Химия почвы — это изучение химических характеристик почвы . На химию почвы влияют минеральный состав, органические вещества 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 обмену ионами в почве и считается отцом химии почвы. [1] Другие ученые, внесшие вклад в эту отрасль экологии, включают Эдмунда Раффина и Лайнуса Полинга . [1]
До конца 1960-х годов химия почв была сосредоточена в основном 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 и потенциальных экологических рисков для здоровья и здоровья окружающей среды . Следовательно, акцент в химии почв сместился с почвоведения и сельскохозяйственного почвоведения на акцент на экологическом почвоведении .
Знание химии окружающей среды почвы имеет первостепенное значение для прогнозирования судьбы загрязняющих веществ , а также процессов, посредством которых они изначально высвобождаются в почву. После того, как химическое вещество подвергается воздействию почвенной среды, может произойти множество химических реакций , которые могут увеличить или уменьшить токсичность загрязняющего вещества. 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 верных и экономически эффективных стратегий восстановления .
Структура почвы относится к способу, которым эти отдельные частицы почвы группируются вместе, образуя кластеры частиц, называемые агрегатами. Это определяется типами почвообразования , исходным материалом и текстурой . На структуру почвы может влиять широкий спектр биоты, а также методы управления со стороны человека.
Классификация структурных форм почв во многом основана на форме.
Взаимодействие микропор и макропор почвы важно для химии почвы, поскольку они обеспечивают поставку воды и газообразных элементов в почву и окружающую атмосферу. Макропоры [3] помогают транспортировать молекулы и вещества в микропоры и из них. Микропоры содержатся внутри самих агрегатов.
Атмосфера содержит три основных газа, а именно кислород, углекислый газ (CO2 ) и азот. В атмосфере кислород составляет 20%, азот - 79%, а CO2 - 0,15-0,65% по объему. CO2 увеличивается с увеличением глубины почвы из-за разложения накопленных органических веществ и обилия корней растений . Присутствие кислорода в почве важно, поскольку оно помогает разлагать нерастворимую каменистую массу на растворимые минералы и органическую гумификации . Воздух в почве состоит из газов , которые присутствуют в атмосфере, но не в тех же пропорциях. Эти газы облегчают химические реакции в микроорганизмах . Накопление растворимых питательных веществ в почве делает ее более продуктивной. Если почва испытывает дефицит кислорода, микробная активность замедляется или устраняется. Важными факторами, контролирующими почвенную атмосферу, являются температура , атмосферное давление , ветер / аэрация и осадки .
Текстура почвы влияет на химию почвы, относящуюся к способности почвы поддерживать свою структуру, ограничению потока воды и содержанию частиц в почве. Текстура почвы учитывает все типы частиц, а треугольник текстуры почвы представляет собой диаграмму, которую можно использовать для расчета процентов каждого типа частиц, в сумме составляющих 100% для профиля почвы. Эти почвенные разделы различаются не только по своим размерам, но и по своему влиянию на некоторые важные факторы, влияющие на рост растений, такие как аэрация почвы , работоспособность, движение и доступность воды и питательных веществ.
Частицы песка варьируются по размеру (около 0,05–2 мм). [4] Песок является самой крупной из групп частиц. Песок имеет самые большие поры и частицы почвы из всех групп частиц. Он также легче всего дренируется. Эти частицы становятся более вовлеченными в химические реакции, когда покрыты глиной.
Частицы ила имеют разный размер (около 0,002–0,5 мм). Поры ила считаются средними по размеру по сравнению с другими группами частиц. Ил имеет текстурную консистенцию муки. Частицы ила легко пропускают воду и воздух, но при этом сохраняют влагу для роста урожая. Илистая почва содержит достаточное количество питательных веществ, как органических, так и неорганических.
Глина имеет частицы наименьшего размера (около <0,002 мм) из всех групп частиц. Глина также имеет самые маленькие поры, что придает ей большую пористость, и она плохо дренируется. Глина имеет липкую текстуру во влажном состоянии. Некоторые виды могут расти и рассеиваться, или, другими словами, сжиматься и набухать.
Суглинок — это сочетание песка, ила и глины, которое охватывает почвы. Его можно назвать на основе основных частиц в составе почвы, например, супесь, суглинок, илистый суглинок и т. д.
Биота — это организмы, которые вместе с органическим веществом помогают составлять биологическую систему почвы. Подавляющее большинство биологической активности происходит вблизи поверхности почвы, обычно в горизонте А почвенного профиля . Биота зависит от поступления органического вещества для поддержания себя и увеличения численности популяции. Взамен они вносят в почву питательные вещества, как правило, после того, как они прошли цикл в почвенной трофической пищевой сети .
При наличии множества различных взаимодействий биота может в значительной степени влиять на окружающую среду физически, химически и биологически (Pavao-Zuckerman, 2008). Важным фактором, который помогает обеспечить некоторую степень стабильности при этих взаимодействиях, 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 почвенной биоты можно разделить на категории растений (флора), животных (фауна) и микроорганизмов. Растения играют роль в химии почвы, обмениваясь питательными веществами с микроорганизмами и поглощая питательные вещества, создавая градиенты концентрации катионов и анионов. В дополнение к этому, 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 биоту и места катионного обмена , которые зависят от нее (Peri et al., 2022). Животные необходимы для химии почвы, поскольку они регулируют круговорот питательных веществ и энергии в различных формах. Это в основном осуществляется через пищевые сети. Некоторые типы почвенных животных можно найти ниже.
