Краткое теоретическое введение

Практическое занятие

Тема: оценка загрязнения почв

Краткое теоретическое введение

В результате выветривания горных пород и воздействия живых организмов сформировался особый промежуточный слой – почва, или педосфера (ее относят к верхней части земной коры). Верхняя граница почвы – это поверхность раздела между почвой и атмосферой (т. е. поверхность суши Земли), либо между почвой и гидросферой для подводных почв (маршевых, мангровых, затопленных рисовых почв и т. п.). Нижняя граница почвы определяется глубиной, на которую произошло изменение исходной горной породы в ходе почвообразования. По данным радиоизотопных методов возраст современных почв составляет от нескольких сотен (подзолы) до нескольких тысяч лет (черноземы).

Почва – ключевой резервуар экосистемы, через который проходят потоки веществ между различными геосферами, причём почвообразование протекает под влиянием этих потоков.

Первичное почвообразование начинается с момента поселения на горной породе микроорганизмов, способных выдерживать значительные изменения температур и существовать при наличии следовых количеств воды, образующейся, например, за счет конденсации атмосферной влаги на камнях или в микротрещинах. Первыми поселяются автотрофные микроорганизмы (бактерии, водоросли), усваивающие С, N, O из воздуха; позже микробное сообщество пополняется гетеротрофами, потребляющими органические вещества, образуемые автотрофами. Микробы осуществляют биологическое выветривание горных пород, усваивая из них минеральные элементы. Наряду с биологическим выветриванием происходит и физическое выветривание, в результате чего горная порода измельчается и образуется микробная органо - минеральная пыль, обогащенная биогенными элементами. (В пустынях процесс почвообразования останавливается на этой стадии.) Эта пыль еще не является почвой, но на ней могут поселиться более требовательные к условиям жизни организмы. Обычно это лишайники, которые ведут более интенсивное биологическое выветривание пород и накапливают под своим покровом слой примитивной почвы толщиной в несколько миллиметров или даже сантиметров, уже способный удерживать влагу.

На почве, подготовленной жизнедеятельностью лишайников уже могут расти мхи (возможно и существование смешанного покрова из мхов и лишайников). В результате деятельности мхов формируется почва, на которой впоследствии могут поселиться высшие растения (травянистые и древесные). Растения разрыхляют верхний слой грунта, препятствуют сдуванию мелких частиц, вымыванию веществ и испарению воды из грунта, т.е. способствуют дальнейшему сохранению образовавшегося почвенного слоя. По мере формирования почвы происходит последовательная смена ее типов – от сероземов к черноземам, а впоследствии к подзолам. Это связано с закономерностями процессов накопления перегноя и вымывания неорганических и органических веществ из почвы.

Для построения своих организмов высшие растения избирательно извлекают биогенные элементы из значительных объемов грунта (N, S, P, Fe и др. при помощи корневой системы), воздуха (C, O при помощи листьев). Из отмерших частей растений (под действием микроорганизмов, почвенных беспозвоночных и позвоночных животных) формируются гумус, благодаря которому почва значительно обогащается биогенными элементами (см. табл. 1.), и это облегчает развитие новых растений. Органические вещества гумуса также необходимы для жизни грибов, простейших, ряда бактерий.

Таблица 1.

Среднее содержание химических элементов

в литосфере и почвах в % по массе

О масштабах глобальной геохимической деятельности растений можно судить по следующим данным. Все вулканы на Земле выбрасывают в атмосферу около 3 млрд. т в год твердых продуктов извержения, в которых содержится примерно 150 тыс. т меди; на порядок больше поглощается меди ежегодно растительностью суши. Все реки Земли за год сносят с континентов 2, 2 млн. т фосфора в растворенном состоянии и 16 млн. т фосфора в составе взвесей; на этой же площади растительность ежегодно захватывает около 350 млн. т Р.

Органическое вещество почвы на 90% составляют гуминовые вещества, образующиеся в результате постмортального разложения органических остатков. Последние частично минерализуются (до CO₂, H₂O и т.п.), но их значительная доля вступает в процесс гумификации. Он идет как с участием живых организмов почвы, так и путем чисто химических реакций окисления, восстановления, гидролиза, конденсации и др. Образующиеся соединения вновь вступают в реакции синтеза или разложения, и это продолжается беспрерывно. В результате в почве остаются все более устойчивые к разложению органические соединения сложной и нерегулярной структуры (см. рис. 1.5). Следует отметить, что в результате фотосинтеза ежегодно связывается около 50·10⁹ т атмосферного углерода, а при отмирании живых организмов на земной поверхности оказывается около 40·10⁹ т углерода. По разным источникам, ежегодно в процесс гумификации вовлекается (0, 6…2, 5)·10⁹ т углерода.

Гуминовые вещества есть почти повсюду в природе. Их содержание в морских водах 0, 1–3 мг/л, в речных — 20 мг/л, а в болотах — до 200 мг/л. В почвах гуминовых веществ 1…12%, при этом больше всего их в черноземах. Органогенные горные породы – уголь, торф, сапропель, горючие сланцы – являются лидерами по содержанию этих соединений; одна из разновидностей бурого угля – леонардит – содержит до 85% гуминовых веществ.

Почва обладает поглотительной способностью – способностью обменно либо необменно поглощать различные твердые, жидкие и газообразные вещества или увеличивать их концентрацию у поверхности содержащихся в почве коллоидных частиц.

