Тема 12 Почва План лекции Определение почвы Формирование

Тема 12 Почва План лекции Определение почвы. Формирование почвы и почвенные горизонты. Свойства почвы и почвенные процессы. Механические свойства почвы. Минеральный состав почв. Органическое вещество почвы. Физические и физико-химические параметры почвенной среды. Биотические факторы и процессы в почвенных средах. Экосистемы болот. РХТУ АЕК

Вопросы в экзаменационных билетах 1. Почва. Ее формирование почвы и горизонты. 2. Основные свойства почвы и почвенные процессы. Их значение в процессах ремедиации и биоремедиации. 3. Органическое вещество почвы. Особенности и состав. 4. Роль физических и физико-химических параметров почвенной среды в процессах ремедиации и биоремедиации. 5. Роль почвенной биоты в трансформации почвенной среды. 6. Особенности экосистем болот. Кн. 1, с. 117 -162 РХТУ АЕК

Педосфера - почвенный покров, одна из географических оболочек Земли. Почва – это рыхлый поверхностный слой земной коры, сформировавшийся в результате взаимодействия физических, химических и биологических процессов на границе литосферы, гидросферы и атмосферы. Функции почвенной среды: – трансформация и круговорот элементов; – наряду с океаном регуляция состава атмосферы; – фильтрационная и буферная способности почвы; – депонирование и хранение биологически важных элементов и веществ, специфического органического вещества – гумуса, обеспечивающего длительное плодородие возделываемых полей и пастбищ; – аккумулирование различных загрязнений, которые обезвреживаются с помощью почвенных микробоценозов либо избирательно поступают в воздушный бассейн, в грунтовые воды и т. п. ; – барьерная функция на пути миграции загрязнений в биогеоценозах; – самоочищение природы от органических отходов и остатков; – место сосредоточения живых организмов и интенсивного взаимодействия биоты с неорганическим миром. В почве сконцентрирована основная масса микроорганизмов-редуцентов, минерализующих органические остатки, азотфиксаторов – участников ключевой стадии круговорота азота и др. РХТУ АЕК

Формирование почвы и почвенные горизонты Наиболее важные факторы формирования почв: – характер подстилающих (материнских) пород, – рельеф, – климат, – растительный и животный мир. Подстилающие породы: магматического (вулканического), осадочного или метаморфического происхождения. Осадочные породы образуются в результате переотложения продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, химического и механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности организмов или одновременно всех трех процессов. Примерами осадочных пород служат песчаники и известняки. Метаморфические породы – породы, трансформированные вследствие изменения температуры и давления. В результате метаморфизма многие их свойства (минеральный состав, структура, текстура) меняются. Примером метаморфических пород являются сланцы. РХТУ АЕК

Вследствие естественного разрушения – выветривания и выщелачивания материнская порода разрушается. В выветривании доминируют физические процессы (замерзание – оттаивание, нагревание – охлаждение, абразивное действие песчаных частиц, переносимых водой или ветром и др. ). Такие биологические факторы, как давление корней, растущих в мелких трещинах, также участвуют в выветривании. Выщелачивание происходит главным образом под действием физикохимических, химических и биологических процессов. В среднем формирование почвы вследствие выветривания и выщелачивания происходит медленно – со скоростью приблизительно 12, 5 т/га в год, что составляет ее слой толщиной около 0, 4 см. Почва – гетерогенная многофазная система, состоящая из минеральных и органических соединений, живых организмов. Как среда обитания почва значительно сложнее, чем, в частности, донный ил. РХТУ АЕК

В процессе формирования и эволюции почвы претерпевают несколько стадий. Самые молодые – так называемые азональные почвы. Они состоят из более или менее крупных обломков материнской породы и иногда покрыты растительностью. Большинство почв на поверхности Земли – зональные. В эволюции таких почв роль материнской породы незначительна, более значимы климатические факторы и растительность. Для многих зональных почв характерно равновесное состояние ее с растительностью и климатом. Это климаксовые почвы. В зональных почвах часто располагаются интразональные почвы, которые формируются под влиянием одного определенного фактора. К таким почвам относят, например, солонцы и щелочные почвы, возникающие в результате засоления. Зональные почвы характеризуются слоями различного стратифицированного материала, генетическими горизонтами, которые возникают в процессе взаимодействия органических веществ с минеральным субстратом и в результате взаимных перемещений в почвенной среде продуктов органического и неорганического происхождения. Горизонт – это дифференцированный слой почвы с одинаковыми признаками: цветом, плотностью, структурой, составом и т. д. Последовательность горизонтов от поверхности в глубь называется морфологическим профилем почвы. Почвенные горизонты и их состав отражают историю происхождения почвы. РХТУ АЕК

В профиле почвы обычно выделяют горизонты А, В и С. Нулевой горизонт О, или горизонт А 0 – верхний горизонт почвы в умеренных широтах. Горизонт А 1 – темно-окрашенный горизонт, богатый глубоко трансформированным органическим веществом – гумусом, который образуется в результате гумификации отмерших растений и животных. Обогащенный гумусом слой называют пахотным, а нижележащий – подпочвой. Толщина гумусного слоя и его состав определяют плодородие почв. Горизонт А 2, или элювиальный (лат. eluo – вымывать) горизонт Е, соответствующий осветленной выщелоченной части почвы. Этот горизонт характеризуется однородным химическим составом, содержит главным образом кремнезем и очень мало биогенных элементов. Ниже элювиального горизонта залегают горизонты аккумуляции В (иллювиальные, лат. illuo – вмывать). Иногда выделяют переходные горизонты В 1, В 2, В 3, ВС. В них продукты минерализации органических соединений, превращенных редуцентами в неорганические, хорошо перемешаны с тонко измельченной материнской породой. Растворимые вещества верхнего горизонта, вымываясь идущим вниз потоком воды, часто откладываются в горизонте B. Такой процесс наблюдается при избытке влаги и свободного дренажа, например, в подзоле под хвойным лесом. Ниже горизонтов B расположена материнская порода (горизонт С). РХТУ АЕК

