Жидкая фаза почв. Трофимов С.Я

Жидкая фаза почвы

Жидкая фаза почв. Трофимов С.Я

Жидкая фаза почвы (вода, почвенные растворы) является ее неотъемлемой частью и выполняет разнообразные функции.

Именно эта фаза обеспечивает перераспределение веществ в почвенном профиле и формирует его как целостную систему. В самом процессе перемещения продуктов фотосинтеза и почвообразования в жидкой фазе можно выделить три типа элементарных почвенных процессов:

  • мобилизация (метаморфизм минеральных или органических веществ, часто просто растворение), приводящая к элювиированию (потере) элементов, коллоидов и органоминеральных соединений;
  • миграция веществ в почвенном профиле и за его пределы;
  • осаждение веществ в разных формах (иммобилизация, аккумуляция) в области барьеров — физического (изменение плотности и структуры порового пространства, испарительный барьер на границе капиллярной каймы, градиенты влажности), биохимического (карбонатизация, сульфатизация), физико-химического (изменения окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий, поглотительной способности).

Процессы перемещения вещества и энергии с жидкой фазой почвы

С осаждением веществ связано образование иллювиальных горизонтов.

Соотношение процессов элювиирования, миграции и иллювиирования определяет тип строения почвенного профиля. Эти процессы отражены в названиях многих генетических горизонтов, что способствует пониманию генезиса почв.

Почвенная влага представляет собой, во-первых, особую физико-химическую систему, в которой протекают различные процессы и химические реакции, необходимое звено в межфазных взаимодействиях, во-вторых, транспортную геохимическую систему, обеспечивающую перемещение продуктов почвообразования в профиле и экосистеме, в-третьих, систему жизнеобеспечения растений, поденных животных и микроорганизмов.

Категории почвенной влаги

Вода в почвах может находиться в разных состояниях, отличающихся физическими свойствами и функциями. Порции почвенной воды, обладающие одинаковыми свойствами, называются категориями, или формами, почвенной влаги.

Различают пять категорий почвенной влаги: химически связанная; парообразная; физически связанная, или сорбированная; свободная; твердая.

Категории (формы) почвенной влаги

Химически связанная вода представлена гидроксильной группой ОН химических соединений (гидроксиды железа, алюминия, марганца, органические и органо-минеральные соединения, глинистые минералы) и целыми водными молекулами кристаллогидратов (например, гипс — CaSO4 · 2Н2O). Эта вода входит в состав твердой фазы почвы и не является самостоятельным водным телом и растворителем, не перемещается.

Парообразная вода всегда содержится в почве. При понижении температуры почвы парообразная вода в результате конденсации переходит в жидкую. Она играет чрезвычайно важную роль в обеспечении почвенных обитателей водой в условиях резкого дефицита доступной влаги.

Физически связанная, или сорбированная, вода — это вода, сорбированная на поверхности твердых частиц. В зависимости от прочности удержания воды сорбционными силами твердых частиц, физически связанная вода подразделяется на две подсистемы: прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода — это вода, поглощенная почвой из парообразного состояния. Свойство почвы сорбировать парообразную влагу на поверхности твердых частиц называют гигроскопичностью почв, а поглощенную таким образом влагу — гигроскопической. Гигроскопическая влага неподвижна, не замерзает, не растворяет электролиты, не доступна растениям.

Предельное количество воды, которое может быть поглощено почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха 94—98 %, называют максимальной гигроскопической водой.

Значение этого показателя зависит от величины удельной поверхности почвы и обычно изменяется от 0,5—1,0 % (в песчаных Сдабогумусированных почвах) до 15—16% (в сильногумусированных суглинистых и глинистых почвах).

В торфяных почвах МГ может достигать 30—50 %.

Рыхлосвязанная (пленочная) вода — это вода, поглощенная из жидкого состояния и удерживаемая в почвах на поверхности частиц сорбционными силами сверх значений максимальной гигроскопичности. Пленочная вода может очень медленно перемещаться в жидкой форме. Она частично доступна для растений.

