Фізико-хімічні властивості грунту

План

        1.      Кислотність ґрунтів

2.      Лужність ґрунтів

3.      Буферність ґрунтів

4.      Склад ґрунтового повітря та його роль у ґрунтоутворенні

5.      Повітряні властивості режим ґрунту

6.      Радіоактивність ґрунтів

1. Кислотність грунтів

Природа кислотності та її види. Від складу і кон­центрації речовин, розчинених в ґрунтовому розчині, залежить йо­го активна реакція. Реакція ґрунтового розчину зумовлюється наявністю і співвідношенням в ньому водневих (Н+) і гідроксильних (ОН~) іонів. Величину активної реакції виражають в одиницях рН — десятичний логарифм концентрації Н+-іонів з від'ємним зна­ком. Отже, рН=—1§[Н+].

Вода в звичайних умовах в незначній кількості дисоціює, тобто розпадається на іони Н+ і ОН~. Концентрація їх незначна. Добу­ток концентрацій [Н+] • [ОН~ ] = 10-14. В ідеально чистій воді концентрація цих іонів однакова: [Н+] = [ОН~] =10~7.

Збільшення концентрації іонів Н+ (доливання кислоти) зумов­лює кислу реакцію розчину [Н+]>10-7. Збільшення концентрації основ підвищує концентрацію іонів ОН~. Розчин набуває лужної реакції [ОН-]>10-7.

В нейтральних розчинах, в яких [Н+] = [ОН~] = 10~7, величи­на рН = 7, в кислих— менше 7, в лужних — більше 7. рН ґрунто­вих розчинів коливається в межах від 3 до 9.

Залежно від стану іонів Н+ розрізняють актуальну і потенці­альну кислотність.

Актуальна кислотність зумовлена наявністю в ґрунтовому роз­чині вільних іонів Н+. її величину (рН) визначають у водних ви­тяжках.

Потенціальна кислотність зумовлена наявністю в ГВК увібра­них іонів Н+ і А13+, які знаходяться в твердій фазі ґрунту. Іони алюмінію підкислюють ґрунтовий розчин внаслідок гідролізу солей алюмінію.

АІСІз + ЗН2О -> А1 (ОН) з + ЗНС1.

За способом визначення потенціальної кислотності виділяють обмінну і гідролітичну кислотності.

Обмінна кислотність — концентрація іонів водню, витіснених з дифузного шару колоїдної міцели катіонами нейтральних солей. Для визначення обмінної кислотності використовують 1,0н. роз­чин КС1 (рН близько 6,0).

Гідролітична кислотність. Іони водню утримуються колоїдною часткою дуже міцно і при обміні з катіонами нейтральної солі пов­ністю не витісняються. Якщо діяти на ґрунт гідролітичне лужною сіллю (солі з сильною основою і слабким кислотним залишком), то відбудеться майже повне витіснення увібраних іонів водню. Для визначення гідролітичної кислотності використовують ЇМ розчин СН3СООМа (рН близько 8,2).

Меліорація кислих ґрунтів. Кисла реакція ґрунтів несприятлива для більшості культурних рослин і корисних мікроорганізмів. Вона негативно впливає на процес формування родючості ґрунтів. Кислі ґрунти мають погані фізичні властивості. Через відсутність основ органічна речовина в цих ґрунтах не закріплюється, вони бідні на поживні елементи, не містять хлоридів, сульфатів, карбонатів, їх ґрунтова маса погано оструктурена. Отже, ступінь кислотності ґрунтів є важливим показником під час оцінки генетичної і виробничої якості ґрунту.

За величиною рН ґрунти поділяють на сім агровиробничих груп.

Дозу вапна розраховують за гідролітичною кислотністю орного горизонту. Внесена доза вапна має повністю нейтралізувати уві­брані Н+ і А13+. Якщо 20-сантиметровий шар ґрунту має щільність 1,3 г/см3, його маса на площі 1 га становитиме 2600 т. Встановле­но, що для нейтралізації 1 г-екв гідролітичної кислотності на 100 г ґрунту на 1 га слід вносити 1,3 т СаСО3. Проте в ґрунт вно­сять не повну дозу вапна, а певну її частину залежно від біологіч­них особливостей культурних рослин.

