Download pdf - Химия и охрана почв

éêãéÇ Ñ.ë.

ïàåàü à éïêÄçÄ èéóÇ

65

ХИМИЯ И ОХРАНА ПОЧВ

Ñ. ë. éêãéÇ

åÓÒÍÓ‚ÒÍËÈ „ÓÒÛ‰‡ÒÚ‚ÂÌÌ˚È ÛÌË‚ÂÒËÚÂÚËÏ. å.Ç. ãÓÏÓÌÓÒÓ‚‡

ÇÇÖÑÖçàÖ

Основы генетического почвоведения, признан-ного во всем мире, были созданы русским ученымВ.В. Докучаевым, стопятидесятилетие со дня рож-дения которого отмечается в 1996 г. Этой дате будетпосвящен съезд Российского общества почвоведов,который состоится в Cанкт-Петербурге; с этим го-родом связана вся жизнь и научная деятельностьнашего великого соотечественника. В.В. Докучаевбыл почвоведом широкого профиля, он интересо-вался происхождением почв, их классификацией,географическим распространением, но немаловнимания уделял вопросам химии почв [1, 2]. Прихарактеристике почв он опирался на результаты хи-мических анализов, в частности на методы анализа,предложенные Д.И. Менделеевым. В.В. Докучаевсоздал ряд оригинальных подходов для характерис-тики химического состояния почв. Он подразделилэлементы по характеру их соединений в почвах, раз-личая, например, соединения кремния, раствори-мые в горячем растворе едкого натра, извлекаемые33%-ной HF, и остаток (кварцевый песок), нерас-творимый в HF. В.В. Докучаев впервые проанализи-ровал процесс гумификации (превращение органи-ческих остатков растений в почвенный гумус) какфункцию биоклиматических условий, объяснив со-держание и свойства гумуса различных почв темпе-ратурными условиями, количеством осадков, уров-нем проникновения в почву атмосферного воздуха.Им была создана первая карта изогумусных полосдля почв черноземной полосы европейской России.

Несмотря на это, химия почв как отдельная дис-циплина в конце XIX – начале XX века еще не су-ществовала. Понадобилось еще около 30 лет иссле-дований ученых всего мира, чтобы химия почвпревратилась в стройное учение, которое опираетсяна подробные знания химического и вещественно-го состава почв, на их кислотно-основные и ионо-обменные свойства, на представления о гуминовыхвеществах и развитии окислительно-восстанови-тельных процессов. В России и Советском Союзебольшой вклад в развитие химии почв внеслиК.К. Гедройц (1872 – 1932), И.Н. Антипов-Каратаев(1888 – 1965), И.В. Тюрин (1892 – 1962), М.М. Ко-нонова (1898 – 1979). В Западной Европе, США,Канаде, Японии химию почвенного гумуса изучалиВ. Фляйг, М. Шнитцер, К. Кумада, Ф. Стивенсон; вдругих отраслях химии почв большую роль сыгралиП. Беккет, Г. Вигнер, Г. Дайкухара, Г. Каппен,У. Келли, Ф. Поннамперума, П. Шахтшабель.

CHEMISTRY AND PROTECTION OF SOIL

D. S. ORLOV

Soils play the key role inthe formation of biogeo-cenosis. Modern soil che-mistry explains propertiesof different soils and theirinterrelation with naturalconditions. The maintrends and methods ofsoil protection are brieflydiscussed in the article.

èÓ˜‚˚ Á‡ÌËÏ‡˛Ú Ó‰ÌÓËÁ ˆÂÌÚ‡Î¸Ì˚ı ÏÂÒÚÔË ÙÓÏËÓ‚‡ÌËË ˝ÍÓ-ÎÓ„Ë˜ÂÒÍÓÈ ÒËÚÛ‡ˆËË ‚·ËÓ„ÂÓˆÂÌÓÁ‡ı. ëÓ‚Â-ÏÂÌÌ‡fl ıËÏËfl ÔÓ˜‚ Ó·˙-flÒÌflÂÚ Ò‚ÓÈÒÚ‚‡ ‡ÁÎË˜-Ì˚ı ÔÓ˜‚, Ëı ÒÓ„Î‡ÒÓ-‚‡ÌÌÓÒÚ¸ Ò ÔËÓ‰Ì˚ÏËÛÒÎÓ‚ËflÏË. Ç Í‡ÚÍÓÈÙÓÏÂ ËÁÎÓÊÂÌ˚ „Î‡‚-Ì˚Â ÔÛÚË Ë ÔËÂÏ˚ Óı‡-Ì˚ ÔÓ˜‚.

© é

ÎÓ‚

Ñ.ë

., 19

96

ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹3, 1996

66

èêàêéÑçéÖ êÄáçééÅêÄáàÖ èéóÇ

Экологическая обстановка в природных зонахтесно связана с разнообразием почв на земном ша-ре. Только по американской классификации выде-лено более 100 больших групп почв. В советскойклассификации почв (1977 г.) на территории быв-шего СССР выделено более 250 почвенных подти-пов, которые, в свою очередь, подразделены на ро-ды и виды. Это удивительное разнообразие почввыражено в особенностях их профильного строе-ния, в химическом составе и свойствах, в сложении,плотности и других свойствах. Строение почв ха-рактеризуют сочетанием генетических горизонтов.Генетическими называют те горизонты, которыеобразовались в результате общего почвообразова-тельного процесса, так что формирование каждогоиз присутствующих в почве горизонтов тесно связа-но (или даже обусловлено) формированием другихгоризонтов. Это проще всего проиллюстрироватьна примере строения некоторых почв. Если зало-жить почвенный разрез (выкопать яму) с вертикаль-ной передней стенкой, то на последней станет от-четливо видна последовательность генетическихгоризонтов.

