Подкисление почвы — это накопление катионов водорода , что снижает pH почвы . Химически это происходит, когда в почву добавляется донор протонов . Донором может быть кислота , например , азотная кислота , серная кислота или угольная кислота . Это также может быть соединение, например, сульфат алюминия , который реагирует в почве, высвобождая протоны. Подкисление также происходит, когда из почвы выщелачиваются основные катионы, такие как кальций , магний , калий и натрий .
Подкисление почвы происходит естественным образом, когда лишайники и водоросли начинают разрушать скальные поверхности. Кислоты продолжают это растворение по мере развития почвы. Со временем и под воздействием выветривания почвы становятся более кислыми в естественных экосистемах. Скорость подкисления почвы может варьироваться и увеличиваться под воздействием определенных факторов, таких как кислотные дожди , сельское хозяйство и загрязнение. [1]
Осадки имеют естественную кислотность из-за угольной кислоты, образующейся из углекислого газа в атмосфере [ требуется ссылка ] . Это соединение приводит к тому, что pH осадков составляет около 5,0–5,5. Когда уровень pH осадков ниже естественного, это может вызвать быстрое закисление почвы. Диоксид серы и оксиды азота являются предшественниками более сильных кислот, которые могут привести к образованию кислотных дождей при реакции с водой в атмосфере. Эти газы могут присутствовать в атмосфере из-за естественных источников, таких как молнии и извержения вулканов, или из-за антропогенных выбросов. [2] Основные катионы, такие как кальций, вымываются из почвы в виде кислотных осадков, что позволяет повысить уровни алюминия и протонов. [3] [4]
Азотная и серная кислоты в кислотных дождях и снеге могут оказывать различное воздействие на подкисление лесных почв, особенно сезонно в регионах, где снежный покров может накапливаться зимой. [5] Снег, как правило, содержит больше азотной кислоты, чем серной кислоты, и в результате импульс талой снеговой воды, богатой азотной кислотой, может просачиваться через высокогорные лесные почвы в течение короткого периода весной. [6] Этот объем воды может составлять до 50% годовых осадков. Смыв азотной кислоты талой водой может вызвать резкое кратковременное снижение pH дренажной воды, поступающей в грунтовые и поверхностные воды. [7] Снижение pH может растворять Al 3+ , который токсичен для рыб, [8] особенно для недавно вылупившихся мальков с незрелыми жаберными системами, через которые они пропускают большие объемы воды, чтобы получить O 2 для дыхания. По мере прохождения смыва талой снеговой воды температура воды повышается, а озера и ручьи производят больше растворенного органического вещества; концентрация Al в дренажной воде уменьшается и связывается с органическими кислотами, что делает ее менее токсичной для рыб. В дожде соотношение азотной и серной кислот уменьшается примерно до 1:2. Более высокое содержание серной кислоты в дожде также может не высвобождать столько Al 3+ из почв, сколько азотной кислоты, отчасти из-за удержания (адсорбции) SO 4 2- почвами. Этот процесс высвобождает OH − в почвенный раствор и буферизует снижение pH, вызванное добавленным H + из обеих кислот. Органические почвенные горизонты (слои) лесной подстилки с высоким содержанием органического вещества также буферизуют pH и уменьшают нагрузку H+, которая впоследствии выщелачивается через нижележащие минеральные горизонты. [9] [10]
Корни растений подкисляют почву, высвобождая протоны и органические кислоты, чтобы химически выветривать минералы почвы. [11] Разлагающиеся остатки мертвых растений на почве также могут образовывать органические кислоты, которые способствуют подкислению почвы. [12] Подкисление от листовой подстилки на горизонте O более выражено под хвойными деревьями, такими как сосна , ель и пихта , которые возвращают меньше катионов оснований в почву, чем под лиственными деревьями ; однако различия pH почвы, приписываемые растительности, часто существовали до этой растительности и помогают отбирать виды, которые их переносят. Накопление кальция в существующей биомассе также сильно влияет на pH почвы - фактор, который может варьироваться от вида к виду. [13]
Некоторые исходные материалы также способствуют закислению почвы. Граниты и родственные им магматические породы называются «кислыми», потому что в них много свободного кварца , который при выветривании производит кремниевую кислоту . [14] Кроме того, в них относительно мало кальция и магния. Некоторые осадочные породы, такие как сланец и уголь , богаты сульфидами , которые при гидратации и окислении производят серную кислоту, которая намного сильнее кремниевой кислоты. Многие угольные почвы слишком кислые, чтобы поддерживать бурный рост растений, а уголь выделяет сильные предшественники кислотных дождей, когда он сжигается. Морские глины также во многих случаях богаты сульфидами, и такие глины становятся очень кислыми, если их осушить до окислительного состояния.