Свободная вода находится вне зоны действия сорбционных сил. Эта форма воды подразделяется на два подтипа: капиллярную и гравитационную.

Капиллярная вода удерживается в почвенных капиллярах под действием менисковых (капиллярных) сил. Менисковые силы проявляются в порах диаметром от 3 до 100 мкм. Капиллярная вода высоко подвижная. Она подразделяется на капиллярно-подвешенную и капиллярно-подпертую.

Капиллярно-подвешенная вода образуется при промачивании почв сверху (во время дождя или полива). Она удерживается в почве менисковыми силами и как бы «висит» над сухим слоем.

Капиллярно-подпертая вода — это капиллярная вода, связанная с грунтовыми водами и с водоподъемной способностью почвы.

Гравитационная вода свободно стекает в почве под действием гравитационных сил. Если все поры в почве заполняются водой, то в почве формируется водоносный горизонт.

Воды внутрипочвенных: водоносных горизонтов подразделяют на грунтовые, почвенной грунтовые и почвенные (почвенная верховодка — гравитационная) вода, временно скапливающаяся с образованием водоносного горизонта в профиле почвы над водоупорным слоем). Характерна для почв на двучленных почвообразующих породах.

Твердая вода в почве — это лед, образующийся при промерзаний почвы в зимний период. Лед разрыхляет почву и играет важную роль в формировании почвенной структуры.

Поскольку почвенная вода — всегда раствор, температура ее замерзания ниже 0 °С.

В результате закупорки пор льдом в почве возможно образование водонепроницаемого «запирающего» слоя в весенний период, над которым временно застаивается внутрипочвенная вода.

Все формы воды в почве образуют единую водоносную систему. Парообразная, химически и физически связанные формы води всегда присутствуют в почве. Гравитационная вода появляется в почве периодически, после выпадения осадков объемом выше 5 мм.

При залегании уровня грунтовых вод в границах профиля гравитационная вода может находиться в почве постоянно. капиллярных форм влаги в почве зависит от частоты выпадений осадков и расхода влаги на транспирацию и испарение.

При близком залегании уровня грунтовых вод капиллярная влага присутствует в профиле почвы постоянно.

Почвенные растворы

По В. В. Докучаеву, почвенная влага — это своего рода «кровь ландшафта», насыщенная разнообразными химическими элементами вода, по В. И. Вернадскому, — это «основной субстрат жизни», активный участник всех почвенных процессов.

Почвенный раствор — это жидкая фаза почвы, особая геохимическая система, включающая растворенные соли, органические и органо-минеральные соединения, газы и коллоиды.

Почвенный раствор является продуктом почвообразования и жизнедеятельности почвенных обитателей. Приведена схема, помогающая представить влияние разных форм почвенной влаги на формирование почвенного раствора.

Он включает в себя все формы свободной, капиллярной, рыхлой и частично прочносвязанной воды.

Почвенный раствор образуется в процессе взаимодействия поступающей в почву атмосферной (поливной) или грунтовой влаги с твердой, газообразной и живой фазами почвы. Он характеризуется составом катионов и анионов. К важнейшим катионам почвенного раствора относятся Са2+, Mg2+, Na+, К+, NH4+, Н+, Al3+, Fe3+, Fe2+. Среди анионов преобладают HCO32-, CO32-, NO3—, Cl—, SO42-, H2PO4—, HPO42-.

Величина pH почвенных растворов изменяется в широком диапазоне: от 3—4 в кислых почвах до 8—9 в карбонатных, достигая максимума (10—11) в солонцах и содовых солончаках.

Концентрация растворов в разных типах почв изменяется от десятков миллиграммов до нескольких граммов на 1 л раствора. В засоленных почвах концентрация почвенного раствора может достигать нескольких десятков граммов на 1 л. Наиболее низкими концентрациями характеризуются подзолистые и болотные почвы Нежной зоны.

углерода в почвенных растворах подзолистых почв достигает нескольких десятков миллиграммов на 1 л.

