Экологические функции и свойства почвы

Оренбург

2017

УДК502.521(075.8)

ББК40.3я73

Г20

Рецензент – кандидатхимических наук, доцентЕ. В. Сальникова

Практикум включает в себя теоретические аспекты значения почвы как элемента биосферы и оценки качества городских почв, а также комплекс лабораторных работ по разделам «Отбор и подготовка почвы к проведению исследований», «Титриметрические методы определения загрязняющих веществ в почве», «Колориметрические методы определения химических веществ в почве».

Практикум предназначен для выполнения лабораторных работ по дисциплинам «Мониторинг почв», «Экологический мониторинг», «Современные методы оценки воздействия техногенных факторов на почву» для студентов, обучающихся по программам высшего образования направления подготовки 05.03.06 «Экология и природопользование», 20.03.01«Техносферная безопасность»и 20.04.01 «Техносферная безопасность».

УДК 502.521(075.8)

ББК 40.3я73

ISBN

© Гарицкая М. Ю.,

Шайхутдинова А. А.,

Тарасова Т. Ф., 2017

© ОГУ, 2017

Содержание

Введение. 5

1 Значение почвы как элемента биосферы.. 7

1.1Экологические функции и свойства почвы.. 7

1.2 Основные источники и виды загрязнения почв. 18

1.3 Влияние загрязненных почв на рост и развитие растений. 25

1.4 Влияние загрязненных почв на животных и здоровье населения. 31

2 Оценка качества городских почв. 41

2.1 Роль почв в городе. 41

2.2 Классификация и диагностика городских почв. 42

2.3 Экологические функции городских почв. 44

2.4 Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почв территории населенных мест. 46

2.5 Качественные и количественные показатели свойств городских почв, диагностирующие их состояние. 50

2.6 Оценка качества почвы.. 59

2.7 Рекомендации по использованию почв. 63

2.8 Организация контроля качества почв. 64

3 Отбор и подготовка почвы к проведению исследований. 67

3.1 Лабораторная работа «Отбор и подготовка проб почвы к анализу». 67

3.2 Лабораторная работа «Методика приготовления водной и солевой почвенных вытяжек». 72

3.3 Лабораторная работа «Методика определения рН в почве». 76

4 Титриметрические методы определения загрязняющих веществ в почве. 80

4.1 Лабораторная работа «Методика определения содержания карбонат- и гидрокарбонат-ионов в почве». 81

4.2 Лабораторная работа «Методика определения содержания хлорид-ионов в почве» 84

4.3 Лабораторная работа «Методика определения содержания ионов кальция и магния в почве». 86

4.4 Лабораторная работа «Методика определения содержания сульфид- и гидросульфид-ионов в почве». 89

5 Колориметрические методы определения химических веществ в почве. 92

5.1 Лабораторная работа «Методика определения содержания сульфат-ионов в почве» 92

5.2 Лабораторная работа «Определение содержания ионов аммония в почве». 94

5.3 Лабораторная работа «Методика определения ионов цинка в почве». 96

5.4 Лабораторная работа «Методика определения ионов меди в почве». 98

5.5 Лабораторная работа «Методика определения ионов кобальта в почве». 100

5.6 Лабораторная работа «Методика определения ионов железа в почве». 102

5.7 Лабораторная работа «Методика определения нитрат-ионов в почве». 107

6 Математическая обработка результатов исследования. 114

7 Комплексная оценка степени загрязнения почв. 116

Заключение. 118

Список использованных источников. 121

Приложение АГигиеническая оценка почв сельскохозяйственного назначения и рекомендации по их использованию.. 123

Приложение БПредельно допустимые концентрации химических веществ в почвах. 126

Приложение ВОсновные показатели оценки санитарного состояния почв территорий населенных мест в зависимости от функционального назначения. 130

Приложение ГОценка процессов, отрицательно воздействующих на состояние городских почв. 131

Приложение ДЗависимость содержания ионов загрязняющих веществ от значения оптической плотности. 136

Введение

Почва – это природно-историческое тело, представляющее собой многофункциональную биокосную систему, обладающую целым комплексом глобальных биосферно-экологических функций, связующее звено в геологическом и биологическом круговоротах веществ, во взаимодействии энергий растительных и других живых организмов, обитающих на соответствующих им участках земной поверхности, разных по климатическим, геологическим и почвенным условиям, составляющим биоценоз.