Крім наведеного методу дозу вапна на 1 га ґрунту можна роз­рахувати, користуючись формулою

а-10-100-3 000 000 Х ~  1 000 000 000 ,       

де а — повна гідролітична кислотність, ммоль.

Доведено, що між рН сольової витяжки і гідролітичною кислот­ністю ґрунту певного механічного складу існує чітка кореляційна залежність. Враховуючи це, розроблені спеціальні таблиці, що да­ють змогу визначити дозу за рН сольової витяжки.

2. Лужність грунтів

Лужна реакція ґрунтових розчинів може бути зу­мовлена різними сполуками: карбонатами, гідрокарбонатзми, хло-ридзми і сульфатами лужних і лужноземельних металів, гуматами натрію, силікатами та іншими сполуками. Основну роль при цьому відіграють гідролітичне лужні солі слабких кислот, а саме: карбо­нати натрію і калію, гідрокарбонати натрію і калію, карбонати кальцію і магнію. Основні аніони, які зумовлють лужну реак­цію, є:

52-; РО3-; Н38іО-; Н2ВО-; А1(Н2О)2(ОН)-; ПРО; Н5-; НСО-.

Розрізняють актузльну (активну) і потенціальну лужність.

Актуальна лужність зумовлена наявністю в ґрунтовому розчи­ні гідролітично лужних солей, під час дисоціації яких утворюєть­ся значна кількість гідроксильних іонів. Лужність ґрунту визна­чають титруванням водної витяжки в присутності різних індика­торів і виражзють в мілігрзм-еквівзлентзх на 100 г ґрунту.

Потенціальна лужність проявляється у ґрунтах, які містять уві­браний натрій. При дії нз ґрунт вугільною кислотою увібраний ГВК натрій заміщується іонами Н+. В ґрунтовому розчині утворю­ється сода, яка підвищує лужну реакцію:

[ГВК] 2^+ + Н2СО3 =** [ГВК]2Н+ + N33.003.

Висока лужність несприятлива для росту і розвитку більшості сільськогосподарських рослин. Лужні ґрунти мають низьку родю­чість, несприятливі фізичні властивості і хімічний склад. Вони, як правило, тверді, зцементовані, безструктурні, у вологому стані в'язкі, липкі, водонепроникні.

Меліорація лужних ґрунтів проводиться внесенням гіпсу (гіп­сування) та інших солей (кальцієва селітра сульфзт заліза, піритні недогарки). При цьому відбувається заміщення обмінного натрію на кальцій,

[ГВК] 2ІМа+ + Са8О4 = [ГВК] Са2+ + №28О4.

Сульфат натрію, який при цьому утворюється, потрібно вимити прісною водою в нижні горизонти. При внесенні гіпсу також від­бувається нейтралізація соди, яка є найшкідливішою сполукою в засолених ґрунтах.

N32003 + Са8О4 = СаСО3 + N32804.

Содові солончаки доцільно меліорувати сірчаною кислотою

(кислування).

(- Н28О4 = N32804 + Н2О + СО2

 3.  Буферність грунтів

Буферністю називають здатність ґрунту протистоя­ти зміні активної реакції під дією незначної кількості кислот або лугів. Отже, існує буферність проти кислотних і буферність проти лужних реагентів.

Буферність ґрунтів зумовлена в основному складом увібраних основ та властивостями ґрунтового вбирного комплексу. Ця влас­тивість проявляється в процесі вбирання і витіснення іонів, пере­ходу сполук в іонні або молекулярні форми, утворення важкороз­чинних сполук і випадання їх в осад.

При дії на ґрунт кислотою відбувається обмін між увібраними катіонами і іонами водню, в ґрунтовому розчині утворюється ней­тральна сіль. Отже, підкислення ґрунту не відбувається.

[ГВК]Са2+ + 2НС1 = [ГВК]2Н+ + СаС12.

При дії на ґрунт лугом відбувається обмін увібраних іонів вод­ню на катіон лугу, в результаті чого він нейтралізується. Лужна буферність властива кислим ґрунтам.

