Лекция 6 ГЕОХИМИЯ ПЕДОСФЕРЫ Факторы формирования химического состава

Лекция 6 ГЕОХИМИЯ ПЕДОСФЕРЫ

Факторы формирования химического состава почв Геологический круговорот Миграция химических элементов почвы в зоне гипергенеза Наиболее интенсивно из почвы выносятся: Cl, Br, J, S, Ca, Mg, Na Биологический круговорот Влияние на миграцию элементов определяется степенью биологического поглощения

Биологическое поглощение – отношение содержания химического элемента в золе растений к содержанию этого же элемента в почве или литосфере

Основной источник поступления химических элементов в почву – почвообразующие породы Почвы обогащены определенными элементами, если этими элементами обогащены почвообразующие породы

Грунтовые воды также влияют на формирование химического состава почв: Почвы обогащаются – бором (B), йодом (J), железом (Fe), кобальтом (Co), никелем (Ni), цинком (Zn), ванадием (V), стронцием (Sr), барием (Ba), медью (Cu), литием (Li), цезием (Cs), рубидием (Rb)

В гумидных ландшафтах кислые почвы обогащаются бикарбонатом грунтовых вод → в результате нейтрализуются В аридных ландшафтах почвы обогащаются легкорастворимыми соединениями → в результате происходит их засоление

На формирование химического состава почв также оказывают влияние: метеоритная и космическая пыль → обогащение почв многими микроэлементами вулканические газы → поступление легколетучих соединений – HF, HCl, HBr, HJ, B(OH)3, выделяющихся при дегазации вещества верхней мантии минерализованные брызги с поверхности морей, и океанов → поступление Cl, Br, F, J, Rb, Cs

Формы нахождения химических элементов в почве Адсорбция на поверхности коллоидных частиц Кристаллическая решетка глинистых минералов Собственные коллоидные минералы в результате изоморфного замещения Почвенный раствор Почвенный воздух Элементорганические соединения органических остатков Составная часть почвенной микробиоты

Основной сорбент химических элементов в почве – илистая (0,001-0,0001 мм) и мелкопылеватая (0,005-0,001 мм) фракции Исключение составляет Si – он накапливается в крупных частицах (>0,01 мм)

Накопление микроэлементов зафиксировано в почвенных новообразованиях Новообразования – хорошо оформленные, обособленные от почвенной массы скопления минералов, возникших в процессе гипергенеза и почвообразования Представлены: нитратами, сульфидами, карбонатами, сульфатами, фосфатами, галоидными соединениями, окислами, силикатами

Железистые новообразования (гидроокислы железа) – аккумулируют марганец (Mn); Марганцевые новообразования (гидроокислы марганца) – накапливают Ва, Ni, Pb Карбонатные новообразования – накапливают Ba, Cl Гипсовые новообразования - Sr

В накоплении химических элементов также участвует гумус Состав гумуса: фульвокислоты, гуминовые кислоты и гумин Фульвокислоты образуют комплексные элементорганические соединения с трехвалентными металлами - фульваты → разрушение минералов Гуминовые кислоты растворяются в щелочах → гуматы меди, железа, никеля и др.

Главные компоненты гумусового вещества почв: Углерод, водород, кислород, азот Второстепенные компоненты: S, P, K, Ca, галоиды и некоторые микроэлементы

Антропогенные факторы накопления химических элементов в почвах Разработка месторождений полезных ископаемых Обогащение руд Металлургическое производство В почвах накапливаются: Cr, Hg, Cd, Mo, Sr, Be, Ni, Zn, Cu

4. Применение ядохимикатов → накопление пестицидов, производных удобрений → попадание в продукты питания 5. Нефтепереработка → загрязнение почв углеводородами, сероводородом, серой 6. Химическая промышленность → загрязнение почв Сo, Mo, Mn, Zn, Ni 7. Транспорт – выхлопные газы → пыль, в состав которой входят большие концентрации сульфатов Pb, Zn, Cu

Аккумуляция токсических элементов происходит в верхних 3-5 см почвы → физиологические и морфологические изменения растений → по трофической цепи в организмы людей и животных → заболевания → влияние на безопасность жизнедеятельности

Почва – депонирующая среда, в отличие от атмосферы и гидросферы → загрязняющие вещества сохраняются в ней десятилетиями и дольше → постепенно и постоянно поступают в воздух, воду и живое вещество

В настоящее время в почвы техногенных, природных и биогенных ландшафтов в больших количествах стали попадать соединения, не имеющие природных аналогов. Они практически не разлагаются почвенными организмами → трудно предсказать последствия этого явления и его влияния на безопасность жизнедеятельности

Геохимия растений

Химический состав растений в значительной степени определяется химическим составом почв, однако не повторяет его благодаря обмену веществ → растения избирательно поглощают преимущественно необходимые им элементы в количествах, соответствующих их физиологическим и биохимическим потребностям.

В состав растительных организмов входят почти все химические элементы, при этом 99,76% массы живого вещества приходится на: О2, С, Н2, N2, Ca, P, K, S и Mg и только 0,24% падает на долю остальных элементов.

