Введение

Дисциплина «Химия и физика почв»

Раздел «Химия почв» направлен на изучение фундаментальных законов ионного обмена, элементного и фазового состава, окислительно-восстановительных режимов различных типов почв, важнейших химических реакций и процессов, протекающих в целинных и освоенных почвах, закономерностей изменения химического состава почв по их профилю и в зонально-генетическом ряду, как под влиянием антропогенных факторов, так и меняющихся природных процессов почвообразования, классических и современных методов исследования показателей химических свойств почв.

Данная дисциплина базируется на таких дисциплинах как химия, физика, биология почв, методы почвенных и агрохимических исследований, почвоведение, ландшафтоведение, биохимия растений, агрохимия.

Знания, полученные при изучении данной дисциплины, позволят прогнозировать и выявлять изменения физических и химических свойств почв под влиянием природных и антропогенных факторов, проводить агроэкологическую оценку состояния земель сельскохозяйственного назначения, решать вопросы генезиса, классификации, бонитировки почв, разрабатывать мелиоративные мероприятия и рекомендации по химизации земледелия, теоретические основы и методы охраны почв от химического загрязнения.

Раздел I. Химия почв

1. Химический состав почв

1.1. Элементный состав почв

Элементный состав почв является одним из основных химических показателей, на котором базируется понимание свойств почв, их генезиса и плодородия. Элементным составом почв называют набор и количественное соотношение химических элементов в почвенной массе. В качестве синонима «элементного состава» иногда употребляют термин «валовой состав почвы», но он менее точен, поскольку не поясняет, о каком именно составе (химическом, механическом) идет речь. Слово «валовой» означает «общий», состоящий из всех компонентов. Поэтому часто говорят о валовом, или общем, содержании элемента в почве, имея в виду все его количество в почве независимо от форм соединений.

Элементный состав в химии почв и в почвоведении используют для оценки потенциального плодородия почв, при выборе и разработке методов химического анализа почв. Рассмотрим эти направления более подробно.

1. Элементный состав отражает многие наиболее важные итоги почвообразовательного процесса. По элементному составу различаются генетические горизонты почв: перегнойно-аккумулятивные горизонты отличаются повышенным содержанием С, Р, N; в иллювиальных горизонтах накапливаются Fe, A1 и ряд других элементов; в элювиальных горизонтах повышено количество кремния и понижено содержание многих других элементов. Элементным составом можно воспользоваться как диагностическим признаком при определении вида генетического горизонта. Совокупность элементных составов генетических горизонтов одного почвенного профиля служит показателем направления почвообразовательного процесса.

2. Элементный состав дает представление о потенциальном плодородии почв. Высокое содержание углерода органических соединений и азота обычно считают признаком плодородной почвы. Высокий уровень накопления хлора – показатель неблагоприятных для растений свойств. Растениям доступна только часть находящихся в почве элементов питания растений. Элементы, входящие в кристаллические решетки алюмосиликатов, в состав труднорастворимых соединений или в состав негидролизуемых компонентов гумусовых веществ, становятся доступными растениям только после их мобилизации, т. е. после полного или частичного разрушения исходной структуры и перехода элемента в форму легкорастворимого соединения. Тем не менее, валовое содержание или запасы элемента показывают, как долго та или иная почва потенциально может обеспечивать растения при условии полной мобилизации запасов.

3. Элементный состав – один из важнейших факторов, который обусловливает выбор методов химического и физико-химического анализа почв. Многие элементы оказывают взаимное влияние при химическом анализе, причем соотношение мешающих и определяемых элементов часто складывается очень неблагоприятно. Поэтому при химическом анализе почв широко используют методы концентрирования и различные приемы отделения определяемых элементов от мешающих выполнению анализа.

Элементный состав почвы и ее гранулометрических фракций может быть использован как дополнительный диагностический признак при идентификации почвенных минералов, особенно в тонкодисперсных фракциях.

Почвы содержат практически все природные элементы периодической системы Д.И. Менделеева. По набору элементов и их количественному содержанию почвы существенно отличаются от живых организмов, минералов и горных пород, за исключением некоторых рыхлых осадочных горных пород, видимо, прошедших в прошлом стадию почвообразования. Живые организмы состоят главным образом из элементов-органогенов – С, N, Н, О, Р, S; так называемые минеральные компоненты входят в их состав в сравнительно небольших количествах. Индивидуальные минералы содержат, как правило, небольшой набор элементов: в оксиды входят по два элемента, простейшие силикаты содержат 5–7, иногда 9–11 элементов. Минералы-соли состоят из 2–5 элементов. Правда, минералы включают небольшие количества и других элементов, но это примеси, не играющие конституционной роли и не обязательные для каждой конкретной кристаллической решетки.

