Почвы как ионообменные сорбенты, особенности сорбции ионов свинца дерново-подзолистой супесчаной почвы (стр. 2 из 7)

Изменение молекулярного состава ФК при переходе от автоморфных к гидроморфным почвам еще более наглядно. Здесь сохраняется тенденция к уменьшению степени ароматичности препаратов ФК при переходе от типичной подзолистой почвы к торфянисто-подзолисто-глееватой. Содержание кислородсодержащих групп возрастает на 14.5 % при переходе от горизонта А к А1А2 в подзолистой почве и уменьшается на 5.2 % в торфянисто-подзолистой глееватой при переходе от горизонта А2 к А2. Таким образом, процессы гумификации растительных остатков в подзолистой почве протекают более интенсивно, что способствует образованию агрессивных гумусовых кислот, обогащенных кислородсодержащими функциональными группами и с высоким содержанием ароматических фрагментов. Гумусовые вещества торфянисто-подзолисто-глееватой почвы имеют более низкую степень ароматичности и содержат в своей структуре, в основном, не окисленные алифатические фрагменты. Количественно или качественно установлено, что гумусовые вещества содержат следующие функциональные группы: Аминогруппы (–NH2), амидные (R-CO-NH2), спиртовые (R-CH2-OH), альдегидные (R-CHO). Карбоксильные (R-CO-OH), карбоксилатные, кетонные (R-CO-R), фенольные (–С6H4-OH), хинонные, гидрохинонные [9].

Важнейшими представителями гуминовых веществ являются гумусовые кислоты: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гематомелановые кислоты. Эти группы кислот обуславливают основные свойства почвы.

Рисунок 3 - Схема строения гуминовой кислоты: по Драгунову [7]

Рисунок 4 – Фрагмент гуминовой кислоты: по Stivenson

Установлено, что ГК содержат (мас. %) 52.6–58.8 % С; 5.02–8.24% Н; 2.01–3.83 % N и 30.3–39.3% О.Для ФК характерно более низкое содержание углерода – 40.2–45.6 %, азота – 0.82–2.42%, водорода – 3.56-4.89 % и повышенное кислорода – 47.7-54.5 %. Анализ элементного состава препаратов гумусовых кислот показал, что ГК и ФК типичной подзолистой почвы наиболее гумифицированы, это обусловливает их низкие значения атомных отношений (Н/С) и высокие О/С. Уменьшение отношения (Н/С) указывает на возрастание доли ароматических фрагментов в структуре ГК при переходе от органогенных горизонтов к минеральным во всех исследованных почвах. Расчет степени окисленности показал, что ГК подзолистых и торфянисто-подзолисто-глееватых почв слабо восстановлены ( от –0.91 до –0.09). ФК имеют степень окисленности от +0.40 до +0.76, т.е. представляют собой слабо окисленные соединения. С нарастанием степени гумификации гумусовых кислот в минеральных горизонтах повышается их степень окисленности. Отмечена пониженная степень окисленности ФК подзолистых почв и повышенная торфянисто-подзолисто-глееватых, в то время как для ГК характерна противоположная картина. Эту особенность можно объяснить, исходя из интенсивности микробиологической деятельности как определяющем факторе формирования гумусовых кислот. При повышенной биологической активности происходит быстрое разрушение неспецифических соединений и наиболее простых гумусовых веществ [7]. Поэтому более высокая биохимическая активность подзолистых почв по сравнению с торфянисто-подзолисто-глееватыми способствует окислению молекул ГК и накоплению наиболее устойчивых кислородсодержащих продуктов. ФК в подобных условиях являются одной из наиболее доступных для почвенных микроорганизмов и поэтому быстро ими используются и обновляются. В результате ФК представлены наиболее "молодыми" и менее окисленными. В литературе также имеются данные о повышении содержания кислорода в процессе "созревания" ГК [8].

Рисунок 4 - Блок-схема строения гуминовой кислоты (по Мистерски и Огинову)[7]

Кроме этих элементов гумусовые кислоты практически всегда содержат серу, фосфор и катионы различных металлов. Содержание серы составляет десятые доли процента иногда до 1,0-1.2%,фосфора - сотые и десятые доли процента. Серу можно считать обязательным компонентом гумусовых кислот.