кислород, водород и углерод растения усваивают из почвы и атмосферы; значительную часть азота – из атмосферы благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий; остальные элементы в основном поступают из почвы.

Накопление химических элементов различными видами растений Различные виды растений в одних и тех же ландшафтно-геохимических условиях накапливают разные количества одного и того же элемента.

Растения отличаются друг от друга не только анатомическим строением и физиологическими особенностями, но и химическим составом → элементарный химический состав растений – важный систематический признак (А.П. Виноградов).

Например, кальций и магний энергично накапливают бобовые и травы

Кремнезем накапливают злаки, осоки, хвощи

Калий аккумулируется в гречихе, картофеле, свекле, кукурузе

Медь накапливают растения семейства гвоздичных

Литий в представителях семейства лютиковых и пасленовых

Величина коэффициента биологического поглощения элементов изменяется в связи с различным их накоплением разными видами растений.

Содержание элементов в различных органах растений В различных органах растений накапливаются разные количества элементов, что связано с их ролью в биохимических и физиологических процессах, протекающих в растительном организме.

В корнях растений накапливаются серебро, свинец, галлий, олово, барий, вольфрам, а также хром, ванадий, уран. Равномерно распределяются по растению: в условиях таежной зоны — цинк; альпийских и субальпийских лугов — ниобий, скандий, олово, цинк; равнинных сухостепных и полупустынных районов — калий, кремний, галлий, хром.

Такая специализация называется онтогенетической. Меняется в зависимости от возраста растения, погодных условий, фаз вегетации и др. факторов. Эту специализацию определяет не вид растения, а типы его анатомической ткани (кора, семена и др.), обладающие разной степенью выраженности физиологических барьеров поглощения.

Безбарьерные органы (биообъекты) – внешние покровные ткани корней и кора древесных растений. Барьерные биообъекты – молодые растущие (листья, побеги, ветви) и репродуктивные (цветы, плоды, семена) органы и части растений.

Содержание элементов в растениях на разных стадиях развития Синтез органического вещества и дыхание протекают с неодинаковой интенсивностью в разные периоды развития растений. Между внутренними процессами обмена веществ растений и внешними условиями питания существует тесная взаимосвязь.

Наиболее энергичное поглощение минерального питания наблюдается в молодых растущих частях растений, что связано с интенсивностью синтеза белковых веществ. При старении организма интенсивность биологического синтеза замедляется и заменяется процессами распада → падает способность к поглощению элементов из окружающей среды.

Характер поступления и накопления минеральных веществ растениями зависит от типа растительности и продолжительности их жизни: Однолетние растения характеризуются максимумом поступления элементов минерального питания в периоды до цветения или во время цветения;

Многолетние растения в ранние стадии вегетативного развития поглощают и накапливают небольшое число элементов; наиболее интенсивное поглощение элементов у многолетних растений отмечается в стадии массового цветения, отцветания и начала плодоношения, а также осенью в период листопада.

Поглощение элементов растениями в различные периоды их жизни также зависит от вида растений. В целом наибольшие колебания в поглощении микроэлементов растительностью в различные периоды ее развития особенно характерны для молодых, растущих органов (листья, цветы).

Влияние климатических факторов на накопление химических элементов растениями На усвоение и поглощение химических элементов растениями оказывают влияние: интенсивность солнечного освещения, количество выпадающих осадков, колебания температур.

Солнечное освещение влияет на проницаемость плазмы растительных клеток → наиболее интенсивно освещенные солнцем части растений содержат более высокие количества микроэлементов

Количество выпадающих осадков в течение всего вегетационного периода оказывает влияние на содержание микроэлементов в растениях: Fe в наибольшем количестве отмечается в растениях в засушливые годы, Mn — во влажные; Cu, Zn и Mo накапливаются в растениях в наибольшем количестве во влажные годы.

Систематическая или филогенетическая специализация растений связана с закреплением наследственностью геохимического влияния экологических условий периода видообразования на уровни содержания химических элементов в живых растениях.

Эта специализация испытала эволюционную изменчивость вслед за эволюцией биосферы Земли в течение геологического времени. Современные растения систематических таксонов имеют определенный химический состав, отражающий особенности их происхождения.

Выделяется 4 ассоциации микроэлементов, концентрирующихся в определенных видах растений: I – типично катионогенные элементы (Ba, Zn, Mn), которые накапливаются только в гумидокатных видах;

II – катионогенные элементы (Cu, Ag, Pb, Co, Ni, Sr), активно поглощаемы и гумидокатными и ариданитными видами растений; накопление Cu, Ag и Pb в ариданитных видах объясняется способностью этих элементов образовывать растворимые карбонатные и бикарбонатные соединения; Sr концентрируется преимущественно в растениях-гипсофитах.

III – анионогенные элементы (Mo, B), интенсивно аккумулируемые ариданитными видами и слабее – гумидокатными; их высокое содержание в гумидокатных видах связано с важной физиологической ролью этих элементов; IV – анионогенные элементы (Cr, V, Ti, Yt, частично Sc и Zr), накапливающиеся только в ариданитных видах.

