Химия окружающей среды почва

Химия почвы — Soil chemistry

Химия почвы — это изучение химических характеристик почвы . Химический состав почвы зависит от минерального состава, органических веществ и факторов окружающей среды. Еще в начале 1850-х годов химик-консультант Королевского сельскохозяйственного общества в Англии по имени Дж. Томас Уэй провел множество экспериментов по обмену ионов в почве. В результате его кропотливой и напряженной работы он считается отцом химии почвы. Но после него многие другие известные ученые также внесли свой вклад в эту отрасль экологии, включая Эдмунда Раффина , Линуса Полинга и многих других.

СОДЕРЖАНИЕ

История

До конца 1960-х годов химия почвы была сосредоточена в первую очередь на химических реакциях в почве, которые способствуют почвообразованию или влияют на рост растений. С тех пор возросла озабоченность по поводу загрязнения окружающей среды , органического и неорганического загрязнения почвы и потенциальных рисков для экологического здоровья и окружающей среды . Следовательно, акцент в химии почв сместился с почвоведения и сельскохозяйственного почвоведения на экологическое почвоведение .

Химия окружающей среды почвы

Знание химического состава почв в окружающей среде имеет первостепенное значение для прогнозирования судьбы загрязнителей, а также процессов, посредством которых они изначально попадают в почву. Когда химическое вещество подвергается воздействию почвенной среды, может происходить множество химических реакций, которые могут увеличивать или уменьшать токсичность загрязняющих веществ. Эти реакции включают адсорбцию / десорбцию , осаждение , полимеризацию , растворение , комплексообразование и окисление / восстановление . Ученые и инженеры, занимающиеся восстановлением окружающей среды, часто игнорируют эти реакции . Понимание этих процессов позволяет нам лучше прогнозировать судьбу и токсичность загрязнителей и дает знания для разработки правильных с научной точки зрения и экономически эффективных стратегий восстановления.

Ключевые идеи

Структура почвы

Структура почвы относится к способу, которым эти отдельные частицы почвы; сгруппированы вместе, чтобы сформировать кластеры частиц, называемые агрегатами.

Формирование агрегатов

Агрегаты могут образовываться в различных условиях и отличаться друг от друга горизонтом почвы и строением.
Естественные агрегаты образуют так называемые педы, а искусственные агрегаты — комья.
Комья образуются из-за нарушения поля вспашкой или копанием.
Микробная активность также влияет на образование агрегатов.

Типы структуры почвы: классификация структурных форм почвы в основном основана на форме.

I.) Сфероидальная структура —

Его характеристики имеют сферическую или округлую форму. Все оси примерно одного размера, с изогнутыми и неправильными гранями. Они обычно встречаются на возделываемых полях.

а.) Структура мякиша небольшая и похожа на крошки хлеба из-за того, что они пористые.

б) Гранулированная структура менее пористая, чем агрегаты со структурой крошки, и более долговечны, чем агрегаты со структурой крошки.

II.) Пластинчатая структура-

его характеристики в основном выровнены по горизонтали вдоль растительных участков, при этом тонкие элементы являются ламинарными, а толстые элементы агрегатов классифицируются как пластинчатые. Пластинчатые структуры обычно встречаются на поверхности, а иногда и в нижних подпочвах.

III.) Блочно-подобная структура-

Он характеризуется частицами, которые расположены вокруг центральной точки и окружены поверхностями, которые могут быть плоскими или несколько округлыми. Эти типы обычно находятся в недрах.

а.) Угловые блоки — есть угловые углы

б.) Субугловые блочные углы более округлые, чем угловатые блочные агрегаты.

IV.) Призматическая структура-

Он характеризуется частицами, длина которых превышает их ширину, причем вертикальная ось больше горизонтальной оси. Обычно они встречаются в подпочвенном горизонте почв засушливых и полузасушливых регионов. Их можно разделить на две подгруппы.

а.) Призматический — более угловатый и шестиугольный в верхней части агрегата

б.) Столбчатые частицы, закругленные наверху агрегата.

