Закономерности устойчивости почв к деградации под влиянием сельскохозяйственного использования (стр. 17 из 37)
По данным агрохимслужбы России на 1 января 1992 года из 14,1 млн. га обследованной в Центральном Нечерноземье пашни кислые почвы составляют 56%. В Центральном черноземном районе выявлены 5,2 млн. га кислых почв, что составляет 49,6% общей площади обследованных земель. Подкисление почв приводит к резкому снижению их биопродуктивности, к деградации самих почв и биоты водоемов, к увеличению загрязнения почв и вод водорастворимыми формами соединений тяжелых металлов.
Устойчивость почв к подкислению в значительной степени определяет их экологические и агрономические функции. Устойчивость обусловлена твердой, жидкой и, в меньшей степени, газообразной фазами почв; органическими, минеральными и органоминеральными компонентами, а также ферментативной и микробиологической активностью.
Факторы деградации
Деградация почв под влиянием протонной нагрузки обусловлена кислотными осадками, внутренними источниками протонов в почве, подкислением среды при сельскохозяйственном использовании почв. Образование кислотных осадков обусловило окисление в воздухе окислов азота и серы.
1. SO2 + OH ® HSO3; HSO3 + OH ® H2SO4;
SO2+ hn® SO2`` ; SO2`` + O2 ® SO4; SO4 + O2® O3 + O3; SO3 + H2O ® H2SO4;
2. 2NO + O2® 2NO2; NO2 + OH ® HNO3
Концентрация SO2в мкг/м3 в городе составляет 50-100; над океаном – 0,1; концентрация азота в воздухе городов достигает 10-100 мкг/м3; над океаном – 0,25. Концентрация кислот в атмосферном воздухе достигает 0,1 мг/м3. По данным Парамоновой Т.А. (1994), для региона восточной Литвы среднегодовое поступление сульфатов и нитратов с осадками соответственно 19,5 и 12,0 кг/га. По данным Ulrich B.Z. (1986), протонная нагрузка на почву в районах выпадения кислых осадков составляет 4-6 кмоль Н+ на 1 га (Ulrich B.Z., 1986). При этом рН осадков часто достигает 3-4. Кислотные осадки характеризуются рН - интенсивным параметром, обусловленным константами диссоциации функциональных групп соединений, обусловливающих кислотность, и количеством ионов водорода в растворе – экстенсивным параметром. Кислотность атмосферных осадков, поступающих в почву, существенно меняется при их прохождении через кроны деревьев (на 0,2-0,6 ед. рН), при этом, существенно увеличивается (на 10-30 мг/л( и их минерализация.
В литературе при оценке устойчивости почв к кислотным осадкам учитывают только протонную нагрузку – количество ионов водорода, попадающих в почву. Однако, устойчивость почв к воздействию кислых осадков в значительной степени зависит от комплексообразующей способности кислых продуктов. Конкурирующее комплексообразование усиливает разрушение твердой фазы почв. Поступающие в почву с кислыми осадками ионы водорода являются катализаторами дальнейших биологических процессов подкисления почв. В почвенном покрове увеличивается доля хвойных пород, более устойчивых к подкислению, что способствует образованию более кислого опада. Кислая реакция среды верхнего горизонта приводит к увеличению роли в разрушении продуктов опада грибной микрофлоры, что, в конечном итоге, также ведет к образованию более кислых продуктов. Подкисление почв приводит к разрешению структуры почв и, как следствие, к развитию временного анаэробиозиса, сопровождающегося образованием низкомолекулярных карбоновых кислот.
Поступление кислых продуктов в почву возможно не только за счет кислых осадков, но также при поглощении корнями растений катионов в обмен на Н+, выделяемых корнями; при внесении физиологически кислых удобрений типа (NH4)2SO4, при развитии определенных групп ферментов и микроэлементов, при протекании в почве ряда физико-химических реакций. Внутренними источниками протонов являются преимущественное поглощение растительностью анионов, по сравнению с катионами; минерализация, трансформация и окисление органического вещества, окисление азотистых и некоторых других соединений.
Буферность почв к подкислению
Буферность почв к протонной нагрузке может быть выражена величиной DН+почв/ DНдобавл, где DН+(д) – изменение количества добавленных к почве ионов водорода мг-экв/100 г почв; DН+почв – изменение количества поглощенных почвой ионов водорода. Так как в почве существуют различные функциональные группы, обладающие буферностью в разных диапазонах рН, то правильнее использовать интегральную зависимость: БН =
DНпочв/DНдобавл для заданных интервалов Н+добавл или Н+почв. Изменение количества в почве поглощенных ионов водорода влияет на разные свойства почв Х = f (H+). Поэтому для практических целей в ряде случаев перспективны зависимости типа DрНпочв/DН+добавл; DА1почв/DН+добавл; DХпочв/DН+добавл, где Х – функциональное свойство почвы, имеющее большое практическое значение в данной конкретной ситуации.Буферность почв к воздействию кислотных осадков или кислых продуктов, поступающих в почву и образующихся в почве, зависит от буферности почв к протонной нагрузке - DХпочв/DНдобавл; к восстановлению - DХпочв/DRedдобавл; к воздействию лигандов, обладающих комплексообразующей способностью - DХ/DКкомп. В свою очередь, действие на почву протонной нагрузки определяется рН среды и количеством кислых продуктов. Действие на почву восстановленных продуктов определяется константой равновесия в реакциях восстановления или, в первом приближении, Eh почв и количеством восстановленных продуктов. Действие на почву лигандов - комплексонов зависит от констант устойчивости образующихся комплексов и концентрации лигандов. При воздействии на почву указанных факторов чаще отмечаются процессы синергизма.
