2.3. Почвы. Химический состав, свойства, загрязнение

В результате процессов физического, химического выветривания, формирования верхних слоев земной коры под влиянием жизни, атмосферы и обменных процессов, образовалась почва –рыхлый слой поверхностных горных пород вместе с включенными в него водами, воздухом, живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности. Почва обладает специфическим свойством – плодородием, то есть способностью обеспечивать растения элементами питания, влагой, воздухом и давать урожай.

Почва образовалась позже литосферы, гидросферы и биосферы и является результатом их взаимодействия. В структуре биосферы почва является центральным звеном. Это важный средообразующий фактор. По почве выделяют ландшафты, в структуру которых входят биогеоценозы. Наземные биогеоценозы состоят из растений, животных, микроорганизмов, почвы, водных ресурсов, воздуха. Связь между всеми этими компонентами происходит через почву.

Основы почвоведения были созданы русским ученым В.В. Докучаевым. В.В. Докучаев был почвоведом широкого профиля, он интересовался происхождением почв, их классификации географическим распространением, немало внимания уделял вопросам химии почв. При характеристике почв он опирался на результаты химических анализов. В.В. Докучаев впервые проанализировал процесс гумификации (превращение органических остатков растений в почвенный гумус) как функцию биоклиматических условий, объяснив содержание и свойства гумуса различных почв температурными условиями, количеством осадков, уровнем проникновения в почву атмосферного воздуха.

Почва состоит из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. В твердой фазе преобладают минеральные образования - первичные (кварц, полевые шпаты, слюда) и вторичные (каолинит, гидрослюды и др.) К этой же фазе относятся различные органические вещества, в том числе гумус, или перегной, а также почвенные коллоиды, имеющие органическое, минеральное или органоминеральное происхождение. Жидкую фазу почвы или почвенный раствор, составляет вода с растворенными в ней органическими и минеральными соединениями, а также газами. Газовую фазу почвы составляет «почвенный воздух», включающий газы, заполняющие свободные от воды поры, а также газы, адсорбированные коллоидными частицами и растворенные в почвенном растворе. Слоистая структура почвы возникает в результате взаимных перемещений в ней продуктов органического и неорганического происхождения.

Почва состоит из нескольких горизонтов (слоев с одинаковыми признаками), возникающих в результате сложного взаимодействия материнских горных пород (подпочвы), климата, растигельных и животных организмов (особенно бактерий), рельефа местности. Если заложить почвенный разрез (выкопать яму) с вертикальной передней стенкой, то на ней станет отчетливо видна по­следовательность генетических горизонтов.

В профиле чернозема верхнюю часть занимает горизонт А—- перегнойно-аккумулятивный; он имеет темно-серую окраску, содержит много гумуса, азота, фосфора. Аналогичные горизонты имеются во всех почвах, но обычно они значительно меньшей мощности, более светлые по окраске и содержат меньше гумуса. Ниже горизонта А располагается переходный горизонт В, затем горизонт ВС и неизмененная порода — горизонт С. В подзолистых и дерново-подзолистых почвах горизонт А мал и обеднен элементами питания, под ним формируется горизонт Е, из которого нисходящими токами влаги вынесены Fе, А1, К, Mg и другие элементы, а накапливаются имущественно оксиды кремния SiO₂. Многие элементы, особенно Fe, скапливаются в следующем горизонте В. Если горизонт Е называют элювиальным (от латинского е1ио — вымывать), то горизонт В - иллювиальным. Еще ниже могут быть горизонты с интенсивным развитием восстановительных процессов, их называют глеевыми и обозначают буквой Q.

Количество генетических горизонтов велико, и этим обусловлено большое разнообразие почв. Первичными свойствами горизонтов являются химический состав и химические свойства: так, серая или темно-серая окраска вызвана присутствием гуминовых веществ, бурые, красноватые тона, связаны с оксидами железа.

