Химия окружающей среды учебное пособие

процессов коагуляции и биохимическим путем. Обычно механические элементы почв разделяют по их размерам в соответствии с классификацией, разработанной Н.А. Качинским (табл. 12.1). Все частицы диаметром более 1 мм часто назы-

ваются скелетной частью почвы, менее 1 мм – мелкоземом.

Деление частиц на физический песок (частицы крупнее 0,01 мм) и физическую глину (частицы менее 0,01 мм), введенное еще в 1899 г., широко используется и в настоящее время. Механический состав почв оказывает значительное влияние на влагоемкость и водопроницаемость почв.

Таблица 12.1

Классификация механических элементов почвы (по Н.А. Качинскому) [62]

Под влагоемкостью почвы понимают способность почвы удерживать влагу, поступающую извне. Различают капиллярную, полевую и полную влагоемкость. Капиллярная

241

влагоемкость – это запас влаги, удерживаемой над уровнем грунтовых вод капиллярными силами.

Полевая влагоемкость – это количество влаги, которое почва в естественных условиях способна длительно удерживать. Полной влагоемкостью называется количество влаги, удерживаемое почвой, когда все поры ее полностью насыщены водой и отток ее отсутствует.

Под водопроницаемостью почв понимают их способность впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. При хорошей водопроницаемости (100–70 мм

впервый час наблюдения при напоре воды 5 см и температуре 10 °С) влага полностью проникает в почву, накапливаясь

вней. При меньшей водопроницаемости вода стекает по поверхности, вызывая эрозию. Каменистая часть почвы и гравий представлены преимущественно обломками минералов и горных пород. Эти механические элементы обладают наибольшей водопроницаемостью, но ничтожно малой водоудерживающей способностью. Пески состоят главным образом из первичных минералов с преобладанием обломков кварца. Покровные пески характеризуются большой водопроницаемостью. По сравнению со скелетной частью почвы песчаная фракция механических элементов обладает в 2–5 раз большей влагоемкостью. Пыль также состоит из большого количества обломков кварца и других первичных минералов. В связи с этим почвы, в которых преобладает средняя и мелкая пыль, малоструктурны, обладают плохой водопроницаемостью.

Ил состоит из вторичных (глинистых) минералов, количество которых преобладает над первичными минералами. Илистая фракция обладает минимальной водопроницаемостью, но максимальной влагоемкостью.

242

Примеры решения задач (механический состав почв) [16]

ПРИМЕР 12.1. Карбонатная почва имеет следующий гранулометрический состав: 42 % песка, 28 % пыли и 20 % глины. Содержание кальцита CaCO3 в почве составляет: 5 %

впеске, 10 % в пыли и 20 % в глине. Рассчитайте гранулометрический состав почвы (%): а) в ее начальном состоянии; б) после удаления карбонатов реакцией с кислотой.

Решение. Определим массу карбоната кальция в каждой гранулометрической части почвы. Согласно условию задачи

в100 г почвы содержится 42 г песка, 38 г пыли и 20 г глины.

Соответственно, карбоната кальция содержится: в песке

42 · 0,05 = 2,1 г, в пыли 38 · 0,10 = 3,8 г, в глине 20 · 0,20 = 4 г.

Таким образом, масса чистых компонентов после обработки кислотой (mi) составит: 42 – 2,1 = 39,9 г песка; 38 – 3,8 = 34,2 г

пыли; 20 – 4 = 16 г глины. Процентное содержание компонентов в исходной почве (Wi) определяется соотношением:

Wi = (mi/100)100 = mi (%),

где mi – масса соответствующих компонентов почвы. Отсюда процентное содержание компонентов в исход-

ной почве после округления

Wпеска = 40 %, Wпыли = 34 % и Wглины = 16 %.

Процентное содержание компонентов в почве после удаления из нее карбонатов (W i) определяем с учетом изменения массы навески почвы

∆m = ∑∆mi = 2,1 + 3,8 + 4 = 9,9 (г);

W i = mi/100 – ∆m = (mi/100 – 9,9)100 = (mi/90,1)100;

W песка = 44 %, W пыли = 38 % и W глины = 18 %.

Ответ: а) 40 %, 34 % и 16 %; б) 44 %, 38 % и 18 %.

243

ПРИМЕР 12.2. Объем заполненных при стандартных условиях воздухом пор в почве равен 0,32 см3/см3 почвы. Содержание О2 в почвенном воздухе составляет 18 об.%. Рассчитайте объем О2 в м3/м3 почвы. Найдите массу О2 в г/м3 почвы, если температура почвы 17 °С.

Решение. Для расчета содержания кислорода в почве необходимо принять, что объем воздуха в почве равен объему пор. Отсюда объем в почве (VО2) определяется следующим

соотношением:

VО2 = Vвозд (WО2/100) К = 0,32 · 0,18 = 0,058 (м3/м3),

где К – коэффициент, учитывающий переход от одной размерности к другой (1 см3 = 10–6 м3), который в данной задаче равен единице.