В профиле чернозема (рис. 1; I) верхнюю частьзанимает горизонт А – перегнойно-аккумулятив-ный; он имеет темно-серую окраску, содержит мно-го гумуса, азота, фосфора. Аналогичные горизонтыимеются во всех почвах, но обычно они значитель-но меньшей мощности, более светлые по окраске исодержат меньше гумуса. Такие качества позволилиВ.В. Докучаеву назвать чернозем царем русскихпочв. Ниже горизонта А располагается переходныйгоризонт В1, затем горизонт ВC и неизмененная по-рода – горизонт С. В подзолистых и дерново-подзо-листых почвах (рис. 1; III, IV) горизонт А мал иобеднен элементами питания, под ним формирует-ся горизонт Е, из которого нисходящими токамивлаги вынесены Fe, Al, K, Mg и другие элементы, анакапливаются преимущественно оксиды кремнияSiO

2

. Многие элементы, особенно Fe, скапливаютсяв следующем горизонте В. Если горизонт Е называютэлювиальным (от латинского eluo – вымывать), тогоризонт В – иллювиальным (от латинского illuo –вмывать). Еще ниже могут быть горизонты с интен-сивным развитием восстановительных процессов,их называют глеевыми и обозначают буквой G. Длясолонца (рис. 1; II) очень характерен плотный,столбчатый горизонт В, который обычно содержитмного натрия и легко набухает при увлажнении.

Количество генетических горизонтов велико, иэтим обусловлено большое разнообразие почв.Первичными свойствами горизонтов являются хи-мический состав и химические свойства: так, сераяили темно-серая окраска вызвана присутствием гу-миновых веществ, бурые, красноватые тона связа-ны с оксидами железа и т.п.

I II

III IV

A

B1

BC

C

A0A0A1

E

B1

B2

B3

C

A

B1

B2

C

A0A1

E

B1

B2

B3

C

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Глубина, см

Рис. 1.

Строение некоторых почв; буквами обо-значены генетические горизонты. I – чернозем типичный, II – солонец, III – подзол,IV – дерново-подзолистая;

1

– А0 – подстилка,

2

– А1 – перегнойно-аккумуля-тивный горизонт,

3

– В1– переходный горизонт вчерноземах,

4

,

8

,

9

– В2, В1, В3 – иллювиальныегоризонты подзолистых почв,

5

– В1 – иллювиаль-ный солонцовый горизонт,

6

– В2 – переходныйгоризонт солонца,

7

– ВС – переходный карбонат-ный горизонт чернозема,

10

– Е – элювиальныйгоризонт,

11

– С – материнская порода.

éêãéÇ Ñ.ë.


67

Сочетания горизонтов, их свойства, выражен-ность зависят от небольшого числа факторов поч-вообразования, к которым относятся климат, рас-тительность, почвообразующие породы, рельеф ивозраст почв. Сочетание факторов приводит к раз-личным водно-воздушным, окислительно-восста-новительным, кислотно-основным режимам почв,а в целом образуется хорошо организованная систе-ма, называемая почвенным профилем.

При сравнительно небольших дозах загрязняю-щих веществ почвы их перерабатывают, справляют-ся с загрязнением, но если потоки загрязняющихвеществ нарастают, то неизбежно наступает дегра-дация почв, вплоть до полного разрушения и обра-зования техногенных пустынь. Способность почвсопротивляться антропогенному изменению окру-жающей среды зависит от многих свойств и в пер-вую очередь от их химического состава и многообра-зия слагающих почвы минеральных и органическихвеществ.

ïàåàóÖëäàâ ëéëíÄÇ èéóÇ

Набор и количественное соотношение химичес-ких элементов в почве называют ее

элементным со-ставом

.

Любые почвы содержат все 92 элемента Пе-риодической системы Д.И. Менделеева, а в случаехимического загрязнения в почвах обнаруживаютсяи трансурановые элементы. Диапазон концентра-ций очень велик: от десятков и единиц массовых до-лей (в %), до 10

−

10

– 10

−

12

% [3]. Часть элементов уча-ствует в формировании почвенной массы, то естьони играют конституционную роль, хотя они же не-обходимы и живым организмам, другая часть суще-ственно не влияет на свойства почвенной массы, нозато играет важную физиологическую роль: некото-рые элементы могут быть как стимуляторами физио-логических и биохимических процессов, так и бытьтоксичными. Первая группа – это макроэлементы,вторая включает микро-, ультрамикро- и наноэле-менты (табл. 1).

Химические элементы представлены в почвахбольшим набором их химических соединений.Разнообразие соединений любого из элементовобеспечивает сравнительную устойчивость хими-ческого состояния почв. Так, соединения фосфорапредставлены преимущественно ортофосфатами,но они могут находиться одновременно в виде раз-личных соединений с кальцием, алюминием, же-лезом, цинком, свинцом, марганцем. О разнооб-разии фосфатов дает представление следующийдалеко не полный перечень их почвенных соеди-нений: Ca

8

H

2

(PO

4

)

6

, Ca

10

(PO

4

)

6

(OH)

2

, Ca

10

(PO

4

)

6

F

2

,Ca

4

(PO

4

)

3

H

⋅

3H

2

O, Ca

3

(PO

4

)

2

, Ca(H

2

PO

4

)

2

, CaHPO

4

,AlPO

4

⋅

2H

2

O, FePO

4

⋅

2H

2

O, Fe

3

(PO

4

)

2

⋅

8H

2

O,Zn

3

(PO

4

)

2

, Pb

3

(PO

4

)

2

, Pb

5

(PO

4

)

3

OH, PbAl

3

H(OH)

6

(PO

4

)

2

,MnHPO

4

. Кроме того, значительная часть фосфорапредставлена органическими соединениями и кон-денсированными фосфатами.

