Химия почвы – это изучение химических свойств почвы . На химический состав почвы влияют минеральный состав, органическое вещество и факторы окружающей среды . В начале 1870-х годов химик-консультант Королевского сельскохозяйственного общества в Англии по имени Дж. Томас Уэй провел множество экспериментов по изучению того, как почвы обменивают ионы , и считается отцом химии почвы. [1] Среди других учёных, внесших вклад в эту отрасль экологии, — Эдмунд Раффин и Лайнус Полинг . [1]
До конца 1960-х годов химия почвы была сосредоточена главным образом на химических реакциях в почве, которые способствуют педогенезу или влияют на рост растений . С тех пор возросла обеспокоенность по поводу загрязнения окружающей среды , органического и неорганического загрязнения почвы , а также потенциальных рисков для экологического здоровья и здоровья окружающей среды . В результате акцент в химии почв сместился с почвоведения и сельскохозяйственного почвоведения на экологическое почвоведение .
Знание химии почвы в окружающей среде имеет первостепенное значение для прогнозирования судьбы загрязняющих веществ , а также процессов, посредством которых они первоначально попадают в почву. Когда химическое вещество попадает в почвенную среду, может произойти множество химических реакций , которые могут увеличить или уменьшить токсичность загрязнителя. Эти реакции включают адсорбцию / десорбцию , осаждение , полимеризацию , растворение , гидролиз , гидратацию , комплексообразование и окисление/восстановление . Эти реакции часто игнорируются учеными и инженерами , занимающимися восстановлением окружающей среды . Понимание этих процессов позволяет нам лучше прогнозировать судьбу и токсичность загрязняющих веществ и дает знания для разработки научно правильных и экономически эффективных стратегий восстановления .
Структура почвы относится к тому, как отдельные частицы почвы группируются вместе, образуя кластеры частиц, называемые агрегатами. Это определяется типами почвообразования , исходным материалом и текстурой . На структуру почвы может влиять большое разнообразие биоты, а также методы управления ею со стороны человека.
Классификация структурных форм почв во многом основана на форме.
Взаимодействие микропор и макропор почвы важно для химического состава почвы, поскольку они позволяют доставлять воду и газообразные элементы в почву и окружающую атмосферу. Макропоры [3] помогают транспортировать молекулы и вещества внутрь и из микропор. Микропоры содержатся внутри самих агрегатов.
Атмосфера содержит три основных газа: кислород, углекислый газ (CO 2 ) и азот. В атмосфере кислород составляет 20%, азот – 79% и CO 2 – от 0,15% до 0,65% по объему. Содержание CO 2 увеличивается с увеличением глубины почвы из-за разложения накопленного органического вещества и обилия корней растений . Присутствие кислорода в почве важно, поскольку он помогает расщеплять нерастворимую каменную массу на растворимые минералы и органическую гумификацию . Воздух в почве состоит из газов , присутствующих в атмосфере, но в не одинаковых пропорциях. Эти газы облегчают химические реакции в микроорганизмах . Накопление растворимых питательных веществ в почве делает ее более продуктивной. Если почва испытывает недостаток кислорода, микробная деятельность замедляется или полностью прекращается. Важными факторами, контролирующими почвенную атмосферу, являются температура , атмосферное давление , ветер / аэрация и осадки .
Текстура почвы влияет на химический состав почвы, касающийся способности почвы сохранять свою структуру, ограничения потока воды и содержания 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 отдельные части почвы 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.
Частицы песка различаются по размеру (около 0,05–2 мм). [4] Песок – самая крупная из групп частиц. Песок имеет самые крупные поры и частицы почвы из групп частиц. Он также легче всего истощается. Эти частицы становятся более вовлеченными в химические реакции, когда их покрывают глиной.
Размер илистых частиц варьируется (около 0,002–0,5 мм). Поры ила считаются средними по размеру по сравнению с другими группами частиц. Ил имеет консистенцию муки. Частицы ила легко пропускают воду и воздух, но сохраняют влагу, необходимую для роста сельскохозяйственных культур. Илистая почва содержит достаточное количество питательных веществ, как органических, так и неорганических.
