2. Химические процессы в литосфере

В недрах Земли и на ее поверхности постоянно происходит раз­рушение горных пород. Разрушающее действие оказывают высо­кая и низкая температуры (резкое колебание температур), вода, СО₂ и О₂ атмосферы, кислотные осадки и т.п. Таким образом, большинство химических процессов, происходящих в литосфере, тесно связаны с другими оболочками Земли, их составом. В лито­сфере, как и в других оболочках планеты, между ее основными компонентами и с участием составляющих других оболочек могут происходить следующие химические реакции:

• реакции соединения

• реакции разложения

• реакции замещения (окислительно-восстановительные)

• реакции обмена

Отметим, что реакции нейтрализации являются частным слу­чаем реакций обмена. В качестве примера реакции нейтрализации можно привести не только взаимодействие между кислотами и основаниями, но и взаимодействие между кислыми и основными солями (минералами):

Реально многие из этих процессов протекают с участием воды. При гидролизе минералов в составе земной коры происходят существенные изменения. Например, в результате гид­ролиза горных пород вулканического происхождения в раствор переходят в гидролизованном виде кремнезем SiO₂ (минерал кварц) и глинозем А1₂О₃ (минерал корунд), которые, взаимо­действуя, образуют разного рода глины (алюмосиликаты). Одна из схем такого взаимодействия:

Многие минералы могут участвовать в окислительно-восстано­вительных процессах, выполняя при этом функцию либо восста­новителя, либо окислителя:

В щелочной среде самородная сера может выполнять как функ­ции окислителя, так и восстановителя:

Такого типа окислительно-восстановительные реакции назы­вают реакциями самоокисления—самовосстановления, или диспропорционирования.

3. Почва: особенности состава и происходящих в ней процессов

Почва — самый верхний и плодородный слой литосферы, свя­зующее звено между всеми оболочками планеты и живыми орга­низмами — играет важную роль в процессах обмена веществом (энергией) между компонентами биосферы. Почва — среда оби­тания большого количества живых организмов. Многие химиче­ские процессы, происходящие в почве как части литосферы, на­прямую связаны с процессами в биосфере. В почве одновременно могут протекать химические, физические и биологические про­цессы.

Любую почву можно рассматривать как гетерогенную систему, состоящую из трех фаз: твердой (минеральный «скелет», органи­ческие и биологические компоненты), жидкой (почвенный раст­вор) и газообразной (почвенный воздух).

Минеральную основу почвы в основном составляют кварц (пе­сок), глина и известняк (СаСО₃). В зависимости от размера частиц различают почвы: песчаные, суглинистые и глинистые. Содержание органических веществ в разных почвах колеблется от - 2 % (песча­ные, глинистые почвы) до 20 % (болотистые почвы). С научной точки зрения органические вещества почвы подразделяют на негуминовые и гумус. Первые включают не полностью разложивши­еся остатки растений и животных, жиры и дубильные вещества, полисахара, пектины и др. Они легко разлагаются и поэтому не попадают под понятие «гумус».

В литературе под термином «гумус» (лат. humus — земля, поч­ва) чаще всего понимают темноокрашенное органическое веще­ство почвы (перегной), образующееся в результате биохимиче­ского разложения растительных и животных останков и накапли­вающееся в верхнем почвенном горизонте. Таким образом, под гумусом понимают совокупность всех органических соединений, находящихся в почве.

Почвы, называемые черноземами, содержат максимальное ко­личество гумуса — в среднем 500 т/га. По оценкам ученых, об­щие запасы гумуса в почвах мира составляют около 2561 млрд т (в расчете на слой толщиной 1 м). По химическому составу гумус — сложная смесь гуминовых соединений (органических кислот), по элементному составу основными компонентами гумуса являются водород, углерод, кислород, а также азот (2 — 5 %), сера (~ 1 %), фосфор, калий. За счет высокого содержания упомянутых биогенных элементов гумус — главный источник, из которого растения получают питание.

