Теоретические и методические проблемы почвенного раствора

Лекции №5 СРСП №5

Почвенный раствор участвует в в процессах абиотических взаимодействий и масспереноса в почвах: сорбционном, комплексо- и хелатообразовании, физико-химическом разложении веществ; а также в процессах абиотического перемещения веществ в почвах.
Сорбционные процессы характеризуются перераспределением вещества в ионной и молекулярной формах между твердой, жидкой и газообразной формами почвы. Твердая фаза почвы благодаря развитой поверхности, наличию различных функциональных групп, представляет собой сложный полифункциональный сорбент, способный к одновременному поглощению катионов. Анионов и нейтральных молекул. При этом прочность образующихся связей, механизм поглощения, возможность обратного перехода сорбированных почвой частиц в раствор или газообразную фазу очень сильно варьируют. Обычно в почвах выделяют несколько типов сорбционных взаимодействий. Обменное и необменное поглощение ионов, главным образом катионов, характерно для всех типов почв. Различные почвы в зависимости от гранулометрического состава, содержания органического вещества и других особенностей, способны поглощать от единиц до десятков миллиграмм-эквивалентов катионов на 100 гр. Почвы. При этом для большей части поглощенных катионов соблюдается правило обратимости и эквивалентности ионного обмена. Согласно этому правилу, поглощенные катионы твердой фазы могут замещаться другими катионами из почвенного раствора в эквивалентных количествах. Таким образом, обменно сорбированные катионы способны легко переходить в почвенный раствор, поглощаться растениями, мигрировать в результате диффузии, перемещаться с почвенной влагой и т.д. В то же время наряду с обменным поглощением некоторые катионы способны необменно поглощаться твердой фазой почвы, или, как иногда говорят, фиксироваться. Состав поглощенных катионов оказывает существенное влияние на корневое питание, а следовательно, и на жизнь растений. Так, избыточное содержание обменных водорода и алюминия в кислых почвах таежной зоны и влажных субтропиков может оказывать угнетающее действие на многие культурные растения и должно быть устранено известкованием. Избыточное содержание обменных натрия и магния в засоленных почвах также оказывает неблагоприятное действие на плодородие почв и устраняется различными приемами химической мелиорации, например, гипсованием. Почвы также обменно и необменно поглощают анионы, хотя эта способность выражена заметно слабее, поскольку в почвах преобладают функциональные группы, несущие отрицательный заряд. Обменные и необменные поглощения ионов показывают, что сорбция не только массперенос вещества на коллоидном и микроагрегатном уровне, но и один из видов трансформации вещества, приводящий к возникновению качественно новых поверхностей в почвах, изменению концентрации ионов в почвенных растворах. В принципе любой тип сорбционного взаимодействия в почве может рассматриваться как трасформационный абиотический процесс. В почвах также широко представлены другие виды сорбционных взаимодействий — поглощение молекул по типу физического взаимодействия, химического взаимодействия с образованием различных по характеру и прочности связи сорбционных систем и т.д. Процессы сорбционного закрепления молекул имеют исключительно важное значение в сохранении и относительной стабилизации почвенного гумуса, детоксикации многих пестицидов, вносимых в пахотные почвы. Комплексо — и хелатообразование широко представлено в почвах благодаря наличию в них многих веществ, особенно органических, способных образовывать особый класс более сложных химических соединений, отличающихся характерным строением, в частности, наличием атома металла (реже неметалла) в определенном валентном состоянии, связанного с одним или несколькими способными к самостоятельному существованию ионами или молекулами. Вещества типа хелатов представляют собой особую группу комплексных соединений. Комплексо- и хелатообразование может протекать в почвенном растворе практически без участия твердой фазы. В результате этих процессов существенно изменяются свойства молекул и ионов, участвующих во взаимодействии. Например, ионы металлов, входящие в состав комплексных соединений, могут полностью утратить способность к обменномк поглощению, и за счет этого существенно увеличивать способность к перемещению в составе почвенного раствора. Изменяется и способность к биологическому поглощению закомплексованного иона. В настоящее время комплексообразованию придается важное значение в процессах трансформации и миграции вещества во многих почвах. В почвах также могут протекать реакции комплексообразования, сопровождающиеся переходом продуктов взаимодействия, образующих комплекс, в твердую фазу почвы. В этом случае имеет место так называемая комплексообразовательная сорбция. физико-химическое разложение вещества в почве наиболее изучено для некоторых веществ, поступающих в почву извне, Например, органических пестицидов, молекула которых распадаются на более простые соединения. Известно, что в этом распаде определенную роль может играть гидролиз, в частности, с участием гидролитических ферментов, образующихся микробилогическим путем. Некоторые компоненты почвы, например гумус, могут играть роль катализаторов, существенно ускоряющих химические процессы. Определенная роль отводится и фоторазложению - распаду вещества под действием солнечного света. Почвенные соединения также подвержены разложению под влиянием абиогенных физико-химических факторов, в т.ч. процессов кислотного и щелочного гидролиза некоторых минералов. Почвенные растворы также участвуют в процессах перемещения вещества. В почвах, расположенных на территориях с достаточным количеством атмосферных осадков, наблюдается более или менее интенсивное нисходящее перемещение почвенной влаги, вместе с которой перемещаются и растворенные вещества, а также взвешенные тонкодисперсные частицы. Этим потокам традиционно отводилось очень большое место в формировании многих типов почв. В естественных биогеоценозах на почвах подзолистого типа, в меньшей степени в других типах почв, благодаря нисходящей абиогенной миграции осуществляется возврат в корнеобитаемый слой биофильных элементов, вынесенных на поверхность почвы биологическим путем. Основные звенья биогеохимического круговорота веществ в почвах включают биологическое перемещение вещества снизу вверх и абиотическую миграцию его в обратном направлении. Благодаря абиотической нисходящей вертикальной миграции происходит перемещение удобрений, сельскохозяйственных ядохимикатов, различных загрязнений по профилю почв и частичное их поступление в грунтовые воды. Пути вертикальной миграции вещества в почвах довольно сложны. В почвах осуществляется не сплошной фронтальный перенос влаги и растворенных веществ, а перемещение локализовано по трещинам, ходам корней и т.д. Кроме того, направление потоков вследствие неоднородности почвы, наличия постоянных и временных водоупоров и по другим причинам часто более или менее значительно отклоняется от строго вертикального, переходя в ряде случаев в боковые латеральные потоки. В процессе миграции меняется состав почвенного раствора. Это связано с тем, что средняя скорость перемещения растворенного вещества ниже скорости перемещения воды, т.к. вода перемещается по полостям и объемам почвы, не заполненным твердой фазой, а почвенный раствор вследствие большей или меньшей сорбируемости, перемещаясь по тем же каналам, что и вода, периодически входит в состав твердой фазы, т.е. Одновременно с перемещением вещества в составе жидкой фазы протекают процессы его сорбции и десорбции. При исследовании скорости и путей перемещения почвенных растворов удобно использовать изотопно-индикаторный, а также лизиметрический методы. При этом удается наблюдать траектории перемещения вещества, оценивать средние скорости перемещения и т.д. Используется также метод лизиметрических хроматографических колонок, разработанный Кауричевым и Ноздруновой. Анализ сорбированного вещества позволяет установить, какое его количество может выноситься из определенной части почвы или вносится в нее за время наблюдения.

Дата добавления: 2014-12-08