Химические реакции и процессы в почве

Почва — самый верхний и плодородный слой литосферы, яв­ляется связующим звеном между всеми оболочками планеты и живыми организмами, играет важную роль в процессах обмена веществом (энергией) между компонентами биосферы. Почва — среда обитания большого количества живых организмов, и мно­гие химические процессы, происходящие в почве как части ли­тосферы, напрямую связаны с процессами в биосфере. Через по­чву осуществляется газовый обмен между атмосферой и земной корой, атмосферой и подземной частью гидросферы. В почве од­новременно могут протекать химические, физические и биологи­ческие процессы.

Любую почву можно рассматривать как гетерогенную систему, состоящую из трех фаз: твердой (минеральный «скелет», органи­ческая и биологическая компоненты), жидкой (почвенный ра­створ) и газообразной (почвенный воздух).

Почва обладает некоторыми свойствами, которых лишены воз­душная и водная среды. Частицы почвы образуют «мелкоячеис­тый фильтр», который весьма эффективно задерживает твердые взвеси из вод, просачивающихся в почву. В то же время поры почвы служат копилкой питательных веществ. Всю систему «це­ментируют» частицы глины и гумуса, которые адсорбируют це­лый ряд веществ. Таким образом, почва в течение ряда лет или десятилетий может удерживать вредные вещества, не давая им возможности перейти в грунтовые воды. Почва обладает способностью к регенерации. Многие оби­татели почвы служат источником ферментов, в присутствии ко­торых вредные вещества расщепляются быстрее, чем в воде или на воздухе. Фильтруемость и накопление примесей в почвах, а также спо­собность к регенерации определяют буферную способность почв по отношению к антропогенным воздействиям.

Химический состав почвы.

Основные химические процессы, а также плодородие почвы зависят от присутствия воды и кислорода, количество и дос­тупность для растений которых во многом определяется физическими свойст­вами почвы.

Влага в почве может находиться во всех трех состояниях и в нескольких формах: гигроскопической, капиллярной, пленочной и свободной гравитацион­ной. Гигроскопическая вода конденсируется на поверхности почвенных частиц, пленочная удерживается на поверхности почвенных частиц под действием молекулярных сил, капиллярная находится между частицами почвы благодаря по­верхностному натяжению, а свободная гравитационная вода находится под влиянием силы тяжести и гидростатического напора и заполняет крупные про­межутки почвы. Гигроскопическая вода прочно связана с почвенными части­цами и поэтому не усваивается ни корнями растений, ни бактериями. Пленоч­ная вода может использоваться только бактериями, а капиллярная и свободная гравитационная формы воды хорошо усваиваются корнями растений и всеми организмами почвы. Способность накапливать воду поверхностными слоями литосферы называется водоудерживающей способности почвы, а способность почвы впитывать воду с поверхности называется инфильтрацией. Таким обра­зом, идеальной почвой будет та, которая имеет хорошую инфильтрацию, хоро­шую водоудерживающую способность и иметь растительный покров, снижаю­щий потери воды от испарения.

Многие вещества содержатся в свободной воде в виде ис­тинных или коллоидных растворов. Литосферный раствор, можно назвать кровью литосферы, которая находится в состоянии динамического равнове­сия с твердым веществом и газами литосферы.

Естественный состав почвенного воздуха зависит в первую очередь от глубины. На глубине 20 см почвенный воздух имеет состав очень близкий к атмосферному. Состав почвенного воздуха регулируется потреблением кисло­рода и образованием СО₂ в результате микробиологических процессов минера­лизации органических веществ и способностью почвы выделять СО₂ в атмо­сферу с одновременным поглощением О₂ из атмосферы. Поступление О₂ про­исходит непосредственно с атмосферным воздухом и с дождевой водой. Чем ниже температура воды, тем больше с ней поступает О₂ и СО₂. Растворимость газов в литосферном растворе зависит от давления газа, от температуры, а также от содержания различ­ных химических веществ.

Наиболее энергично растворяется в литосферном растворе углекислый газ, причем с повышением температуры его раствори­мость понижается почти в три раза, менее растворим кислород и еще меньше азот. В литосферном растворе почти все химические соединения находятся в ионной форме. Основные анионы литосферного раствора – НСО₃^-, NО₂^-, NО₃^- - поступают в него пре­имущественно в результате биологических процессов. Так, окислы азота в литосфере образуются в средних широтах при микробио­логических процессах нитрофикации. В тропических широтах азот и окислы азота поступают в литосферу из атмосферы при грозо­вых разрядах в количествах, достигающих 30 кг/га. Фосфат - ионы, хлор - ионы, сульфат - ионы и другие преимущественно поступают в литосферный раствор из горных минералов и при разрушении растительных остатков.

Среди катионов в литосферном растворе постоянно находят­ся в значительном количестве Са²⁺, Мg²⁺, Nа⁺, К⁺, NН⁴⁺, Н⁺, Fе⁺, Fе²⁺, Аl³⁺. В весьма незначительном количестве присутствуют в литосферном растворе йод, медь, цинк, свинец, никель, кобальт, молибден, бор, стронций, марганец и другие микроэлементы. Кроме минеральных химических соединений, в литосферном растворе постоянно присутствуют водорастворимые органические соединения, такие, как фульвокислоты, органические кислоты, аминокислоты, сахара, ферменты, витамины, спирты и пигменты.

