Геохимический состав почв 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

Геохимический состав и токсикологическое значение почвы

Химический состав почвы сложен и представлен минеральными (неорганическими) и органическими веществами. Минеральные вещества на 60-80 % представлены кристаллическим кремнеземом или кварцем. Значительное место в минералогическом составе почвы занимают алюмосиликаты (природные глины), способные к ионному обмену.

Органические вещества почвы представлены как собственными органическими веществами, синтезированными почвенными микроорганизмами (гуммус), так и чужеродными, поступившими в почву извне.

В минеральный состав почвы входят в меньшем или большем количестве практически все элементы таблицы Д.И. Менделеева. Это обстоятельство обусловливает изменение минерального состава воды и многих растений, что сказывается на обеспеченности микроэлементами организма человека. Большая часть микроэлементов поступает в организм с растительными пищевыми продуктами, в молочных и мясных продуктах содержание их незначительно.

Разнообразие ландшафтов и природных зон определяет особенности круговорота и накопление тех или иных химических элементов в почве. Данное обстоятельство позволило А.П. Виноградову обосновать учение о биогеохимических провинциях — неравномерности распределения химических элементов на земном шаре в соответствии с геологическими и почвообразовательными факторами. Так, в одних районах отмечается дефицит некоторых элементов, в других, наоборот, — избыток. Это может приводить к развитию у населения отдельных территорий специфических болезней — эндемических заболеваний (геохимических эндемий).

В настоящее время достаточно хорошо изучены такие эндемические заболевания, как гипофтороз и флюороз, — связанные с недостатком или избытком фтора, эндемический зоб — обусловленный дефицитом йода. Высокое содержание в почве молибдена вызывает молибденоз (эндемическая подагра), свинца — поражение нервной системы, стронция хондро- и остеодистрофию, бора — борные энтериты. Крупные биогеохимические регионы дефицита селена на территории России обнаружены в Забайкалье, Читинской, Ярославской областях, Удмуртии и Карелии.

Эталоном почвы в России по содержанию микроэлементов считается черноземная почва центрального заповедника Курской области. Содержание химических веществ в почве оценивают в кларках, представляющих среднее содержание вещества в эталонных (незагрязненных) почвах.

Загрязнения почвы — это появление в ней химических соединений, не свойственных почве. Поступление в почву огромного количества промышленных отходов, химических удобрений, пестицидов и т.п. способствует образованию искусственных биогеохимических провинций с измененным составом и свойствами почвы. Около промышленных предприятий образуются техногенные биохимические провинции с повышенным содержанием в биосфере свинца, мышьяка, фтора, ртути, кадмия, марганца, никеля, молибдена и других элементов, представляющих реальную опасность прямого и косвенного влияния на организм человека (канцерогенное, мутагенное, аллергенное, эмбриотоксическое и др.).

Множество исследований свидетельствуют о токсикологической опасности загрязненной почвы. Вредное воздействие может передаваться по пищевым цепочкам, т.е. через воду, растения, а также через молоко и мясо животных, питающихся загрязненным кормом.

Установлено, что пылегазовые выбросы промышленных предприятий загрязняют почву в радиусе до 60-100 км. Так, вокруг предприятий цветной металлургии содержание в почве свинца, мышьяка, цинка, меди и серы может превышать нормативы в 2,5-200 раз. Загрязнение почвы тяжелыми металлами обусловливает загрязнение грунтовых вод в радиусе 5 км от этих заводов с превышением ПДК от 1,2 до 8,3 раза, а также приводит к накоплению этих металлов в растениях и продуктах питания. Население, проживающее вблизи данных предприятий, с пищей систематически получают повышенные количества свинца — в среднем 0,7 мг, цинка — более 16 мг, меди — около 2,3 мг и мышьяка — до 0,5 мг. Это приводит к различным заболеваниям. Так, в результате поступления свинца из почвы в организм человека наблюдаются изменения со стороны кроветворной и репродуктивной системы, а также злокачественные новообразования. Установлена связь между уровнем мышьяка в почвах и случаями заболеваний раком желудка, между содержанием молибдена и случаями заболеваний молибденовой подагрой и раком пищевода и др.