Минералы

Минеральные компоненты почвы происходят из материнских пород или реголита. Минералы составляют около 90% от общего веса почвы. Некоторые важные элементы, которые находятся в сложном состоянии, — это O, Fe, Si, Al, N, P, K, Ca, Mg, C, H и т. Д.
Формирование первичных и вторичных минералов может лучше определить, какие минералы входят в состав породы.

Поры почвы

Взаимодействие микропор и макропор почвы имеет важное значение для химического состава почвы, поскольку они обеспечивают поступление воды и газообразных элементов в почву и окружающую атмосферу. Макропоры помогают переносить молекулы и вещества в микропоры и из них. Микропоры находятся внутри самих агрегатов.

Почвенная вода

Вода необходима для организмов в почвенном профиле и частично заполняет макропоры в идеальной почве.
Выщелачивание почвы происходит, поскольку вода уносит с собой ионы глубже в нижние горизонты почвы, в результате чего почва становится более окисленной в других горизонтах почвы.
Вода также будет переходить от более высокого водного потенциала к более низкому водному потенциалу, это может привести к капиллярной активности и гравитационной силе, возникающей с водой, связанной с адгезией воды к поверхности почвы и сплоченностью между молекулами воды.

Воздух / Атмосфера

Атмосфера содержит три основных газа: кислород, углекислый газ и азот. В атмосфере кислород составляет 20%, азот — 79%, а CO ₂ — от 0,15 до 0,65% по объему. CO ₂ увеличивается с увеличением глубины почвы из-за разложения накопленного органического вещества и обилия корней растений. Присутствие кислорода в почве важно, потому что он помогает расщеплять нерастворимую скальную массу на растворимые минералы и органическую гумификацию. Воздух в почве состоит из газов , которые присутствуют в атмосфере, но в разных пропорциях. Эти газы способствуют химическим реакциям в микроорганизмах. Накопление растворимых питательных веществ в почве делает ее более продуктивной. Если в почве не хватает кислорода, микробная активность замедляется или устраняется. Важными факторами, контролирующими почвенную атмосферу, являются температура, атмосферное давление, ветер / аэрация и осадки.

Текстура почвы

Текстура почвы влияет на химический состав почвы, в том числе на способность почвы сохранять свою структуру, ограничение потока воды и содержание частиц в почве. Текстура почвы учитывает все типы частиц, а треугольник текстуры почвы представляет собой диаграмму, которую можно использовать для расчета процентного содержания каждого типа частиц в сумме до 100% для профиля почвы. Эти почвенные сепараторы различаются не только по размеру, но и по влиянию на некоторые важные факторы, влияющие на рост растений, такие как аэрация почвы, работоспособность, движение и доступность воды и питательных веществ.

Песок

Размер частиц песка варьируется (от 0,05 до 2 мм). Песок является наиболее крупной из групп частиц. Песок имеет самые большие поры и частицы почвы из всех групп частиц. Кроме того, он легче всего дренируется. Когда эти частицы покрываются глиной, они становятся более вовлеченными в химические реакции.

Размер частиц ила варьируется (примерно 0,002-0,5 мм). Поры ила считаются средними по размеру по сравнению с другими группами частиц. Ил имеет консистенцию муки. Частицы ила позволяют воде и воздуху легко проходить, но сохраняют влагу для роста сельскохозяйственных культур. Илистая почва содержит достаточное количество питательных веществ, как органических, так и неорганических.

Глина

Глина имеет частицы самого маленького размера (около Суглинок

Сочетание песка, ила и глины, окружающее почвы. Его можно назвать на основе первичных частиц в составе почвы, например. супеси, суглинки, илистые суглинки и др.

Биота

Эти организмы вместе с органическими веществами составляют биологическую систему почвы.

Почвенные организмы

(SOM) Органическое вещество почвы

Гумус
Основными элементами, содержащимися в гумусе, являются углерод, водород, кислород, сера и азот. Важными соединениями, содержащимися в гумусе, являются углеводы, фосфорная кислота, некоторые органические кислоты, смолы, мочевина и т. Д.
Гумус — это динамичный продукт, который постоянно изменяется из-за окисления, восстановления и гидролиза. Следовательно, в нем много углерода и меньше азота.

