Геохимический процесс почвы это

Геохимия почв

Геохимические идеи проникли в почвоведение в начале XX века. Основоположниками геохимии почв были В.И. Вернадский и К.К. Гедройц. Почва – верхний горизонт литосферы, вовлечённый в биологи­ческий круговорот при участии растений, животных и микроорганиз­мов, область наивысшей геохимической, энергии живого вещества. Именно в почвах наиболее сосредоточена геологическая работа живого вещества; именно в почвах готовится тот материал континентальных и морских отложений, из которого в дальнейшем образуются новые поро­ды. Но в то же время в почвах сосредоточены и те процессы, совокупность которых обусловливает эволюцию органического мира. Здесь разыгрываются многообразные формы борьбы за существование и прис­пособления организмов к изменяющимся условиям их жизни, создают­ся многообразные сообщества (биоценозы) и формируются новые виды многочисленных низших организмов и высших растений.

Геохимическая сущность почвообразования заключается в разло­жении органических веществ микроорганизмами. Эти процессы интен­сивны во влажных тропиках, слабы в тундре. Разлагая остатки расте­ний и животных, микроорганизмы поставляют в почву растворы CO₂, органические кислоты и другие химические высокоактивные соединения. Чем больше разлагается органического вещества, тем богаче почва химически работоспособной энергией, тем дальше она от равновесия. Почвы – это особо неравновесные, чрезвычайно динамичные биокосные системы.

Корни растений, как насос, «перекачивают» элементы из нижних горизонтов почвы в верхние. Это относится к P, S, Ca, K, многим микроэлементам. В результате такой биогенной аккумуляции создаётся возможность обогащения этими элементами верхних гори­зонтов почв, улучшения среды существования растений. Биогенное на­копление Be, Co, Ni, Zn, Ge, As, Cd, Sn и других редких элементов в гумусовом горизонте лесной почвы впервые обнаружил в 30-х годах В.М. Гольдшмидт. Позднее эти явления были установлены и в других почвах. Поглощая катионы, корни выделяют H + , а погло­щая анионы – ОН — . Возможно, что в результате минерального питания растений в почву непрерывно поступает H + – важный фактор выветри­вания.

Наряду с биогенной аккумуляцией, направленной снизу вверх, в почвах наблюдается и нисходящая миграция водных растворов. Поэто­му реальное распределение элементов в почвах определяется не толь­ко биогенной аккумуляцией, но и выщелачиванием. В результате почва расчленяется на горизонты с особыми физико-химическими условиями. Имеются почвы, в которых верхний горизонт кислый, нижний – щелоч­ной, в верхнем горизонте господствует окислительная среда, в ниж­нем – восстановительная и т. д.

Таким образом, почвообразование приводит к дифференциации элементов – однородная горная порода превращается в неоднородный почвенный профиль со многими горизонтами. Поэтому в почве накапли­вается не только энергия, но и информация.

Разложение органических веществ – это окислительно-восстановительный процесс, так как C, H и другие элементы, входящие в состав органических соединении, при их разложении окисляются до простых минеральных соединений, а главный окислитель O₂ восстанавливается. Окислителями и восстановителями могут быть и Fe, Mn и другие элементы, но суть процесса от этого не меняется. С гео­химических позиций сущность почвообразования состоит в окислитель­но-восстановительных реакциях. Поэтому и главные различия между почвами связаны с этими реакциями. Для всех почв характерна окис­лительно-восстановительная зональность, которая наиболее наглядна, когда в почве окислительная обстановка сменяется восстановитель­ной, – глеевой или сероводородной.