I Глубина, см –– 0 –– II III A Глубина, см A 0 –– IV A 0 А 0 A 1 –– 20 –– B 1 A 1 E –– 20 –– А E –– 40 –– B 2 B 1 –– 60 –– B 1 –– 60 –– B 2 –– 80 –– BC –– 100 –– B 3 –– 120 –– C B 3 –– 120 –– C –– 140 –– C –– 160 –– 1 2 3 6 7 8 C –– 160 –– 4 9 5 10 11 Строение почв. Генетические горизонты: 1 – А 0 – подстилка, 2 – А 1 – перегнойно-аккумулятивный горизонт, 3 – В 1 – переходный горизонт в черноземах, 4, 8, 9 – В 2, В 1, ВЗ – иллювиальные горизонты подзолистых почв, 5 – В 1 – иллювиальный солонцовый горизонт, 6 – В 2 – переходный горизонт солонца, 7 – ВС – переходный карбонатный горизонт чернозема, 10 – Е – элювиальный горизонт, 11 – С – материнская порода. I – типичный чернозем, II – солонец, III – подзол, IV – дерново-подзолистая почва. РХТУ АЕК

Различают также переувлажненные горизонты с интенсивным развитием восстановительных процессов, наиболее характерным из которых является восстановление Fe 3+ в Fe 2+, что придает почве голубоватую окраску. Их называют глеевыми и обозначают буквой G. Для формирования горизонтов требуются сотни – тысячи лет. Автоморфные почвы – сформировались под действием только атмосферных осадков и не подвергаются переувлажнению вследствие притока грунтовых или поверхностных вод. Гидроморфные почвы – формируются под влиянием дополнительного и избыточного увлажнения. Почвенный профиль можно также характеризовать содержанием обменных катионов, солей, аэробно-анаэробной и окислительно-восстановительной обстановкой и т. д. Все эти профили нестабильны и их изменчивость зависит от разных факторов (сезонных, антропогенных и др. ). РХТУ АЕК

Свойства почв и почвенные процессы Наиболее важные свойства: • механические свойства – фракционный (гранулометрический) состав почв, структура, пористость; • минеральный состав; • содержание органического вещества, гумуса, торфа; • физические и физико-химические параметры: температура, водно физические свойства (влажность, влагоемкость, водопроницаемость, матричный потенциал и др. ), p. H, окислительно-восстановительный потенциал, содержание солей, состав газовой фазы и др. Как биологически активную среду почву характеризуют по содержанию биомассы, видовому составу почвенных ценозов и биологической активности (активность различных ферментов, дыхательная активность, бродильная активность, нитрифицирующая и денитрифицирующая активности и т. п. ). В загрязненных почвах определяют содержание вредных веществ, их физическое состояние, миграционную способность, распределение по почвенным фракциям и др. РХТУ АЕК

Механические свойства почвы Классификация по размеру частиц: - песок (самые крупные частицы размером >0, 05 мм), - пыль, - глина (мельчайшие частицы размером менее 2 мкм, относящиеся к коллоидам). Такая классификация позволяет представить механический состав почвы графически в виде треугольника механического состава. По этой классификации в минеральную часть суглинков входит около 40% песка, 40% пыли и 20% глины. Различают также: - каменистые почвы с частицами средним диаметром более 3 мм, - песчаные (0, 05– 3, 00 мм), - пыль (0, 001– 0, 05 мм), - ил (<0, 001 мм). Классификация в зависимости от доли (в % масс. ) частиц диаметром <0, 01 мм (мелкой пыли и ила): - рыхлый песок (0– 5), - связный песок (5– 10), - супесь (10– 20), - легкий суглинок (20– 30), - средний суглинок (30– 40), - тяжелый суглинок (40– 50), - легкая глина (50– 65), - средняя глина (65– 80), - тяжелая глина (>80). РХТУ АЕК

100 90 10 80 70 20 30 Глина 60 Процент глины 50 20 10 100 Пылеватая глина 60 Пылеватый тяжелый 70 суглинок Тяжелый суглинок Песчанистый тяжелый суглинок 80 Суглинок Легкий суглинок Песок Супесь 90 80 Процент пыли 50 Песчанистая глина 40 30 40 Пылеватый суглинок 90 Пыль 70 60 50 40 30 20 10 100 Процент песка Треугольник механического состава почвы. РХТУ АЕК

Гранулометрическим составом определяются структура почвы, влагоемкость, водо- и газопроницаемость, сорбционная и обменная емкость, скорость миграции подвижных элементов и соединений, уровень накопления органического вещества, характер развивающихся биоценозов, способность задерживать микроорганизмы, загрязнения, питательные элементы, источники углерода и энергии для организмов, молекулы воды и др. С увеличением размеров частиц проницаемость почвенных слоев для жидкостей и газов возрастает, соответственно увеличиваются скорость миграции различных веществ и аэрируемость почв. Наибольшую водо- и воздухопроницаемость имеют пески, наименьшую – глины. Образование агрегатов в почве обусловлено содержанием глины, поведением коллоидов, присутствием карбонатов и физическими факторами окружающей среды. В почве мелкозернистой структуры почвенные коллоиды рассеяны и их зерна изолированы друг от друга. В почве комковатой структуры коллоиды превращены в более или менее устойчивые агрегаты. Агрегирование обусловлено большим количеством ионов Ca 2+ и Mg 2+ (в черноземах). Почвы комковатой структуры более проницаемы для воды и лучше аэрируются, чем почвы мелкозернистой структуры. РХТУ АЕК

Поры в почвах имеют форму в виде каналов, трещин, корневых ходов, червоточин, отдельных пустот, каверн и т. д. . Часто они образуют так называемые жаменовы цепочки с чередованием в капиллярах узких и широких камер. Сочетание пор разного диаметра характеризует водопроницаемость почв. В структурных почвенных элементах – педах с определенным диаметром пор расположены поры с меньшим диаметром. Основная масса поступающей в почву воды и растворенных в ней веществ переносится через крупные поры и трещины, обходя воду в почвенных педах. Увеличение содержания воды в почве, ее обводнение ухудшает условия для аэрирования почвы. Глинистые почвы, которые даже при небольших изменениях влажности становятся слишком вязкими и липкими, либо твердыми, плохо поддающимися измельчению, сложнее всего обрабатывать. При увеличении влажности почвы набухают. В сухом состоянии наблюдается усадка почвы, при этом она разбивается трещинами на блоки. РХТУ АЕК