Почвенные добавки, такие как химические удобрения, могут вызывать закисление почвы. Удобрения на основе серы могут быть сильно закисляющими, например, элементарная сера и сульфат железа, в то время как другие, такие как сульфат калия, не оказывают существенного влияния на pH почвы . В то время как большинство азотных удобрений оказывают закисляющее действие, азотные удобрения на основе аммония являются более закисляющими, чем другие источники азота. [15] Азотные удобрения на основе аммиака включают сульфат аммония , диаммонийфосфат , моноаммонийфосфат и нитрат аммония . Органические источники азота, такие как мочевина и компост , являются менее закисляющими. Источники нитрата, которые содержат мало или совсем не содержат аммония, такие как нитрат кальция , нитрат магния , нитрат калия и нитрат натрия , не являются закисляющими. [16] [17] [18]
Подкисление может также происходить из-за выбросов азота в воздух, поскольку азот может в конечном итоге осаждаться в почве. [19] Животноводство ответственно за почти 65 процентов антропогенных выбросов аммиака . [20]
Антропогенные источники диоксидов серы и оксидов азота играют важную роль в увеличении образования кислотных дождей. [ необходимо разъяснение ] Использование ископаемого топлива и выхлопные газы автомобилей являются крупнейшими антропогенными источниками серных газов и оксидов азота соответственно. [21]
Алюминий — один из немногих элементов, способных сделать почву более кислой. [22] Это достигается за счет того, что алюминий забирает гидроксид-ионы из воды, оставляя ионы водорода. [23] В результате почва становится более кислой, что делает ее непригодной для жизни многих растений. Другим следствием алюминия в почве является токсичность алюминия, которая подавляет рост корней. [24]
Подходы к управлению сельским хозяйством, такие как монокультура и химическое удобрение, часто приводят к проблемам с почвой, таким как закисление почвы, деградация и болезни, передающиеся через почву, что в конечном итоге оказывает негативное влияние на производительность и устойчивость сельского хозяйства. [25] [26]
Подкисление почвы может нанести вред растениям и организмам в почве. У растений подкисление почвы приводит к образованию более мелких и менее прочных корней. [27] Кислые почвы иногда повреждают кончики корней, что снижает дальнейший рост. [28] Высота растений ухудшается, а также снижается всхожесть семян . Подкисление почвы влияет на здоровье растений, что приводит к уменьшению покрытия и снижению плотности растений. В целом, у растений наблюдается задержка роста. [29] Подкисление почвы напрямую связано с сокращением численности видов растений, находящихся под угрозой исчезновения. [30]
В почве подкисление снижает микробное и макрофаунистическое разнообразие. [31] Это может уменьшить ухудшение структуры почвы, что делает ее более чувствительной к эрозии. В почве меньше доступных питательных веществ, большее воздействие токсичных элементов на растения и последствия для биологических функций почвы (таких как фиксация азота ). [32] Недавнее исследование показало, что монокультура сахарного тростника вызывает кислотность почвы, снижает плодородие почвы, изменяет микробную структуру и снижает ее активность. Кроме того, большинство полезных бактериальных родов значительно сократилось из-за монокультуры сахарного тростника, в то время как полезные грибковые роды показали обратную тенденцию. [33] Таким образом, смягчение кислотности почвы, улучшение плодородия почвы и ферментативной активности почвы, включая улучшенную микробную структуру с полезными услугами для растений и почвы, может быть эффективной мерой для разработки устойчивой системы выращивания сахарного тростника. [25]
В более широком масштабе закисление почвы связано с потерями в сельскохозяйственной продуктивности из-за этих эффектов. [31]
Воздействие кислой воды и закисления почвы на растения может быть незначительным или в большинстве случаев значительным. В незначительных случаях, которые не приводят к гибели растений, включают: менее чувствительные растения к кислым условиям и/или менее сильные кислотные дожди. Также в незначительных случаях растение в конечном итоге погибнет из-за того, что кислая вода понижает естественный pH растения. Кислая вода попадает в растение и заставляет важные минералы растения растворяться и уноситься; что в конечном итоге приводит к гибели растения от недостатка минералов для питания. [34] В серьезных случаях, которые являются более экстремальными; происходит тот же процесс повреждения, что и в незначительных случаях, а именно удаление необходимых минералов, но гораздо более быстрыми темпами. Аналогичным образом, кислотный дождь, который выпадает на почву и на листья растений, вызывает высыхание восковой кутикулы листьев; что в конечном итоге вызывает быструю потерю воды из растения во внешнюю атмосферу и приводит к гибели растения. Чтобы увидеть, влияет ли на растение закисление почвы, можно внимательно понаблюдать за листьями растения. Если листья зеленые и выглядят здоровыми, pH почвы нормальный и приемлемый для жизни растения. Но если листья растения имеют желтизну между жилками на своих листьях, это означает, что растение страдает от закисления и нездорово. Более того, растение, страдающее от закисления почвы, не может фотосинтезировать. [35] Высыхание растения из-за кислой воды разрушает органеллы хлоропласта. Без возможности фотосинтеза растение не может создавать питательные вещества для собственного выживания или кислород для выживания аэробных организмов; что влияет на большинство видов Земли и в конечном итоге кладет конец цели существования растений. [36]
Подкисление почвы является распространенной проблемой в долгосрочном производстве сельскохозяйственных культур, которую можно уменьшить с помощью извести, органических добавок (например, соломы и навоза) и применения биоугля . [37] [25] [38] [39] [40] В сахарном тростнике, соевых бобах и кукурузе , выращиваемых на кислых почвах, применение извести привело к восстановлению питательных веществ, повышению pH почвы, увеличению корневой биомассы и улучшению здоровья растений. [26] [41]
Различные стратегии управления также могут быть применены для предотвращения дальнейшего закисления: использование менее подкисляющих удобрений, рассмотрение количества удобрений и времени внесения для снижения выщелачивания нитратного азота, хорошее управление орошением с кислотонейтрализующей водой и рассмотрение соотношения основных питательных веществ к азоту в собранном урожае. Серные удобрения следует использовать только в отзывчивых культурах с высокой скоростью восстановления урожая. [42]
Давайте [ кто? ] попытаемся уменьшить кислотные дожди и закисление почв во всем мире, сокращая антропогенные источники диоксида серы и оксида азота, а также принимая меры по контролю загрязнения воздуха. [43]
Это наблюдалось в Онтарио, Канада, в нескольких озерах и продемонстрировало улучшение pH и щелочности воды. [44]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )Истощение Ca является основным механизмом эффектов кислотных осадков в восточной части Северной Америки