Подкисление почвы – это накопление катионов водорода , что снижает pH почвы . С химической точки зрения это происходит, когда в почву добавляется донор протонов . Донором может быть кислота , такая как азотная кислота , серная кислота или угольная кислота . Это также может быть такое соединение, как сульфат алюминия , который вступает в реакцию в почве с высвобождением протонов. Подкисление также происходит, когда основные катионы, такие как кальций , магний , калий и натрий, выщелачиваются из почвы.
Закисление почвы естественным образом происходит, когда лишайники и водоросли начинают разрушать поверхность камней. Кислоты продолжают это растворение по мере развития почвы. Со временем и под воздействием выветривания почвы в природных экосистемах становятся более кислыми. Скорость закисления почвы может варьироваться и увеличиваться в зависимости от определенных факторов, таких как кислотные дожди , сельское хозяйство и загрязнение. [1]
Осадки по своей природе кислые из-за углекислоты, образующейся из углекислого газа в атмосфере. Это соединение приводит к тому, что pH осадков составляет около 5,0–5,5. Когда уровень pH осадков ниже естественного уровня, это может вызвать быстрое закисление почвы. Диоксид серы и оксиды азота являются предшественниками более сильных кислот, которые могут привести к образованию кислотных дождей , когда они реагируют 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 с потоками кислотных осадков, что приводит к повышению уровня алюминия и протонов. [3] [4]
Азотная и серная кислоты в кислотных дождях и снегах могут по-разному влиять на подкисление лесных почв, особенно сезонно в регионах, где зимой может накапливаться снежный покров. [5] Снег, как правило, содержит больше азотной кислоты, чем серной кислоты, и в результате поток талой воды, богатой азотной кислотой, может просачиваться через высокогорные лесные почвы в течение короткого времени весной. [6] Этот объем воды может составлять до 50% годового количества осадков. Промывка талых вод азотной кислотой может вызвать резкое, кратковременное снижение pH дренажных вод, поступающих в подземные и поверхностные воды. [7] Снижение pH может привести к растворению Al 3+ , токсичного для рыб, [8] особенно для только что вылупившихся мальков с незрелой жаберной системой, через которую они пропускают большие объемы воды, чтобы получить O 2 для дыхания. По мере прохождения талой воды температура воды повышается, а озера и ручьи производят больше растворенных органических веществ; концентрация Al в дренажных водах снижается и связывается с органическими кислотами, что делает его менее токсичным для рыб. В дождь соотношение азотной и серной кислот снижается примерно до 1:2. Более высокое содержание серной кислоты в дожде также может не выделять из почв столько же Al 3+, сколько азотная кислота, отчасти из-за удержания (адсорбции) SO 4 2- почвами. Этот процесс высвобождает OH − в почвенный раствор и смягчает снижение pH, вызванное добавлением H + из обеих кислот. Горизонты (слои) органической почвы лесной подстилки с высоким содержанием органического вещества также буферизуют pH и уменьшают нагрузку H+, который впоследствии выщелачивается через нижележащие минеральные горизонты. [9] [10]
Корни растений подкисляют почву, выделяя протоны и органические кислоты, что приводит к химическому выветриванию почвенных минералов. [11] Разлагающиеся остатки мертвых растений на почве также могут образовывать органические кислоты, которые способствуют подкислению почвы. [12] Подкисление из-за листового опада на горизонте О более выражено под хвойными деревьями, такими как сосна , ель и пихта , которые возвращают в почву меньше катионов оснований, чем под лиственными деревьями ; однако различия в pH почвы, связанные с растительностью, часто существовали до этой растительности и помогают выбирать 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», поскольку в них много свободного кварца , который при выветривании образует кремниевую кислоту . [14] Кроме того, в них относительно мало кальция и магния. Некоторые осадочные породы, такие как сланцы и уголь, богаты сульфидами , которые при гидратации и окислении образуют серную кислоту, которая намного сильнее кремниевой. Многие угольные почвы слишком кислые, чтобы поддерживать активный рост растений, а при сжигании уголь выделяет сильные предшественники кислотных дождей. Морские глины также во многих случаях богаты сульфидами, и такие глины становятся очень кислыми, если их слить до окислительного состояния.