[ГВК]2Н+ + Са(ОН)2 = [ГВК] Сз2+ + Н2О.

Тзким чином, ГВК є регулятором концентрації ґрунтового розчину.

Величина (діапазон) буферності залежить від вмісту в ґрунті тонкодисперсних часток. Глинисті ґрунти мають високу буферність, піщані — майже не мають її.

Явище буферності має велике значення при хімічній меліорації ґрунтів та застосуванні мінеральних добрив.

4. Склад грунтового повітря т айого роль у грунтотворенні

Ґрунтове повітря — це суміш газів і летких орга­нічних сполук, які заповнюють пори ґрунту. Основними джерелами надходження повітря в ґрунт є приземний шар атмосфери і гази, які утворюються в ґрунті. Воно потрібне для дихання коренів рос­лин, аеробних мікроорганізмів, тваринних організмів.

Ґрунтове повітря перебуває в ґрунті у трьох станах: вільному,, адсорбованому і розчинному.

Вільне повітря заповнює капілярні і некапілярні пори, легко пе­реміщується в ґрунті і обмінюється з атмосферою. Його газовий склад значно відрізняється від складу атмосферного повітря. Ли­ше вміст азоту залишається близьким до його вмісту в атмосфері.

Вміст СО2 в ґрунтовому повітрі може бути в десятки і сотні ра­зів більший, ніж в атмосфері, а вміст О2 знижується від 20,9 до 10 % і нижче.

Адсорбція газів поверхнею твердої фази ґрунту залежить від будови їх молекул. Найбільше адсорбується аміак, найменше азот

Розчинність газів у воді залежить від їх концентрації в ґрунто­вому повітрі і температури. Найкраще розчиняються у воді аміак, сірководень, вуглекислий газ, найменше — азот. При пониженні температури розчинність газів збільшується.

Велике значення в ґрунтових процесах має кисень. У ґрунт з атмосфери він надходить дифузно. Витрачається на дихання коре­нів, мікроорганізмів. Оптимальні умови для дихання створюються при вмісті О2 в ґрунтовому повітрі близько 20 %. В разі нестачі кисню в ґрунті розвиваються анаеробні процеси, які негативно впливають на родючість ґрунту.

Високий вміст вуглекислого газу в ґрунтовому повітрі зумов­люється біологічними процесами. За високої концентрації СО2 (>2 — 3 %) спостерігається пригнічений розвиток рослин.

Дифузію СО2 з ґрунту в приземний шар атмосфери прийнято називати диханням ґрунту. Інтенсивність дихання ґрунту залежить від характеру рослинності, системи обробітку, гідротермічних умов тощо. Воно наростає з півночі на південь. Тундрові ґрунти протя­гом року виділяють в атмосферу 0,3 т/га, підзолисті — від 3,5 до ЗО, сірі лісові — від 20 до 60 і чорноземи — від 40 до 70 т/га СО2. Підвищення концентрації СО2 в приземному шарі атмосфери під­вищує інтенсивність фотосинтезу.

5.  Повітряні властивості. Режим грунту

Сукупність фізичних властивостей ґрунтів, які виз­начають стан і переміщення ґрунтового повітря, називають повіт­ряними властивостями ґрунту. Найважливішими з них є: повітро-<ємкість, вміст повітря, повітропроникність і аерація.

Повітроемкість ґрунту — максимально можлива кількість по­вітря (в %), яка міститься в повітряносухому непорушеному ґрунті. Ця величина залежить від гранулометричного складу і острук-туреності ґрунту. Піщані і структурні ґрунти мають високу повіт-роємкість.

Вміст повітря — величина, яка вказує, скільки повітря (в %) містить одиниця об'єму ґрунту в даний момент. Вона безперервно змінюється залежно від зміни вологості. Тому максимальний вміст повітря має сухий ґрунт.

Повітропроникністю (газопроникністю) називають здатність ґрунту пропускати крізь себе повітря. Вона залежить від грануло­метричного складу і оструктуреності ґрунту, тобто від об'єму і кон­фігурації пор. Найкращу газопроникність мають структурні розпу­шені ґрунти.

