Введение

Химия почв – это изучение химических характеристик почвы. На химию почв влияют минеральный состав, органические вещества и факторы окружающей среды. В начале 1870-х годов Дж. Томас Уэй, консультант-химик Королевского сельскохозяйственного общества в Англии, провел множество экспериментов по обмену ионами в почвах и считается основоположником почвенной химии. Среди других ученых, внесших вклад в эту область экологии, – Эдмунд Руфин и Линус Полинг.

Поры почвы

Взаимодействие микропор и макропор почвы важно для почвенной химии, поскольку обеспечивает поступление воды и газообразных элементов в почву и окружающую атмосферу. Макропоры способствуют переносу молекул и веществ внутрь микропор и из них. Микропоры находятся внутри самих агрегатов.

Вода в почве

Вода необходима для организмов в почвенном профиле и частично заполняет макропоры в идеальной почве. Выщелачивание почвы происходит, когда вода уносит ионы глубже в нижние горизонты, что приводит к повышению окисленности в других горизонтах почвы. Вода также перемещается из области с более высоким водным потенциалом в область с более низким водным потенциалом, что может вызывать капиллярные явления и действие силы тяжести, обусловленные адгезией воды к поверхности почвы и когезией между молекулами воды.

Воздух/Атмосфера

Атмосфера содержит три основных газа: кислород, углекислый газ (CO2) и азот. В атмосфере содержание кислорода составляет 20%, азота – 79%, а CO2 – от 0,15% до 0,65% по объему. Концентрация CO2 увеличивается с глубиной почвы из-за разложения накопленного органического вещества и большого количества корней растений. Присутствие кислорода в почве важно, поскольку оно способствует распаду нерастворимых горных пород на растворимые минералы и гумификацию органических веществ. Воздух в почве состоит из тех же газов, что и в атмосфере, но в разных пропорциях. Эти газы обеспечивают протекание химических реакций в микроорганизмах. Накопление растворимых питательных веществ повышает продуктивность почвы. При недостатке кислорода в почве активность микроорганизмов замедляется или прекращается. Важнейшими факторами, определяющими состав атмосферы почвы, являются температура, атмосферное давление, ветровая аэрация и количество осадков.

Текстура почвы

Текстура почвы влияет на химические свойства почвы, определяющие её способность сохранять структуру, ограничивать движение воды и состав частиц. Текстура почвы учитывает все типы частиц, а треугольник текстуры почвы – это диаграмма, используемая для определения процентного содержания каждого типа частиц, в сумме составляющего 100% для почвенного профиля. Эти фракции различаются не только по размеру, но и по влиянию на важные факторы, влияющие на рост растений, такие как аэрация почвы, обрабатываемость, подвижность и доступность воды и питательных веществ.

Песок

Размеры песчинок варьируются (примерно от 0,05 до 2 мм). Песок – наиболее крупнозернистая из групп частиц. Песок обладает самыми большими порами и частицами среди всех групп частиц. Он также наиболее легко дренируется. Эти частицы становятся более активными в химических реакциях при покрытии глиной.

Слитка

Размер частиц ила варьируется (около 0,002–0,5 мм). Поры в иле считаются средними по размеру по сравнению с другими группами частиц. Ил имеет консистенцию муки. Частицы ила легко пропускают воду и воздух, но при этом удерживают влагу, необходимую для роста растений. Иловатая почва содержит достаточное количество питательных веществ, как органических, так и неорганических.

Глина

Глина содержит частицы наименьшего размера (около <0,002 мм) среди всех групп частиц. У глины также самые маленькие поры, что обеспечивает ей высокую пористость, и она плохо пропускает воду. Глина липкая на ощупь во влажном состоянии. Некоторые её виды способны расширяться и сжиматься при изменении влажности.

Глина

Суглинок – это сочетание песка, ила и глины, образующее различные типы почв. Его название определяется преобладающими частицами в составе почвы, например, песчаный суглинок, глинистый суглинок, иловый суглинок и т.д.

Биота

Биота – это организмы, которые вместе с органическим веществом формируют биологическую систему почвы. Подавляющее большинство биологической активности происходит вблизи поверхности почвы, как правило, в горизонте A почвенного профиля. Биота нуждается в поступлении органического вещества для поддержания жизнедеятельности и увеличения численности популяций. В свою очередь, они обогащают почву питательными веществами, обычно после их круговорота в почвенной трофической сети. Благодаря множеству различных взаимодействий, биота оказывает значительное влияние на окружающую среду физически, химически и биологически (Pavao Zuckerman, 2008). Важным фактором, обеспечивающим определенную стабильность этих взаимодействий, является биоразнообразие – ключевой компонент всех экологических сообществ. Биоразнообразие обеспечивает непрерывный поток энергии через трофические уровни и оказывает сильное влияние на структуру экологических сообществ в почве.

