Введение
Накопление водородных катионов, что снижает pH почвы. Закисление почвы – это накопление водородных катионов, что снижает pH почвы. Химически 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 соединение, например сульфат алюминия, которое реагирует в почве, высвобождая протоны. Закисление также происходит, когда основные катионы, такие как кальций, магний, калий и натрий, вымываются из почвы. Закисление почвы происходит естественным образом, когда лишайники и водоросли начинают разрушать поверхность горных пород. Кислоты продолжают этот процесс растворения по мере формирования почвы. Со временем и под воздействием выветривания почвы становятся более кислыми в естественных экосистемах. Скорость закисления почвы может варьироваться и увеличиваться под влиянием таких факторов, как кислотные дожди, сельское хозяйство и загрязнение.
Soil acidification is the buildup of hydrogen cations, which reduces the soil pH. Chemically, this happens when a proton donor gets added to the soil. The donor can be an acid, such as nitric acid, sulfuric acid, or carbonic acid. It can also be a compound such as aluminium sulfate, which reacts in the soil to release protons. Acidification also occurs when base cations such as calcium, magnesium, potassium and sodium are leached from the soil. Soil acidification naturally occurs as lichens and algae begin to break down rock surfaces. Acids continue with this dissolution as soil develops. With time and weathering, soils become more acidic in natural ecosystems. Soil acidification rates can vary, and increase with certain factors such as acid rain, agriculture, and pollution.
Кислотные дожди
Дожди естественным образом кислые из-за образования угольной кислоты из углекислого газа в атмосфере. Это соединение обуславливает pH осадков в пределах 5,0–5,5. Когда pH осадков опускается ниже естественного уровня, это может вызвать быстрое закисление почвы. Диоксид серы и оксиды азота являются предшественниками более сильных кислот, которые, реагируя с водой в атмосфере, приводят к образованию кислотных дождей. Эти газы могут присутствовать в атмосфере как из-за природных источников, таких как молнии и вулканические извержения, так и вследствие антропогенных выбросов. Основные катионы, такие как кальций, вымываются из почвы потоками кислых осадков, что способствует увеличению концентрации алюминия и протонов. Азотная и серная кислоты в кислотных дождях и снегу могут по-разному влиять на закисление лесных почв, особенно сезонно в регионах, где зимой накапливается снежный покров. Снег, как правило, содержит больше азотной кислоты, чем серной, и в результате весеннее таяние снега, обогащенного азотной кислотой, может в течение короткого времени вымывать ее через высокогорные лесные почвы. Объем этой воды может достигать 50% от годового количества осадков. Этот приток азотной кислоты из талой воды может вызвать резкое, кратковременное снижение pH дренажных вод, поступающих в грунтовые и поверхностные воды. Снижение pH может растворять Al3+, который токсичен для рыб, особенно для молоди с незрелыми жаберными системами, через которые они пропускают большие объемы воды для получения кислорода. По мере таяния снега температура воды повышается, и озера и ручьи выделяют больше растворенного органического вещества; концентрация алюминия в дренажных водах снижается и связывается с органическими кислотами, что уменьшает его токсичность для рыб. В дожде соотношение азотной и серной кислот снижается примерно до 1:2. Более высокое содержание серной кислоты в дожде также может в меньшей степени высвобождать Al3+ из почвы, чем азотная кислота, отчасти из-за удержания (адсорбции) SO42 почвой. Этот процесс высвобождает OH− в почвенный раствор и смягчает снижение pH, вызванное добавлением H+ из обеих кислот. Органические горизонты (слои) почвы лесного подстила, богатые органическим веществом, также буферизуют pH и уменьшают нагрузку H+, которая впоследствии просачивается через нижележащие минеральные горизонты.
Биологическая выветривание
Корни растений подкисляют почву, выделяя протоны и органические кислоты, чтобы химически выветривать минералы почвы. Разлагающиеся остатки отмерших растений на почве также могут образовывать органические кислоты, которые способствуют подкислению почвы. Подкисление от лесной подстилки на горизонте O более выражено под хвойными деревьями, такими как сосна, ель и пихта, которые возвращают в почву меньше основных катионов, чем под лиственными деревьями; однако различия в pH почвы, связанные с растительностью, часто существовали до появления этой растительности и способствуют отбору видов, устойчивых к ним. Накопление кальция в существующей биомассе также оказывает сильное влияние на pH почвы – фактор, который может варьироваться в зависимости от вида.
Материнские материалы
Некоторые материнские породы также способствуют закислению почвы. Граниты и связанные с ними изверженные породы называются "кислыми", поскольку содержат много свободного кварца, который при выветривании образует кремниевую кислоту. Кроме того, они содержат относительно небольшое количество кальция и магния. Некоторые осадочные породы, такие как сланцы и уголь, богаты сульфидами, которые при гидратации и окислении образуют серную кислоту, значительно более сильную, чем кремниевая кислота. Многие почвы, образованные на угольных отложениях, слишком кислые для поддержания бурного роста растений, а уголь при сжигании выделяет сильные предшественники кислотных дождей. Морские глины также часто богаты сульфидами, и такие глины становятся сильно кислыми при осушении и переходе в окислительное состояние.