Железо в почвах одновременно входит в крис-таллические решетки алюмосиликатов, в гётитFeOOH, гематит Fe

2

O

3

, в различные гидроксиды.По мере расхода наиболее растворимых соединенийFe

3+

его концентрация поддерживается в почвен-ном растворе другими соединениями железа. Со-единения кремния в почвенном растворе представ-лены ортокремниевой кислотой H

4

SiO

4

или ееполимерными формами, а в твердых фазах одновре-менно сосуществуют аморфный и кристаллическийдиоксид кремния SiO

2

(кварц), минералы группыалюмосиликатов. В крупных песчаных фракцияхпочв преобладают каркасные алюмосиликаты, вофракции менее 1 мкм – слоистые алюмосиликаты,из них наиболее распространены монтмориллонит,каолинит и гидрослюды.

Особенно многочисленны в почвах соединенияуглерода. Практически всегда в почвенном воздухеесть диоксид углерода CO

2

, в почвенном растворе –угольная кислота, в степных и сухостепных почвах –CaCO

3

и Na

2

CO

3

; это только минеральные соедине-ния. Набор соединений в органическом веществе досих пор не подсчитан, но в их число входят как низ-комолекулярные соединения, начиная от метанаCH

4

, аминокислот, простейших кислот жирного ря-да, моносахаридов, и до высокомолекулярных со-единений, представленных целлюлозой, лигнином,полипептидами. Особое место занимают так назы-ваемые специфические для почв гуминовые вещест-ва [4]. При характеристике почв наиболее информа-тивны не отдельные индивидуальные соединения, аих группы, то есть совокупность соединений сосходными строениями и свойствами. Такими груп-пами могут быть моносахариды, аминокислоты (впочвах обнаруживают до 17 – 22 различных амино-кислот), гуминовые кислоты, фульвокислоты. Ве-щества, входящие в одну группу, примерно одина-ково участвуют в почвенно-химических реакциях.

Таблица 1.

Интервалы концентраций химическихэлементов в почвах, %

Эл

емен

т

Содержание в почвах

ЭлементСодержание в

почвах

Si 26 – 44 Mn 0,01 – 0,3

Al 1 – 8 C

орг

0,5 – 4

Fe 0,5 – 6 N 0,05 – 0,2

Ca 0,3 – 5 P 0,02 – 0,1

K 0,2 – 3 S 0,02 – 0,2

Na 0,2 – 2 H 0,04 – 0,2

Mg 0,1 – 2 Mo, Br, As, I, Sc, Pb, Co, B, Cu, Li, Ni, Zn

n

⋅

10

−

4

–

n

⋅

10

−

3

Ti 0,2 – 0,5 Hg, Se Около 10

−

6


68

Номенклатура групп почвенного гумуса приведенана рис. 2.

Группы органических соединений подразделя-ются на фракции по характеру связи с минеральны-ми соединениями, могут быть, например, гумино-вые кислоты свободные, связанные с Ca

2+

, Fe

3+

,алюмосиликатами и т.п.

Сложность состава почв, большой набор хими-ческих соединений обусловливают возможностьодновременного протекания различных химичес-ких реакций и способность твердых фаз почв под-держивать сравнительно постоянным состав поч-венного раствора, откуда растения непосредственночерпают химические элементы. Эту способностьподдерживать постоянным состав почвенного рас-твора называют

буферностью почв. В природнойобстановке буферность почв выражается в том, чтопри потреблении какого-либо элемента из почвен-ного раствора происходит частичное растворениетвердых фаз и концентрация раствора восстанавли-вается. Если в почвенный раствор извне попадаютизлишние количества каких-либо соединений, тотвердые фазы почв связывают такие вещества,вновь поддерживая постоянство состава почвенно-го раствора. Это иллюстрируют возможные перехо-ды ионов K

+

и трансформация калийсодержащихвеществ в почве, показанные на рис. 3. Итак, дейст-вует общее правило: буферность почв обусловленабольшим набором одновременно протекающих хи-мических реакций между почвенным раствором и

твердыми частями почвы (рис. 4). Химическое раз-нообразие

делает почву устойчивой в изменяющих-ся условиях природной среды или при антропоген-ной деятельности.

ïàåàóÖëäàÖ êÖÄäñàà à èêéñÖëëõÇ èéóÇÄï

В почвах может происходить более 30 различныххимических реакций и процессов. Часть их нихимеет общий характер для всех почв, часть присущатолько отдельным почвенным типам. Общие длябольшинства почв реакции следующие: осажде-ние–растворение, катионный обмен, комплексо-образование, синтез и минерализация органичес-ких соединений, образование гуминовых веществ.Почвам северных влажных регионов свойственнынакопление кислых продуктов, развитие восстано-вительных процессов (глееобразование); в сухихюжных районах нередко происходит накоплениесолей, а реакция почв зависит от карбонатов каль-ция и регулируется карбонатно-кальциевым равно-весием. Ниже рассмотрены наиболее важные дляпочв реакции.

Катионный обмен.

