Материал: Химия педосферы. Процессы формирования химического состава газообразной, жидкой и твердой фаз почвы. Основные геосферные функции почвы

Следующая стадия почвообразования начинается после поселения лишайников и мхов. На горную породу они воздействуют корневой системой чисто механическим путем, расщепляя минеральные зерна. В трещинах пород происходит накопление мелкозема, представляющего смесь мелких обломков породы и продуктов синтеза органоминеральных соединений, выделяемых бактериями, лишайниками и мхами.

Образование рыхлой минеральной почвенной массы связано также с процессами химического и физического выветривания (гипергенеза), которые интенсивно проявляются на поверхности земли и тесно переплетаются с биологическими процессами. Соотношение почвы и коры выветривания показано на рис. 50.

На дальнейшей стадии развития почвы при воздействии высших растений происходит накопление органических веществ и последующее их разрушение. В верхнем слое почвы накапливаются зольные элементы, образуется специфическое органическое вещество - почвенный перегной (гумус), который определяет плодородие почвы.

Химические свойства почвы. Для элементарного химического состава почвы характерно преобладание таких элементов, как О₂ (55%); Si (20%); Аl (7%); Н (5%); С (5%). Содержание Са, Fe, К, Na, Mg не превышает в сумме 1-5%. Химические соединения представлены в почве преимущественно минеральными кислотами и их солями, а также органическими соединениями.

Химические свойства почвы во многом определяются минеральными особенностями почвообразующих пород. В процессе химического выветривания происходят значительные изменения элементарного и минерального состава горных пород. Минералогический состав почвы представлен первичными и вторичными минералами.

Первичными минералами называют такие, которые перешли неизменными из горных пород в почву (преимущественно магматические и метаморфические). В химическом отношении это окислы (кварц, гематит и др.), силикаты (роговая обманка, авгит), алюмосиликаты (ортоклаз, слюды), сульфиды, фосфаты и др.

Первичные минералы в процессе выветривания подвергаются дальнейшему преобразованию. Главными здесь являются не только физические факторы (периодичность нагревания), но и химические изменения, связанные с действием атмосферной воды, насыщенности кислородом и углекислотой (процессы гидратации, окисления и растворения).

Химическое выветривание влияет также на изменение физического состояния минералов. Минералы дробятся до размеров частиц в 0,01-0,0001 мм, теряют кристаллическую форму и переходят в дисперсное или аморфное состояние.

При разрушении первичных минералов образуются вторичные минералы - относительно простые продукты выветривания. Среди них можно выделить такие группы: 1) гидраты окислов кремния, железа и алюминия и др., находящиеся в аморфном дисперсном состоянии (размеры частиц 0,1-0,01); 2) алюмо- и феррисиликаты с различным соотношением окислов кремнезема вторичных глинных минералов (типа каолинита) и биолитов (опал, халцедон); 3) подвижные углекислые, сернокислые, хлористые соли кальция, магния, натрия, которые образуют в почве значительные скопления в виде гипса (CaSO₄∙2H₂O), кальцита (СаСО₃), натрита (Na₂CO₃ X Н₂О), сильвина (КС1) и др.

Почвенные соли отличаются разной степенью растворимости. Легкорастворимыми являются нитраты, хлориды, сульфаты калия, натрия и магния. Все эти соли за исключением нитратов вредны для растений. К среднерастворимым относятся сульфаты кальция, к труднорастворимым - карбонаты и фосфаты кальция. При взаимодействии указанных солей с водой образуется почвенный раствор, являющийся наиболее подвижной и активной частью почвы, так как вещества в нем находятся в молекулярном и коллоидальном состоянии.

Органическая часть почвы. Неотъемлемой частью почвы являются содержащиеся в ней органические соединения. Образование их связано с воздействием на почву растений и микроорганизмов. Роль растений сводится к синсезированию органических соединений и минеральных, которые используются ими для питания.

Органическая часть почвы представлена как азотосодержащими, так и безазотистыми органическими соединениями. Они накапливаются в почве при разложении растительных и животных остатков, а также в процессе жизнедеятельности самих организмов (например, жиры, углеводы, белки, аминокислоты, дубильные вещества, смолы и др.). Количество подобных соединений в почве достигает 15%.

Основную массу органических веществ почвы (85%), определяющую ее плодородие, составляют специфические органические соединения, называемые почвенным гумусом. Образование гумуса происходит под воздействием микроорганизмов. Роль микроорганизмов в почвообразовании очень велика. Делая такую оценку, следует исходить из того количества микроорганизмов, которые находятся в почве. Подсчитано, что в 1 г подзолистой почвы развивается до 0,6 млрд. бактерий, в черноземной почве 2,5 млрд. Вес живой массы бактерий на 1 га площади почвы составляет от 2 до 5 т.