Тесная связь с испарением, с жизнедеятельностью растений и микроорганизмов обусловливает ярко выраженную суточную и сезонную динамику концентрации и состава почвенного раствора; Изменение концентрации и состава раствора в свою очередь приводит к изменению режима водного и минерального питания растений.

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: https://www.activestudy.info/zhidkaya-faza-pochvy/

1 ББКББК 40.3. ISBN © Караванова Е.И., Трофимов С.Я., 2009 4 …………………………………………………. ОГЛАВЛЕНИЕ Трофимов С.Я., Караванова Е.И

Жидкая фаза почв. Трофимов С.Я

Книги по всем темамPages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   …   | 10 | Трофимов С.Я., Караванова Е.И.

ЖИДКАЯ ФАЗА ПОЧВ Москва, 2009 3 УДК 631.416.8 ББК 40.3 Рецензенты:

Доктор биологических наук профессор Соколова Т.А.

Доктор биологических наук профессор Чуков С.Н.

Рекомендовано учебно-методической комиссией факультета почвоведения МГУ им. М.В.

Ломоносова в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 020701 и направлению 020700 – «Почвоведение» Трофимов С.Я., Караванова Е.И.

Жидкая фаза почв: учебное пособие по некоторым главам курса химии почв. – Москва:

….., 2009. — 73 стр.

В учебном пособии рассматривается понятие о почвенном растворе, его значение для формирования и функционирования почвы, способы получения почвенных растворов. Дано представление о свойствах воды как растворителя, ее роли в формировании почвенного раствора.

Рассмотрено состояние веществ в почвенных растворах, понятие об электролитической диссоциации, активностях ионов и ионной силе, основных типах ионных реакций, протекающих в почвенных растворах: диссоциации кислот и оснований, гидролизе, комплексообразовании, окислительно-восстановительных реакциях.

Показан cостав почвенных растворов разных типов почв.Указана основная необходимая литература.

ББК 40.3.

ISBN © Караванова Е.И., Трофимов С.Я., 2009 4…………………………………………………. ОГЛАВЛЕНИЕ Трофимов С.Я., Караванова Е.И………………………3 ЖИДКАЯ ФАЗА ПОЧВ……………………………………3 Глава 1. Понятие о почвенном растворе, его значение для формирования и функционирования почвы.

Способы получения почвенных растворов. 6 1.1. Роль почвенных растворов в почве и природе……………………………………………………………..6 1.2. Почвенный раствор как компонент гетерогенной системы……………………………………………8 1.2.1. Взаимодействие жидкой и газообразной фазы почв. 9 1.2.2.

Взаимодействие твердой и жидкой фазы почвы…. 1.3. Что такое почвенный раствор………………………………………………………………………………….1.4. Получение почвенных растворов……………………………………………………………………………..Глава 2. Свойства воды.

Ее роль в формировании почвенного раствора. 2.1. Строение и свойства воды. Вода как растворитель…………………………………………………….2.2. Образование раствора. Гидратация…………………………………………………………………………..Глава 3. Состояние веществ в почвенных растворах 3.1.

Выражение концентрации вещества в растворе………………………………………………………….3.2. Электролитическая диссоциация. Понятие об активности, коэффициентах активности и ионной силе………………………………………………………………………………………………………………….Глава 4.

Ионные реакции, протекающие в почвенных растворах. 4.1. Диссоциация кислот и оснований…………………………. 4.2. Гидролиз………………………………………………………………………………………………………………..4.3. Комплексообразование………………………………………………………………..

………………………….4.4. Окислительно-восстановительные реакции……………………………………………………………….Глава 5. Cостав почвенных растворов разных типов почв. 5.1. Состав почвенных растворов разных типов почв………………………………………………………5.2.

Состояние химических элементов в почвенных растворах………………………………………….5.2.1. Расчетный метод оценки форм соединений элементов в растворах 5.2.2. Состояние элементов в растворах кислых и щелочных почв 5.3. Влияние почвенных растворов на состав поверхностных и грунтовых вод…………………..Использованная литература…….

……………………….. Глава 1. Понятие о почвенном растворе, его значение для формирования и функционирования почвы. Способы получения почвенных растворов.