Сочетания горизонтов, их свойства, выраженность зависят от небольшого числа факторов почвообразования, к которым относятся климат, растительность, почвообразующие породы, рельеф и возраст почв. Сочетание факторов приводит к различным водно-воздушным, окислительно-восстановительным, кислотно-основным режимам почв, а в целом образуется хорошо организованная система, называемая почвенным профилем.

Набор и количественное соотношение химических элементов в почве называют ее элементным составом. Любые почвы содержат все 92 элемента Периодической системы Д.И. Менделеева, а в случае химического загрязнения в почвах обнаруживаются и трансурановый элементы. Диапазон концентраций очень велик: от десятков и единиц массовых долей (в %), до 10^-10— 10^-12 %. Часть элементов участвует в формировании почвенной массы, другая часть существенно не влияет на свойства почвенной массы, но зато играет важную физиологическую роль: некоторые элементы могут быть как стимуляторами физиологических и биохимических процессов, так и быть токсичными.

Химические элементы представлены в почвах большим набором их химических соединений. Разнообразие соединений любого из элементов обеспечивает сравнительную устойчивость химического состояния почв. Так, соединения фосфора представлены преимущественно ортофосфатами, но они могут находиться одновременно в виде различных соединений с кальцием, алюминием, железом, цинком, свинцом, марганцем. О разнообразии фосфатов дает представление следующий далеко не полный перечень их почвенных соединений: Са₃(РО₄)₂, Са₁₀(РО₄)_б(ОН)₂, Са₁₀(РО₄)_бF₂, Са₄(РО₄)₃Н*ЗН₂О, Са₃(РО₄)₂, Са(Н₂РО₄)₂, CaHPО₄, А1РО₄*2Н₂О, FеРО₄•2Н₂О, Fе₃(РО₄)₂•8Н₂О,Pb₃(PO₄)₂, Zn₃(PO₄)₂, Pb₅(PO₄)₃OH, PbAl₃H(OH)₆(PO₄)₂, MnHPO₄. Кроме того, значительная часть фосфора представлена органическими соединениями и конденсированными фосфатами.

Железо в почвах одновременно входит в кристаллические ре­шетки алюмосиликатов, в гётит FeOOH, гематит Fе₂Оз, в различные гидроксиды. По мере расхода наиболее растворимых соединений Fе его концентрация поддерживается в почвенном растворе другими со­единениями железа. Соединения кремния в почвенном растворе представлены ортокремниевой кислотой H₄SiО₄ или ее полимерными формами, а в твердых фазах одновременно сосуществуют аморфный и кристаллический диоксид кремния SiO₂ (кварц), минералы группы алюмосиликатов.

Особенно многочисленны в почвах соединения углерода. Практически всегда в почвенном воздухе есть диоксид углерода СО₂ в почвенном растворе — угольная кислота, в степных и сухостепных почвах — СаСОз и Na₂СОз; это только минеральные соединения. Набор соединений в органическом веществе до сих пор не подсчитан, но в их число входят как низкомолекулярные соединения, начиная от метана СН₄, аминокислот, простейших кислот жирного ряда, моносахари­дов, так и, высокомолекулярные соединения, представленные целлюлозой, лигнином, полипептидами.

Особое место занимают специфические для почв гуминовые вещества. Происхождение их таково. Наземные и внутренние почвенные организмы после своего отмирания в виде безжизненного органического вещества поступают в почву. В результате микробиологических и частично химических и физико-химических процесса это вещество подвергается сложным биохимическим преобразованиям. Органические соединения, поступающие в почву в составе ocтатков растительных и животных организмов, либо разрушаются до простых неорганических соединений (СО₂, H₂O, NH₃ и др.), либо преобразуются в новые органические соединения. Комплекс новообразованных специфических почвенных органических соединений получил название почвенного перегноя, или гумуса. В составе органического вещества почвы можно выделить:

1) почти неразложившиеся или слабо разложившиеся преимущественно растительные остатки;

2) сильно измененные растительные остатки, которые можно выделить и определить их происхождение лишь с помощью микроскопа;

3) сложные органические соединения, образующие гумус.