Геохимический анализ почвообразования позволяет выделить три основных ряда почв. Почвы первого ряда – с окислительной обстанов­кой. Они образуются там, где атмосферный воздух легко проникает в почву, где глубоко залегают грунтовые воды. Это горные почвы, мно­гие водораздельные почвы равнин. К ним относятся чернозёмы, крас­нозёмы, каштановые почвы, бурозёмы, большинство почв пустынь и т.д. Почвы второго ряда – с глеевой обстановкой распространены на заболоченных равнинах в районах влажного климата. В глеевых поч­вах часто содержится растворимое органическое вещество, в том числе различные органические кислоты, которые образуются при не­полном окислении растительных остатков. Почвы третьего рода – с восстановительной сероводородной обстановкой распространены не столь широко. К ним относятся многие солончаки и некоторые дру­гие почвы. В пределах рядов выделяются чернозёмные, подзолистые, бурые лесные, коричневые, серозёмные, краснозёмные и другие типы почв. Размещение их подчиняется климатической зональности. Типы почв – это, прежде всего, типы разложения органических веществ, ти­пы биогенной аккумуляции химических элементов, типы окислительно-­восстановительной зональности.

Илы.

В.И. Вернадский писал, что ил – это природное тело, аналогичное почве, где гидросфера занимает место атмосферы. Как и поч­вы, илы – неравновесные динамические биокосные системы, богатые свободной энергией. Сущность илообразования заключается в разло­жений органических веществ, в окислительно-восстановительных реак­циях. И для илов характерен профиль, расчленяющийся на горизонты, окислительно-восстановительная зональность, геохимические барьеры. Однако в отличие от почв илы растут снизу вверх и, следовательно, не имеют «материнской природы». Для них характерно, постоянное увлажнение. В образовании илов, как правило, не принимают участие, высшие растения. Всё это определяет меньшее разнообразие илов, их большую однородность в пространстве. Выделяют три ряда илов. Окис­лительные илы образуются в океанах, морях, озёрах и реках – всюду, где господствуют кислородные воды, создаются условия для переме­шивания вод. В морях и океанах окислительная среда характерна для. прибрежных песков, зоны волнений, а также для больших глубин, где мало органических остатков, а холодная вода богата растворённым O₂. Около 50% дна Тихoгo океана покрыто красной глубоководной глиной, ко­торая осаждается на глубинах более 4500 м с очень малой скорос­тью (за 1000 лет образуется лишь несколько миллиметров ила). Окис­лительные илы имеют преимущественно жёлтую, бурую, красную окрас­ку, обусловленную гидроксидом трёхвалентного железа.

Глеевые илы особенно характерны для озёр районов влажного климата. Здесь разлагается много органического вещества, сульфатов в водах мало. В результате развивается глеевая обстановка, Fe 3+ , Mn 4+ восстанавливаются, илы приобретают сизую, зеленоватую, се­рую окраску. В глеевых илах не хватает O₂ дляокисления органи­ческих веществ, их разложение замедляется. В лесной зоне постепен­но на дне накапливается «гнилой озёрный ил». Он богат органическими соединениями (до 29%), среди которых обнаружены витамины и дру­гие биологически активные вещества. Он используется как удобрение, подкормка для животных (белок, витамин В₁₂), как лечебная грязь.

Сероводородные (сульфидные) илы широко распространены в мо­рях и океанах, озёрах степей и пустынь, где преобладают сульфат­ные воды, развивается десульфуризация, продуцируется HgS, обра­зуются сульфиды железа. Илы имеют серый, чёрный и синеватый цвет (за счёт сульфидов). Сульфидные илы солёных озёр степей и пустынь представляют большую ценность в бальнеологическом отношении и ис­пользуются как лечебные грязи. Процессы превращения ила (осадка) в осадочную породу называются диагенезом.

Источник

Почвенные горизонты как геохимические барьеры

Почвы выполняют многообразные экологические функции, обусловливающие устойчивость как отдельных биогеоценозов, так и биосферы в целом [75]. Одной из важных и комплексных функций почв является регулирование поведения загрязнителей. Многие проблемы загрязнения окружающей среды зависят от поведения загрязнителей в различных почвенных условиях: сами загрязнители, продукты их деградации закрепляются в почвах, трансформируются в них, поступая в том или ином виде в пищевые цепи, или выносятся за пределы почвенной толщи и, попадая в горизонты грунтовых вод, циркулируют в природных средах. В этой связи большое значение имеет функционально-экологический подход в изучении почв, как основного звена ландшафтных систем и как основного «экологического акцептора», предусматривающий анализ свойств и режимов почв, определяющих их функционирование и изменчивость.