Поправки почвы
Поправки к почве, такие как удобрения и навоз, могут вызывать подкисление почвы. Удобрения на основе серы могут сильно подкислять почву, например, элементарная сера и сульфат железа, в то время как другие, такие как сульфат калия, не оказывают существенного влияния на pH почвы. Большинство азотных удобрений оказывают подкисляющее действие, однако азотные удобрения на основе аммония подкисляют почву сильнее, чем другие источники азота. К азотным удобрениям на основе аммиака относятся сульфат аммония, диаммонийфосфат, моноаммонийфосфат и аммиачная селитра. Органические источники азота, такие как мочевина и компост, подкисляют почву в меньшей степени. Источники азота в форме нитратов, содержащие мало или совсем не содержащие аммиака, такие как нитрат кальция, нитрат магния, нитрат калия и нитрат натрия, не подкисляют почву.
Загрязнение
Окисление может происходить также из-за выбросов азота в атмосферу, поскольку азот может оседать в почву. Животноводство является причиной почти 65 процентов антропогенных выбросов аммиака. Антропогенные источники диоксида серы и оксидов азота играют важную роль в увеличении образования кислотных дождей. Использование ископаемого топлива и выхлопные газы автомобилей – основные антропогенные источники выбросов сернистых газов и оксидов азота соответственно. Алюминий – один из немногих элементов, способных повышать кислотность почвы. Это происходит за счет того, что алюминий извлекает ионы гидроксида из воды, оставляя после себя ионы водорода. В результате почва становится более кислой, что делает её непригодной для многих растений. Другим последствием присутствия алюминия в почве является токсичность алюминия, которая угнетает рост корней.
Практика управления сельским хозяйством
Такие подходы к управлению сельским хозяйством, как монокультура и химическое удобрение, часто приводят к проблемам почвы, таким как окисление, деградация и болезни, передающиеся через почву, что в конечном итоге негативно сказывается на сельскохозяйственной продуктивности и устойчивости. Кислая почва иногда повреждает кончики корней, замедляя дальнейший рост. Нарушается рост растений, а также снижается всхожесть семян. Окисление почвы влияет на здоровье растений, приводя к уменьшению почвенного покрова и снижению плотности посадок. В целом, у растений наблюдается заторможенный рост. Окисление почвы напрямую связано с сокращением численности редких и исчезающих видов растений. В почве окисление уменьшает разнообразие микроорганизмов и макрофауны. Это может привести к ухудшению структуры почвы, делая ее более восприимчивой к эрозии. В почве становится меньше доступных питательных веществ, усиливается влияние токсичных элементов на растения и нарушаются почвенные биологические функции (например, фиксация азота). Недавнее исследование показало, что монокультура сахарного тростника вызывает окисление почвы, снижает ее плодородие, изменяет структуру микробного сообщества и снижает его активность. Кроме того, большинство полезных родов бактерий значительно сократилось из-за монокультуры сахарного тростника, в то время как численность полезных родов грибов показала обратную тенденцию. Поэтому смягчение последствий окисления почвы, улучшение плодородия почвы и почвенной ферментативной активности, включая улучшение микробной структуры с полезными функциями для растений и почвы, может быть эффективной мерой для создания устойчивой системы выращивания сахарного тростника. В более серьезных случаях, которые являются экстремальными, происходит тот же процесс повреждения, что и в менее выраженных, – вымывание необходимых минералов, но с гораздо большей скоростью. Аналогично, кислотные дожди, выпадающие на почву и листья растений, вызывают высыхание воскового налета на листьях, что приводит к быстрой потере воды растением в окружающую атмосферу и, в конечном итоге, к его гибели. Чтобы определить, страдает ли растение от окисления почвы, следует внимательно осмотреть его листья. Если листья зеленые и выглядят здоровыми, pH почвы нормальный и подходит для жизни растений. Но если между жилками на листьях появляется пожелтение, это означает, что растение страдает от окисления и нездорово. Более того, растение, страдающее от окисления почвы, не может осуществлять фотосинтез. Высыхание растения из-за кислой воды разрушает хлоропласты. Невозможность фотосинтезировать лишает растение возможности создавать питательные вещества для собственного выживания и кислород для выживания аэробных организмов, что влияет на большинство видов на Земле и, в конечном итоге, сводит на нет цель существования растений.
Профилактика и управление
Окисление почв – распространенная проблема при длительном выращивании сельскохозяйственных культур, которую можно уменьшить с помощью известкования, внесения органических удобрений (например, соломы и навоза) и применения биоугля. В сахарном тростнике, сое и кукурузе, выращенных на кислых почвах, известкование привело к восстановлению питательных веществ, повышению pH почвы, увеличению биомассы корней и улучшению состояния растений. Для предотвращения дальнейшего окисления почвы также можно применять различные стратегии управления: использование менее подкисляющих удобрений, оптимизация количества и сроков внесения удобрений для снижения вымывания нитратного азота, эффективное орошение водой, нейтрализующей кислотность, а также учет соотношения основных питательных веществ к азоту в урожае. Серасодержащие удобрения следует использовать только для культур, чувствительных к недостатку серы, и при высокой степени ее усвоения растениями. Сокращая антропогенные источники диоксида серы и оксидов азота, а также принимая меры по борьбе с загрязнением воздуха, мы можем попытаться уменьшить кислотные дожди и окисление почв во всем мире. Это было замечено в провинции Онтарио (Канада) на нескольких озерах, где наблюдалось улучшение pH и щелочности воды.