Гумус в различных типах почв неодинаков, и его характер определяется рядом условий и факторов, среди которых основная роль принадлежит жизнедеятельности микроорганизмов - бактерий, актиномицетов и грибов. Важное значение имеет состав поступающих в почву растительных остатков. Например, поступление в почву опада хвойного леса, несмотря на его значительную массу, не приводит к заметному накоплению перегноя. Наоборот, разложение корневых остатков травянистой растительности всегда сопровождается значительным накоплением перегноя. Не менее важное значение имеет режим кислорода, определяющий аэробную или анаэробную среду превращения растительных остатков. При аэробном разложении конечными продуктами являются углекислота, вода и кислородные соединения азота и зольных элементов, пригодные для усвоения зелеными растениями. При анаэробном разложении образуются восстановленные соединения (метан, сероводород, фосфористый водород, сернистые соединения) и закисные соединения железа и марганца. Чередования анаэробных и аэробных условий наиболее благоприятны для npoцессов синтеза гумуса. Большое значение для процесса превращения рас­тительных остатков в почве имеют степень влажности, температурные условия, механический и минеральный состав почвы.

Фульвокислоты растворяются в воде, имеют слабожелтоватую окраску (фульвос (греч.) — желтый). Фульвокислоты представляют собой комплексные высокомолекулярные соединения, устойчивые против коагуляции. Для фульфокислот характерно небольшое содер­жание углерода (36-44%) и азота (3,0-4,4%). Большинство солей этих кислот (фульватов) растворимо в воде. Таковы фульваты бария, кальция, магния, алюминия, железа, марганца. Поэтому фульвокис­лоты оказывают выщелачивающее воздействие на почвообразующие породы, способствуя выносу ряда элементов. Содержание фульвокислот (от общего содержания гумуса) колеблется от 35 до 50% в различных типах почв.

Гуминовые кислоты нерастворимы в воде, но растворяются в щелочах. Все представители этой группы относятся к высокомолеку­лярным соединениям. Гуминовые кислоты имеют темно-бурый цвет. Среди них различают гуминовую кислоту (черного цвета) и ульминовую (бурого цвета). Гуминовые кислоты по сравнению с фульвокислотами содержат значительно больше углерода (от 46 до 61%) и азота (от 3,3 до 6,0%). Свободная гуминовая кислота обладает рас­творяющей способностью по отношению к ряду минералов, однако легко коагулирует под воздействием ионов кальция, железа и др. Гу­миновые кислоты образуются в большом количестве при почвообра­зовании в условиях степных ландшафтов.

В различных типах почв содержание гуминовых кислот ва­рьирует от 20% в подзолистых до 40% в черноземных почвах (от об­щего содержания гумуса в почвах). Отношение гуминовых кислот к фульвокислотам закономерно увеличивается от подзолистых почв к черноземным и затем уменьшается по направлению к почвам пус­тынь.

Часть перегноя, не растворяющаяся ни в воде, ни в щелочном растворе, называют гумином, цвет его черный. Содержание углерода такое же, что и в гуминовых кислотах. Гумин представляет собой миновые вещества, скоагулированные и частично прочно связана с дисперсной минеральной частью почвы.

Гумин, гуминовые кислоты и фульвокислоты образуют специфические компоненты почвенного гумуса, не встречающиеся среди других известных на земле органических веществ. Они составляют 85-90% от общей массы органического вещества почвы. Cpеди негуминовых веществ перегноя обнаружены протеины и другие азотистые соединения, углеводы, жиры, дубильные вещества, воск, смолы и другие вещества, входящие в состав растительных организме

Гумус является наиболее характерной и существенной частью почвы, с которой в основном связано плодородие. В гумусе сохраняются основные элементы питания растений, в первую очередь азот. Эти элементы освобождаются в результате деятельности микроорганизмов и становятся доступными растениям. Отдельные компоненты гумуса участвуют в процессе выветривания, переводя в усвояемую растениями форму новые порции зольных элементов. Гумус частично определяет поглотительную способность почв. Гумус влияет на ряд морфологических и физических свойств почв (влагоемкость аэрацию, тепловые свойства), обусловливая их цвет и структуру.