Минеральный состав почв Различают первичные и вторичные минералы. Первичные минералы – в основном аморфный и кристаллический Si. O 2 (кварц), алюмосиликаты (Si. O 2 • Al 2 O 3 • H 2 O), полевой шпат, пироксен, слюда и др. Силикаты составляют около 40% всех минералов. Вторичные минералы – глинистые минералы (филлосиликаты), оксиды, гидроксиды и оксигидроксиды Al, Fe, Mn, карбонаты и сульфиды. Глинистые минералы являются наиболее важной неорганической составляющей твердой фазы. Среди них наиболее распространены каолиниты, монтмориллониты и иллиты (К-слюда). РХТУ АЕК

октаэдральны й алюминий тетраэдральный кремний октаэдральны й алюминий тетраэдральный кремний K+ K+ октаэдральны й алюминий тетраэдральный кремний октаэдральны й алюминий Каолинит октаэдральны й алюминий Монтмориллонит Иллит Структура основных минералов глин. РХТУ АЕК

Каолинит имеет невысокую удельную поверхность по сравнению с другими минералами (10– 40 м 2/г). Благодаря своей структуре каолинит отличается низкой пластичностью, низкой водоудерживающей способностью и набухаемостью, низкой способностью адсорбировать вещества. Монтмориллонит набухает при избытке воды. Способность к набуханию монтмориллонита наивысшая среди всех глинистых материалов. Монтмориллонитовые глины имеют высокую пластичность и водоудерживающую способность (до 700%), а также высокую удельную поверхность (до 600– 1390 м 2/г). Монтмориллонитовые глины эффективны в качестве природных минеральных барьеров против распространения различных загрязнений. Их также используют для захоронения радиоактивных отходов. Иллит занимает положение, промежуточное между монтмориллонитом и каолинитом: его удельная поверхность от 20 до 80 м 2/г. Вермикуллит – еще один тип глины, известный как чрезвычайно эффективный сорбирующий материал с удельной поверхностью 600– 800 м 2/г. Присутствие фракции вермикуллита повышает сорбционную способность почвы. РХТУ АЕК

Важная особенность минеральной части почвы – способность адсорбировать и удерживать ионы и нейтральные молекулы. Силикаты, алюминаты несут на поверхности отрицательный заряд. Гидроксиды и оксиды металлов (железа, марганца) имеют положительный заряд при низком p. H и отрицательный при высоком p. H. Этот электрический заряд способствует связыванию воды на поверхности частиц под действием физико-химических сил и влияет на адсорбцию других заряженных веществ: катионов металлов, неорганических анионов, органических соединений. Результат такого связывания – низкая проницаемость глин и других почв с высокой долей мелких частиц. Катионообменная емкость (КОЕ) почвы – количество катионов, которое почва способна поглощать и обменивать на другие катионы. Это величина характеризует способность почвы удерживать ионы, в том числе доступные для растений. Из минералов глин наибольшую катионообменную емкость имеет вермикуллит: его КОЕ составляет 100– 200 мг-экв/100 г сухого минерала, а наименьшую – каолинит (3– 15 мг-экв/100 г). Высокая КОЕ почв, особенно когда преобладают кальций и магний, способствует усилению их устойчивости к закислению, предотвращает выщелачивание внесенных минеральных удобрений. Вместе с тем, чем выше КОЕ, тем больше способность почв поглощать и накапливать радионуклиды и тяжелые металлы. РХТУ АЕК

Почти во всех почвах в качестве обменных катионов преобладают Ca 2+ и Mg 2+, реже – Na+ и H+. Суммарное количество обменных катионов в почве невелико – обычно менее 1%, однако они определяют многие важнейшие характеристики почв, кислотнощелочные условия в почве, химический состав дренируемых через нее грунтовых вод и влияют на растворение или выпадение в осадок других элементов. От состава обменных катионов и их количества зависят плодородие, свойства почв и способность противостоять химическому загрязнению. В зависимости от состава преобладающих (типоморфных) обменных катионов почвы классифицируют следующим образом: - латеритные – преобладает H+; Ca 2+ и Mg 2+ мало; - подзолистые – в качестве обменных катионов выступают H+, Ca 2+ и Mg 2+, иногда K+, Al 3+; - черноземные – почвенный комплекс насыщен Ca 2+ и Mg 2+, K+; имеют нейтральную и слабощелочную реакцию (p. H 7, 0– 8, 5), прочную структуру, высокое плодородие; - солонцовые – почвенный комплекс содержит обменные Na+, Ca 2+, Mg 2+; образуются в засушливых (аридных) ландшафтах на участках близкого залегания грунтовых вод; легко набухают, образуя во влажную погоду липкую бесструктурную массу, а в сухую – твердые столбы и глыбы. Грунты в местах образования солонцов обладают крайне низкой фильтрующей способностью. РХТУ АЕК

Органическое вещество почвы Почва Неорганическая часть почвы Органическое вещество почвы Промежуточные продукты распада и гумификация Гумус Остатки, не утратившие анатомического строения (детрит) Прогуминовые вещества Специфические гуминовые вещества Неспецифические соединения Гуминовые кислоты Гумусовые кислоты Негидролизуемый остаток (гумин) Гиматомелановые кислоты Фульвокислоты Черные (серые) Бурые Живые организмы РХТУ АЕК

Гумификация – один из важнейших процессов в биосфере, а вещества, входящие в состав гумуса, относятся к наиболее распространенным природным органическим веществам в гидросфере и литосфере. Гумификация протекает вне живых организмов, но с их участием, а также в ходе химических реакций. В процессе гумификации могут участвовать все органические вещества, входящие в состав растительных остатков. Конечные продукты гумификации – гуминовые вещества – относительно устойчивые соединения. В них содержится 60– 80% общего органического углерода почвы. Чем больше времени проходит с начала гумификации растительного вещества, тем больше трудноразлагаемых соединений в продукте трансформации. Примерное соотношение биомасса животных : биомасса микроорганизмов : первичная продукция : гумус для чернозема составляет 1 : 1000. РХТУ АЕК