Для ответа на второй вопрос следует иметь в виду, что объем пор в почве и давление воздуха остаются постоянными. Используя уравнение Менделеева–Клапейрона

PV = (m/M)RT

и постоянство давления и объема, можно показать, что

m1(О2)T1 = m2(О2)T2,

где Т1, T2 – абсолютные температуры; m1(О2), m2(О2) – массы ки-

слорода при температурах Т1 и T2.

Массу кислорода при стандартной температуре Т1 = = 273 К определим из следующего соотношения: 22,4 м3 О2 при стандартных условиях содержат 32 кг О2 0,058 м3/м3 содержат m2(О2) кг/м3 О2.

Отсюда

m2(О2) = [(0,058·32)/22,4]273/290 =

= 78·10–3 (кг O2/м3) = 78 (г O2/м3).

Ответ: объем кислорода, содержащегося в 1 м3 почвы, составляет 0,058 м3, масса 78 г.

244

Глава 13 ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ПОЧВ

Под почвой понимается естественно-историческое органоминеральное природное тело, возникшее на поверхности Земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твердых минеральных и органических частиц, воды и воздуха, имеющее специфические генетико-морфологические признаки и свойства, обусловливающие рост и развитие расте-

ний [64].

Таким образом, почва представляет собой многофазную полидисперсную систему. Она состоит из твердых частиц (твердая фаза почвы), воды (почвенного раствора) и почвенного воздуха. На долю твердой фазы приходится 40–65 % объема почвенной массы. Объем почвенного раствора может изменяться в широком диапазоне. До 35 % объема почвы обычно занимает почвенный воздух.

Для типичных почв характерно следующее соотношение объемов твердой, жидкой и газообразной фаз:

Т:Ж:Г = 2: 1:1.

Почвенный раствор – это жидкая фаза почвы, существующая в природных условиях. Состав почвенных растворов меняется в очень широких пределах. В незаселенных почвах концентрация почвенного раствора находится в пределах от десятых долей до нескольких г/л или примерно от 5–7 до 100–150 ммоль/л катионов и анионов. Наиболее типичными компонентами почвенных растворов, концентрации которых

значительно превосходят концентрации других ионов, являются катионы Ca2+, Mg2+, K+, NH4+, Na+ и анионы HCO3–, SO42–, NO3– и Cl–.

При изменении влажности почвы концентрация отдельных ионов изменяется по различным законам. Так, концен-

245

трация ионов Na+, Cl–, NO3– возрастает пропорционально влажности почвы, а концентрация фосфат-иона, обусловленная произведением растворимости фосфатов, почти не изменяется. Почвенный воздух отличается от атмосферного более высоким содержанием СO2 (обычно от 0,1 до 2–3 %), а в торфяных почвах на глубине 20–30 см концентрация СO2 достигает 10–12 об.%. Содержание кислорода в воздухе верхнего слоя почвы (толщиной 20 см) на 0,5–1,5 % ниже его концентрации в атмосферном воздухе. В почвенном воздухе могут содержаться сероводород, метан, гемиоксид и органические соединения (углеводороды, спирты, эфиры, альдегиды).

Твердая фаза типичной плодородной почвы на 95 % состоит из неорганических и на 5 % – из органических соединений. Некоторые виды почв, например торфяные почвы, содержат иногда более 95 % органических соединений, тогда как в так называемых «бедных» почвах количество органических веществ может быть менее 1 %.

Почвы, которые В.И. Вернадский называл биокосным телом [65], по качественному и количественному содержанию элементов существенно отличаются от живых организмов и горных пород (табл. 13.1). Одной из особенностей почв является присутствие в них большого набора элементов. Как видно из табл. 13.1, все виды почв отличает высокое содержание углерода и кремния, что, безусловно, связано с процессом почвообразования. Обращает на себя внимание и большой диапазон концентраций элементов, присутствующих в почве. Разница в содержании отдельных элементов в почве достигает 9–10 порядков.

По абсолютному содержанию в почвах все элементы могут быть объединены в несколько групп. В первую группу следует отнести кислород и кремний, содержание которых составляет десятки процентов. Вторая группа включает элементы, содержание которых в почве меняется от десятых долей до нескольких процентов: это Аl, Fе, Са, Мg, К, Nа, С.

246

Первые две группы – типичные макроэлементы. В третью группу входят: Тi, Мn, N, Р, S, Н, концентрации которых измеряются десятыми и сотыми долями процента. Они со-

ставляют переходную группу. Микро- и ультрамикроэлементы содержатся в почвах в количестве 10–3–10–10 %; к ним можно отнести все остальные элементы, встречающиеся в почвах, например Ва, Sг, В, Rb, Сu, V, Сг, Со,Li, Мо, Сs, Sе.