Улучшители почвы , такие как удобрения и навоз, могут вызвать подкисление почвы. Удобрения на основе серы могут сильно подкислять, например, элементарная сера и сульфат железа, в то время как другие, такие как сульфат калия, не оказывают существенного влияния на pH почвы . Хотя большинство азотных удобрений оказывают подкисляющее действие, азотные удобрения на основе аммония подкисляют больше, чем другие источники азота. [15] Азотные удобрения на основе аммиака включают сульфат аммония , диаммонийфосфат , моноаммонийфосфат и нитрат аммония . Источники органического азота, такие как мочевина и компост , менее подкисляют. Источники нитратов, которые содержат мало аммония или вообще не содержат его, такие как нитрат кальция , нитрат магния , нитрат калия и нитрат натрия , не вызывают подкисления. [16] [17] [18]
Подкисление также может происходить из-за выбросов азота в воздух, поскольку азот может в конечном итоге откладываться в почве. [19] Животноводство является причиной почти 65 процентов антропогенных выбросов аммиака . [20]
Большую роль в увеличении образования кислотных дождей играют антропогенные источники диоксидов серы и оксидов азота. [ необходимы разъяснения ] Использование ископаемого топлива и выхлопных газов двигателей являются крупнейшими антропогенными источниками образования 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 извлекает ионы гидроксида из воды, оставляя ионы водорода. [23] В результате почва становится более кислой, что делает ее непригодной для жизни многих растений. Еще одним последствием содержания 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 подкисление, деградация почвы и передающиеся через почву заболевания, которые в конечном итоге оказывают негативное влияние на продуктивность и устойчивость сельского хозяйства. [25] [26]
Закисление почвы может привести к повреждению растений и организмов в почве. У растений подкисление почвы приводит к образованию более мелких и менее прочных корней. [27] Кислые почвы иногда повреждают кончики корней, замедляя дальнейший рост. [28] Ухудшается высота растений и снижается всхожесть семян. Закисление почвы влияет на здоровье растений, приводя к уменьшению покрова и плотности растений. В целом у растений наблюдается задержка роста. [29] Закисление почвы напрямую связано с сокращением численности исчезающих видов растений. [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 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, количество наиболее полезных родов бактерий значительно уменьшилось из-за монокультуры сахарного тростника, в то время как полезные роды грибов продемонстрировали обратную тенденцию. [33] Таким образом, снижение кислотности почвы, улучшение плодородия почвы и активности почвенных ферментов, включая улучшение микробной структуры с полезным для растений и почвы, может быть эффективной мерой для разработки устойчивой системы выращивания сахарного тростника. [25]
В более широком масштабе закисление почв связано с потерями продуктивности сельского хозяйства из-за этих последствий. [31]
Воздействие кислой воды и закисления почвы на растения может быть незначительным или, в большинстве случаев, значительным. К незначительным случаям, не приводящим к гибели растений, относятся; менее чувствительные растения к кислым условиям и/или менее сильным кислотным дождям. Также в незначительных случаях растение в конечном итоге погибнет из-за того, что кислая вода снижает естественный pH растения. Кислая вода попадает в растение и приводит к растворению и выносу важных растительных минералов; что в конечном итоге приводит к гибели растения из-за нехватки минералов для питания. [34] В серьезных случаях, которые являются более крайними; Происходит тот же процесс повреждения, что и в незначительных случаях, то есть удаление необходимых минералов, но гораздо быстрее. Аналогичным образом, кислотные дожди, выпадающие на почву и листья растений, вызывают 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 наблюдать за листьями растения. Если листья зеленые и выглядят здоровыми, pH почвы нормальный и приемлемый для жизни растений. Но если на листьях растения есть пожелтение между жилками, это означает, что растение страдает от закисления и оно нездорово. Более того, растение, страдающее от закисления почвы, не может фотосинтезировать. [35] Высыхание растения из-за кислой воды разрушает органеллы хлоропластов. Не имея возможности фотосинтезировать, растение не может создавать питательные вещества для собственного выживания или кислород для выживания аэробных организмов; который затрагивает большинство видов Земли и в конечном итоге лишает растений смысла существования. [36]
Закисление почвы является распространенной проблемой в долгосрочном растениеводстве, которую можно уменьшить с помощью извести, органических добавок (например, соломы и навоза) и применения биоугля . [37] [25] [38] [39] [40] В посевах сахарного тростника, сои и кукурузы , выращенных на кислых почвах, внесение извести привело к восстановлению питательных веществ, увеличению pH почвы, увеличению корневой биомассы и улучшению здоровья растений. [26] [41]
Для предотвращения дальнейшего закисления также могут применяться различные стратегии управления: использование меньшего количества подкисляющих удобрений, рассмотрение количества удобрений и сроков их внесения для уменьшения выщелачивания нитратов азота, хорошее управление орошением с использованием нейтрализующей кислоту воды, а также рассмотрение соотношения основных питательных веществ и азота в собранном урожайе. посевы. Серные удобрения следует использовать только в чувствительных культурах с высокой степенью восстановления урожая. [42]
За счет сокращения антропогенных источников диоксида серы, оксидов азота и мер по контролю загрязнения воздуха давайте [ кто? ] попытаться уменьшить кислотные дожди и закисление почвы во всем мире. [43]
Это наблюдалось в Онтарио, Канада, над несколькими озерами и продемонстрировало улучшение pH и щелочности воды. [44]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )Истощение запасов кальция является основным механизмом воздействия кислотных отложений на востоке Северной Америки.