В почве вокруг нефтехимических и коксохимических предприятий резко увеличивается концентрация канцерогенного углеводорода бенз(а)пирена. Употребление овощей, выращенных на этих почвах, значительно повышает риск возникновения онкологических заболеваний.

В почве вокруг ртутных комбинатов в радиусе 2 км превышение фоновой концентрации ртути (0,15 мг/кг) составляет до 330 раз. Установлено, что при содержании ртути в почве около 30-40 мг/кг, ее количество в овощах (картофеле, моркови и др.) достигает 0,4-1,4 мг/кг и превышает предельно допустимый уровень в 25-87 раз. Длительное поступление повышенных количеств ртути в организм человека снижает иммунобиологическую реактивность, повышает общую заболеваемость, увеличивает частоту заболеваний нервной и эндокринной систем, снижает фертильность (способности производить потомство).

Почва вдоль дорог загрязняется выхлопными газами автотранспорта. Загрязнение почв тяжелыми металлами в придорожной полосе зависит от интенсивности движения и продолжительности эксплуатации дорог. Показано, что в поверхностном слое почвы (до 5 см) в 7-16-метровой придорожной зоне и интенсивности движения до 10000 транспортных средств сутки содержание железа составляет 600-1000 мг/кг, цинка — 20 мг/кг, свинца — 10 мг/кг, кадмия — 0,2 мг/кг.

Большое влияние на состав почвы оказывает широкомасштабная химизация сельского хозяйства. В гигиеническом отношении особое значение имеют устойчивые пестициды, которые накапливаются в почве, воде, продуктах растительного и животного происхождения, а также в организме человека. Они приводят к существенным сдвигам биохимических, микробиологических процессов и тяжелым нарушениям состояния здоровья населения. К таким пестицидам в первую очередь относят ДДТ и его производные.

Таким образом, загрязнения почвы включаются в «пищевую цепь», и представляют большую опасность для здоровья человека.

Гигиеническое нормирование экзогенных химических веществ в почве включает установление ПДК вещества в мг/кг почвы, которое проводится в несколько этапов.

На первом этапе осуществляется изучение физико-химических свойств вещества и его стабильности в почве.

Вторым этапом является обоснование объема экспериментальных исследований и ориентировочных пороговых концентраций по каждому показателю вредности.

На третьем этапе исследований осуществляется лабораторный эксперимент по обоснованию подпороговых концентраций по 6 показателям вредности:

· органолептический показатель вредности характеризует степень изменения пищевой ценности продуктов растительного происхождения, а также запаха атмосферного воздуха, вкуса, цвета, запаха воды и пищевых продуктов;

· общесанитарный показатель вредности характеризует влияние экзогенного вещества на самоочищающуюся способность почвы и ее биологическую активность;

· фитоаккумуляционный показатель характеризует способность нормируемого химического вещества переходить из почвы через корневую систему в растение и накапливаться в нем;

· миграционный водный показатель характеризует процесс миграции изучаемого вещества в поверхностные и подземные воды;

· миграционный воздушный показатель вредности характеризует процессы поступления химического вещества из почвы в атмосферный воздух путем испарения;

· токсикологический показатель характеризует степень токсичности экзогенного химического вещества при поступлении в организм экспериментальных животных с водой, пищей и т.д.

На четвертом этапе рассчитываются величины ПДУВ (предельно допустимый уровень внесения) и БОК (безопасное остаточное количество) для химических веществ конкретных почвенно-климатических условий.

На пятом этапе проводится изучение влияния загрязненной экзогенными химическими веществами почвы на состояние здоровья населения с целью корректировки гигиенических нормативов содержания в ней химических загрязнителей (ПДК, ПДУВ, БОК).

В настоящее время утверждены ПДК для 30 химических веществ, ПДК и ориентировочные допустимые количества для 111 пестицидов в почве.

Источник