Почвенные микробы играют важную роль во множестве биологических и химических процессов, происходящих в почве. Говорят, что эти микроорганизмы составляют около 1000–10 000 кг биомассы на гектар в некоторых почвах (García-Sánchez, 2016). Они в основном известны своей связью с растениями. Наиболее известным примером этого является микориза , которая обменивает углерод на азот с корнями растений в симбиотических отношениях. Кроме того, микробы отвечают за большую часть дыхания , которое происходит 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, сохранение и продвижение микробной жизни часто является целью многих растениеводов, защитников природы и экологов.
Органическое вещество почвы является крупнейшим источником питательных веществ и энергии в почве. Его вклады сильно влияют на ключевые факторы почвы, такие как типы биоты, pH и даже порядок почвы. Органическое вещество почвы часто стратегически применяется растениеводами из-за его способности улучшать структуру почвы, поставлять питательные вещества, управлять pH, увеличивать удержание воды и регулировать температуру почвы (что напрямую влияет на динамику воды и биоту).
Главные элементы, обнаруженные в гумусе , продукте разложения органического вещества в почве, - это углерод, водород, кислород, сера и азот. Важными соединениями, обнаруженными в гумусе, являются углеводы , фосфорная кислота , некоторые органические кислоты , смолы , мочевина и т. д. Гумус - это динамичный продукт, который постоянно меняется из-за окисления, восстановления и гидролиза ; следовательно, в нем много углерода и меньше азота. Этот материал может поступать из различных источников, но часто его источником является навоз домашнего скота и растительные остатки.
Хотя есть много других переменных, таких как текстура, почвы, в которых не хватает органического вещества, подвержены деградации и высыханию, поскольку нет ничего, что поддерживало бы структуру почвы. Это часто приводит к снижению плодородия почвы и повышению эрозионной способности.
Другие сопутствующие концепции:
Многие питательные вещества для растений в почве подвергаются биогеохимическим циклам в окружающей среде. На эти циклы влияют вода, газообмен, биологическая активность, иммобилизация и динамика минерализации , но у каждого элемента свой собственный путь потока (Deemy et al., 2022). Например, азот переходит из изолированной газообразной формы в соединения нитрата и нитрита , когда он перемещается через почву и становится доступным для растений. Для сравнения, такой элемент, как фосфор, переходит в минеральную форму, поскольку он содержится в горной породе. Эти циклы также сильно различаются по подвижности, растворимости и скорости, с которой они перемещаются по своим естественным циклам. Вместе они управляют всеми процессами химии почвы.
Новые знания о химии почв часто приходят из исследований в лабораторных условиях, в которых образцы почвы, взятые из нетронутых горизонтов почвы в полевых условиях, используются в экспериментах, которые включают повторные обработки и контроль. Во многих случаях образцы почвы высушиваются на воздухе при температуре окружающей среды (например, 25 °C (77 °F)) и просеиваются до размера 2 мм перед хранением для дальнейшего изучения. Такое высушивание 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 прочих свойств. [7] Возобновление интереса в последние десятилетия привело к тому, что многие химики-почвоведы поддерживают образцы почвы во влажном состоянии в полевых условиях и хранят при 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 уравновешивание партии. Химик добавляет заданный объем воды или солевого раствора известной концентрации растворенных ионов к массе почвы (например, 25 мл раствора к 5 г почвы в центрифужной пробирке или колбе). Затем почвенную пульпу встряхивают или вращают в течение заданного количества времени (например, от 15 минут до многих часов), чтобы установить устойчивое состояние или условие равновесия перед фильтрацией или центрифугированием на высокой скорости для отделения зерен песка, частиц ила и коллоидов глины от уравновешенного раствора. [9] Затем фильтрат или центрифугат анализируют с использованием одного из нескольких методов, включая ионспецифические 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 путем умножения измеренной концентрации или активности (например, в мг ионов/мл) на соотношение раствора к почве (мл экстракционного раствора/г почвы) химик получает результат в мг ионов/г почвы. Этот результат, основанный на массе почвы, позволяет сравнивать различные почвы и методы обработки. Связанный подход использует известный объем раствора для выщелачивания (инфильтрации) экстракционного раствора через некоторое количество почвы в небольших колонках с контролируемой скоростью для моделирования того, как дождь, талая вода и поливная вода проходят через почвы в поле. Затем фильтрат анализируется с использованием тех же методов, которые используются при уравновешивании партии. [10]
Другой подход к количественной оценке почвенных процессов и явлений использует методы in situ , которые не разрушают почву, как это происходит, когда почву встряхивают или выщелачивают с помощью экстрагирующего почвенного раствора. Эти методы обычно используют 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 поверхностей частиц и коллоидов, а также о том, как ионы и молекулы связаны с такими поверхностями путем адсорбции, комплексообразования и осаждения. [11]
Эти лабораторные эксперименты и анализы имеют преимущество перед полевыми исследованиями в том, что химические механизмы того, как ионы и молекулы реагируют в почвах, могут быть выведены из данных. Можно сделать выводы или сформулировать новые гипотезы о схожих реакциях в разных почвах с различной текстурой, содержанием органических веществ, типами глинистых минералов и оксидов, pH и состоянием дренажа. Лабораторные исследования имеют тот недостаток, что они теряют часть реализма и неоднородности нетронутой почвы в поле, в то же время получая контроль и силу экстраполяции на неизученную почву. Механистические лабораторные исследования в сочетании с более реалистичными, менее контролируемыми, наблюдательными полевыми исследованиями часто дают точные приближения поведения и химии почв, которые могут быть пространственно неоднородными и изменчивыми во времени. Другая проблема, с которой сталкиваются химики почв, заключается в том, как микробные популяции и активность ферментов в полевых почвах могут изменяться при нарушении почвы как в полевых, так и в лабораторных условиях, особенно когда образцы почвы высушиваются перед лабораторными исследованиями и анализом. [12]
Медиа, связанные с химией почвы на Wikimedia Commons