В зрелых почвах поступление гуминовых веществ уравновешивает разложение их, поэтому содержание гуминовых веществ относительно стабильно во времени. На каждом квадратном километре поверхности суши в среднем образуется до 33 т гуминовых веществ в год. Соответственно примерно такое же количество разлагается или уносится ветром и вымывается поверхностными водами. По одним данным для обновления гумуса в верхнем десятисантиметровом горизонте почв требуется до 2000 лет, по другим данным для формирования гумусового горизонта достаточно от 20 до 500 лет. В черноземах под разнотравно-луговой растительностью содержится от 6 до 12% гумуса, а иногда до 20%. В лесных почвах в зависимости от биоклиматических условий содержится от 2– 3 до 5– 6% гумуса. РХТУ АЕК

Негуминовые вещества – полисахариды, белки, жиры, воска, низкомолекулярные органические кислоты и др. Они быстро разлагаются в почве (в среднем за год от 55 до 70%). Специфические гуминовые вещества – аморфные полимерные высокомолекулярные вещества от желтого до темно-коричневого цвета. Основные компоненты гуминовых веществ – гумусовые кислоты: гуминовые и фульвокислоты, их соли, а также гумин – комплекс гумусовых кислот, связанных с высокодисперсными минеральными частицами. Гуминовые кислоты – темно-окрашенные соединения, растворяются в щелочной среде, не растворяются в кислой. Фульвокислоты – темноокрашенные соединения, растворяются как в слабых растворах щелочей, так и в слабых растворах кислот. Гумин нерастворим при любых p. H и наиболее прочно связан с почвенной минеральной фракцией, которая не экстрагируется щелочами. Молекулярная масса фульвокислот от 0, 3 тыс. до 50 тыс. , в среднем 10– 15 тыс. ; гуминовых кислот от 20 тыс. до 150 тыс. и более. В зависимости от типа почв соотношение гуминовых кислот и фульвокислот изменяется от 0, 3 до 2, 5. Это соотношение наименьшее в заболоченных почвах и торфяниках (преобладают фульвокислоты) и наибольшее – в черноземах (преобладают гуминовые кислоты). РХТУ АЕК

Принят ряд стандартных процедур для изолирования гуминовых веществ из почв и определения содержания их компонентов. Почвенные образцы (просеивание, фракция < 2 мм) Диспергирование в воде и процеживание (100 мкм) Негуминифицированные фракции Фракция < 100 мкм Процеживание < 50 мкм Фракция > 100 мкм Фракция < 50 мкм Фракция > 50 мкм Гумифицированные органические соединения Химическая экстракция Щелочь Экстрагируемые ФК ГК Очистка Диспергирование и седиментация Неэкстрагируемые Гумин Фракция > 2 мкм Центрифугирование Фракция < 2 мкм Общая схема последовательности операций физического фракционирования почвенного органического вещества и химической экстракции гуминовых и фульвокислот, согласно рекомендациям международного общества по изучению гуминовых веществ. РХТУ АЕК

Бурый уголь, торф, сапропель, почвы + 0, 1 н Na. OH Нерастворимый остаток Гумин Экстракт ГК–COONa + ГМК–COONa + ФК–COONa + HCl до p. H 1– 2 Осадок ГК–COOH + ГМК–COOH ФК–COOH + С 2 H 5 OH Осадок ГК–COOH Активированный уголь + 0, 1 н Na. OH Раствор ГМК–COOH в этаноле ФК–COONa H-катионит ФК–COOH Высушивание Темно-бурый или черный порошок ГК–COOH Высушивание Темно-красный порошок ГК–COOH Очистка и высушивание Темно-красный порошок ФК–COOH Фракционный состав гуминовых веществ (согласно отечественной схеме фракционирования): ГК – гуминовые кислоты, ФК – фульвокислоты, ГМК – гиматомелановые кислоты (гуминовые кислоты, растворимые в этаноле). РХТУ АЕК

Негидролизуемая часть Гидролизуемая часть Структура гуминовых веществ. РХТУ АЕК

По сравнению с гуминовыми кислотами в фульвокислотах больше боковых цепей, чем ароматических групп, больше карбоксильных и фенольных гидроксильных групп, больше доля кислорода и водорода и меньше доля углерода. Фульвокислоты имеют более выраженные кислотные свойства и гидрофильность молекул, высокую растворимость и способность к обмену, более доступны для минерализации. Растворы фульвокислот в воде имеют сильнокислую реакцию (р. Н 2, 6– 2, 8). Для гуминовых веществ характерна высокая ионообменная емкость и комплексообразующая способность, а также гидрофобные взаимодействия, в силу чего высокомолекулярные гуминовые вещества в воде с нейтральным p. H нерастворимы и поэтому органическое вещество удерживается и накапливается в почве, покрывая минеральную фракцию почвы. В кислых почвах и водах часть гуминовых и фульвокислот находится в свободной форме, в нейтральных почвах – в виде солей: гуматов кальция, магния и др. Вследствие высокой удельной поверхности и катионообменной емкости почвенное органическое вещество обеспечивает буферные свойства почвенной среды, сорбцию, связывание, удерживание воды и разнообразных химических веществ, биогенных элементов, а также различных загрязнений. РХТУ АЕК

Минерал глины Глино-гуминовый комплекс в почве. РХТУ АЕК

Наличие гумуса улучшает физические свойства почвы. Темный цвет гумуса способствует согреванию почвы. Его водоудерживающая способность значительно выше, чем у глины. Комковатая агрегированная структура, которую приобретает почва при наличии в ней гумуса, улучшает ее аэрацию, инфильтруемость и обрабатываемость, закрепление корней растений, уменьшает потери верхнего плодородного слоя почвы в результате смыва поверхностными водами и пылеуноса, уменьшает потери воды вследствие испарения, повышает засухоустойчивость растений. Потери гумуса в результате естественных процессов или интенсивной эксплуатации пахотного слоя приводят к дегумификации, снижению урожайности, утрате почвенной структуры и всех свойств, которые она обусловливает. Для восстановления выведенных из сельскохозяйственного оборота территорий, их рекультивации и ремедиации применяют ряд технологий, основанных на получении и внесении различных почвенных субстратов (органических и минеральных удобрений). РХТУ АЕК