В зависимости от воздушных условий почвенной среды микроорганизмы можно подразделить на две группы: 1) аэробы (грибы, актиномицеты, бактерии), жизнедеятельность которых проявляется при достаточном доступе кислорода; 2) анаэробы, развивающиеся при недостатке или полном отсутствии кислорода. Необходимый для дыхания кислород анаэробы получают от различных химических кислородных соединений. Анаэробные условия создаются в застойных водоемах, на болоте, в переувлажненной почве.

В аэробных и анаэробных условиях разложение органических остатков происходит по-разному. Так, в аэробных условиях этот процесс протекает быстро, до полной минерализации с образованием простых окислов (гидратов) и солей. При анаэробном процессе разложение растительной массы осуществляется медленно, с неполной минерализацией. Конечным продуктом этого процесса является образование закисных соединений, органических кислот и газов (метан, аммиак, сероводород, углекислый газ и др.).

Роль микроорганизмов сводится не только к разложению растительных остатков, но и к закреплению атмосферного азота. Бактерии, усваивающие азот (азотофиксаторы), превращают его в белки и способствуют закреплению в почве.

В почве одновременно с разложением органической массы происходит синтез высокомолекулярных перегнойных веществ при участии окислительных ферментов, которые выделяют микроорганизмы. Основу гумуса составляют перегнойные кислоты, образованные в результате аэробного или анаэробного разложения травянистых растений и древесных остатков. Содержание гумуса в почве зависит от накопления мертвого органического вещества. Наибольшее его количество образуется под лесом и луговой растительностью.

Наиболее важным химическим свойством почвы является ее поглотительная способность.

Поглотительная (обменная) способность почвы связана с образованием почвенных коллоидов. Под почвенными коллоидами понимают ту часть почвы, которая состоит из мельчайших частиц, с диаметром, измеряемым долями микрона (0,1-0,001 мк). Почвенные коллоиды образуются двумя путями: путем дробления горных пород при физическом выветривании и в процессе реакций при химическом выветривании. Для почвенных коллоидов характерно состояние золя и геля. Для почвообразования особенно важен процесс коагуляции золя, так как при этом прекращается движение почвенных частиц и происходит их закрепление в почве. Основной причиной, вызывающей коагуляцию почвенных коллоидов, является действие электролитов. Энергичными коагуляторами почвенных растворов являются катионы А1^’’’; Fe'»; Са»; Mg», которые особенно широко распространены в почве.

Почвенные коллоиды играют большую роль в развитии почвы, оказывают цементирующее воздействие, скрепляя песчаные, пылеватые и иловатые частицы. Поэтому чем богаче представлены в почве коллоиды, тем прочнее почвенные агрегаты и почва меньше распыляется при механической обработке.

Под обменной поглотительной способностью почвы понимают ее способность задерживать в своем составе минеральные и органические соединения, находящиеся в растворенном состоянии. Поглотительная способность почвы проявляется прежде всего по отношению к электролитам, находящимся в почвенном растворе. Ионы притягиваются к почвенным частицам под воздействием сил натяжения. Одновременно они вступают в обменные реакции с ионами, находящимися на поверхности почвенных коллоидальных частиц. В результате этих обменных реакций изменяется состав как почвенного раствора, так и самих почвенных частиц. Так в почве происходит избирательное накопление различных веществ.

Чтобы понять механизм поглотительной способности почвы, рассмотрим строение отдельной коллоидальной частицы почвы (мицеллы). В пределах мицеллы (рис. 51) выделяют: 1) ядро - агрегат молекул аморфного или кристаллического вещества; 2) внутренний слой потенциал определяющих ионов; 3) неподвижный слой компенсирующих ионов; 4) диффузный слой ионов, в который входят поглощаемые ионы из раствора и замещают ионы с противоположным зарядом.

Для примера рассмотрим поглощающий комплекс черноземной почвы. В коллоидальной части черноземов содержатся в большом количестве катионы Са» и Mg». При введении в эту почву раствора КС1 начинается замещение этих катионов по правилу эквивалентности. Таким образом ионы Са» и Mg» вытесняются из диффузного слоя и образуют растворимые соли (рис. 52).

Изучение поглотительной способности почв помогло объяснить многие ее особенности: плодородие, причины засоления и др., а также наметить пути улучшения почв, разработать систему удобрений.

В твердом виде вода практически не оказывает влияния на почвообразовательный процесс.

Парообразная влага накапливается в почве за счет испарения и ее движение зависит от упругости пара и теплового расширения почвенного воздуха, составной частью которого она является. В отличие от нее гигроскопическая влага накапливается в почве за счет сил молекулярного притяжения твердых почвенных частиц. Эти формы воды для растений не доступны.

Форма жидкой воды в почве различна. Пленочная вода окружает почвенные частицы и удерживается силами молекулярного притяжения. Это подвижная форма воды, но растениями она почти неусвояема (рис. 53). Наибольшее значение для развития почвообразовательных процессов и питания растений имеет гравитационная и капиллярная вода.