На определенном этапе развития человеческого общества почва становится основным незаменимым средством сельского хозяйства и лесного производства, продуктом и средством труда. Человеческая деятельность стала глобальным фактором трансформации окружающей среды и мощным ландшафтообразующим условием.

Хозяйственная деятельность – особый фактор почвообразования: человек чаще действует не через другие природные взаимозависимые факторы, а непосредственно на почву. Роль ее возрастает с развитием общества и прогресса техники. В результате антропогенной деятельности человека происходят резкоскоростные изменения в составе и строение почв. Огромные карьеры с отвалами вскрышного грунта, высокие терриконы вблизи шахт являются неотъемлемой частью пейзажа районов действия горнодобывающей промышленности. Неуклонно уменьшается площадь почвенного покрова за счет строительства новых предприятий и городов, прокладки дорог и линий высоковольтных электропередач, затопления сельскохозяйственных угодий при строительстве гидроэлектростанций. Насколько велика потеря почв в результате хозяйственной деятельности, можно судить по тому, что общая площадь уничтоженных почв превышает суммарную площадь современных пахотных земель.

В современных условиях основными стратегическими направлениями в хозяйственной деятельности человека являются сохранение экологического равновесия, создание сбалансированности ресурсов в антропогенных геосистемах. Чтобы выдержать эти направления, необходимо располагать материалами адекватной характеристики современного состояния природных объектов и экосферы в целом, иметь разработанную систему методов для его оценки и прогноза. Учрежденная Правительством Российской Федерации служба единой системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) призвана следить за состоянием природной среды. Центральным составным блоком ЕГСЭМ является мониторинг земель и почв – система наблюдений за состоянием земельного и почвенного фонда в целях своевременного выявления изменений, их оценки, предупреждения и устранения последствий негативных процессов.

Цель мониторинга разработка не только стратегии охраны и использования, информации о состоянии почвенного фонда, но и прогноз его изменений.

Мониторинг распространяется в первую очередь на почвы, задействованные в хозяйственном обороте угодий. Изменение природных экологических связей создает стрессовые ситуации, приводящие к деградации и деструкции в почвах.

Впрактикумепредставлена теоретическая частьи комплекс лабораторных работ.

Практикум по дисциплине «Мониторинг почв»составлендля студентов, обучающихся по программам высшего образования по направлению подготовки 05.03.06 «Экологияиприродопользование», 20.03.01 «Техносферная безопасность»и 20.04.01 «Техносферная безопасность».

Значение почвы как элемента биосферы

Экологические функции и свойства почвы

Почва– поверхностный слой литосферыЗемли, который обладаетплодородием и представляет многофункциональную гетерогенную открытую четырухфазную (твердая, жидкая, газообразная фазы и живые организмы) структурную систему, образовавшуюся в результате жизнедеятельности организмов и выветривания горных пород.Почву рассматривают как особую природную мембрану, которая регулирует взаимодействие между атмосферой, гидросферой ибиосферой Земли. Формирование почвы происходит под влиянием живых организмов,исходной почвообразующей породы, рельефа,климата и изменяется со временем.

Основные свойства почвы.

Поглотительная способность почв– свойство, которое обеспечивает поглощение или задержание различных веществ, соприкасающихся и взаимодействующих с твердой фазой почвы. Почва обладает способностьюпоглощать или задерживать суспензии и микроорганизмы,органические или минеральные частицы, различные соединения из растворов и газы. Почвой активно поглощаются и сохраняются основные элементы питания растений – фосфор, магний, кальций, азот и калий.

Механическая поглотительная способность – свойство почвы механически задерживать взвешенные в воде вещества, которое обусловленокапиллярностью и пористостью, сложением,структурой и механическим составом почвы. Почва как фильтрующий элемент, способна закреплять проходящие через нее частицы. Эта способность используется при очистке технических и бытовыхсточных вод и кольматировании (заилении) песчаных почв.

Физическая поглотительная способность – свойство почвы поглощать из раствора продукты гидролитического расщепления солей сильных оснований и слабых кислот, молекулы электролитов и коллоиды.

Физическое поглощение защищает водорастворимые соединения от вымывания и нередко сопровождается коагуляцией коллоидных веществ под воздействием электролитов.

Химическая поглотительная способность – свойство почвы удерживать ионы в результате образования труднорастворимых или нерастворимых солей. Эта способность заключается в выпадении из почвенных растворов осадков и закреплении их в почве. При взаимодействии среднерастворимых и растворимых солей образуются труднорастворимые соли, которые в свою очередь присоединяются к твердой фазе почвы:

Na₂СО₃+СаSO = СаСО₃+Na₂SO₄; 3CаSO₄+2Na₃РО₄= Са(РО₄)₂+ 3Na₂SO₄.