Другие связанные концепции:

Емкость анионного и катионного обмена
PH почвы
Процессы минералообразования и трансформации и почвообразование
Минералогияглины
Реакции сорбции и осаждения в почве
Химия проблемных почв
Соотношение C / N
Эрозия и деградация почвы

Методы исследования

Новые знания о химии почв часто возникают в результате лабораторных исследований, в которых образцы почвы, взятые из ненарушенных горизонтов почвы в полевых условиях, используются в экспериментах, включающих повторные обработки и контроль. Во многих случаях образцы почвы сушат на воздухе при температуре окружающей среды (например, 25 o C) и просеивают до размера 2 мм перед хранением для дальнейшего изучения. Такая сушка и просеивание образцов почвы заметно нарушает структуру почвы, разнообразие микробной популяции и химические свойства, связанные с pH, окислительно-восстановительным статусом, степенью окисления марганца и растворенным органическим веществом; среди других свойств. Возобновление интереса в последних десятилетиях привел многие почвенные химик поддерживать образцы почвы в полевом влажном состоянии и хранить при температуре 4 о С в аэробных условиях до и во время исследований.

В лабораторных исследованиях химии почв часто используются два подхода. Первый известен как периодическое уравновешивание. Химик добавляет заданный объем воды или солевого раствора с известной концентрацией растворенных ионов к массе почвы (например, 25 мл раствора на 5 г почвы в центрифужной пробирке или колбе. Затем суспензию почвы встряхивают или перемешивают в течение заданное время (например, от 15 минут до многих часов) для установления устойчивого состояния или состояния равновесия перед фильтрацией или центрифугированием на высокой скорости для отделения песчинок, частиц ила и коллоидов глины от уравновешенного раствора. Фильтрат или центрифугирование затем анализируется с использованием одного из нескольких методов, включая ионно-специфические электроды, атомно-абсорбционную спектрофотометрию, спектрометрию с индуктивно связанной плазмой, ионную хроматографию и колориметрические методы. В каждом случае анализ количественно определяет концентрацию или активность иона или молекулы в фазе раствора. , и умножив измеренную концентрацию или активность (например, в мг ионов / мл) на соотношение раствора и почвы (мл экстракционного раствора / г почвы), химик получит результат в мг ионов / г почвы. Этот результат, основанный на массе почвы, позволяет сравнивать разные почвы и обработки. В соответствующем подходе используется известный объем раствора для выщелачивания (инфильтрации) экстрагирующего раствора через некоторое количество почвы в небольших колоннах с контролируемой скоростью для моделирования прохождения дождя, талой снеговой воды и поливной воды через почвы на поле. Затем фильтрат анализируют с использованием тех же методов, что и при периодическом уравновешивании.

Другой подход к количественной оценке почвенных процессов и явлений использует методы на месте, которые не разрушают почву, как это происходит, когда почва встряхивается или выщелачивается почвенным раствором. В этих методах обычно используются методы поверхностной спектроскопии, такие как инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR), ядерный магнитный резонанс (ЯМР), мессбауэровская спектроскопия и рентгеновская спектроскопия. Эти подходы направлены на получение информации о химической природе минералогии и химии поверхностей частиц и коллоидов, а также о том, как ионы и молекулы связаны с такими поверхностями посредством адсорбции, комплексообразования и осаждения.

Эти лабораторные эксперименты и анализы имеют преимущество перед полевыми исследованиями в том, что на основе данных можно сделать вывод о химических механизмах реакции ионов и молекул в почве. Можно сделать выводы или сформулировать новые гипотезы о сходных реакциях в разных почвах с различным составом, содержанием органических веществ, типами глинистых минералов и оксидов, pH и условиями дренажа. Недостаток лабораторных исследований состоит в том, что они теряют часть реализма и неоднородности ненарушенной почвы в поле, но при этом получают контроль и возможность экстраполяции на неизученную почву. Механистические лабораторные исследования в сочетании с более реалистичными, менее контролируемыми наблюдательными полевыми исследованиями часто дают точные приближения к поведению и химическому составу почв, которые могут быть пространственно неоднородными и изменчивыми во времени. Еще одна проблема, с которой сталкиваются почвенные химики, заключается в том, как можно изменить микробные популяции и активность ферментов в полевых почвах, когда почва нарушена, как в поле, так и в лаборатории, особенно когда образцы почвы высушиваются перед лабораторными исследованиями и анализом.