Поведение в почвах загрязняющих веществ во многом определяется обстановками миграции в почвенном профиле. Миграционная способность элементов и соединений в почвах, процессы их трансформации обусловлены, прежде всего, кислотно-основными (рН) и окислительно-восстановительными (Eh) условиями и наличием радиальных геохимических барьеров.

Кислотно-основные и окислительно-восстановительные условия в почвах определяют формы нахождения и подвижность многих химических элементов и соединений, а также обусловливают состав почвенной микрофлоры и интенсивность биохимических и микробиологических процессов. Так, поле нейтральных значений рН особенно благоприятно для жизнедеятельности большинства микроорганизмов — деструкторов органических веществ; низкие величины рН свидетельствуют об агрессивности среды по отношению к минеральным компонентам и благоприятны для миграции катионогенных элементов (например, Cu, Zn, Pb).

Окислительно-восстановительные условия существенно влияют на подвижность химических элементов с переменной валентностью. Резко выраженные окислительные условия способствуют ускоренному разложению ряда соединений (например, углеводородов, органических пестицидов). Восстановительная обстановка существенно ослабляет микробиологическую активность почв. Резкая смена окислительно-восстановительных условий в пространстве приводит к быстрому осаждению и концентрации некоторых элементов-мигрантов в зоне контакта окислительных и восстановительных обстановок, например, Fe, Mn.

В зависимости от сочетаний кислотно-основных и окислительно-восстановительных параметров в почвах формируются определенные условия миграции и аккумуляции многих элементов. В зависимости от почвенно-геохимических условий часть удерживаемых в почвах микроэлементов, в том числе высокотоксичных, переходит в труднорастворимые и труднодоступные для растений формы; другие элементы могут образовывать относительно мобильные, но все же накапливающиеся формы, поэтому особенно опасны для биоты. Ряд элементов в определенных условиях образует легкорастворимые формы, которые в условиях промывного режима выносятся за пределы почвенного профиля, но могут загрязнять грунтовые воды и накапливаться в почвах подчиненных элементов рельефа.

В кислых окислительных условиях ряд микроэлементов образует легкоподвижные формы, в частности в эту группу входят такие токсичные элементы как Hg и Cd. Но значительная группа элементов в этих условиях образует слабоподвижные соединения, которые могут накапливаться и быть доступными для растений; среди них есть также токсичные — Pb, As, Se. В кислых восстановительных условиях подвижность многих микроэлементов уменьшается; ряд тяжелых металлов образуют нерастворимые или слаборастворимые сульфиды. В то же время Pb, Cr, Ni, Co, Cu, Zn, Cd, Hg в этих условиях образуют относительно подвижные формы.

Величины рН и Eh могут иметь относительно равномерное распределение в почвенном профиле, либо варьировать в связи с направленностью почвообразующих процессов, свойствами генетических горизонтов и/или по сезонам.

Особое значение для анализа условий миграции и аккумуляции веществ, особенно загрязнителей, имеют геохимические барьеры, т.е. участки, где на коротком расстоянии резко меняются условия миграции, что приводит к концентрации химических элементов или их соединений. Протяженность барьера в радиальном направлении зависит от степени резкости смены условий миграции. При контрастной смене это может быть узкая полоска в 1—2 см на границе почвенных горизонтов; при более постепенном изменении геохимических условий в качестве барьера выступает весь генетический горизонт почв.

Выделяются следующие основные группы геохимических барьеров: биогеохимические, физико-химические и механические. Поверхностные биогеохимические барьеры разделяются на органические (торф, подстилки, опад, грубогумусовые горизонты) и органо-минеральные (собственно гумусовые горизонты). Поверхностные горизонты почв принимают на себя «первый удар» при техногенных воздействиях и выполняют очень важные и сложные барьерные функции. На биогеохимических барьерах в верхних почвенных горизонтах аккумулируются многие опасные загрязнители (тяжелые металлы, нефтепродукты, радионуклиды и др.), предохраняя минеральные горизонты почв от загрязнения. В то же время, это корнеобитаемые горизонты, и избыток загрязняющих веществ может вовлекаться в биологический круговорот.