Почвы различного механического состава значительно отличаются друг от друга, особенно по содержанию таких элементов, как Si, Аl, Fе, щелочные и щелочноземельные металлы. В легких почвах повышена концентрация Si и снижена доля всех прочих элементов (за исключением кислорода). Основную массу составляет SiO2. По сравнению со средним составом пород почвы обогащены органическим углеродом, азотом, фосфором, серой, т.е. биогенными элементами, накапливающимися в результате деятельности живых организмов. Такие элементы, как Si, Аl, Fе, Мg, К, Na, практически унаследованы почвами от почвообразующей породы.

Приведенные в табл. 13.1 данные об элементном составе почв показывают усредненный состав метрового слоя почвы. Этот слой включает 2–3 (а иногда и больше) почвенных горизонта – генетически связанных между собой слоев почвы, формирующихся в результате расчленения материнской породы в процессе почвообразования.

Почвенные горизонты возникают в результате приноса, выноса, перераспределения и преобразования веществ [65]. Поэтому почвенные горизонты могут значительно отличаться друг от друга по элементному и механическому составу. В поверхностных горизонтах, например, накапливаются органические вещества, азот, фосфор, обменные соединения алюминия, кальция, магния, натрия, калия, во многих случаях происходит потеря силикатных соединений (за исключением SiO2 в форме кварца). Совокупность генетически сопряженных и закономерно сменяющихся почвенных горизонтов,

247

на которые расчленяется почва в процессе почвообразования, определяется как почвенный профиль. В почвенном профиле принято различать три главных генетических горизонта: А – поверхностный гумусово-аккумулятивный; В – переходный к материнской породе; С – материнская горная порода.

Возможно более подробное разделение. Так, для большей части Российской Федерации принято следующее деление и обозначение почвенных горизонтов: А0 – лесная подстилка или степной войлок; А – гумусовый; А1 – гумусовоаккумулятивный; А2 – подзолистый; Ап (или Апах) – пахотный; В – иллювиальный, или переходный, с разделением на В1, В2, В3; Вк – карбонатный; G1 – глеевый; С – материнская горная порода; Д – подстилающая порода. Выделяются также переходные горизонты, например АА2, А2В, ВС. Иногда используются и дополнительные обозначения свойств почвы и горной породы. Каждый тип почвы характеризуется определенным сочетанием генетических горизонтов, поэтому можно говорить о строении почвы, или ее профиле. Использование системы символов почвенных горизонтов позволяет упростить запись сведений при описании типа почвы.

Примеры решения задач (элементный состав почв) [16]

ПРИМЕР 13.1. Если плотность пакета смектита равна 2,65 г/см3, вычислите удельную поверхность слоев в 1 г глины, предполагая, что они имеют толщину 1 нм, и пренебрегая площадью боковой поверхности края пласта.

Решение. Для упрощения решения задачи будем считать, что смектит представляет собой пакет из множества слоев, толщина которых h, согласно условию задачи, равна 1 нм, или 10–9 м. Определим объем, занимаемый 1 г смектита:

V = 1/ρ,

где ρ – плотность смектита;

249

V = 1/2,65 = 0,377 (см3/г) = 0,377 · 10–6 (м3/г).

Примем, что этот объем имеет форму параллелепипеда с основанием 1 × 1 м. Тогда удельная площадь поверхности Sуд будет определяться числом слоев, умноженным на площадь поверхности одного слоя, которая равна 2 м2, поскольку у слоя имеется две поверхности. Таким образом, искомая величина определяется следующим выражением:

Sуд = 2V/h,

Sуд = 2·0,377·10–6/10–9 = 750(м2/г),

где Sуд – удельная поверхность смектита.

Ответ: удельная поверхность глины составляет 750 м2/г.

ПРИМЕР 13.2. ИЗ пробы почвы взята навеска массой 10 г и обработана 25 мл 2М НСl. По завершении реакции избыток кислоты оттитрован стандартным раствором NаОН. Расчеты показывают, что на реакцию с почвой расходуется 22,5 мл кислоты. При условии, что кислота реагирует только с СаСО3, вычислите процентное содержание этого вещества (по массе) в почве. Если кислота реагирует с доломитом СаМg(СО3)2, найдите процентное содержание этого вещества в почве.

Решение. Соляная кислота взаимодействует с карбонатом кальция по уравнению

CaCO3 + 2HCl CaCl2 + CO2 + H2O

Определим число молей кислоты, которое провзаимодействовало с CaCO3:

n = CHClVHCl,

где CHCl – концентрация соляной кислоты; VHCl – объем ки-

слоты, который пошел на взаимодействие с почвой (V = = 22,5 мл = 22,5· 10–3 л);

250