Эту реакцию в 1850 – 1852 гг.открыли английские ученые – фермер Томпсон ихимик Уэй. В 1922 – 1925 гг. на этой основе совет-ский почвовед академик К.К. Гедройц создал строй-ное учение о поглотительной способности почв, по-лучившее признание во всем мире [5]. Послеоткрытия анионного обмена была создана общая

ПОЧВА

часть почвыНеорганическая Органическое

вещество почвыЖивые организмы

(эдафон)

Остатки, не утра-тившие анатоми-ческого строения

ГУМУС

Промежуточныепродукты распада

и гумификация

Специфическиегуминовые вещества

Неспецифическиесоединения

Прогуминовыевещества

Гумусовыекислоты

Гуминовыекислоты

Негидролизуемыйостаток (гумин)

Черные(серые)

Бурые Гиматомелановыекислоты

Фульвокислоты

Рис. 2.

Номенклатура (перечень) гуминовых веществ почвы.

éêãéÇ Ñ.ë.


69

теория ионного обмена, налажено промышленноепроизводство ионитов (ионообменных сорбентов),разработаны методы ионообменной хроматогра-фии. Для почв наиболее характерны реакции кати-онного обмена между твердой частью почвы, кото-рая поглощает катионы, и почвенным раствором,который можно рассматривать как раствор элект-ролита. Если твердую часть почвы обозначить сим-волом П, как это принято в почвенной литературе,то при добавлении к почве раствора KCl произойдетреакция

Π

Ca, Mg + 4KCl

Π

K

4

+ CaCl

2

+ MgCl

2

.

Это означает, что почва содержала в обменнойформе и Ca

2+

, и Mg

2+

, которые были вытеснены враствор, а ионы K

+

были поглощены почвой. Ка-ких-либо других изменений при этом в почве непроисходит.

В дерново-подзолистых почвах таежных лесов вобменной форме присутствуют ионы Ca

2+

, Mg

2+

,K

+

, H

+

, Al

3+

. В черноземах, каштановых почвах сте-

пей преобладают Ca

2+

, Mg

2+

, K

+

. В солонцах и неко-торых солончаках, кроме того, обычно есть Na

+

.

Общее количество обменных катионов в почве,согласно Международной системе единиц СИ, из-меряют в смол (+)

⋅

кг

−

1

(сантимоли положительныхзарядов в 1 кг почвы) и называют емкостью катион-ного обмена (сокращенно ЕКО). Абсолютные вели-чины ЕКО колеблются от единиц до нескольких де-сятков смол (+)

⋅

кг

−

1

. Эти реакции очень важны,поскольку от состава обменных катионов и их коли-чества зависят почвенное плодородие, многие фи-зические и химические свойства почв и способностьпротивостоять химическому загрязнению почв.

Кислотность почв

. Обменные катионы участвуюттакже в формировании потенциальной кислотнос-ти почв. Такая кислотность встречается в кислыхдерново-подзолистых, серых лесных, краснозем-ных почвах. Проявляется она только при воздейст-вии на почву солевого раствора, так же как и приобычной реакции катионного обмена. Отличие со-стоит в том, что потенциальная кислотность обус-ловлена только катионами H

+

и Al

3+

:

Π

H

+

+ KCl

Π

K

+

+ HCl или

Π

Al

3+

+ 3KCl

Π +

AlCl

3

Π +

Al(OH)

3

+ 3HCl.

И в том и в другом случае в растворе появляется не-которое количество HCl, что и создает кислую реак-цию среды.

Устраняют потенциальную кислотность доволь-но простыми приемами. Обычно к почве добавляюткарбонат кальция (известь), который нейтрализуетразличные формы кислотности:

Π

+ CaCO

3

Π

Ca

2+

+ H

2

CO

3

Π

Ca

2+

+ CO

2

+ H

2

O.

Природная кислотность почв может быть вызва-на органическими кислотами, попадающими в поч-ву с растительными остатками или корневыми

K3+

K3+

H2+

Растения

Экскрементыживотных

Калий (K)почвенного раствора

Обменный калий

Калиевые слюды

Калиевые полевые шпаты

Резервный калий

ПоглощениеВыделения

иостатки

Очень быстрый обмен

содержат до 10% K

содержат до 14% K

Калийудобрений

обычно менее 1% от общего

Переходныеформы

Слюдоподобныеминералы

иллиты

содержание К 6 – 8%

“Фиксация”или

иммобилизация

Медленноевысвобождение

Быстрое

(при необходимости)высвобождение

Рис. 3.

Формы соединений калия в почвах и ихтрансформация; стрелками показаны переходыионов калия из одних соединений в другие.

Органическоевещество

Почвенныйраствор

Почвеннаябиота

Легко-растворимые

соли

Минералыгруппы

алюмоси-ликатов

ГидроксидыFe, Al, Mn

КарбонатыCa, Mg, Fe

Рис. 4.

Реакция взаимодействия между почвен-ным раствором и другими компонентами почвы.


70

выделениями, диоксидом углерода в почвенномвоздухе и поступлением азотной и серной кислот скислыми дождями. Анализ химических равновесийпоказал, что роль CO

2

в этом процессе более значи-тельна, чем это представлялось раньше [3]. Раство-рение CO

2

приводит к образованию угольной кис-лоты H

2

CO

3

. Сама по себе это довольно слабаякислота, но в почвенном воздухе доля CO

2

многовыше, чем в атмосферном; в последнем доля CO

2

составляет около 0,03%, а в почвенном воздухе до-стигает целых процентов. Поэтому в некарбонат-ных почвах только за счет CO

2

величина pH можетопускаться до 4,5 и даже ниже.