Легкорастворимые соли(например, сульфат натрия) уносятся из сферы взаимодействия. Химическое поглощение происходит только в том случае, если анион раствора дает нерастворимое соединение с ионами, находящимися на поверхности твердых частиц почвы

Физико-химическая или обменная поглотительная способность – свойство почвы обменивать некоторую часть катионов и в меньшей степени анионов из соприкасающихся растворов. Здесь отмечаетсяхимическое и физическое поглощение, а также происходит эквивалентный обмен катиононами.

Биологическая поглотительная способность– свойство почвы, связанное с жизнедеятельностью организмов почвы, которые усваивают и закрепляют в своем теле различные вещества, а при отмирании обогащают ими почву.

Почва задерживает бактерии и адсорбирует их как физическая среда. Это свойство более выражено у суглинистых и меньше у песчаных почв. Адсорбирующая способность почв различна по отношению к разным видам бактерий.

Поглотительная способность почв значительнее проявляется в условиях оптимальной влажности почв, когда накапливаются элементы пищи растений и перегной, а также повышается плодородие.

Химические свойства.

Химические свойства почвы определяются процессами, которые происходят в основном между ее жидкой и твердой фазами. По закону действующих масс в почве образуются и поступают в раствор различные вещества. В почве устанавливается подвижное равновесие между почвенным раствором и твердой частью. При увеличении концентрации почвенного раствора часть веществ выпадает из него и присоединяется к твердой фазе почвы и, наоборот, при уменьшении концентрации часть веществ поступает в раствор из твердой фазы почвы.

Почвенный раствор. В почвенной воде растворимы различные кислоты и соли, которые представляют почвенный раствор. Почвенный раствор образуется в процессе почвообразования в течение длительного времени в результате движения воды в почве и ее смачивания. Соли растворяются под действием кислот, гидролиза веществ, окислительно-восстановительных процессов, коалинизации и т. д. Почвенный раствор по концентрации и составу определяется взаимодействием организмов,воды и почвы и состоит вобмене и коагуляции ионов растворов с почвенными коллоидами,пептизации и растворении органических иминеральных веществ.

При взаимодействии почвы с растворами солейи водойсоздаетсяреакция почвенного раствора, которая характеризуется концентрацией гидроксильных и водородных ионов. Реакция может быть нейтральной, щелочной или кислой. В случае нейтральной реакции концентрация гидроксильных и водородных ионов одинакова.

Различают активную (актуальную) и потенциальную кислотность.

Активная кислотность среды возникает за счет слабых кислот (главным образом органических и угольной кислот) и кислых солей и минеральных кислот, особенно серной кислоты.

Буферность.Буферное действие – этоспособность почвенной суспензии противостоять изменению ее активной реакции (рН) при внесении в почву щелочей или кислот. В следствие буферного действия почва обладает устойчивой реакцией почвенного раствора. Буферность присуща твердой фазе почвы и зависит от ее механического, коллоидного и химического состава.

Физические свойства.

Физические свойства почвы разделяются на функциональные (тепловые, воздушные и водные) и основные (спелость, твердость,связность,липкость,пластичность, пористость и удельный и объемный вес). К функциональным физическим свойствам почвы относят способность поглощать оросительную воду иатмосферные осадки, пропускать, сохранять или удерживать их, подавать из глубоких горизонтов к поверхности, снабжать ими растения и т.д. Вода значительно изменяет воздушные, тепловые,физические, химические свойства почвы.

Удельный и объемный вес. Объемный вес – вес единицы объема абсолютно сухой почвы в естественном сложении (с порами), или вес в граммах 1 см³ сухой почвы. Объемный вес определяется взвешиванием образца с ненарушенным строем, который взят в строго определенном объеме.

Удельный вес – вес в граммах 1 см³ твердой массы почвы без пор. Удельным весом почвы называют отношение веса твердой ее фазы определенного объема к весу воды при 40^оС в том же объеме.

Пористость (скважность).Пористость –суммарный объем пор между частицами твердой фазы (объем всех промежутков), выраженный отношением объема пор к объему почвы.