В почвах практически все входящие в их состав химические элементы являются обязательными и необходимыми. Большой набор элементов – первая отличительная особенность почв. Вторая особенность заключается в сочетании высокого содержания углерода и кремния, что отражает одновременное влияние двух факторов почвообразования: растительного и животного мира, с одной стороны, и почвообразующих пород – с другой. Третья особенность – большой диапазон концентраций.

Элементный состав почв зависит от гранулометрического состава, типа почвы и горизонта, специфических свойств химического элемента. В почвах легкого гранулометрического состава повышено содержание кремния и снижена доля всех прочих элементов (за исключением кислорода) – основную массу составляет оксид кремния SiО₂>2. Наличие углерода карбонатов характерно только для непромывных почв и почв, развитых на карбонатных породах. Содержание серы сходно с количеством неорганического углерода. Резко отличны от других почв по составу красноземы: в них понижена доля кремния и повышено содержание алюминия и железа. По сравнению со средним составом пород почвы относительно обогащены органическим углеродом, азотом, фосфором, серой, т. е. биогенными элементами, накапливающимися с гумусом. Такие элементы, как Si, Al, Fe, Mg, К, Na, практически унаследованы от почвообразующей породы и в процессе почвообразования они перераспределяются в почвенной толще.

Обособленное место занимают элементы, образующие простые соли, такие, как СаСО₃, CaSО₄, MgSО₄, NaCI, NaHCО₃. Вместе с легко- или труднорастворимыми солями они выносятся за пределы почвенного профиля в элювиальных ландшафтах или накапливаются в бессточных понижениях. Их распределение в профиле почв и ландшафтах обусловлено в значительной мере характером водного режима. В ходе почвообразования дифференциация элементного состава происходит не только по вертикали (по генетическим горизонтам), но и в горизонтальном направлении. Сильно выражена дифференциация почвенной массы в пределах горизонта с такими новообразованиями, как ортштейны, примазки, карбонатные конкреции.

По абсолютному содержанию в почвах все элементы могут быть объединены в несколько групп. Первая группа включает Si и О, содержание которых составляет десятки процентов, а в сумме они могут составлять 80–90 % (и более) почвенной массы. Вторая группа включает элементы, содержание которых в почве меняется от десятых долей до нескольких процентов: это Al, Fe, Ca, Mg, К, Na, С. Первые две группы – типичные макроэлементы. В третью группу входят Ti, Mn, N, P, S; их количество в почвах выражается сотыми и десятыми долями процента и по содержанию они составляют переходную группу к микроэлементам. Микро- и ультрамикроэлементы содержатся в почвах в количествах n ∙ 10^-3 – n ∙ 10^-10 %, к ним относят Ва, Sr, В, Rb, Cu, V, Cr, Ni, Co, Li, Mo, Cs, Se и другие элементы. Концентрационная группировка составляющих почву химических элементов является наиболее простой. Она полезна при выявлении роли отдельных элементов в формировании почвенной массы и удобна для выбора методов химического анализа почв. Но концентрационная группировка при решении многих почвенных задач оказывается довольно условной. Так, макро- и микроэлементы формально различают по уровням их содержания в почвах или в живых организмах. Обычно микроэлементами называют такие элементы, которые нужны живым организмам в малых (микро-) количествах, но при этом выполняют важные физиологические функции. Условность такого определения вытекает уже из того факта, что один и тот же элемент может выступать и как микроэлемент, и как макроэлемент. Например, кальций – типичный макроэлемент, он содержится в количестве целых процентов (иногда десятых долей). В живых организмах кальций также выполняет макроэлементные, конституционные функции, входя в качестве строительного материала в состав костей, известковых панцирей и т. п. В то же время кальций выполняет функции микроэлемента, входя в состав фермента амилазы. Другой пример – железо, магний. Для почв – это типичные макроэлементы, их содержание находится в пределах единиц процента (иногда десятых долей процента), но в живых организмах – это типичные микроэлементы, входящие в состав гемоглобина или хлорофилла. Учитывая эти обстоятельства, Е.П. Троицкий предложил относить к микроэлементам те химические элементы, которые независимо от уровня их содержания выполняют в живых организмах функции инициаторов и активаторов биохимических процессов. С этой точки зрения микроэлементами можно считать железо, входящее в состав каталазы, цитохрома, медь – в полифенолоксидазы, кобальт – в витамин В₂ и др. В зависимости от задач исследования возможны не только концентрационные, но и другие группировки элементов.