Глина имеет частицы наименьшего размера (около <0,002 мм) из групп частиц. Глина также имеет мельчайшие поры, которые придают ей большую пористость, и она плохо дренируется. Во влажном состоянии глина имеет липкую текстуру. Некоторые виды могут расти и рассеиваться, или, другими словами, сжиматься и разбухать.
Суглинок представляет собой смесь песка, ила и глины, содержащую почвы. Его можно назвать по первичным частицам в составе почвы, например. супеси, суглинки, пылеватые суглинки и т. д.
Биота – это организмы, которые вместе с органическим веществом составляют биологическую систему почвы. Подавляющее большинство биологической активности происходит вблизи поверхности почвы, обычно в горизонте А почвенного профиля . Биота зависит от поступления органических веществ для поддержания себя и увеличения численности популяции. В свою очередь, они вносят питательные вещества в почву, как правило, после того, как она прошла круговорот в почвенной трофической пищевой сети .
Благодаря множеству различных взаимодействий, которые происходят, биота может в значительной степени влиять на окружающую среду физически, химически и биологически (Pavao-Zuckerman, 2008). Важным фактором, который помогает обеспечить некоторую степень стабильности этих взаимодействий, является биоразнообразие , ключевой компонент всех экологических сообществ. Биоразнообразие обеспечивает постоянный поток энергии через трофические уровни и сильно влияет на структуру экологических сообществ в почве.
Типы живой биоты почвы можно разделить на категории растений (флоры), животных (фауны) и микроорганизмов. Растения играют роль в химическом составе почвы, обмениваясь питательными веществами с микроорганизмами и поглощая питательные вещества, создавая градиенты концентрации катионов и анионов. Кроме того, различия в водном потенциале , создаваемые растениями, влияют на движение воды в почве, что влияет на форму и транспортировку различных частиц. Растительный покров на поверхности почвы значительно снижает эрозию , что, в свою очередь, предотвращает уплотнение и помогает поддерживать аэрацию в поровом пространстве почвы , обеспечивая кислородом и углеродом зависящие от него биоту и места катионного обмена (Пери и др., 2022). Животные играют важную роль в химическом составе почвы, поскольку они регулируют круговорот питательных веществ и энергии в различных формах. В первую очередь это осуществляется через пищевые сети. Некоторые виды почвенных животных можно найти ниже.
Почвенные микробы играют важную роль во множестве биологических и химических процессов, происходящих в почве. Сообщается, что в некоторых почвах эти микроорганизмы составляют около 1 000–10 000 кг биомассы на гектар (Гарсия-Санчес, 2016). Они в основном известны своей связью с растениями. Наиболее известным примером этого являются микоризы , которые обменивают углерод на азот с корнями растений в симбиотических отношениях. Кроме того, микробы ответственны за большую часть дыхания , происходящего в почве, что имеет значение для выделения таких газов, как метан и закись азота, из почвы (что придает этому значение при обсуждении изменения климата ) (Frouz et al., 2020). . Учитывая значимость воздействия микробов на окружающую среду, многие растениеводы, защитники природы и экологи часто желают сохранения и развития микробной жизни.
Органическое вещество почвы является крупнейшим источником питательных веществ и энергии в почве. Его вклад сильно влияет на ключевые почвенные факторы, такие как типы биоты, pH и даже порядок почвы. Органические вещества почвы часто стратегически применяются растениеводами из-за их способности улучшать структуру почвы, поставлять питательные вещества, регулировать pH, увеличивать удержание воды и регулировать температуру почвы (что напрямую влияет на динамику воды и биоту).
Основными элементами, содержащимися в гумусе , продукте разложения органических веществ в почве, 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 является динамическим продуктом и постоянно изменяется в результате его окисления, восстановления и гидролиза ; следовательно, в нем много углерода и меньше азота. Этот материал может поступать из различных источников, но часто он происходит из навоза домашнего скота и растительных остатков.
Хотя существует множество других переменных, таких как текстура, почвы, в которых отсутствует достаточное содержание органических веществ, подвержены деградации и высыханию почвы, поскольку нет ничего, поддерживающего структуру почвы. Это часто приводит к снижению плодородия почв и увеличению их эродируемости.