Наибольшая концентрация анионогенных элементов характерна для растений солонцовых ландшафтов, где они образуют растворимые комплексы с содой и более доступны растениям

Зависимость содержания химических элементов в растениях от их нахождения в почве Основной источник поступления химических элементов в растения – почвы и подстилающие их породы. Степень усвоения элементов растительностью в значительной степени определяется формами нахождения их в почве.

Растения легче всего усваивают элементы, находящиеся: в растворе; в адсорбированном состоянии на поверхности коллоидных частиц почвы. Поглощение происходит путем обменной реакции между корневой системой растений и почвенным или иным раствором, окружающим корни.

Обмен происходит в эквивалентных отношениях. Корневая система различных видов растений имеет различную емкость поглощения.

Минеральная форма нахождения элементов в основном малодоступна растениям; хотя усвоение элементов из минералов возможно благодаря воздействию на них угольной и ряда органических кислот, ферментов и других органических соединений. Извлекаемые из минералов химические элементы составляют очень незначительный процент в питании растений.

Элементоорганические соединения (соединения металлов с почвенным гумусом) бывают как легко-, так и плохорастворимыми (гуматы). В плохорастворимых химические элементы находятся в недоступной для растений форме.

Поступление элементов из почвы в растения зависит: от общего химического состава почвы; Реакции среды; окислительно-восстановительного потенциала; физических свойств почвы; биологической деятельности почвенных организмов.

Недоступны растениям также элементы, входящие в состав обитающих в почве микроорганизмов. Микробиологическая деятельность оказывает двойное влияние на поступление элементов в растения: Во-первых, микроорганизмы и растения являются конкурентами в потреблении элементов, находящихся в почве. Для выполнения жизненных функций микроорганизмы нуждаются в тех же элементах, что и растения.

Во-вторых, микроорганизмы, активно воздействуя на минералы, разрушают их и переводят элементы минерального питания растений в раствор.

В целом химический состав растений и коэффициенты биологического поглощения и биогенности зависят от двух главных факторов: 1. ландшафтно-геохимического, определяющего геохимическую обстановку произрастания растений – уровень содержания элементов в питающей среде, формы нахождения доступные для растений;

2. генетического, определяющего биогеохимическую специализацию отдельных семейств, родов и видов растений в связи с их систематическим положением и особенностями происхождения. Это характерно для растений фоновых ландшафтов

Геохимические аномалии в растениях Большую роль в накоплении нежелательных, токсичных для растений соединений играет загрязнение атмосферы.

Сернистый ангидрид. Вызывает некроз растений, выражающийся в изменениях окраски листьев, высыхании, а затем их гибели: Отрицательное действие усиливается при сильном освещении, повышенной влажности, умеренной температуре. злаки: на листьях появляются светло-коричневые или белесоватые полосы по обеим сторонам от зеленой центральной жилки;

хвоя сосны приобретает темно-красную окраску, которая распространяется от основания к острию иглы.

Наиболее чувствительны к действию сернистого газа: ячмень, овес, пшеница, люцерна, клевер, соя, хлопок, томаты, салат, редис, фасоль, свекла, морковь, капуста, а из древесных пород — сосна, пихта, дуб, ольха. К устойчивым растениям относятся сирень, гладиолусы, роза.

Фтор. Вызывает некроз листьев и омертвение тканей → размягчение плодов персика, гниение и затвердевание плодов вишни и черешни, огрубевание тканей яблок, снижение содержания сахара и крахмала в свекле и картофеле.

Внешне проявляется в появлении пятен, побелении листьев и их опадении. Наиболее чувствительны к действию фтора: ячмень, овес, кукуруза, люцерна, картофель, табак, соя, лук, томаты, фасоль, хлопок, огурцы, а из древесных пород — береза и сосна. Вредное действие фтора проявляется при его концентрации в воздухе 0,1—0,2*10-5 (при больших значениях наблюдается листопад).

Хлор и соляная кислота Поражают периферийную часть листьев широколиственных пород. Поврежденные места белого цвета постепенно сереют и крошатся. Действие этих веществ на растения напоминает действие сильного мороза.

Наиболее чувствительными растениями к хлору и соляной кислоте являются: люцерна, хлопок, пшеница, подсолнечник, лук, табак; из древесных пород — липа, клен, сосна. Повреждения наблюдаются при содержании хлора в воздухе в количестве 0,1—4,6*10-5 и действии в течении 1-2 ч.

Озон Высокие содержания вызывают набухание листьев и через некоторое время нижняя сторона их приобретает серебристый или бронзовый оттенок, а верхняя — становится пятнистой. На листьях появляются крапинки, полоски, прожилки. Листья быстро увядают.

Первичные симптомы наступают при концентрации 0,03—0,05*10-5. Наиболее чувствительны к действию озона: зерновые культуры, люцерна, фасоль, томаты, картофель.

Нитраты Появляется серебристая окраска у листьев, возможен бронзовый оттенок. Листья быстро опадают. Особенно чувствительны к действию нитратов молодые листья.