Важную роль гуминовые вещества выполняют в обезвреживании, накоплении и миграции загрязнений. Обезвреживание может происходить в результате сорбции загрязнений почвенным органическим веществом. Сорбция и связывание загрязнений, например, тяжелых металлов, радионуклидов, стойких пестицидов, приводит к аккумулированию их в почве и донных осадках. Органические загрязнения могут вовлекаться в совместные с гуминовыми веществами процессы микробиологической трансформации и деградации. Другая часть может связываться с гумусом в результате различных процессов, вследствие чего токсичность загрязняющих веществ уменьшается. Гуминовые кислоты связывают металлы, уменьшают их токсическое действие и миграцию по пищевым цепям, предотвращают загрязнение грунтовых и питьевых вод, поступление в них ионов тяжелых металлов. Однако в этом случае загрязняется почва. Растворимые низкомолекулярные фульвокислоты способствуют миграции тяжелых металлов. Высокоцветные, сильноокрашенные болотные воды содержат большое количество растворенного органического вещества, большую часть которого составляют фульвокислоты. Металлы образуют комплексы с фульвокислотами и в таком виде активно мигрируют в таких физико-химических условиях, при которых свободные катионы металлов выпадают в осадок. РХТУ АЕК

В природных средах наибольшее количество тяжелых металлов, радионуклидов содержится в илистых фракциях почв и донных осадков, в которых высоко содержание гуминовых кислот. Наиболее подвижны металлы в средах с кислыми высокоцветными водами (болотах и др. ). Гуминовые вещества также считаются органическими загрязнениями природных вод. При дезинфекции питьевой воды, содержащей гуминовые вещества, хлором, озоном или ультрафиолетовыми лучами возможно появление ряда низкомолекулярных соединений, опасных для здоровья человека. РХТУ АЕК

Физические и физико-химические параметры почвенной среды Температура. Влияет на скорость испарения воды, диффузию и растворимость веществ, их содержание в растворе, на активность биологических процессов. Температура на поверхности почвы с удаленным растительным покровом резко меняется в течение суток. От поверхности в глубь почвы разница в температурах постепенно уменьшается. Так, на глубине 7, 5 м разница температур летом и зимой не превышает 1, 5 о. С. Температура существенно изменяет направленность почвенных микробиологических процессов. Так, при более высокой температуре нитрификация протекает активнее, чем аммонификация. При температуре 0 -5 о. С минерализация органического азота заканчивается на стадии образования NH 3, а при повышении температуры до 20 о. С – на стадии образования NO 3–. РХТУ АЕК

Водно-физические свойства. Влажность почвы определяется уровнем атмосферных осадков, грунтовых вод, интенсивностью испарения и транспирации растениями, а также свойствами почвы. Вода в почве может находиться в свободном и связанном состоянии. В пространстве между частицами почвы вода в свободном состоянии подчиняется силам земного притяжения либо частично удерживается в капиллярах и порах силами поверхностного натяжения. В связанном состоянии она может быть в пленочном, в адсорбированном виде, удерживаясь на почвенных частицах адсорбционными силами. Капиллярная вода удерживается в почвах силами поверхностного натяжения. Такая вода за счет капиллярных сил может подниматься над уровнем грунтовых вод от нескольких сантиметров для песчаных почв, до нескольких метров для глин. Капиллярная вода, заполняющая поры диаметром менее 0, 2 мкм, удерживается очень прочно и недоступна для живых организмов, в порах диаметром от 0, 2 до 8, 0 мкм поглощается растениями в период между дождями, а также поддерживает активность бактерий и мелких простейших. Гравитационная вода не удерживается капиллярными силами и свободно стекает в виде струек и капелек под действием силы тяжести, за исключением случаев, когда невозможен дренаж. РХТУ АЕК

Уровень почвы ниже уровня грунтовых вод (зеркала воды) насыщен влагой. Это так называемая фреатическая зона. Верхний, ненасыщенный уровень почвы между наземной поверхностью и поверхностью грунтовых вод – вадозная зона. По гидрологическим свойствам почвенные горизонты разделяют на водопроницаемые и водоупорные (водонепроницаемые). Водопроницаемость почв характеризуется количеством воды, впитываемым почвой с поверхности за единицу времени. Наибольшая водопроницаемость у рыхлых почв – песка, галечников и трещиноватых известняков. Водоупорными являются глины и монолитные скальные породы. В водопроницаемых породах, лежащих на водоупорных, задерживающих дальнейшее движение подземных вод вниз, образуются водоносные пласты. Запас воды, удерживаемый поверхностным слоем почвы в период между дождями, называется водоудерживающей способностью почвы (влагоемкостью). Влажность, при которой все поры почвы полностью заполнены водой, называют полной влагоемкостью. Влажность, соответствующая влажности почвы после свободного стекания избытка воды, – предельная полевая влагоемкость, ППВ. Водоудерживающая способность почвы находится в обратной зависимости от размеров частиц, т. е. возрастает с увеличением удельной поверхности частиц. РХТУ АЕК

Почвы с хорошей водоудерживающей способностью могут запасти достаточно влаги для поддержания жизни растений на протяжении довольно длительного сухого периода. На почвах со слабой водоудерживающей способностью растения могут пострадать даже во время короткой засухи из-за быстрого истощения небольшого запаса почвенной влаги. Если вода находится в порах и капиллярах, то в них появляется отрицательное давление, стремящееся сдавить их стенки и втянуть воду. Это давление в почвоведении называется сосущей силой, p. F. Сосущую силу выражают в виде логарифмической шкалы: p. F = lg(сила удерживания воды почвой, в см водяного столба или в мбар) Силу удерживания выражают через давление, эквивалентное высоте столба воды в сантиметрах. При силе 1000 см, т. е. давлении 1 бар (1 атм) p. F = 3. Чем суше почва, тем больше p. F, тем тяжелее растениям извлекать воду и тем экономнее они ее расходуют на испарение. РХТУ АЕК