Аерація ґрунту — безперервний газообмін ґрунтового повітря з атмосферним. В процесі аерації ґрунтове повітря збагачується на кисень, потрібний для дихання живих організмів, а приземний шар повітря — вуглекислим газом, який використовують рослини в про­цесі фотосинтезу. Аерація ґрунту зумовлюється газовою дифузією внаслідок коливання температури, зміною атмосферного тиску, пе­ріодичним зволоженням і висиханням ґрунту та іншими факто­рами.

Сукупність всіх явищ надходження повітря в ґрунт, зміна його складу, виділення в атмосферу називають повітряним режимом ґрунту. Він постійно змінюється під впливом погодних умов, рос­линності, обробітку ґрунту тощо. Найсприятливіший повітряний режим мають структурні ґрунти. Вони забезпечують мікроорганіз­ми і кореневу систему вищих рослин киснем у потрібній кількості.

Регулюють повітряний режим ґрунту агротехнічними та меліо­ративними заходами (розпушення ґрунту, осушення перезволоже­них земель, створення водоміцної структури тощо).

6.  Радіоактивність грунту

Радіоактивність ґрунтів зумовлена наявністю в них радіоактивних елементів. В науковій літературі немає даних про безпосередній вплив радіоактивності на процеси ґрунтоутворення.Проте вивчення цього явища має важливе значення для екологіч­ної оцінки ґрунтів тієї чи іншої території та впливу його на здоров'я місцевого населення.

Радіоактивність ґрунтів виражається кількістю ядерних розпа­дів за одиницю часу. В міжнародній системі СІ одиницею кількості радіоактивності є беккерель (1 Бк=1 розп/с), а одиницею актив­ності — кюрі (1 Кд = 3,7 • 1010 Бк).

Залежно від характеру накопичення радіоактивних елементів в ґрунтах розрізняють природну і штучну радіоактивність.

ПРИРОДНА РАДІОАКТИВНІСТЬ ҐРУНТІВ

Природна радіоактивність ґрунтів (ПРГ) зумовлю­ється природними радіоактивними елементами (ПРЕ), які завжди є в ґрунтах і ґрунтоутворюючих породах, їх поділяють на дві гру­пи: первинні і космогенні.

Первинні ПРЕ — елементи, що надійшли в ґрунт з ґрунтоутво­рюючих порід або з геохімічним потоком з інших територій, їх поділяють на дві підгрупи. До першої підгрупи належать еле­менти, всі ізотопи яких є радіоактивними. Вони утворюють три ра­діоактивних ряди:

1. Ряд урану, родоначальником якого є 238ІІ (період напівроз­паду ТІ/2=4,5-109 років), включає 17 радіоактивних ізотопів. З проміжних продуктів розпаду заслуговує на увагу 226Ка, який є хімічним аналогом елементів — біофілів Са і М§. Кінцевим про­дуктом розпаду даного ряду є стабільний ізотоп свинцю — 206РЬ.

2. Ряд актинію, родоначальником якого є 235П (ТІ/2=7,1-108 років), включає 14 радіоактивних ізотопів, кінцевим продуктом є 207РЬ.

3. Ряд торію, родоначальником якого є 232ТЬ (ТІ/2=1,4-1010 років), включає 12 радіоактивних ізотопів, кінцевим продуктом є 208РЬ.

Більша частина проміжних продуктів розпаду—короткоживу-чі ізотопи — випромінюють в основному альфа-частки, деякі — бе­та- і гама-частки.

До другої підгрупи належать ізотопи «звичайних» елементів, які здатні до радіоактивного розпаду (40К; 87КЬ; 48Са; 962г та ін.). Най­більшу природну радіоактивність з цих елементів має калій.

Валовий вміст ПРЕ залежить від ґрунтоутворюючих порід. Про­дукти вивітрювання кислих порід містять більше ПРЕ, ніж продук­ти основних і ультраосновних порід.

Космогенні ПРЕ надходять в ґрунт з атмосфери, де вони вини­кають в результаті взаємодії космічного випромінення з ядрами стабільних елементів. До цієї групи належать тритій (3Н), берилій (7Ве, 10Ве) і вуглець (14С).