Выделяются буферные реакции в различных интервалах рН, быстрые и медленные буферные реакции. Было установлено, что при взаимодействии лесных подстилок с кислыми осадками осуществляются два основных механизма буферных реакций: быстрый, который заключается в обмене адсорбированных катионов кальция, магния, калия и, отчасти, марганца на водород, и более медленный, с участием почвенных микроорганизмов, которые разлагают соединения железа и марганца и, в меньшей степени, соли кальция, магния, калия и органических кислот. Медленные буферные реакции обеспечивают величину буферной емкости (способности нейтрализовать кислоту до рН=3) до 700 ммоль/кг, тогда как быстрые буферные реакции обеспечивают буферность до 160 ммоль/кг (Natscher, Schwertmann, 1991).
В качестве одного из механизмов буферности почв по отношению к кислотам, рассматривают реакцию протонирования зависящих от рН обменных позиций, находящихся на глинистых минералах и органическом веществе почвы. Протонирование зависящих от рН обменных позиций, находящихся на глинистых минералах, и потеря обменных катионов глинистыми минералами происходит в диапазоне рН=8,0-3,0. Кроме собственно глинистых минералов, носителями зависящего от рН заряда являются оксиды и гидроксиды алюминия и железа, которые протонируются в достаточно широком диапазоне рН. Экспериментально показано, что способны протонироваться те гидроксильные группы, которые находятся на поверхности гидроксидов алюминия и железа в единичной координации. Освобождение различных катионов из силикатов может происходить при рН < 7,0.
Буферность почв к ионам водорода неодинакова для разных типов почв, горизонтов. По данным Ивановой С.Е. (1998), запасы буферных компонентов к кислоте составляли в органогенных горизонтах 50-300 ммоль/м2; а в минеральных – 1000-7000. По данным Bache B.W. (1984), буферная емкость карбонатных почв составляла до 1000 экв/м2; а для некарбонатных почв – от 10 экв/м2 для песчаных почв до 100 экв/м2 для торфяных почв. При выражении буферности в мг-экв на 100 г почвы она составляла 8-34 (Mantylahti V., 1986). Буферность выражается и в мг-экв Н+ на 1 кг почвы для сдвига рН на 1 единицу. По данным Federer C. (1985), эта величина достигала 100 мг-экв/кг (очевидно, что в разных интервалах рН эта величина будет неодинаковой). Binkley Dan (1989) оценивает буферность по скорости снижения способности почв к нейтрализации кислот (1,3 кмоль/га ежегодно); скорости снижения содержания обменных оснований в почве (2,2 кмоль/га ежегодно). Ниже приведена классификация буферных систем почв к подкислению.
Таблица 10
Буферные системы нейтрализации протонов в почвах (Ulrich B., 1983)
Буферная система : Диапазон рН : Емкость, кмоль/га, дм : Примечания
карбонатная 6,2-8,6 150 на 1% карбонатности карбонаты в тонкой фракции
< 150 карбонаты в скелетной фрак-
ции или распределены нерав-
номерно
силикатная 5,0-6,2 6 на 1% глинистых мине- выветривание силикатов
ралов
карбонатно-обменная 4,2-5,0 0,1-0,15 на 1% глинис- степень насыщенности осно-
тых частиц ваниями должна быть выше
5-10%
алюминиевая 3,0-4,2 зависит от содержания растворение алюмосодержа-
алюмосиликатов и полу- щих минералов
торных окислов
железная 2,5-3,0 растворение окислов железа
почти не возникает
Таблица 11
Устойчивость почв к кислотным воздействиям (Nilsson J., 1988)
Исходная порода : Минералы : Устойчивость почв
гранит, кварц кварц, калиевый полевой шпат очень неустойчивые
гранит, гнейс мусковит, плагиоклаз, биотит (<5%) неустойчивые
гранодиорит, сланец, габбро биотит, амфибол средне устойчивые
габбро, базальт пироксен, эпидот, оливин устойчивые
Устойчивость почв к подкислению и восстановлению определяется как их микробиологической активностью и наличием органического вещества, в качестве энергетического субстрата, так и количеством в ППК функциональных групп, протонирующихся или восстанавливающихся в том или ином интервале рН и Eh. Так как в разных почвах количество таких группировок неодинаково, то буферность почв к внешним воздействиям (деградации) неодинакова на разных стадиях деградации. Одна почва, по сравнению с другой, может быть более устойчива к подкислению в интервале рН=6-5, но менее устойчива в интервале рН=5-4 и т.д. Одна почва, по сравнению с другой, может быть более устойчива к развитию анаэробиозиса в интервале Eh=600-400 мв, но менее устойчива в интервале 400-200 мв.