Гравитационная вода движется между структурными отдельностями сверху вниз под влиянием силы тяжести и во многом зависит от механического состава и структурности почвы. Капиллярная вода заполняет поры внутри структурных отдельностей и удерживается капиллярными силами. Она передвигается в почве во всех направлениях и относится к числу усвояемой растениями.

Названные виды почвенной воды определяют естественное увлажнение почвы. Влаге принадлежит важная роль в почвообразовании, так как она обусловливает движение растворенных минеральных веществ, развитие микробиологических процессов, выветривание минералов.

Химические и физико-химические свойства почв в значительной мере определяются агрегатным состоянием, химическим составом системы, размером твердых частичек почвы. При рассмотрении физико-химических свойств особое значение приобретают жидкая фаза (почвенный раствор) и продукты взаимодействия жидкой и твердой фаз почвы.

Растворы представляют собой однородные системы, состоящие из двух или нескольких компонентов и продуктов их взаимодействия, равномерно распределенных друг в друге. Система - тело или группа тел, изучаемых изолированно. Фаза - физически однородное тело или совокупность физически однородных (тождественных) тел. Системы могут быть гомогенными, состоящими из одной фазы, например, истинные растворы химических соединений (NаС1 в Н2О), и гетерогенными, состоящими из нескольких фаз, например, пересыщенный раствор поваренной соли, где истинным раствором являетcя NаС1 в воде, т.е. жидкая фаза, а избыток соли - твердая фаза.

Растворы могут быть жидкими, твердыми, газообразными. В почве наибольшее значение имеют жидкие растворы, поэтому более подробно остановимся на них. Растворы составляют дисперсные системы, т.е. такие системы, в которых компоненты равномерно распределены друг в друге.

В дисперсных системах выделяют дисперсную фазу - мелкораздробленное вещество - и дисперсную среду, представляющую собой, как правило, однородное вещество, в котором равномерно распределена дисперсная фаза. В растворах почвы дисперсная среда представлена, как правило, водой, а растворенные в ней вещества - дисперсной фазой. Так, в мутной воде, содержащей глинистые частички (ФГ<0,01 мм), дисперсной фазой являются твердые частички глины, а дисперсной средой - вода.

В зависимости от размера частиц дисперсной фазы выделяют истинные растворы, коллоидные системы, а также суспензии и эмульсии.

Истинные растворы - гомогенные системы с размером растворимых частиц менее 0,001 мкм (микрометр - миллионная часть метра). Они состоят из молекул и ионов растворимого вещества. Их можно рассматривать как однофазную гомогенную систему, например, растворы солей, кислот и щелочей (NаС1, Н2SО4, NаОН).

Коллоидные растворы - двухфазные системы, состоящие из дисперсионной среды и дисперсионной фазы с размерами частиц в пределах от 0,01 до 0,2 мкм. Системы с размерами дисперсионной фазы более 0,2 мкм образуют грубодисперсные системы, такие, например, как суспензии и эмульсии.

Одно и то же вещество в зависимости от степени дисперсности может образовывать как грубодисперсные системы, так и коллоидный и истинный растворы.

Коллоидные растворы по химическому составу могут быть:

·        Неорганические (минеральные), например, растворы кристаллических и аморфных минера-лов как первичных, так и вторичных.

·        Органические - растворы гумусовых веществ (гуминовые кислоты и фульвокислоты).

·        Органо-минеральные коллоиды представляют собой, например, растворы соединений гумусовых веществ с глинистыми и некоторыми другими вторичными минералами.

Образование коллоидных систем происходит по двум направлениям:

·        Конденсационное - вследствие ассоциации молекул или ионов под действием физических и химических сил, например, из истинных растворов;

·        Дисперсионное - за счет механического или химического (диссоциации, растворение) раздробления более крупных частиц или грубодисперсных систем.

Таким образом, коллоидные частички почвы могут быть разного размера, различного

По отношению к растворителям различают лиофильные и лиофобные коллоиды. По отношению к воде коллоиды делятся на гидрофильные, способные сильно гидратироваться, удерживать молекулы воды под влиянием своего заряда (кремниевая кислота, белки, ГК ФК) и гидрофобные, которые слабо гидратируются, обладают малой емкостью поглощения. В почве коллоиды могут находиться в виде коллоидного раствора, они носят название золя. В этом состоянии коллоиды активно взаимодействуют с окружающими их соединениями, могут участвовать в процессах миграции и перемещения по профилю почв. Наиболее агрессивная часть почвенных коллоидов активно вступает в процессы разнообразных взаимодействий физических, химических, физико-химических.

Коллоиды из раствора могут переходить в осадок, который носит название гель. Аккумуляция химических элементов в виде гелей активно происходит в результате проявления почвообразовательных процессов.

Процесс перехода золя в гель называется коагуляцией. При коагуляции происходит потеря устойчивости коллоидных частиц и их укрупнение, агрегация и выделение из раствора в осадок. Коагуляция может происходить под действием, например, дегидратации (потеря Н2О), высушивания или замерзания почв.