Вертикальне розподілення ПРЕ по профілю ґрунту залежить від особливостей ґрунтоутворюючого процесу. Так, карбонатні ґрунти мають вищу концентрацію ПРЕ у верхньому гумусному гори­зонті. Підзолисті, сірі лісові, солонцюваті, оглеєні, навпаки, акуму­люють ПРЕ в ілювіальних і глейових горизонтах.

 ШТУЧНА РАДІОАКТИВНІСТЬ ҐРУНТІВ

Штучна радіоактивність ґрунтів зумовлена забруд­ненням їх радіоактивними ізотопами в результаті виробничої діяль­ності людини. Вперше загроза радіоактивного забруднення ґрунтів виникла в 50-ті роки XX століття, коли в багатьох регіонах зем­ної кулі проводились випробування атомної зброї в атмосфері. В наш час кількість джерел радіоактивного забруднення значно збільшилася. До них належать атомні електростанції, уранові шах­ти і збагачувальні фабрики, заводи по переробці ядерного палива, сховища радіоактивних відходів, теплові електростанції тощо.

Викиди радіоактивних речовин забруднюють не лише прилеглу до підприємства територію. Вони переносяться вітром на значні відстані і, випадаючи з атмосферними опадами, забруднюють по­вітря, ґрунти і природні води на великих територіях.

Радіоактивні елементи, які мають, порівняно, короткий період піврозпаду (110Ва; 114Се; 133І; 893г та ін.), можуть бути небезпечни­ми, коли з краплями дощу вони випадають на поверхню ґрунту. Особливо небезпечними є елементи з тривалим періодом піврозпа­ду—137Сз (ТІ/2=33 роки) і 905г (ТІ/2=28 років). Радіоактивні елементи включаються в біологічний кругообіг і з рослинною і тва­ринною їжею потрапляють в організм людини. Тут вони накопичу­ються і зумовлюють радіоактивне опромінення. Отже, потрібно знати процеси вбирання цих ізотопів ґрунтом, їх міграцію і засво­єння рослинами.

ДИНАМІКА ВБИРАННЯ ТА МІГРАЦІЇ РАДІОАКТИВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ В ҐРУНТАХ

Вміст в ґрунтах радіоактивних елементів незначний і тому вони не впливають на зміну основних властивостей ґрунту: реакцію ґрунтового розчину, рухомість елементів живлення рослин тощо. Важливе значення для характеристики ґрунтів має гранична концентрація радіоактивних речовин, які надходять з ґрунту в рос­линні організми, розподіл їх по профілю та швидкість самоочищен­ня ґрунту від радіоактивного забруднення.

В результаті аварії на Чорнобильській АЕС в ґрунти навколиш­ніх територій потрапили різні радіоактивні елементи (і34Сз; 137Сз; 141Се; 144Се; 103Рчи; 952г; 90'5г та інші). Найбільша частина від їх сумиприпадає на 134Сз; 137Сз і 905г. Проведені в 1986 — 1989 роках гео­хімічні дослідження ґрунтів 30-кілометрової зони ЧАЕС (ж. Поч-воведение, 1990, № 10) показали, що механізми міграції даних елементів різноманітні і залежать від форми сполук, в складі яких були вони викинуті з реактора, особливостей клімату і властивос­тей ґрунту. В основному переміщення радіонуклідів відбувається за рахунок біологічного перемішування ґрунтової маси, просію­вання часток радіоактивного пального крізь пори ґрунту та руху ґрунтової вологи, яка містить розчинені і колоїдні форми радіоак­тивних елементів.

Потрапляючи в ґрунт, частки радіоактивного пального зазна­ють хімічних змін, в результаті чого виникають обмінні і необмін-ні форми сполук. Обмінні форми вбираються ГВК в кількості, яка зумовлена ємкістю вбирання цього ґрунту. Оскільки ґрунти Київ­ського та Житомирського Полісся мають низьку ємкість вбирання, обмінні форми 905г і І37Сз вбираються неповністю. В цих ґрунтах швидкість вилуговування 905г більша, ніж швидкість його закріп­лення колоїдами. Частина їх в розчиненому стані мігрує в нижні горизонти ґрунту. При випаданні таких сполук на ґрунти з висо­кою ємкістю вбирання (сірі лісові, чорноземи, каштанові) вони майже повністю будуть закріплені ґрунтом. Необмінні форми спо­лук мігрують в нижні горизонти дуже повільно.