Размер пор, форма и сочетание их весьма разнообразны, так как они являются производными от случайного расположения полидисперсных частиц механического состава – элементарных почвенных частиц, микроагрегатов и структурных отдельностей, крайне различных по размерам, форме и характеру их поверхностей.

Промежутки в почве по размерам и форме значительно изменяются во времени в зависимости от происходящих в нейбиологических и физико-механических процессов, вследствие полной или частичной закупорки некоторые поры исчезают, а другие возникают вновь.

Пористость почв и почвообразующих пород различного механического состава колеблется значительно. Пористость тем выше, чем мельче механический состав почвы. Более крупные частицы образуют хотя и более крупные поры, но общий объем их несравненно меньше, чем сумма объема многочисленных пор, создаваемых мелкими (тонкими) частицами.

Пластичность– способность почвы под воздействием внешних сил в определенном интервале влажности изменять свою форму с сохранением вновь приданной формы (способность к лепке и формованию). Наибольшую пластичность имеют тяжелые или жирные глины, состоящие из тонких чешуйчатых частичек, сложенных в форме плотных штабелей.

Липкость (клейкость) – способность почвы прилипать к соприкасающимся с нею или вводимым в нее предметам во влажном состоянии. Липкостьпочвы зависит от химического и механического состава,влажности и других свойств. Липкость начинает проявляться в структурной почве при ее влажности 60 – 70% и в бесструктурной – при 40 – 60% полной влагоемкости. Далее липкость возрастает до степени влажности, соответствующей нижнему пределу текучести, а при последующем повышении влажности липкость уменьшается и при переходе почвы в текущее состояние исчезает.

Липкость определяется количеством влаги, соответствующим моменту, когда почвенная масса при некоторой наименьшей влажности начинает прилипать.

Связность – свойство взаимного сцепления или притягивающего действия между почвенными частицами, которое измеряется силой, удерживающей частицы одну около другой. Оно обуславливается степенью увлажнения почвы, цементирующим действием различных веществ,проявлением когезии, адсорбции и другими факторами.

Твердость (плотность) – способность почвы оказывать сопротивление проникновению в нее твердых режущих тел под давлением.

Твердость в поле обычно устанавливают визуально, различая следующие степени плотности почвы:

- очень твердая – слабо поддается действию лопаты; нож лишь оставляет черту, не проникая в почву; эта степень твердости характерна для иллювиальных горизонтов сильносолонцеватых почв, солонцов и в ряде случаев подзолов (ортштейны, ортзанды) и пр.;

- твердая – с трудом режется лопатой; стенки разреза очень плотные, нож с трудом входит в почву;

- уплотненная (плотноватая) – удовлетворительно режется лопатой и ножом, нож с трудом входит в почву;

- рыхловатая – осыпается меньше предыдущей, почвенный разрез без затруднения копается лопатой, нож хорошо проникает в почву;

- рыхлая – осыпается со стенок разреза от прикосновения ножа, легко проникающего в почву.

Почвенная корка и пахотная подошва. На поверхности глинистых исуглинистых почв в результате увлажнения образуется заплывший верхний слой пахотного горизонта, изрезанный вертикальными трещинами, который называется почвенной коркой. Почвенная корка увеличивает потерю влаги из пашни и в результате приводит к снижению полевой всхожести, ухудшению условий роста и развития растений и понижению урожая сельскохозяйственных культур.

Ниже границ пахотного горизонта глинистых исуглинистых почв наблюдается уплотненный подпахотный горизонт, который называется плужной, (пахотной подошвой). Для удаления плужны необходимо изменить глубину вспашки, а также разрушать почвенную подошву почвоуглубителем, проводить известкование кислых почв и гипсование щелочных.

Водные свойства почвы.

Одним из важнейших условий плодородия почвенного покрова и основных факторов почвообразования является вода. Недостаточное количество влаги в почвенном покрове отрицательности отражается на урожае. Высокий урожай сельскохозяйственных культур можно получить при достаточном для нормального роста и развития растений содержании жидкой воды и элементов питания в почве при благоприятных воздушных и термических условиях.

Основным источником воды в почве являются выпадающие осадки. Каждый миллиметр атмосферных осадков на 1 га составляет 10м³ или 10т воды.

На планете Земля постоянно осуществляется круговорот воды, который состоит из следующих этапов:

- испарение воды с поверхности мирового океана;

- перенос паров воздушными потоками в атмосфере;

- образование облаков и выпадение осадков над океаном и сушей;

- движение воды на поверхности Земли и в недрах ее (аккумуляция осадков, сток, инфильтрация, испарение).