Геохимические классификации характеризуют поведение элементов в различных оболочках Земли. Так, по классификации В.М. Гольдшмидта (1924) все элементы разделяют на четыре группы: литофильные, халькофильные, сидерофильные и атмофильные. Литофильные элементы отличаются сродством к кислороду и в условиях биосферы образуют минералы типа оксидов, гидроксидов, солей кислородных кислот. К их числу относят Si, Ti, S, P, F, CI, Al, Se, Na, K, Ga, Mg и др. (всего 54 элемента). Халькофилые склонны образовывать соединения с серой; это Си, Zn, Pb, Cd, Ag, Mn, Fe и др.

Сидерофильные элементы растворяются в железных расплавах и дают сплавы с железом; к их числу относят Fe, Ni, Со, Р, С, Pt, Au, Sn, Mo и др. Группу атмофилов составляют элементы земной атмосферы (Н, N, С, О, Не, Ne, Аr, Кr, Хе, CI, Br, I). В особую группу В.М. Гольдшмидт выделил биофильные элементы, т. е. элементы, концентрирующиеся в живых организмах. К биофильным элементам, по Гольдшмидту, относят главным образом С, Н, О, N, P, S, C1, I и в меньшей мере В, Са, Mg, К, Na, V, Mn, Fe, Си. Классификация В.М. Гольдшмидта характеризует поведение элементов преимущественно в жидких растворах и распределение элементов между твердыми и жидкой фазами, но она мало полезна для решения почвенных задач.

Для почвоведения больший интерес представляет классификация элементов по особенностям и путям их миграции в ландшафтах. Такая классификация была разработана А.И. Перельманом, в которой все элементы делятся на две большие группы: воздушные мигранты и водные мигранты. Воздушные мигранты представлены пассивными элементами (инертные газы Не, Ne, Аr, Кr, Хе, Rn) и активными, т. е. способными к образованию химических соединений в условиях биосферы (О, Н, С, N, I). Водные мигранты, по А.И. Перельману, разделяются на несколько подгрупп, различающихся по подвижности элементов в природной обстановке, причем принимается во внимание влияние на подвижность окислительных и восстановительных условий, присутствие сероводорода. К подвижным и очень подвижным относят CI, Br, S, Са, Na, Mg, Sr, Ra, F, В, слабоподвижные – К, Ва, Rb, Li, Be, Cs, Ti, Si, P, Ge, Sn, Sb, As. В восстановительной глеевой среде подвижны Fe, Mn, Co. Подвижны и слабоподвижны в окислительной и глеевой обстановке и инертны в восстановительной сероводородной среде Cu, Ni, Pb, Cd. Малоподвижны в большинстве природных обстановок Al, Ti, Cr, Bi, W, лантаноиды. Такая классификация позволяет в общей форме прогнозировать поведение элементов в биосфере в целом и в почвенном профиле в частности. Однако для конкретного анализа химических процессов в почвах эта классификация, направленная на решение геологических и геохимических проблем, недостаточна.

По степени биофильности А.И. Перельман располагает химические элементы в следующий ряд: максимальная биофильность – С, высокая – N, Н, средняя – О, CI, S, Р, В, Вr и др., низкая – Fe, Al. Группировка элементов по степени биофильности необходима для выявления роли живых организмов в миграции химических элементов, но принципы оценки биофильности еще недостаточно разработаны. Способность растений избирательно поглощать химические элементы называют коэффициентом биологического поглощения и вычисляют его как отношение содержания данного элемента в золе растения к его содержанию в литосфере или в той почве, на которой произрастает данное растение. Условность коэффициента биологического накопления для оценки биогенной миграции элементов определяется неодинаковой доступностью растениям химических элементов, представленных в почве различными соединениями.

Оценивая роль отдельных элементов в почвообразовании, в ряде

случаев удобно выделять группу элементов, играющих конституционную роль, т. е. тех элементов, которые входят в структуру решетки

минералов, или молекулы тех компонентов, из которых реально складывается масса почвы. В первую очередь это такие элементы, как Si, A1, О, составляющие основу почвенных силикатов и алюмосиликатов; С, Н, N, О – важнейшие компоненты органического вещества.