Благодаря механической поглотительной способности в почве задерживаются твердые частицы, которые поступают с воздушным или водным потоком и по размерам превышают размер почвенных пор. Например, вода проходя сквозь почвенную толщу, очищается от взвесей, что позволяет использовать это свойство почв и рыхлых пород для очистки питьевых и сточных вод.

Химическая поглотительная способность обусловлена образованием в результате происходящих в почве химических реакций трудно растворимых соединений, выпадающих из раствора в осадок. Поступающие в почву в составе атмосферных, грунтовых, поливных вод катионы и анионы могут образовывать с солями почвенного раствора нерастворимые или трудно растворимые соединения. Например:

[ППК^2–]Ca²⁺ + Na₂SO₄ → [ППК^2–]2Na + CaSO₄↓;

[ППК^2–]Ca²⁺ + 2NaHCO₃ → [ППК^2–]2Na + Ca(HCO₃)₂,

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ ↓ + CO₂ + H₂O;

Al(OH)₃ + H₃PO₄ → AlPO₄ ↓ + 3H₂O;

Na₂CO₃ + CaSO₄ → CaCO₃ ↓ + Na₂SO₄,

где ППК – это почвенный поглощающий комплекс – совокупность минеральных, органических и органоминеральных соединений высокой степени дисперсности, нерастворимых в воде и способных поглощать и обменивать поглощенные ионы.

Биологическое поглощение вызвано способностью живых почвообитающих организмов (корни растений, микроорганизмы) поглощать различные элементы. Биологическая поглотительная способность характеризуется большой избирательностью поглощения, обусловленной специфической для каждого вида потребностью живых организмов в элементах питания.

Физическая поглотительная способность — способность почвы увеличивать концентрацию молекул различных веществ у поверхности тонкодисперсных частиц. Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность — способность почвы поглощать и обменивать ионы, находящиеся на поверхности коллоидных частиц, на эквивалентное количество ионов раствора, взаимодействующего с твердой фазой почвы. Это свойство почвы обусловлено наличием в ее составе почвенного поглощающего комплекса, связанного с почвенными коллоидами.

В связи с поглощающей способностью почв велика их роль в обезвреживании токсичных веществ. Благодаря способности органических и неорганических компонентов почвы связывать другие вещества замедляется проникновение последних из атмосферы, биосферы и с поверхности грунта в почвенные и подземные воды. Токсичные органические компоненты (например, пестициды и полиароматические углеводороды) постепенно разрушаются почвенными микроорганизмами. Некоторые неорганические вещества (например, нитраты, сульфаты) также претерпевают химические превращения под действием почвенной микрофлоры. Ряд неорганических примесей (например, тяжелые металлы и радиоактивные элементы) длительное время сохраняется в связанном состоянии в почве (в виде малоподвижных или труднодиссоциирующих соединений). Однако, способность педосферы к задерживанию токсикантов не безгранична. Следует отметить, что накопление токсичные веществ в почве приводит к увеличению их содержания в организмах продуцентов; для некоторых веществ возможна и дальнейшая передача по пищевой цепочке (к консументам 1‑ го и следующих порядков).

Почва – крайне неоднородное образование. Её можно представить как микроотражение глобальной экосистемы, так как она также делится на твё рдые (минеральное и органическое вещество), жидкие (почвенный раствор), газообразные (почвенный воздух) и живые компоненты. Этот обмен происходит, в основном, через почвенный раствор, который перемещается по тонким капиллярам (рис. 1, табл. 2).

Рис.1 Структурная модель потоков вещества между компонентами почвы

Таблица 1

Источники и стоки веществ в почве

В некоторых случаях, часто в засушливой местности, в почве происходит повышение концентрации солей натрия и других электролитов – засоление почв. В этом процессе могут участвовать катионы натрия, кальция, магния, анионы хлоридов, сульфатов, нитратов, карбонатов и гидрокарбонатов. Повышенная концентрация солей в почвенном растворе негативно сказывается на растениях, так как при этом влага становится менее доступной (явление физиологической засухи), то есть даже при влажной почве вода не может поступать в корни; соли также оказывают токсическое действие на клетки растений. Наиболее опасно содовое засоление, в результате которого повышается рН среды. При наличии соды (Na₂CO₃ ) в количестве более 0, 6% почва становится полностью бесплодной, а содержание около 0, 1% действует на растения угнетающе. На засоленных почвах могут расти только немногие виды растений – галофиты, устойчивые к таким условиям.

Первичное засоление происходит в результате капиллярного поднятия к поверхностным слоям почвы растворов солей из грунтовых минерализованных вод и соленосных отложений. По мере подъема вода испаряется, а содержавшаяся в растворе соль откладывается на стенках почвенных капилляров (соль задерживается на испарительном геохимическом барьере).

Капиллярное поднятие воды происходит в результате явления контактного смачивания, обусловленного взаимодействием молекул жидкости и твердого тела. Явление смачивания имеет место, когда молекулы жидкости сильнее взаимодействуют с молекулами поверхности твердого тела (стенок капилляра), чем друг с другом. Высота подъема жидкости по капилляру h при полном смачивании описывается формулой

,

где s– поверхностное натяжение на границе жидкость – газ (между поверхностью жидкости в капилляре и находящимся над ней воздухом), r – радиус капилляра, g – ускорение свободного падения, r^β – плотность жидкости. Расчет по этому уравнению показывает, что в капилляре радиусом несколько микрометров вода поднимается на десятки метров.