Щелочность почв

. Щелочными считают почвы,водная суспензия которых имеет рН 7,5 – 8,0 иливыше. Эти почвы формируются в степных и сухо-степных природных зонах; к ним относятся солон-цы, некоторые солончаки. Щелочность вызываетсяразличными солями: карбонатами, фосфатами, бо-ратами, гуматами, силикатами. Но главную роль иг-рают Na

2

CO

3

и CaCO

3

, последний создает кислот-но-основную буферность и сравнительно высокующелочность. Регулирование реакции осуществляет-ся в этом случае за счет карбонатно-кальциевой си-стемы CaCO

3

–H

2

O–CO

2

. Карбонат кальция при-сутствует в твердой части почвы, вода в почвеимеется почти всегда (за исключением сильных за-сух), а CO

2

всегда есть в почвенном воздухе. Поч-венный раствор такой системы содержит разныеколичества Ca

2+

, , H

+

, , и величина рНрегулируется, по сути, только парциальным давле-нием CO

2

. Эта система работает до тех пор, пока втвердой части почвы присутствует CaCO

3

, и обус-ловливает величины рН почвенных суспензий до7,5 – 10,0 в зависимости от парциального давленияCO

2

в почвенном воздухе.

Щелочность почв неблагоприятно сказываетсяна их химических и физических свойствах. Под дей-ствием щелочной среды почвы расплываются, теря-ют структурность, а затем при высыхании сливают-ся в плотные, очень прочные глыбы, которые частоне поддаются действию плуга. Таковы солонцы взонах черноземных, каштановых и бурых почв.

Засоление почвы

. В бессточных впадинах сухихрегионов страны, в приморских районах почвы не-редко содержат высокие концентрации легкораство-римых солей. Это хлориды кальция, магния, натрияи калия, сульфаты, некоторые карбонаты, нитраты.Легкорастворимые соли отрицательно сказываютсяна развитии растений, поскольку они повышаютосмотическое давление почвенных растворов, а не-которые катионы и анионы токсичны для растений.Засоленных почв особенно много в Предкавказье,в Прикаспийской низменности, в Средней Азии.К счастью, легкорастворимые соли сравнительнолегко подвижны, и их довольно просто удалить изпочвы путем обычного промывания водой. В ще-лочных почвах неблагоприятные вещества сначала

CO3

2 − HCO3

−

нейтрализуют гипсом, отработанной серной кисло-той, сульфатами железа, а затем образующиеся лег-корастворимые соли также отмывают водой. Этотметод

мелиорации засоленных почв очень широкораспространен, но успех приема зависит от возмож-ности удаления промывных вод. В противном слу-чае промывные воды смыкаются с подземнымигрунтовыми водами, повышая их уровень. В резуль-тате возникает опасность вторичного засоленияпочв за счет поднимающихся к поверхности соле-ных грунтовых вод по окраинам орошаемых и про-мываемых массивов.

Окислительно-восстановительные режимы

. Прак-тически в каждой почве происходят реакции окис-ления или восстановления химических соединенийили элементов. Эти реакции являются сопряженны-ми, и если какой-либо компонент почвы окисляется,то другой неизбежно восстанавливается. Наиболеепростой и распространенный вариант – окисле-ние–восстановление ионов железа:

Окислительные процессы идут за счет кислородавоздуха, при этом органические вещества почвыокисляются или частично, или полностью до ко-нечных продуктов распада – H

2

O и CO

2

. При высо-ких окислительно-восстановительных потенциалахпорядка 0,5 – 0,7 В практически все элементы с пе-ременной валентностью приобретают высшие сте-пени окисления, многие из них становятся малопо-движными и малодоступными растениям. Таковыионы железа, меди, кобальта, серы, азота. Исклю-чение составляет марганец, для перевода которо-го из Mn

2 +

в Mn

7 +

необходимы потенциалы около1,4 – 1,5 В, тогда как даже в наиболее аэрированныхи малоувлажненных почвах максимальные значе-ния потенциалов редко превышают 0,6 – 0,7 В.

В переувлажненных почвах, особенно в за-топляемых рисовых почвах, развиваются восста-новительные процессы, потенциалы снижаютсядо +0,2 ÷

−

0,2 В, что обусловлено деятельностьюмикроорганизмов, способных развиваться без до-ступа свободного O

2

и выделяющих в почву органи-ческие восстановленные соединения и свободныйводород. В таких почвах элементы с переменной ва-лентностью переходят в состояние низших степенейокисления, становятся подвижными, выделяетсяметан CH

4

, другие углеводороды. Когда длительно

развиваются восстановительные процессы, в поч-вах появляется сизоватая окраска, железо и марга-нец восстанавливаются до Fe

2+

и Mn

2+

. Такие почвыназывают оглеенными или глеевыми. Кстати, пере-увлажненные или орошаемые и затопляемые почвыслужат одним из важнейших природных источни-ков выделения в атмосферу метана и других углево-дородов, вызывающих проявления “парникового”эффекта.

Fe2 + e−

Fe3+

.–Восстановитель Окислитель

éêãéÇ Ñ.ë.