Рухомість радіоактивних елементів в ґрунтах неоднакова. За цією властивістю вони утворюють т/акий ряд: 905г>І06Ки> > "7Сз > 144Се> 129І >239Ри.

905г і 137Сз за хімічними властивостями є аналогами Са і К. Тому поведінка їх в біологічному кругообігу речовин подібна до поведінки зазначених елементів. Кореневі системи рослин однаково засвоюють як кальцій, так і стронцій, як калій, так і цезій. Щоб зменшити засвоєння рослинами зазначених радіоактивних ізото­пів, слід підвищувати концентрацію Са і К внесенням мінеральних добрив.

Розподіл радіоактивних елементів по профілю ґрунту зале­жить від механічного складу і водного режиму ґрунту. На глинис­тих і суглинкових ґрунтах з непромивним режимом основна части­на радіонуклідів антропогенного походження протягом багатьох ро­ків зберігається у верхньому (до 10 см) шарі ґрунту. Отже, швид­кість вертикальної міграції на таких ґрунтах дуже низька. Значно швидше мігрують радіонукліди вглиб піщаних ґрунтів. За 10 — 15 років вони проникають на глибину до 40 - 50 см. При досягненні рівня ґрунтових вод вони починають мігрувати горизонтально і мо­жуть потрапити в гідрографічну мережу.

Радіонукліди, що випали на поверхню ґрунту, виносяться за межі забрудненої території поверхневим стоком води. За даними Ф. А. Тихомирова (1988), на рівнинних територіях гумідних ландшафтів поверхневий і ґрунтовий стоки 905г за рік становлять 0,4 % загального його запасу, а в гірських районах — до 5 %. Він підра­хував, що період напівочищення орного горизонту з урахуванням радіоактивного розпаду становить приблизно 0,4—0,7 періоду пів-розпаду цих елементів (905г, І37Сз), тобто 10—20 років. Радіоак­тивні ізотопи 14С та 129І, які увійшли до складу гумусу, залишають­ся в ґрунті на сотні років.

Отже, самоочищення ґрунтів від радіоактивного забруднення залежить від тривалості життя радіоактивних ізотопів та їх мігра­ційної здатності. Прискорити цей процес можна вивезенням з поля біомаси рослин, яка засвоїла з ґрунту радіоактивні елементи.

1.     Волобуев В.Р. Введение в энергетику почвообразования. - М.: Наука. 1974.

2.     Географія ґрунтів з основами ґрунтознавства. Програми педагогічних інститутів для студентів природничо-географічних факультетів педагогічних інститутів./ Укладач І.Б. Чорний. -К.: РНМК Міносвіти України, 1992.

3.     Глазовская М.А. Общее почвоведение и география почв. - М.: Высшая школа, 1981. – 400 с.

4.     Глазовская М.А. Почвы зарубежных стран. - М.: Наука, 1983.

5.     Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения. - М.:  Просвещение,1989.

6.     Добровольский Г. В., Урусевская В. С. География почв, - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984.

7.     Добровольский Г.В., Никитин Е.В. Экологические функции почвы.- М.: МГУ, 1986.

8.     Ковда В.А. Основы учения о почвах.  Книга 1, Книга 2. - М., Наука, 1973.

9.     Лобова Е.В., Хабаров А.В. Почвы. - М.: Мысль, 1983.

10. Терминологический словарь по экологии, геоботанике и почвоведению (Русско-англо-немецко-французский) - Л.: Изд-во ЛГУ, 1988.

11. Фридланд В.М., Буяновский Г.А.  Просто Земля. - М.: Просвещение, 1977.

12. Цыганенко А.Ф. География почв. –Л.: Изд.-во ЛГУ, 1972.

13. Чорний І.Б. Географія ґрунтів з основами ґрунтознавства: Навчальний посібник. –Київ: Вища школа, 1995. – 240 с.