использованная литература

^ abc Спаркс, Дональд. «Экологическая химия почв: обзор». Химия почв окружающей среды (второе издание) .
^ Dong, Menghui (2 февраля 2021). «Сборка микробного сообщества в почвенных агрегатах: динамическое взаимодействие стохастических и детерминированных процессов» . Прикладная экология почв . 163 — через Elsevier Science Direct.
↑ Мур, Брайан (1 февраля 2003 г.). «Структура пор GAC в Цинциннати во время полномасштабной обработки / реактивации» . Американская ассоциация водопроводных сооружений . 95 : 103–112 — через JSTOR.
Перейти ↑ Weil, Ray (2019). Элементы природы и свойств почв . Пирсон . С. 120–123. ISBN978-0-13-325459-4 .
↑ Norman, AG (1 января 1957 г.). «Взаимоотношения почвы и растений и питание растений» . Американский журнал ботаники . 44 (1): 67–73. DOI : 10.2307 / 2438347 . ЛВП : 2027,42 / 142079 . JSTOR2438347 — через JSTOR.
^ Го, Mingming (10 июня 2021). «Восстановление растительности вызвало изменение эродируемости почвы под влиянием состояния склонов на Лессовом плато» . Наука об окружающей среде в целом . 772 — через Elsevier Science Direct.
^ Бартлетт, Ричмонд; Джеймс, Брюс (1980). «Изучение высушенных, хранящихся образцов почвы — некоторые подводные камни». Журнал Общества почвоведов Америки . 44 (4): 721–724. Bibcode : 1980SSASJ..44..721B . DOI : 10,2136 / sssaj1980.03615995004400040011x .
^ Миммо, Т; Марзадори, К; Гесса, CE (2008). «Экстракция органических кислот из почвы ризосферы: влияние полевых влажных, высушенных и замороженных образцов». Растение и почва . 312 (1–2): 175–184. DOI : 10.1007 / s11104-008-9574-8 . S2CID22059913 .
^ Блейлок, Майкл Дж .; Джеймс, Брюс Р. (1993). «Количественное определение селенита и селената с помощью атомно-абсорбционной спектрометрии, ионной хроматографии и колориметрии». Журнал качества окружающей среды . 22 (4): 851–857. DOI : 10,2134 / jeq1993.00472425002200040031x .
^ Ланглуа, Кристина Л .; Джеймс, Брюс Р. (2014). «Химия окисления-восстановления хрома на границах раздела почвенных горизонтов, определяемых оксидами железа и марганца». Журнал Общества почвоведов Америки . 79 (5): 1329–139. DOI : 10.2136 / sssaj2014.12.0476 .
^ Шабрийа, Сабина; Бен-Дор, Эял; Вискарра Россель, Рафаэль А .; Дематте, Хосе AM (2013). «Количественная спектроскопия почв» . Прикладное и экологическое почвоведение . 2013 : 3. DOI : 10,1155 / 2013/616578 .
^ Фишер, Кристин А .; Мейзингер, Джон Дж .; Джеймс, Брюс Р. (2016). «Скорость гидролиза мочевины в почвенной последовательности под влиянием pH, углерода, азота и растворимых металлов». Журнал качества окружающей среды . 45 (1): 349–359. DOI : 10,2134 / jeq2015.05.0228 . PMID26828191 .

Сонон, Л.С., Чаппелл М.А. и Евангелу В.П. (2000) История химии почв . URL-адрес просмотрен 11 апреля 2006 г.

внешние ссылки

СМИ, связанные с химией почв, на Викискладе?

Эта статья на тему почвоведения незавершена . Вы можете помочь Википедии, расширив ее .

Источник