Среди внутрипочвенных физико-химических барьеров различают: кислые, щелочные, карбонатные, глеевые, сорбционные, испарительные, сероводородные (резко восстановительные), мерзлотные. Сорбционные барьеры подразделяются на хемосорбционные и сорбционно-седиментационные. Хемосорбционные барьеры связаны, главным образом, с аморфными гидроксидами Fe, Mn и Al и их органо-минеральными соединениями в срединных горизонтах почв. Наиболее ярким примером хемосорбционного геохимического барьера является железисто-гумусово-иллювиальный горизонт подзолов или подбуров; в качестве более редкого и даже «экзотического» варианта хемосорбционного барьера можно привести охристые горизонты пепловых почв. Сорбционно-седиментационные барьеры обусловлены утяжелением гранулометрического состава и наличием в почвенном профиле текстурных горизонтов.

От наличия радиальных барьеров в средней части почвенного профиля в значительной мере зависит степень воздействия загрязнителей на почвообразующие и подстилающие породы и грунтовые воды.

Характер геохимических барьеров существенно меняется в почвах различных природных зон и в сопряженном ряду почв по катене. Некоторые почвы имеют относительно однородные, неконтрастные геохимические условия по профилю, например, подбуры, буроземы. Генетический профиль других почв довольно сложен и представляет собой «слоеный пирог», характеризующийся системой радиальных барьеров — поверхностно-почвенных и внутрипочвенных, причем один и тот же генетический почвенный горизонт может выполнять функции разных геохимических барьеров. Например, органогенные горизонты, будучи биогеохимическими барьерами, часто являются сорбционными и кислыми (в случае торфяных горизонтов) барьерами. Текстурный горизонт в дерново-подзолистых почвах может быть одновременно сорбционным и механическим барьером.

Способность геохимических барьеров к накопительной концентрации обусловлена их емкостью. Геохимические барьеры на качественном уровне можно разделить на высоко-, умеренно- и малоемкие. Ориентировочно емкость радиальных барьеров определяется по мощности горизонтов, составу и содержанию органических веществ (например, гумусового), по содержанию каких-либо компонентов твердой фазы почв (илистых фракций, поглощенного Na+, CaCO₃ и т.д.). Например, емкость карбонатного барьера зависит от количества карбонатов, способных нейтрализовать кислые техногенные потоки; емкость сорбционных барьеров обусловлена величиной емкости поглощения. Высокоемкие барьеры задерживают большие количества мигрантов либо сорбируют вещества с большими молекулярными массами. Примерами подобных барьеров могут служить органические (торфяные) горизонты болотных почв. Малоемкие барьеры, например, лесные подстилки и/или грубогумусовые горизонты подзолов, способны удержать небольшое количество загрязнителей.

Наличие в почвах геохимических барьеров, с одной стороны, увеличивает геохимическую устойчивость почв, так как способствует переходу элементов-загрязнителей в малоподвижные и, соответственно, менее доступные для растений формы. С другой стороны, накопление техногенных веществ повышает уровень содержания токсичных элементов и может превратить почвы в «химические бомбы замедленного действия».

Кроме понятия геохимического барьера введено понятие геохимического стартера — т.е. совокупности факторов, способствующих увеличению подвижности элементов и их мобилизации, вовлечению в миграционные потоки и в биологический круговорот [50]. Многие почвенные горизонты, представляя собой геохимические барьеры для какой-либо одной ассоциации элементов, являются горизонтами-стартерами для другой группы. Например, в глеевых и оглеенных горизонтах различных почв формируется глеевый барьер, на котором накапливаются элементы, миграционная способность которых в восстановительных условиях понижена, в частности, Pb, Cu, Zn, Co, Cd. В то же время, это стартер для элементов Fe 2+ , Mn, Cr.

Представленные на рисунках схемы почвенно-геохимических обстановок и сочетаний геохимических барьеров в наиболее распространенных почвах России наглядно иллюстрируют разнообразие этих параметров и могут быть использованы при эколого-геохимическом картографировании.

Источник