Другие связанные понятия:
Многие питательные вещества для растений в почве подвергаются биогеохимическим циклам во всей окружающей среде. На эти циклы влияют вода, газообмен, биологическая активность, динамика иммобилизации и минерализации , но каждый элемент имеет свой собственный курс течения (Deemy et al., 2022). Например, азот переходит из изолированной газообразной формы в соединения нитрат и нитрит по мере прохождения через почву и становится доступным для растений. Для сравнения, такой элемент, как фосфор, переходит в минеральную форму, поскольку он содержится в каменном материале. Эти циклы также сильно различаются по подвижности, растворимости и скорости, с которой они проходят свои естественные циклы. Вместе они управляют всеми химическими процессами почвы.
Новые знания о химии почв часто возникают в результате лабораторных исследований, в ходе которых образцы почвы, взятые из ненарушенных почвенных горизонтов в полевых условиях, используются в экспериментах, включающих повторяющиеся обработки и контроль. Во многих случаях образцы почвы сушат на воздухе при температуре окружающей среды (например, 25 °C (77 °F)) и просеивают до размера частиц 2 мм перед хранением для дальнейшего исследования. 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 растворенными органическими веществами; среди прочего имущества. [7] Возобновившийся интерес в последние десятилетия побудил многих химиков-почвоведов хранить образцы почвы во влажном состоянии и хранить их при температуре 4 °C (39 °F) в аэробных условиях до и во время исследований. [8]
В лабораторных исследованиях по химии почв часто используются два подхода. Первый известен как периодическое уравновешивание. Химик добавляет к массе почвы заданный объем воды или раствора соли с известной концентрацией растворенных ионов (например, 25 мл раствора на 5 г почвы в центрифужной пробирке или колбе). Затем почвенную суспензию встряхивают или перемешивают в течение заданного времени (например, от 15 минут до нескольких часов) для установления устойчивого состояния или состояния равновесия перед фильтрованием или центрифугированием на высокой скорости для отделения зерен песка, частиц ила и глинистых коллоидов. из уравновешенного раствора. [9] Фильтрат или центрифугат затем анализируется с использованием одного из нескольких методов, включая ион-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 умножает измеренную концентрацию или активность (например, в мг иона/мл) на соотношение раствор-почва (мл экстракции). раствора/г почвы), химик получает результат в мг иона/г почвы. Этот результат, основанный на массе почвы, позволяет сравнивать различные почвы и обработки. В аналогичном подходе используется известный объем раствора для выщелачивания (инфильтрации) экстрагирующего раствора через некоторое количество почвы в небольших колонках с контролируемой скоростью, чтобы моделировать, как дождь, талая снеговая вода и поливная вода проходят через почву в поле. Затем фильтрат анализируют с использованием тех же методов, которые используются при периодическом уравновешивании. [10]
Другой подход к количественной оценке почвенных процессов и явлений использует методы in situ , которые не разрушают почву. как это происходит при встряхивании или выщелачивании почвы экстрагирующим почвенным раствором. В этих методах обычно используются методы поверхностной спектроскопии, такие как инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье , ядерный магнитный резонанс , мессбауэровская спектроскопия и рентгеновская спектроскопия . Эти подходы направлены на получение информации о химической природе минералогии и химии частиц и коллоидных поверхностей, а также о том, как ионы и молекулы связываются с такими поверхностями путем адсорбции, комплексообразования и осаждения. [11]
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 выдвинуть новые гипотезы о сходных реакциях в различных почвах с различным механическим составом, содержанием органического вещества, типами глинистых минералов и оксидов, рН и состоянием дренажа. Лабораторные исследования имеют тот недостаток, что они теряют часть реализма и неоднородности ненарушенной почвы в полевых условиях, но при этом получают контроль и возможность экстраполяции на неизученную почву. Механистические лабораторные исследования в сочетании с более реалистичными, менее контролируемыми полевыми наблюдениями часто дают точные аппроксимации поведения и химического состава почв, которые могут быть пространственно неоднородными и изменчивыми во времени. Еще одна проблема, с которой сталкиваются химики-почвоведы, заключается в том, как могут измениться микробные популяции и активность ферментов в полевых почвах, когда почва нарушена, как в полевых условиях, так и в лаборатории, особенно когда образцы почвы высушиваются перед лабораторными исследованиями и анализами. [12]
СМИ, связанные с химией почвы, на Викискладе?