1.1. Роль почвенных растворов в почве и природе «Почвенные растворы, поддерживая жизнь и давая возможность существования зеленой наземной растительности, являются, очевидно, основным элементом механизма биосферы, ее суши».

В.И.Вернадский Роль почвенных растворов в формировании и функционировании почв трудно переоценить. Многие известные исследователи уделяли внимание этому вопросу, выделяя различные аспекты значения растворов в жизни почвы.

Почвенные растворы играют исключительно важную роль в процессе почвообразования, так как все процессы химического и биологического превращения органических и минеральных соединений совершаются при непосредственном участии жидкой фазы почвы. Эту функцию почвенных растворов можно обобщенно назвать трансформационной.

Вода является основным фактором, обеспечивающим процесс химического выветривания минералов (Кауричев, 1989, Орлов, 1992, Essington, 2004).

Одним из ведущих механизмов выветривания является сильно выраженная тенденция ионов в составе твердых фаз переходить в раствор. Движущей силой образования растворов является стремление системы понизить свободную энергию G P,T (индекс означает условие постоянства температуры и давления):

G=GP,T прод. — G P,T исх.

Нрастворения = Нф.п. + Нсол.

Для растворения кристаллических веществ в жидкостях Нф.п.> 0 (процесс идет с затратами энергии), в то время как сама сольватация протекает с выделением энергии (Нсол.< 0), поэтому теплота растворения может быть как положительной, так и отрицательной величиной.

Независимо от знака энтальпии при растворении всегда G = H – T·S < 0, т. к. переход вещества в раствор сопровождается значительным возрастанием энтропии вследствие стремления системы к разупорядочиванию.

Таким образом, растворение вещества — термодинамически выгодный процесс.

В процессе растворения веществ те ионы, которые образуют слабые связи с другими ионами (небольшое отрицательное значение энтальпии), преимущественно остаются в растворе, ионы, образующие прочные связи (большие отрицательные значения энтальпии образования), формируют новые твердые фазы, т.е. переосаждаются. Примером может служить процесс растворения ортоклаза, в результате которого калий остается в растворе, а алюминий образует новую фазу – каолинит:

2KAlSi3O8(ортоклаз)+2H++9H2OAl2Si2O5(OH)4(каолинит)+H4SiO4+2К+.

Растворение минералов в природе широко распространено, типична реакция растворения кальцита водой, содержащей углекислый газ:

СаСО3+СО2+Н2О Са(НСО3)Растворимость некоторых веществ (солей) увеличивается и за счет образования кристаллогидратов при их взаимодействии с водой:

СаSO4*2H2O (гипс) Са2+ +SO42- +2H2O.

Почвенный раствор, содержащий катионы и анионы различных веществ, растворяет и трансформирует алюмосиликаты и гидроксиды за счет протекания реакций комплексообразования, гидролиза, ионного обмена и других:

FeOOH (гетит)+ цитрат3- +3H+ цитратFe +2H2O KAl2(Si3Al)O10(OH)2 (мусковит)+0,4 Mg(H2O)62+ +0,2 H4SiO4 +0,2H [Mg(H2O)62+]0,4Al2(Si3,2Al0,8)O10(OH)2 (диоктаэдрический вермикулит) +K+ +0,2Al(OH)(гиббсит)+0,2H2O В жидкой среде происходит преобразование одних веществ в другие:

2Fe2O3(гематит)+3H2O2Fe2O3. 3H2O Al2Si2O5(OH)4 (каолинит)+5H202Al(OH)3 (гиббсит)+2H4SiOОкисление и гидратация являются важнейшими механизмами превращения минералов, содержащих закисное железо:

2FeS2+7O2+2H2O2FeSO4+2H2SO12 FeSO4+3O2+6H2O4Fe2(SO4)3+4Fe(OH)2Fe2(SO4)3+9H2O2Fe2O3.3H2O + 6H2SOТаким образом, жидкая фаза является основной средой, в которой в почве протекают частные физико-химические реакции, складывающие элементарные почвообразовательные процессы. Поэтому своим составом и свойствами она неизбежно отражает наиболее существенные черты современного почвообразования.