Биологическая составляющая почвенных экосистем представ­лена зелеными растениями, микроорганизмами и животными. Основная почвообразующая роль принадлежит лесной растительности, второе место занимает травянистая растительность. В фор­мировании плодородия почв важная роль принадлежит почвен­ным микроорганизмам (бактериям, грибам, водорослям). Их об­щее число может достигать нескольких миллиардов в 1 г. Микро­флора почвы составляет в сухой массе примерно 2 т вещества жи­вотного происхождения на 1 га. Важную роль в почвенном круго­вороте веществ играют бактерии. Гетеротрофные бактерии разла­гают органические остатки до простых минеральных соединений. Они могут быть как аэробными, так и анаэробными. Одни осуще­ствляют процесс аммонификации (разложение органических веществ до аммиака), другие восстанавливают нитрат-ион NO₃^- до NО₂^- ­иона и далее до N₂O или N₂ (процесс денитрификации). Например, процесс денитрификации с участием глюкозы можно записать в виде следующих уравнений:

Последний процесс является также одним из основных биоло­гических источников поступления оксида азота (I) в атмосферу.

Автотрофные бактерии осуществляют в почве процессы окис­ления минеральных соединений — продуктов жизнедеятельности гетеротрофов. Например, аэробные бактерии участвуют в процес­сах нитрификации и нитрофикации:

Широко распространенные в почвах так называемые серобак­терии окисляют H₂S, S и другие соединения серы до H₂SO₄ (про­цесс сульфофикации):

При участии железоокисляющих бактерий, наиболее распро­страненных в заболоченных почвах, происходит окисление солей Fe(II). В конечном итоге результат происходящих процессов (в том числе гидролиза) можно записать в следующем виде:

Эти же бактерии могут также окислять соли Мn(П).

К физико-химическим процессам, происходящим в почвах, от­носят процессы эрозии и засоления почв.

Эрозия почв — это явления разрушения и сноса почв и рыхлых пород потоками воды и ветра. Соответственно бывает ветровая и водная эрозия. Эрозия уносит с полей биогенные элементы Р, К, N, Ca, Mg гораздо больше, чем их вносится с удобрениями Продуктивность почв при этом может снижаться на 35 — 70 %. То, что смывается или выдувается при естественной эрозии в течение сто­летий, антропогенная эрозия уносит в самые короткие сроки. Раз­рушение почвы эрозией происходит быстро, тогда, как для есте­ственного восстановления верхнего плодородного слоя толщиной 25 см требуется сотни и тысячи лет. Одними из основных причин антропогенной эрозии почвы являются:

• уменьшение содержания гумусовых веществ в почве, приводя­щее к изменению структуры и водопроницаемости пахотных зе­мель;

• нарушение баланса по воде, которое является следствием вы­рубки лесов, поливного земледелия и других воздействий, сни­жающих структурную устойчивость почв.

Засоление почв — процесс накопления вредных для растений солей (СаСО₃, MgCO₃, Na₂CO₃, Na₂SO₄, NaCl и др.) в верхних слоях почвы. Этот процесс ежегодно превращает в разных странах мира сотни тысяч гектаров поливных земель в бесплодные. Про­цессу засоления способствуют нарушение правил строительства и эксплуатации ирригационных систем, которые орошают огром­ные площади земли. Для орошения пригодны воды с концентра­цией солей до 1 г/л. Особенно нежелательно присутствие Na₂CO₃. В реках Na₂CO₃ обычно содержится в количестве 0,2—0,3 г/л. Одна­ко засоление происходит также из-за того, что минерализованные грунтовые воды (в них содержится больше солей) поднимаются на поверхность, способствуя накоплению солей в почвенном профи­ле. Фактически при поверхностном орошении через 8—10 лет грунтовые воды поднимаются до критического уровня (1,5 — 2,5 м) и вызывают засоление и заболачивание. Избежать этого можно, если применять современные технологии: использовать закрытые трубо­проводы, дождевую воду, проводить концентрирование ороситель­ных вод, т. е. осуществлять целый комплекс технологических ме­роприятий, обеспечивая тем самым высокую культуру земледелия.