71

Гумификация

. Это один из самых важных поч-венных биохимических процессов. Сущность егозаключается в трансформации растительных остат-ков в своеобразные, темноокрашенные органичес-кие гуминовые вещества преимущественно кислот-ной природы. Впервые

гуминовые кислоты выделилиз торфа немецкий ученый Ф. Ахард в 1786 г., но досих пор их строение остается неясным. В основе гу-миновых веществ лежат бензолсодержащие фраг-менты, их мобильная часть представлена большимнабором аминокислот и моносахаридов, они содер-жат азот и различные кислородсодержащие функ-циональные группы: карбоксильные –COOH, гид-роксильные –OH, хинонные и другие. Особенностьгуминовых веществ заключается в высокой устой-чивости к гидротермическим и биохимическим ус-ловиям; их возраст, датированный по

14

C, достигаетсотен и тысяч лет, а молекулярные массы составля-ют десятки тысяч атомных единиц массы. Функциигуминовых веществ в почвах разнообразны и чрез-вычайно важны. Они аккумулируют элементы пи-тания растений, защищают почвенные минералы отвыветривания, способствуют миграции катионовразличных металлов в форме комплексных соеди-нений, регулируют тепловой и кислотно-основнойрежимы почв, влияют на емкость катионного обме-на и на буферность почвы, обладают выраженнойфизиологической активностью и способны стиму-лировать рост и развитие сельскохозяйственныхрастений. Гуминовые кислоты и их соли (гуматы)получают из различного природного сырья и ис-пользуют не только в сельском хозяйстве, но также впромышленности и медицине (рис. 5).

Таким образом, подводя общие итоги, можносделать некоторые выводы о химическом составе ипричинах химической устойчивости почв.

1. Любая почва имеет очень сложный химичес-кий состав как по набору и количественному соот-ношению химических элементов, так и по формамих соединений.

2. Наиболее активную химическую роль в почвахиграют те вещества, которые находятся в высокоди-сперсном состоянии (ил, плазма); к ним относятсягуминовые вещества, слоистые глинистые минера-лы, ионные и молекулярные дисперсии.

3. Для почв характерно образование и накопле-ние специфических гуминовых веществ, главных инаиболее активных составляющих органическоговещества почвы.

4. В почвах одновременно протекает множествореакций, зачастую противоположно направленных,что обусловливает стабильность системы; многооб-разие химических соединений и реакций – главноеусловие устойчивости почв.

5. В каждой природной зоне формируются поч-вы, имеющие особый химический состав и режимы,хорошо согласованные с экологической обстанов-

кой или, по В.В. Докучаеву, соответствующие фак-торам почвообразования.

ïàåàóÖëäéÖ áÄÉêüáçÖçàÖ à éïêÄçÄ èéóÇ

В последние десятилетия человек стал причинойбыстрой деградации почв, хотя потери почв имелиместо на протяжении всей человеческой истории.Во всех странах мира сейчас распахивают около1,5 млрд. га земель, а общие потери почв за историючеловечества составили около 2 млрд. га, то есть по-теряно больше, чем теперь распахивается, причеммногие почвы перешли в разряд непригодных бро-совых земель [6], восстановление которых или не-возможно, или слишком дорого стоит. Насчитыва-ют не менее 6 типов антропогенно-техническихвоздействий, которые могут вызвать разного уровняухудшение почв. В их числе: 1) водная и ветроваяэрозия, 2) засоление, подщелачивание, подкисле-ние, 3) заболачивание, 4) физическая деградация,включая уплотнение и коркообразование, 5) разру-шение и отчуждение почвы при строительстве, до-быче полезных ископаемых, 6) химическое загряз-нение почв [7]. Охрана почв заключается в том,чтобы предотвратить или свести к минимуму все ви-ды разрушения почв и/или почвенного покрова [8].

Ниже мы обсудим только химическое загряз-нение почв [9], которое может быть вызвано сле-

ИСТОЧНИКИ

ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГУМАТОВ

ГУМАТЫ

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Сапропель

Торф Бурый уголь

Почва Горючие

Структурапочвы

Аккумуляторы

Урожай Фильтры

Доступностьтяжелыхметаллов

Подкормкаживотных,птиц, рыб

Медицина

сланцы

Рис. 5.

Источники получения и области примене-ния гуматов.


72

дующими причинами: 1) атмосферным переносомзагрязняющих веществ (тяжелые металлы, кислыедожди, фтор, мышьяк, пестициды), 2) сельскохозяй-ственным загрязнением (удобрения, пестициды),3) наземным загрязнением – отвалы крупнотон-нажных производств, отвалы топливно-энергети-ческих комплексов, 4) загрязнением нефтью и неф-тепродуктами.

Тяжелые металлы

. Этот вид загрязняющих ве-ществ начали изучать одним из первых. К тяжелымметаллам обычно относят элементы, которые име-ют атомную массу более 50. Они поступают в почвупреимущественно из атмосферы с выбросами про-мышленных предприятий, а свинец – с выхлопны-ми газами автомобилей. Описаны случаи, когдабольшие количества тяжелых металлов попадали впочву с оросительными водами, если выше водоза-бора в реки сбрасывались сточные воды промыш-ленных предприятий. Наиболее типичные тяжелыеметаллы – свинец, кадмий, ртуть, цинк, молибден,никель, кобальт, олово, титан, медь, ванадий.

Из атмосферы в почву тяжелые металлы попада-ют чаще всего в форме оксидов, где постепенно рас-творяются, переходя в гидроксиды, карбонаты илив форму обменных катионов (рис. 6). Если почвапрочно связывает тяжелые металлы (обычно в бога-тых гумусом тяжелосуглинистых и глинистых поч-вах), это предохраняет от загрязнения грунтовые ипитьевые воды, растительную продукцию. Но тогдасама почва постепенно становится все более загряз-ненной и в какой-то момент может произойти раз-рушение органического вещества почвы с выбро-сом тяжелых металлов в почвенный раствор. Витоге такая почва окажется непригодной для сель-скохозяйственного использования. Общее количе-ство свинца, которое может задержать метровыйслой почвы на одном гектаре, достигает 500 – 600 т;такого количества свинца даже при очень сильномзагрязнении в обычной обстановке не бывает. Поч-вы песчаные, малогумусные, устойчивы против за-грязнения; это значит, что они слабо связывают тя-желые металлы, легко отдают их растениям илипропускают их через себя с фильтрующимися вода-ми. На таких почвах возрастает опасность загрязне-ния растений и подземных вод [10] . В этом заклю-чается одно из трудноразрешимых противоречий:легко загрязняющиеся почвы предохраняют окру-жающую среду, но почвы, устойчивые к загрязне-нию, не обладают защитными свойствами в отно-шении живых организмов и природных вод.