Содержание воды в почвенном покрове определяется водоудерживающей способность почвы и климатическими условиями зоны. Роль почвы в круговороте увеличивается в результате ее окультуривания, при том повышаются влажность, водопроницаемость и влагоемкость, но уменьшаются поверхностный сток и бесполезное испарение.

Влажность почвы.Содержание воды в почве колеблется в пределах от сильного иссушения (физиологической сухости) до полного насыщения и переувлажнения. Под влажностью почвы понимают количество воды, находящейся в данный момент в почве и выраженное в объемных или весовых процентах по отношению к абсолютной сухой почве. Зная влажность почвы, нетрудно определить запас почвенной влаги. Одна и та же почва может быть неодинаково увлажнена на разных глубинах и в отдельных участках почвенного разреза. Увлажненность почвы зависит от удельной поверхности, капиллярности, влагоемкости,водопроницаемости, физических свойств и других условий увлажнения. Изменение влажности почв и создание благоприятных условий увлажнения в течение вегетационного периода достигаются приемами агротехники.

Каждая почва имеет свою динамику влажности, меняющуюся по генетическим горизонтам.

Различают влажность:

- абсолютную (валовое (абсолютное) количество влаги в почве в данной точке на данный момент, выраженное в процентах от веса или объема почвы);

- относительную (вычисляют в процентах от пористости (полной влагоемкости)).

Влажность почвы определяется разными методами.

Влагоемкость почв.Влагоемкость (влагоудержание) – свойство почвы поглощать и удерживать то максимальное количество воды, которое в данное время соответствует воздействию на нее сил и условиям внешней среды. Это свойство зависит от состояния увлажненности, пористости, температуры почвы, концентрации и состава почвенных растворов, степени окультуренности, а также от других факторов и условий почвообразования. Чем выше температура почвы и воздуха, тем меньше влагоемкость, за исключением почв, обогащенных перегноем. Влагоемкость меняется по генетическим горизонтам и высоте почвенной колонны.

В почвенной колонне как бы заключена водная колонна, форма которой зависит от высоты столба почвенного грунта над зеркалом и от условия увлажнения с поверхности. Форма такой колонны будет соответствовать природной зоне. Эти колонны в природных условиях меняются по сезонам года, а также от погодных условий и колебания влажности почвы. Водная колонна изменяется, приближаясь к оптимальной, в условиях окультуривания и мелиорации почвы.

Различаются следующие виды влагоемкости:

- полную (ПВ);

- максимально адсорбционную (МАВ);

- капиллярную (КВ);

- наименьшую полевую (НВ);

- предельную полевую влагоемкость (ППВ).

Все виды влагоемкости меняются с развитием почвы в природе и еще более – в производственных условиях. Даже одна обработка (рыхление спелой почвы) может улучшить ее водные свойства, увеличивая полевую влагоемкость. А внесение в почву минеральных и органических удобрений или других влагоемких веществ может на длительное время улучшить водные свойства или влагоемкость. Это достигается заделкой в почву навоза, торфа, компоста и других влагоемких веществ. Мелиорирующее действие может оказывать внесение в почву влагоудерживающих высокопористых влагоемких веществ типа перлитов, вермикулита, керамзита.

Водный режим и водный баланс почвы.Водный режим – совокупность всех явлений поступления воды в почву, ее передвижения в ней и расходования. В почве постоянно происходит процесс изменения влажности по генетическим горизонтам, по площади ее распространения и срокам.

Влагооборот почвы – количество притекающей в почву воды и расходование ее из почвы за учетный отрезок времени.

Режим влажности – совокупность количественных изменений влажности почвы за учетный отрезок времени.

Тепловые свойства и тепловой режим почв.

Почва характеризуется тепловыми свойствами и тепловым режимом. Тепловой режим зависит в основном от способности поглощать лучистую энергию Солнца, которая превращается в тепловую.

В зависимости от механического состава, содержания перегноя, окраски и увлажнения различают теплые и холодные почвы.

Теплоемкость– количество тепла в калориях, которое тратится, чтобы поднять температуру единицы массы (1г) или объема (1 см³) почвы на 1^оС.

Теплопроводность и температуропроводность. Теплопроводность – способность почвы проводить тепло. Она выражается количеством тепла в калориях, проходящего в секунду через площадь поперечного сечения 1 см² через слой 1 см при температурном градиенте между двумя поверхностями 1^оС.