Существует несколько пороговых значений p. F. В заболоченной почве, которую начинают осушать, p. F изменяется от 0 до 1; в полностью осушенной почве p. F ~ 1, 7. Водоудерживающая способность почвы в поле с p. F = 1, 8 соответствует моменту, когда быстро движущаяся гравитационная вода уже ушла и начинает исчезать медленно движущаяся гравитационная вода. Точка временного увядания, при которой растения начинают с трудом адсорбировать почвенную воду, находится между p. F = 3, 9 и p. F = 4. Точка стойкого увядания для культурных злаков (пшеница, овес, ячмень и т. д. ) и других растений соответствует p. F = 4, 2 (16 атм) сосущей силы. Древесные растения способны извлекать воду из более сухой почвы с сосущей силой 24 атм. Такие растения, как салат, перестают развиваться при сосущей силе 10 атм (1 МПа). В этих условиях у растений наступает необратимое увядание. Очевидно, чем больше растения затрачивают энергии на извлечение воды, тем ниже их урожайность. Активная деятельность бактерий в почве наблюдается при p. F ниже 2, 5– 2, 6. В почвах при p. F > 2, 5– 3, 0 движение бактерий, а при p. F > 2, 6– 3, 6 их метаболизм резко замедляются. Почвенные мицелиальные (плесневые) грибы и бактерииактиномицеты наиболее устойчивы к дефициту влаги и могут развиваться при наименьшем содержании влаги. Мицелиальные грибы в почве остаются активными и доминируют при p. F > 4, 2. Для них критические значения p. F = 4, 5– 4, 6. Требования к влажности у большинства почвенных бактерий выше, чем у актиномицетов и плесеней. РХТУ АЕК

Клетки организмов регулируют водный баланс, изменяя внутреннюю концентрацию солей под действием осмоса. Осмотический потенциал морской воды (содержание соли 3, 5%) составляет около 4, 5 (в единицах p. F). В растительных клетках содержание растворенных солей колеблется от p. F = 4 до p. F = 4, 5. При высокой концентрации солей во внешней среде под действием осмоса вода выходит из клеток, что приводит к их обезвоживанию и гибели растения. Поэтому для большинства наземных растений необходима пресная вода. Зависимость влажности почвы и силы удерживания почвенной влаги называется основной гидрофизической характеристикой почв, или кривой водоудерживания. При одной и той же влажности сила удерживания в песчаных почвах с небольшим содержанием глинистой фракции меньше, чем в глинистых почвах. В плотных, плохо разрыхленных почвах вода прочно удерживается капиллярными силами. В таких почвах вода менее доступна для всасывания растениями. РХТУ АЕК

Сила удерживания, p. F, см 105 104 60% глины 103 102 101 10% глины 100 10– 1 Влажность Кривая водоудерживания. Сила удерживания в почве, содержащей две различные фракции глины. РХТУ АЕК

Величина p. H кислых и слабокислых почв 3– 6, 5. Кислотность обусловлена разложением органических веществ и поступлением в воды угольной кислоты, фульвокислот и др. Солончаки и солонцы имеют p. H от 7, 5 до 10. Известковые почвы имеют p. H близкий к 8. В таких почвах свободные карбонаты кальция и магния нейтрализуют почвенную кислотность, выступая как буфер. p. H может существенно меняться в различных горизонтах почвы, в пределах агрегатов, сезонных вариаций условий. В черноземах, заболоченных почвах в верхнем горизонте А p. H ниже, чем в нижних в результате накопления растительных остатков, гумуса и CO 2. В начале осени лесные почвы довольно сильно закисляются из-за разложения накопленного за лето и отмершего органического материала. p. H почвы – важный параметр, влияющий на адсорбцию, обмен ионов, окислительно-восстановительные реакции, комплексообразование, осаждение, выщелачивание подстилающих пород, структурные характеристики почвы. РХТУ АЕК

Окислительно-восстановительный потенциал. Eh в большинстве случаев контролируется концентрацией O 2 в газовой и жидкой фазах. При Eh +500– 700 м. В большинство почвенных элементов находится в окисленных формах, многие из них (Fe, Cu, Co и др. ) малоподвижны и малодоступны. Eh влияет на деятельность почвенных микроорганизмов. В переувлажненных почвах развиваются анаэробы, снижающие Eh до +200 / – 200 м. В, развиваются процессы денитрификации, брожения с выделением СО 2 и Н 2, химические элементы с переменной валентностью переходят в состояние более низких степеней окисления и становятся подвижными. После восстановления нитратов при избытке сульфатов начинаются процессы сульфатредукции, выделяется сероводород, образуются нерастворимые сульфиды металлов, прежде всего железа (в виде Fe. S • n. H 2 O), что придает почвам черную окраску. Eh падает до – 200 м. В. Затем начинают активно размножаться метаногены и выделяется CH 4. На уровне около – 200 м. В Eh сохраняется до тех пор, пока имеются питательные вещества для метанобразующих бактерий. При отсутствии сульфатов развиваются глеевые процессы, сопровождаемые восстановлением Fe 3+ в Fe 2+, и почвы приобретают сизоватую окраску. Для роста высших неблагоприятны. растений такие восстановительные условия РХТУ АЕК

Содержание солей. В верхних горизонтах почвенного покрова соли могут накапливаться в результате подъема с грунтовыми водами, потребления растениями воды (десукции) и испарения (эвапорации). Соли могут привноситься с поверхностным потоком, при затоплении морем, при поливе минерализованной водой. Когда скорость движения воды из верхнего горизонта почвы, обусловленного ее испарением и транспирацией растениями, превышает скорость направленного вниз гравитационного тока воды, остающиеся в почвенном растворе соли концентрируются. В этом случае происходит засоление почв, т. е. накопление солей препятствует развитию растений. При засолении полив должен обеспечивать вымывание солей из почвы при соответствующей системе дренажа для сбора и отвода насыщенной солями воды. РХТУ АЕК

