Лекция № 4 Физико-химические процессы в литосфере и почвенном покрове

П очва представляет собой систему, включающую твердую составляющую, почвенные растворы и почвенную атмосферу. В среднем на твердую часть приходится 40-45 %, на почвенные растворы – до 35 % ее объема, а на почвенный воздух – остальное.

Органические вещества почвы, не входящие в состав живых организмов, представлены гумусом, в составе которого различают специфические органические вещества, неспецифические органические соединения и промежуточные продукты распада. К специфическим гумусовым веществам относятся в основном гуминовые и фульвокислоты. Неспецифические соединения представлены органическими веществами почвы из разлагающихся растительных и животных остатков.

По определению, почва состоит из выветренного слоя минеральной породы с живыми организмами и продуктами их разложения.

Она обладает рядом свойств, которых лишены атмосфера и гидросфера. Совокупность частиц почвы представляет собой своеобразный «фильтр», который весьма эффективно задерживает твердые частицы вод, проникающих в нее, и накапливает питательные вещества.

Структуру почвы скрепляют частицы глины и гумуса, которые одновременно адсорбируют ряд веществ, например, тяжелые металлы, не давая последним перейти в грунтовые воды. При превышении адсорбционной емкости почвы наступает проскок – загрязнение грунтовых вод вредными веществами.

Почвы обладают значительной способностью к регенерации. Многие их обитатели содержат ферменты, ускоряющие расщепление вредных веществ, и это определяет их способность к регенерации.

Загрязнение почв может быть вызвано следующими причинами:

- сухим и мокрым осаждением загрязняющих веществ из атмосферы;

- применением средств, повышающих урожайность и защищающих растения (удобрения, пестициды);

- загрязнением земель отходами предприятий, нефтью и нефтепродуктами.

Под химическим загрязнением почвы следует понимать изменение ее химического состава в результате антропогенной деятельности, сопровождающееся ухудшением или потерей ее естественных свойств. Основные физико-химические процессы, протекающие в почвах и определяющие изменение их химического состава и строения – это адсорбция и ионный обмен.

Большую роль в изменении химического состава почвы играет катионный обмен, заключающийся в обмене катионами между твердой частью почвы и почвенным раствором, образующимся в результате растворения поверхностной влагой разного рода веществ.

Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность имеет особенно важное значение при взаимодействии различных загрязняющих веществ с почвой. Физико-химическое поглощение — это способность мелкодисперсных (от 0,2 до 0,001 мкм) коллоидных частиц почвы поглощать из раствора различные катионы. Поглощение одних катионов сопровождается вытеснением в раствор эквивалентного количества других, ранее связанных твердой фазой почвы.

Вся совокупность органических и минеральных коллоидных частиц почвы (представленных гумусовыми веществами, глинистыми минералами и гидроксидами железа и алюминия), участвующих в обменном поглощении катионов, была почвенным поглощающим комплексом (ППК). Способность органических и минеральных коллоидных частиц к обменному поглощению катионов обусловлена тем, что большая часть их имеет отрицательные заряды. В естественном состоянии почвы всегда содержат определенное количество поглощенных катионов (Са²+, Mg²⁺, Н⁺, А1³⁺, Na⁺, K⁺, NH4⁺ и др.). Эти катионы могут обмениваться на другие катионы, находящиеся в растворе.

Обмен катионами между раствором и почвенным поглощающим комплексом происходит в строго эквивалентных количествах.

Реакция обмена катионов протекает быстро. В зависимости от концентрации раствора, его объема и природы обменивающихся катионов между катионами раствора и катионами почвенного поглощающего комплекса устанавливается некоторое подвижное равновесие. При изменении состава почвенного раствора это равновесие смещается, в результате одни катионы переходят из раствора в поглощенное состояние, а другие — из поглощенного состояния в почвенный раствор.

При усвоении какого-либо катиона растениями концентрация его в растворе уменьшается, он переходит из поглощенного состояния в раствор в обмен па другие катионы, содержащиеся в почвенном растворе. Чем выше степень насыщенности поглощающего комплекса данным катионом, тем легче и быстрее он вытесняется в раствор. Количество катионов, вытесняемых из поглощенного состояния в раствор, возрастает с повышением концентрации раствора, а при одинаковой концентрации — с увеличением объема раствора вытесняющей соли.

Разные катионы обладают неодинаковой способностью к поглощению. Чем больше заряд (валентность) катиона и его атомная масса, тем сильнее он поглощается и труднее вытесняется из поглощенного состояния другими катионами. Исключение из этого правила составляют ионы Н⁺, которые имеют наименьшую атомную массу, но обладают высокой энергией поглощения и способностью вытеснять другие катионы из ППК.