А Б

Рисунок 5- Схема строении гуминовой кислоты: по Фуксу (А), по Касаточкину (Б)

Рисунок 5- Один из вариантов нахождения тяжелых металлов (черные точки) в комплексе гуминовой кислоты с высокодисперсным глинистым минералом [5]

1.2 Неорганическая часть

Твердая фаза почв и почвообразующих пород состоит из частиц различной величины, которые называются – механическими элементами. По происхождению различают минеральные, органические и органо-мениральные частицы. Они представляют обломки горных пород, отдельные минералы, гумусовые вещества, продукты взаимодействия. Механические элементы находятся в почве или в породе в свободном состоянии и в агрегатном, когда они соединены в структурные отдельности – агрегаты различной формы, размеров и прочности. Выделяют следующие фракции [13].

1) КАМНИ (>3мм) представлены преимущественно обломками горных пород.

2) ГРАВИЙ (3-1 мм) состоит из обломков первичных минералов.

3) ПЕСЧАНАЯ ФРАКЦИЯ (1-0,05 мм) состоит из обломков первичных минералов, прежде всего кварца и полевых шпатов.

4) ПЫЛЬ КРУПНАЯ (0,05-0,005 мм) по своему минералогическому составу мало отлечима от песка.

5) ПЫЛЬ МЕЛКАЯ (0.005-0.001 мм характеризуется относительно высокой дисперсностью [12].

Строение почв характеризуют сочетанием генетических горизонтов. Генетическими называют те горизонты, которые образовались в результате общего почвообразовательного процесса, так что формирование каждого из присутствующих в почве горизонтов тесно связано (или даже обусловлено) формированием других горизонтов. Это проще всего проиллюстрировать на примере строения некоторых почв. Если заложить почвенный разрез (выкопать яму) с вертикальной передней стенкой, то на последней станет отчетливо видна последовательность генетических горизонтов. В профиле чернозема верхнюю часть занимает горизонт А — перегнойно-аккумулятивный; он имеет темно-серую окраску, содержит много гумуса, азота, фосфора. Аналогичные горизонты имеются во всех почвах, но обычно они значительно меньшей мощности, более светлые по окраске и содержат меньше гумуса. Такие качества позволили В.В. Докучаеву назвать чернозем царем русских почв.А1—гумусово-элювиальный- верхний горизонт профиля с морфологически или аналитически выраженными процессами разрушения или выщелачивания минеральных веществ. А2 –элювиальный горизонт образуются в процессе интенсивного разрушения минеральной части почвы и вымывания продуктов разрушения в нижележащие горизонты. Ниже горизонта А располагается переходный горизонт В. Он формируется под элювиальным или гумусовым и служит переходом к материнской породе, затем горизонт С - материнская порода. В подзолистых и дерново-подзолистых почвах горизонт А мал и обеднен элементами питания, под ним формируется горизонт Е, из которого нисходящими токами влаги вынесены Fe, A1, К, Mg и другие элементы, а накапливаются преимущественно оксиды кремния SiO2. Многие элементы, особенно Fe, скапливаются в следующем горизонте В. Если горизонт Е называют элювиальным (от латинского eluo — вымывать), то горизонт В — иллювиальным (от латинского illuo — вмывать). Еще ниже могут быть горизонты с интенсивным развитием восстановительных процессов, их называют глеевыми и обозначают буквой G. Для солонца очень характерен плотный, столбчатый горизонт В, который обычно содержит много натрия и легко набухает при увлажнении [12].

Количество генетических горизонтов велико, и этим обусловлено большое разнообразие почв. Первичными свойствами горизонтов являются химический состав и химические свойства: так, серая или темно-серая окраска вызвана присутствием гуминовых веществ, бурые, красноватые тона связаны с оксидами железа и т.п.Сочетания горизонтов, их свойства, выраженность зависят от небольшого числа факторов почвообразования, к которым относятся климат, растительность, почвообразующие породы, рельеф и возраст почв. Сочетание факторов приводит к различным водно-воздушным, окислительно-восстановительным, кислотно-основным режимам почв, а в целом образуется хорошо организованная система, называемая почвенным профилем. При сравнительно небольших дозах загрязняющих веществ почвы их перерабатывают, справляются с загрязнением, но если потоки загрязняющих веществ нарастают, то неизбежно наступает деградация почв, вплоть до полного разрушения и образования техногенных пустынь. Способность почв сопротивляться антропогенному изменению окружающей среды зависит от многих свойств и в первую очередь от их химического состава и многообразия слагающих почвы минеральных и органических веществ [10].