Почвенные растворы влияют на состав миграционных потоков вещества в почве и ландшафте, то есть исполняют транспортную роль.

При помощи растворов происходит перемещение продуктов растворения, выщелачивания, обмена и гидролиза, возникающих вследствие взаимодействия твердой и жидкой фаз почвы.

Они являются основой, формирующей состав гравитационного стока влаги из почв водосборного бассейна в ручьи и реки.

Из трансформационной и транспортной функций, выполняемых почвенными растворами, вытекает их информационная роль. Почвенные растворы являются отражением процессов, протекающих в почве в условиях конкретных биогеоценозов.

Изменения, происходящие в почве под влиянием процессов биологического, химического и физикохимического характера, отражаются на составе ее жидкой фазы.

Колебания состава и концентрации почвенных растворов значительны, но, несмотря на присущую почвенному покрову неоднородность, лежат в пределах, характерных для почв данного типа.

Наконец, жизнедеятельность растений и микроорганизмов также невозможна без почвенного раствора, который выполняет для них как защитно-регуляторную функцию (депо влаги), так и является источником питания.

Несмотря на важнейшую роль почвенных растворов в жизни почв, их изучение связано с многочисленными трудностями, что обусловлено нерешенностью ряда теоретических и методических проблем. Среди исследователей даже нет единой точки зрения на то, что, собственно, следует понимать под термином «почвенный раствор»; не существует единой стандартизованной методики его получения.

1.2. Почвенный раствор как компонент гетерогенной системы.

Почвенный раствор не является изолированной средой, а находится в постоянном контакте с твердой и газовой фазой. Поэтому его состав отражает различные виды взаимодействий, протекающих в гетерогенной системе, и регулируется процессами осаждения- растворения,сорбции-десорбции, ионного обмена и др (рис.1).

В открытых системах, к которым относится и почва, реализуется особый тип равновесий, называемый стационарным состоянием (динамическим равновесием), которое поддерживается непрерывным притоком вещества и энергии извне и их оттоком за пределы системы.

Термодинамическим критерием стационарности является минимум производства энтропии (беспорядка в системе), что возможно благодаря внешнему постоянно действующему источнику энергии.

Для сложных нелинейных систем – к которым относится большая часть природных биологических структур — характерно наличие нескольких стационарных состояний и возможностей перехода между ними. Описание функционирования таких систем базируется на синергетическом подходе, использующем нелинейные кинетические математические модели.

В почвоведении подобные подходы находятся только в стадии разработки, и в Потребление растениями, корневые и микробные выделения Сорбция- Сорбция- десорбция десорбция ионов на газов твердых фазах Почвенный раствор ОсаждениеОсаждениерастворение, растворение, минералообразокомплексообразо вание вание с участием органических миграция веществ Рис. 1.

Почвенный раствор как компонент открытой многофазной системы основном господствует квазиравновесное описание процессов. В рамках этого подхода отдельные состояния и процессы взаимодействия фаз и компонентов почвенных систем могут быть описаны с помощью категорий равновесной термодинамики (Смагин, 2004, Регуляторная роль…, 2002).

1.2.1. Взаимодействие жидкой и газообразной фазы почв.

Почвенный воздух представлен многочисленными газами (N2, O2,CO2,CO, CH4, H2S,H2 и пр), а также парами жидких (Н2О) и твердых (Hg, I2) веществ. Основными компонентами газовой фазы являются азот, кислород, аргон, углекислый газ и пары воды.

В условиях анаэробиозиса состав почвенного воздуха может дополняться сероводородом, водородом, метаном.

Динамика макросостава газовой фазы определяется процессами выделения углекислоты и поглощения кислорода, а также взаимодействиями с жидкой и твердой фазами.

