьеров является засоление почв под влиянием солевого состава осадочных пород.

Щелочной барьер реализуется на участках, где кислая среда сменяется щелочной, слабощелочная – резкощелочной или сильнокислая – слабокислой, то есть при резком скачкообразном увеличении рН. В этих условиях из водных растворов на щелочных барьерах осаждаются многие минералы, относящиеся к карбонатам, гидроксидам, фосфатам, арсенатам, ванадатам, а также в карбонатном горизонте концентрируются Mo, Mn, Co, Pb, Sr. Формирование в почвах щелочного барьера связано с образованием кальцита и его модификации – арагонита. Это широко распространённый в ландшафтах процесс.

Кальций, поступающий в почвы, вовлекается в большей или меньшей степени в биологический круговорот. При разложении растительных остатков гетеротрофными организмами и при взаимодействии с образующейся углекислотой кальцит во влажном климате растворяется и поступает в виде бикарбоната кальция в воды поверхностного и внутрипочвенного стока, выщелачивается за пределы почвенного профиля. В менее влажном климате при не промывном режиме почв кальцит, растворяющийся в верхних, насыщенных углекислотой горизонтах, на некоторой глубине, при уменьшении содержания СО₂ в почвенном воздухе и внутрипочвенном испарении влаги вновь выпадает в осадок и участвует в формировании иллювиального карбонатного горизонта. В зависимости от условий водного режима карбонатный горизонт формируется на различной глубине. Изменяется также форма новообразованного кальцита.