Цикл почвы

Многие питательные вещества растений в почве участвуют в биогеохимических циклах в окружающей среде. На эти циклы влияют вода, газообмен, биологическая активность, иммобилизация и динамика минерализации, однако у каждого элемента своя траектория движения (Deemy et al., 2022). Например, азот переходит из изолированной газообразной формы в соединения нитрата и нитрита по мере прохождения через почву и становится доступным для растений. В отличие от него, элемент, такой как фосфор, перемещается в минеральной форме, поскольку он содержится в составе горных пород. Эти циклы также значительно различаются по подвижности, растворимости и скорости прохождения через естественные циклы. В совокупности они определяют все процессы, происходящие в почвенной химии.

Методы исследования

Новые знания о химии почв часто возникают в результате лабораторных исследований, в которых образцы почвы, взятые из не нарушенных почвенных горизонтов в полевых условиях, используются в экспериментах с повторными обработками и контрольными группами. Во многих случаях образцы почвы высушиваются на воздухе при комнатной температуре (например, 25 °C (77 °F)) и просеиваются до размера 2 мм перед хранением для дальнейшего изучения. Такая сушка и просеивание значительно нарушают структуру почвы, разнообразие микробных популяций и химические свойства, связанные с pH, окислительно-восстановительным статусом, степенью окисления марганца и растворенным органическим веществом, среди прочих характеристик. Возросший интерес в последние десятилетия побудил многих почвенных химиков поддерживать образцы почвы во влажном полевом состоянии и хранить их при 4 °C (39 °F) в аэробных условиях до и во время исследований. В лабораторных исследованиях химии почв часто используются два подхода. Первый известен как равновесная экстракция. Химик добавляет определенный объем воды или солевого раствора с известной концентрацией растворенных ионов к массе почвы (например, 25 мл раствора к 5 г почвы в центрифужной пробирке или колбе). Затем почвенную суспензию встряхивают или перемешивают в течение определенного времени (например, от 15 минут до нескольких часов) для установления стационарного состояния или равновесия перед фильтрацией или центрифугированием на высокой скорости для отделения песчинок, иловых частиц и глинистых коллоидов от равновесного раствора. Затем фильтрат или центрифугат анализируется с использованием одного из нескольких методов, включая ион-селективные электроды, атомно-абсорбционную спектрофотометрию, индуктивно связанную плазменную спектрометрию, ионную хроматографию и колориметрические методы. В каждом случае анализ количественно определяет концентрацию или активность иона или молекулы в жидкой фазе, и, умножая измеренную концентрацию или активность (например, в мг иона/мл) на соотношение раствор/почва (мл экстракционного раствора/г почвы), химик получает результат в мг иона/г почвы. Этот результат, основанный на массе почвы, позволяет проводить сравнения между различными почвами и обработками. Связанный подход использует известный объем раствора для выщелачивания (инфильтрации) экстрагирующего раствора через определенное количество почвы в небольших колонках с контролируемой скоростью, чтобы имитировать прохождение дождевой воды, талой воды и ирригационной воды через почвы в полевых условиях. Затем фильтрат анализируется с использованием тех же методов, что и при равновесной экстракции. Другой подход к количественной оценке почвенных процессов и явлений использует in situ методы, которые не нарушают структуру почвы, как это происходит при встряхивании или выщелачивании почвы экстракционным раствором. Эти методы обычно используют поверхностные спектроскопические методы, такие как инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье, ядерный магнитный резонанс, спектроскопия Мессбауэра 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 этими поверхностями посредством адсорбции, комплексообразования и осаждения. Эти лабораторные эксперименты и анализы имеют преимущество перед полевыми исследованиями в том, что химические механизмы реакций ионов и молекул в почвах могут быть выведены из полученных данных. Можно делать выводы или формулировать новые гипотезы о подобных реакциях в различных почвах с различной текстурой, содержанием органического вещества, типами глинистых минералов и оксидов, pH и дренажными условиями. Лабораторные исследования имеют недостаток в том, что они теряют некоторую реалистичность и гетерогенность не нарушенной почвы в полевых условиях, но при этом приобретают контроль и возможность экстраполяции на неизученные почвы. Механистические лабораторные исследования в сочетании с более реалистичными, менее контролируемыми полевыми наблюдениями часто дают точные приближения поведения и химии почв, которые могут быть пространственно гетерогенными и временно изменчивыми. Еще одна проблема, с которой сталкиваются почвенные химики, 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.