Литосферный раствор имеет определенное осмотическое давление, которое зависит от количества ионов, молекул или мицелл, от сезонов года. Так, в средних широтах летом осмо­тическое давление повышается из-за уменьшения влажности литосферы при испарении, что ведет к увеличению концентрации ионов. В другие сезоны года за счет усиленного увлажне­ния литосферы осмотическое давление понижается.

Минеральную основу почвы в основ­ном составляют кварц (песок), глина и известняк (СаСО₃). В зави­симости от размера частиц различают почвы песчаные, суглини­стые и глинистые. Содержание органических веществ в разных почвах колеблется от ~2 % (песчаные, глинистые почвы) до 20 % (болотистые почвы). С научной точки зрения органические веще­ства почвы подразделяются на негуминовые и гумус. Первые вклю­чают не полностью разложившиеся остатки растений и живот­ных, жиры и дубильные вещества, сложные углеводы, пектины и другие. Они легко разлагаются и поэтому не попадают под понятия «гу­мус». В литературе под термином «гумус» (от лат. — земля, почва) чаще всего понимают темноокрашенное органическое вещество почвы (перегной), образующееся в результате биохимического разложения растительных и животных останков и накапливающе­еся в верхнем почвенном горизонте. По химическому составу гу­мус представляет собой сложную смесь гуминовых, фульвокислот и их комплексов с металлами; по элементному составу основны­ми компонентами гумуса являются водород, углерод, кислород, а также азот (2—5 %), сера (~1 %), фосфор, калий. Исходным мате­риалом для образования гумуса служит растительный опад. Ос­новная его часть состоит из лигноцеллюлозы. Главными агентами разложения этих биополимеров служат почвенные грибы, выде­ляющие в окружающую среду экзоферменты (целлюлазы), легко гидролизующие углеводы.

Почвы, называемые черноземами, содержат максимальное ко­личество гумуса: в среднем 500 т на 1 га. По оценкам ученых, общие запасы гумуса в почвах мира составляют около 2 561 млрд т (на 1 м).

Биологическая составляющая почвенных экосистем представ­лена зелеными растениями, микроорганизмами и животными. Основная почвообразующая роль принадлежит лесной раститель­ности, второе место занимает травянистая растительность. Пере­работка и деструкция растительных остатков происходят главным образом в верхних горизонтах почвы. В этой переработке участву­ют многочисленные беспозвоночные (почвенная мезофауна) и микроорганизмы. Биомасса беспозвоночных в верхних горизонтах почв может достигать 200 т/км², причем наибольшая ее часть при­ходится на долю дождевых червей (до 40—50 т/км²) и членистоногих (до 10—30 т/км²).

Важную роль в почвенном круговороте веществ играют бакте­рии. Согласно данным различных исследователей, живая масса почвенных бактерий также очень значительна. Она приблизитель­но оценивается в 6 • 10⁹ т, т. е. примерно в полтора раза превышает биомассу сухопутных и морских животных.

Автотрофные бактерии осуществляют в почве процессы окис­ления минеральных соединений — продуктов жизнедеятельности гетеротрофов. Например, аэробные бактерии играют роль в про­цессах нитрификации и нитрофикации:

2NН₃ + 3О₂ = 2НNО₂ + 2Н₂О (нитрификация)

2 НNО₂ + О₂ = 2 НNО₃ (нитрофикация)

Широко распространенные в почвах так называемые серобак­терии окисляют Н₂S, S и другие соединения серы до Н₂SО₄ (про­цесс сульфофикации):

2Н₂S + О₂ = 2Н₂О + 2S

2S + 3О₂ + 2Н₂О = 2Н₂SО₄

При участии железоокисляющих бактерий, наиболее распро­страненных в заболоченных почвах, происходит окисление солей Fе (II). В конечном итоге результат происходящих процессов (в том числе гидролиза), можно записать в следующем виде:

4FеСО₃ + О₂ + 6Н₂О = 4Fе(ОН)₃ + 4СО₂

Живое население педосферы, выполняя основную глобальную биогеохимическую функцию — разложение органического веще­ства на простые соединения, участвует в формировании самого почвенного покрова и его плодородия.

Таким образом, педосфера предстает как полифункциональ­ная и интерактивная система. В отличие от других внешних гео­сфер (атмосферы и гидросферы) она не обладает свойствами бы­строго рассеяния попадающих извне загрязняющих компонентов. Кроме того, формирование ее занимает тысячи и десятки тысяч лет. Поэтому почвы относятся к очень уязвимым и практически невозобновимым ресурсам нашей планеты.

Восстановление ионов NО₃ в процессе жизнедеятельности микроорганизмов протекает по схеме (процесс денитрификации):

NО_{3_}^- →NО₂^- → NО → N₂О → N₂

Поскольку продукты реакции (N₂О и N₂) улетучиваются из почвы, растения ощущают большой недостаток азота. Эти по­тери могут составлять от 11 до 40 % усвояемых растениями азот­ных удобрений. На залитых водой рисовых чеках эти потери еще больше