Если почвы загрязнены тяжелыми металлами ирадионуклидами, то очистить их практически не-возможно. Пока известен единственный путь: засе-ять такие почвы быстрорастущими культурами, да-ющими большую зеленую массу; такие культурыизвлекают из почвы токсичные элементы, а затемсобранный урожай подлежит уничтожению. Но этодовольно длительная и дорогостоящая процедура.

Можно снизить подвижность токсичных соедине-ний и поступление их в растения, если повысить рНпочв известкованием или добавлять большие дозыорганических веществ, например торфа. Неплохойэффект может дать глубокая вспашка, когда верх-ний загрязненный слой почвы при вспашке опуска-ют на глубину 50 – 70 см, а глубокие слои почвыподнимают на поверхность. Для этого можно вос-пользоваться специальными многоярусными плу-гами, но при этом глубокие слои все равно остаютсязагрязненными. Наконец, на загрязненных тяже-лыми металлами (но не радионуклидами) почвахможно выращивать культуры, не используемые вкачестве продовольствия или кормов, напримерцветы.

Кислые дожди

. Выпадение дождей или других ат-

мосферных осадков с высокой кислотностью –обычный результат выброса в атмосферу продуктовсжигания топлива (угля), а также выбросов метал-лургических и химических заводов. В составе такихвыбросов много диоксида серы и/или оксидов азо-та; при взаимодействии с водяными парами атмо-сферы они образуют серную и азотную кислоты.Действие кислых дождей на почвы неоднозначное.В северных, таежных зонах они увеличивают вред-

АТМОСФЕРА

Поступление металловв почву с газопылевыми

выбросами

ZnOPbOCdO

ПОЧВЕННЫЙ РАСТВОР

ZnO

→

Zn(OH)

2

PbO

→

PbCO

3

;

CdO

→

CdCO

3

Десорбция

Адсорбция

Органическоевещество

почв

Миграция в грунтовые воды

Zn

2+

, Pb

2+

, Cd

2+

ОксидыГлинистыеминералы

Pb

3

(CO

3

)2(OH)2

Рис. 6. Трансформация и миграция соединенийтяжелых металлов в почвах.

éêãéÇ Ñ.ë. ïàåàü à éïêÄçÄ èéóÇ 73

ную кислотность почв, способствуют повышениюсодержания в почвах растворимых соединений ток-сичных элементов – свинца, алюминия. При этомусиливается и разложение почвенных минералов.Реальный путь борьбы с подкислением таежныхпочв – установка на заводских трубах фильтров, пе-рехватывающих оксиды серы и азота. Для борьбы сподкислением почв можно использовать также из-весткование.

Однако кислотные дожди в ряде случаев могутбыть и полезны. В частности, они обогащают почвыазотом и серой, которых на очень больших террито-риях явно недостаточно для получения высокихурожаев. Если же такие дожди выпадают в районахраспространения карбонатных, а тем более щелоч-ных почв, то они снижают щелочность, увеличиваяподвижность элементов питания, их доступностьрастениям. Поэтому полезность или вредность ка-ких-либо выпадений нельзя оценивать по упрощен-ным однозначным критериям, а необходимо рас-сматривать конкретно и дифференцированно потипам почв.

Промышленные отвалы. Атмосферные выбросы,содержащие оксиды различных токсичных метал-лов и неметаллов, распространяются на большиерасстояния, измеряемые десятками и сотнями ки-лометров. Поэтому вызываемые ими загрязненияимеют региональный, а иногда и глобальный харак-тер. В противоположность этому крупнотоннажныеотходы различных производств, отвалы гидролиз-ного лигнина, золы тепловых электростанций, от-валы при добыче угля оказывают преимущественнолокальное влияние. Такие отвалы занимают нема-лые площади, выводя из пользования земельныеугодья, а многие из них представляют вполне кон-кретную опасность для окружающей среды. Отвалыугольных шахт содержат немало угля, он горит, за-грязняя атмосферу. Отвалы многих горных породсодержат пирит FeS2, который самопроизвольно навоздухе окисляется до H2SO4; в период дождей илиснеготаяния последняя легко образует не толькосильнокислые территории, но даже озерца сернойкислоты в окрестностях горных выработок. Единст-венный путь нормализации экологической обста-новки в таких местах – выравнивание отвалов, ихземлевание, залужение, лесные посадки. Большойопыт рекультивации таких территорий накопленучеными Днепропетровского университета под ру-ководством профессора А.И. Травлеева.

Многие местные органические отходы, такие,как гидролизный лигнин, птичий помет, свиной на-воз, можно превратить или в хорошие компосты,или в так называемый биогумус (вермикомпост). Воснове последнего способа лежит быстрая перера-ботка органических отходов некоторыми гибрида-ми красных земляных червей, так называемая вер-микультура (от латинского vermis – червь). Червипропускают через кишечник все растительные ос-

татки, превращая их в черноземоподобную массу,очень плодородную, практически без запаха, в ко-торой содержится много гуминовых кислот.