Почвенный воздух. В приповерхностном почвенном слое состав газовой фазы близок к составу воздуха, поэтому вода здесь насыщена кислородом. По мере продвижения в глубь почвенного профиля содержание кислорода в газовой фазе снижается, а содержание углекислого газа, образуемого при дыхании корней растений и почвенной флоры, повышается. При уплотнении и переувлажнении почвы воздух вытесняется из почвенной среды и возникают аноксичные условия. Большинство растений не способно транспортировать кислород и углекислый газ между своими органами, поэтому в условиях аноксии они не могут нормально развиваться, поскольку корни, так же как и надземные части растений в темновой стадии фотосинтеза, должны поглощать кислород. Обильная корневая система способствует разрыхлению почвы и облегчает газообмен между различными горизонтами почвенного покрова. У многих болотных растений кислород диффундирует в корни по стеблям. У таких растений как рис кислород транспортируется в результате диффузии через корневую систему, имеющую большое количество пустот. Такие растения активно развиваются в воде и в переувлажненных почвах и могут переносить не только кислород из атмосферы к корням, но и выделяющиеся в нижней анаэробной толще воды углекислый газ и метан в направлении снизу вверх. Благодаря микрозональности в почве одновременно при низких и высоких значениях p. H и Eh могут протекать различные и иногда несовместимые процессы – химические и биологические, аэробные и анаэробные, автотрофные и гетеротрофные. РХТУ АЕК

Биотические факторы и процессы в почвенных средах Среди обитателей почвы выделяют почвенную микрофлору, микро-, мезо-, макро- и мегафауну. Почвенная микрофлора и микрофауна представлена бактериями, дрожжами и грибами, одноклеточными водорослями, простейшими, нематодами и коловратками. Почвенная мезофауна (размер тела по ширине от 100 мкм до 2 мм) включает мелких червей и членистоногих. Макрофауна (размер тела по ширине от 2 до 20 мм) и мегафауна (>20 мм) включают мокриц, многоножек, дождевых червей, улиток и слизней, личинок мух и жуков. Cтруктура биомассы (без учета растений) в кг на 1 га в слое почвы 0 – 25 см умеренной климатической зоны. Бактерии Микрогрибы Водоросли 1000– 7000 100– 1000 10– 300 Простейшие Членистоногие Дождевые черви 5– 10 1000 350– 1000 РХТУ АЕК

Растения. Главные источники органического вещества в почве – лесная и травянистая растительность. В лесных экосистемах биомасса наземной части превышает биомассу корней. На поверхности почвы остатки растительности представлены в основном опадом. В травянистых экосистемах биомасса корней как правило превышает биомассу наземной части растений. В экосистеме растения можно выделить филлосферу – поверхность листьев, ризосферу – поверхность корневой системы с почвой, прилегающей к корням, и ризоплану – непосредственно поверхность корней. РХТУ АЕК

Экосистема растения. РХТУ АЕК

Микроорганизмы, обитающие в филлосфере на поверхности листьев, называются эпифитными. Среди них преобладают бактерии. На 1 г зеленой массы растения может приходиться до 106– 107 бактериальных клеток. Во влажном тропическом лесу толщина микробной пленки на листьях растений может достигать 20 мкм. Ризосфера – ключевая зона питания растений. Образование корневых выделений (корневых экссудатов), корневое дыхание (поглощение O 2 и выделение CO 2), выделение ионов H+, потребление воды и элементов питания – процессы, которые протекают в этой зоне и модифицируют почвенную среду, изменяют подвижность минеральных элементов, активность микроорганизмов в ризоплане и ризосфере. Здесь наиболее интенсивно протекает биологическая трансформация загрязнений в почвенной среде. Ризосфера изобилует органическим веществом в прикорневой зоне, которое поступает с корневыми экссудатами и отмершими частями корней – корневым опадом. Выделения из корней могут составлять от 5 до 30% от вещества, образованного в ходе фотосинтеза. Это создает условия для обильного роста бактерий – в десятки и сотни раз больше, чем в зоне, удаленной от корней (ризосферный эффект) и интенсивного протекания микробиологических процессов. Полисахариды, входящие в состав корневых экссудатов, могут взаимодействовать с глиной и участвовать в стабилизации почвенных агрегатов. РХТУ АЕК

Важная особенность корневой экосистемы растения – образование микоризы – симбиотической ассоциации мицелия микоризных грибов и ткани корня. Мицелиальные микоризные грибы, образующие симбиоз с корневой системой, способствуют мобилизации и переносу питательных веществ, в частности фосфора, непосредственно к корням растения, используя часть необходимого им органического углерода, синтезированного растением. Растения: - Влияют на водный баланс в почвенной среде. На создание 1 т растительной массы расходуется от 50 до 1000 т и более почвенной воды. При этом основная масса воды (до 99%) расходуется на перенос воды из прикорневой зоны в наземную часть растения (транспирацию) для компенсации потерь водяных паров листьями на испарение (эвапорацию). Лишь около 1% воды растение расходует в реакции фотосинтеза. При транспирации и эвапорации растениями удаляется основная масса воды из почвы. - Разрыхляют почву корнями, увеличивают гидравлическую проводимость и воздухопроницаемость, что создает условия для миграции в глубь почвы различных веществ, в том числе и загрязняющих. - Растительный опад защищает почву от эрозии, снижая скорость ветра у поверхности и удерживая почвенные частицы, сокращает потери воды от испарения и не препятствует инфильтрации, что повышает долю осадков, доступных растениям. - Являются продуцентами и основой для трофических цепей питания и развития сложных почвенных биоценозов. РХТУ АЕК

Микроорганизмы. Аллохтонная (зимогенная) микрофлора попадает в почвенную экосистему извне. Это преимущественно r-тактики, развивающиеся при использовании привносимых в почву легко разлагаемых соединений. Автохтонная (аборигенная) микрофлора, обитающая в экосистеме. Автохтонные микроорганизмы эволюционируют в данном местообитании, развиваются медленно и используют вещества почвенного гумуса. В анабиотическое состояние они не переходят и находятся в состоянии «бдительного ожидания» . В 1 г почвы содержится от 109 (по данным светового микроскопирования) до 1011– 1012 (по данным электронного микроскопирования) клеток различных микроорганизмов. Максимальная продукция бактериальной биомассы в месяц наблюдается в почвах Крайнего Севера, причем 80% ее создается за 8– 9 дней; минимальная – в южных почвах. В южных районах активность микроорганизмов менее интенсивна, но более продолжительна. В благоприятных условиях образование биомассы бактерий в летнее время может достигать 150 т/га (30 т/га по сухому веществу). Минеральные удобрения влияют на микробное сообщество меньше, чем на растения. Вносимые совместно фосфорные и калийные удобрения повышают урожайность растений в 2– 3 раза, продуктивность же микробного сообщества увеличивается не более чем на 25%. РХТУ АЕК