Одним из важнейших процессов, регулирующим как состав почвенного воздуха, так и раствора, является растворение газов в жидкости (почвенном растворе). Данный процесс подчиняется закону Генри:

Сi=KH Pi, где Сi – концентрация растворенного газообразного компонента i, Pi – парциальное давление пара i-компонента над раствором, KH– константа Генри. Так, для углекислого газа, который растворяется в воде с образованием угольной кислоты (H2CO3), закон Генри имеет вид:

[CO2]раств=[H2CO3]=KHPCO2, где KH,СО2=0,0344 (при 250С) Растворение СО2 играет большую роль в создании величины кислотности почвенного раствора. Угольная кислота H2CO3 двухосновная, основная часть протонов образуется при диссоциации по первой ступени, причем истинная константа ионизации довольно велика:

рК1=3,3 (больше, чем у уксусной кислоты). В почвенной литературе используется кажущаяся константа ионизации, рКк=6,4, при расчете которой в знаменатель подставляется суммарное содержание собственно угольной кислоты и растворенного в воде СО2:

[H ][HCO3 ] Kк [CO2] [H2CO3] С учетом высокой концентрации СО2 в почвенном воздухе (0,3%, а в переувлажненных почвах до 20%), растворение углекислого газа способствует значительному снижению значений рН почвенного раствора. Так, при РСО2=0,03, рН находящейся с ним в равновесии воды составляет 5,64, а при РСО2=3 снижается до 4,64.

Изменения парциального давления СО2 в почвенному воздухе будет оказывать влияние на растворение карбонатов, поскольку растворимость кальцита зависит от концентрации в почвенном растворе карбонат-ионов, а последние образуются при диссоциации угольной кислоты. В почве, содержащей карбонаты, концентрация кальция в растворе регулируется произведением растворимости кальцита:

ПРСаСО [Ca2][CO32] K1K2[H2CO3] [CO3 ] [H ]где К1 и К2 – константы диссоциации угольной кислоты по 1 и 2 ступени, а концентрация угольной кислоты в растворе определяется законом Генри.

1.2.2. Взаимодействие твердой и жидкой фазы почвы Поступление веществ в почвенный раствор определяется вещественным составом твердой фазы, с которой этот раствор взаимодействует. Основной вклад создается процессами растворения легкорастворимых солей, и в этом случае зависимость концентрации соответствующих компонентов от влажности почвы чаще всего линейна.

Концентрация элементов, входящих в состав труднорастворимых соединений, поддерживается на определенном уровне, который зависит от величин произведения растворимости соответствующих веществ. Так, концентрация ионов Al в растворе, находящемся в равновесии с кристаллическим гиббситом Al(OH)3, определяется величиной рН и произведением растворимости ПРAl(OH)3=10-34.6.

Растворение гиббсита протекает в соответствии с уравнением:

Al(OH)3=Al3++3OH-, откуда ПР=(Al3+).(OH-)3, а (Al3+)= ПРAl(OH)3/(OH-)3 (круглые скобки обозначают в данном случае активность ионов).

Для расчетов необходимо знать, в состав каких компонентов раствора входит алюминий (гидроксокомплексы, комплексы с органическими и неорганическими лигандами), и располагать термодинамическими параметрами реакций, протекающих в растворе (подробнее разд. 5.2.1.). Основная трудность такого подхода заключается в том, что не всегда вся эта информация доступна.

Так, необходимо знать полный состав анионов, с которыми алюминий образует соединения в равновесном растворе. При этом далеко не всегда можно найти концентрации всех низкомолекулярных неспецифических органических кислот;

для высокомолекулярных гумусовых кислот не только сложно определить концентрацию, но и не всегда имеются однозначные константы реакций комплексообразования.

Если рассматривать пример с алюминием, нет полного представления о его полимерных соединениях, и поэтому в данном случае рекомендуется определять концентрацию аквагидроксокомплексов и комплексов с остальными неорганическими лигандами.

Эта концентрация представляет собой разность общей концентрации алюминия в растворе и его концентрации в составе органических комплексов и крупных полимеров. Последние группы соединений можно определить, химически разделяя на ионообменных смолах (Соколова, Толпешта, Трофимов, 2007).

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   …   | 10 | Книги по всем темам

Источник: http://knigi.dissers.ru/books/1/11789-1.php

Biz-books
Добавить комментарий