Нефть и нефтепродукты. Нефтяное загрязнениепочв относится к числу наиболее опасных, по-скольку оно принципиально изменяет свойствапочв, а очистка от нефти очень сильно затруднена[10]. Нефть попадает в почву при различных обстоя-тельствах: при разведке и добыче нефти, при авари-ях на нефтепроводах, при авариях речных и морскихнефтеналивных судов. Различные углеводороды по-падают в почву на нефтебазах, бензозаправках и т.п.Последствия для почв, вызванные нефтезагрязне-нием, можно без преувеличения назвать чрезвычай-ными. Нефть обволакивает почвенные частицы,почва не смачивается водой, гибнет микрофлора,растения не получают должного питания. Наконец,частицы почвы слипаются, а сама нефть постепен-но переходит в иное состояние, ее фракции стано-вятся более окисленными, затвердевают, и при вы-соких уровнях загрязнения почва напоминаетасфальтоподобную массу. Бороться с таким явлени-ем очень трудно. При малых уровнях загрязненияпомогает внесение удобрений, стимулирующихразвитие микрофлоры и растений. В результатенефть частично минерализуется, некоторые еефрагменты входят в состав гуминовых веществ ипочва восстанавливается. Но при больших дозах идлительных сроках загрязнения в почве происходятнеобратимые изменения. Тогда наиболее загряз-ненные слои приходится просто удалять.

áÄäãûóÖçàÖ

Хорошо слаженные почвенные химические сис-темы формировались долгие годы; особенно многовремени требуется в неблагоприятных климатичес-ких условиях, при скудной растительности, поделовыми лесами. Нужны сотни лет для формирова-ния высокобуферных почвенно-генетических хи-мических систем, которые придают почвам способ-ность противостоять колебаниям климата ирастительности. Такая буферность обусловлена вы-соким разнообразием химических соединений впочвах, многие из которых обладают различнымисвойствами. Все это позволяет почвам оптимальнообеспечивать устойчивое состояние биоценоза в це-лом. В сельскохозяйственных почвах частично на-рушается природное равновесие, а химический со-став почв не полностью отвечает требованиямвыращиваемых культур, часть химических элемен-тов отчуждается с урожаем, органическое веществочастично минерализуется. Поэтому в пахотныхпочвах приходится пополнять запас химическихэлементов и/или их соединений путем внесенияминеральных и органических удобрений. С помо-щью удобрений и мелиоративных приемов удаетсязначительно улучшить физические свойства почв,


их химический состав, повысить плодородие. В этомслучае говорят об окультуривании почв.

Если изменения почв при сельскохозяйствен-ном использовании сравнительно легко поддаютсяконтролю и при научнообоснованном землеполь-зовании можно добиться сохранения и даже улуч-шения почв, то химическое загрязнение можетприводить к необратимым изменениям почв, ихразрушению. Если формирование зрелых почв тре-бует сотен или тысяч лет, то необратимая деграда-ция или полное уничтожение почвы могут произой-ти за несколько лет. Разрушить почву легко, создатьзаново трудно. И в этом отношении есть существен-ные различия между разными оболочками Земли.Загрязнение атмосферы опасно, но сильные ветрыбыстро меняют ситуацию. Загрязнение гидросферынередко бывает более стойким, чем загрязнение ат-мосферы, но и реки и моря рано или поздно рассе-ивают загрязняющие вещества, в чем активно по-могают течения и обновление вод.

В почвах медленнее накапливаются токсичныеуровни загрязняющих веществ, но зато они долго вней сохраняются, негативно влияя на экологичес-кую обстановку целых регионов. Поэтому охранапочв – дело первоочередной важности, хотя влияниезагрязнения почв бывает не столь заметным и оче-видным, как загрязнение атмосферы и гидросферы.

ãàíÖêÄíìêÄ

1. Докучаев В.В. Картография русских почв. Избр. соч.Т. III. М.: Гос. изд-во с.-х. лит., 1949.

2. Докучаев В.В. Разбор главнейших почвенных клас-сификаций. Избр. соч. Т. III. М.: Гос. изд-во с.-х.лит., 1949.

3.Орлов Д.С. Химия почв. М.: Изд-во Моск. ун-та,1992.

4.Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теориягумификации. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1990.

5.Гедройц К.К. Учение о поглотительной способностипочв. Избр. соч. Т. 1. М.: Гос. изд-во с.-х. лит., 1955.

6.Розанов Б.Г., Таргульян В.О., Орлов Д.С. Почвоведе-ние. 1989. №. 5. С. 5.

7. Розанов Б.Г. Живой покров Земли. М.: Педагогика,1989.

8.Добровольский Г.В., Гришина Л.А Охрана почв. М.:Изд-во Моск. ун-та, 1985.

9.Орлов Д.С., Малинина М.С. и др. Химическое загряз-нение и охрана почв. Словарь-справочник. М.: Агро-промиздат, 1991.

10. Почвенно-экологический мониторинг и охранапочв / Ред. Д.С. Орлова и В.Д. Васильевской. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1994.

* * *

Дмитрий Сергеевич Орлов, зав. кафедрой хи-мии почв факультета почвоведения Московскогогосударственного университета им. М.В. Ломоно-сова, доктор биологических наук, Заслуженныйпрофессор МГУ, Заслуженный деятель науки РФ,дважды лауреат Ломоносовской премии, премииим. академика В.Р. Вильямса, удостоен Золотоймедали им. академика К.К. Гедройца, премии Пра-вительства РФ в области науки и техники за 1995 г.Автор более 500 научных работ, в их числе учебник,6 учебных пособий, 12 монографий.