После внесения в почву органического вещества развивается сукцессия микробной системы, изменяется состав разлагающегося органического вещества. Оставшееся вещество, % 100 Лигнин 80 Гемицеллюлоза 60 Целлюлоза 40 20 0 Растворимые углеводы 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Месяцы а Оставшееся вещество, % 100 Целлюлоза 80 60 40 Гемицеллюлоза Липиды Растворимые углеводы 20 0 0 8 16 24 32 Недели б Изменения в составе дубового листового опада при его разложении: а – в лесной подстилке; б – в ручье. РХТУ АЕК

Простейшие. Для развития простейших в почве часто достаточно пленочной воды вокруг частичек почвы. На окультуренных почвах количество простейших может достигать 1, 2 млн. особей и более на 1 см 3, около 8, 5 т биомассы на 1 га. Обитающие в почве простейшие продуцируют в окружающую среду слизи (муко- и полисахариды), которые способствуют агрегации частиц почвы и ее гумификации, а также стимулируют размножение многих бактерий, например азотфиксаторов. Мезофауна, макрофауна и более крупные животные. В процессе питания организмы мезо- и макрофауны перерабатывают органическое вещество, размельчая его, изменяя и перемешивая с минеральной составляющей почвы, что способствует быстрому заселению микроорганизмами и минерализации органических остатков. Перемешивание почвы мелкими и крупными животными приводит к более равномерному распределению детрита и гумуса и формированию мощного, достаточно однородного гумусового слоя. Особенно велик вклад в перемешивание и формирование структуры почвы земляных червей. В почвах умеренного климата они могут переносить до 400 т почвы в год на 1 га. Это равноценно 1/6 массы почвенного поверхностного слоя толщиной от 0 до 20 см, в котором обычно сосредоточено около 2/3 биомассы земляных червей. Деятельность почвенных организмов обеспечивает длительное поддержание свойств почвенной среды, нарушение которого в результате деятельности человека приводит к необратимым изменениям и утрате функций почв. РХТУ АЕК

Экосистемы болот. Болота: соленые и пресные. Соленые болота – в приливно-отливной (литоральной) зоне морских и океанических побережий. Пресные болота образуются на суше; их подразделяют на верховые и низинные. Верховые болота образуются в результате избыточного увлажнения почв атмосферными осадками, их слабого испарения и затрудненного дренажа. Вода верховых болот слабо минерализована (30– 70 мг/л), при избытке органических соединений имеет дефицит биогенных элементов (N, P, Ca, Mg), практически не обладает буферностью, ее p. H 2, 6– 4, 2. Подкисляющее действие веществ, содержащихся в болотной растительности (сфагновый мох и др. ), а также низкая буферность и высокое содержание свободных гуминовых и фульвокислот в воде верховых болот обусловливают высокую кислотность воды. В воде верховых болот низкий p. H и высокое содержание фульвокислот, образующих комплексные и внутрикомплексные соединения металлов, способствуют миграции загрязняющих веществ, в частности большинства тяжелых металлов. РХТУ АЕК

Низинные (низовые) болота расположены во впадинах, котловинах, на склонах и у подножья холмов, гор, в оврагах, вдоль устья, в долинах рек и т. п. Водонасыщение почвы происходит высокорасположенными грунтовыми водами. В отличие от верховых болот, в низинных болотах значительно больше минеральных компонентов, состав которых формируется высокорасположенными грунтовыми водами. Буферность в низинных болотах достаточно высокая, реакция слабокислая (р. H 4, 8– 6, 0) или нейтральная (р. Н 6– 8). В осадках низинных болот часто скапливаются карбонаты кальция, железа, марганца, фосфаты железа, гидроксиды железа и марганца, загрязнения, мигрирующие с грунтовыми водами. Ведущий биогенный процесс в болотах – торфообразование в верхнем слое болот – торфогенном. В торфе верховых болот (в верховом торфе) содержится 94– 96% органического вещества, в торфе низинных болот (в низинном торфе) – 72– 94%. В верховых болотах содержание минеральных компонентов невысокое, поэтому зольность верхового торфа небольшая (около 4– 6%). В воде и растениях низинных болот содержится значительное количество минеральных веществ, зольность низинного торфа повышается до 10 и иногда до 20%. Торф верховых болот кислый (p. H 3– 4). Слабокислая реакция (р. H 4, 8– 5, 8) низинного торфа обусловлена тем, что в нем бóльшая часть гуминовых кислот связана с кальцием. Для низинного высокозольного торфа с р. H 7, 5 и выше характерно повышенное содержание кальция (10% и больше). РХТУ АЕК

Степень разложения верхового торфа ниже, чем низинного, поэтому сфагновый верховой торф богаче целлюлозой и гемицеллюлозой, чем низинный, но содержит меньше гуминовых кислот. С увеличением степени разложения торфа уменьшается отношение углерода к азоту (в верховом торфе отношение C : N составляет 35– 65 : 1, в низинном 15– 28 : 1), поэтому низинный торф более приемлем в качестве удобрения. В растениях-торфообразователях и в низинном торфе концентрация тяжелых металлов более высокая, чем в растениях и торфе верховых болот. В торфе мало бактерий, участвующих в биогенной трансформации соединений азота: нитрифицирующих бактерий и азотфиксаторов. Торф не содержит фитопатогенных микроорганизмов. Отфильтровывая из воды взвешенные вещества, вовлекая в биологический круговорот биогенные элементы и аккумулируя в торфе и отмерших растительных остатках загрязняющие вещества, болота играют важную роль в очистке природных вод. Для доочистки сточных вод промышленных предприятий используют искусственные болота, гидроботанические площадки и другие сооружения. РХТУ АЕК