Подкисление почвы - Soil acidification

Подкисление почвы - это накопление катионов водорода , которые снижают 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 такое соединение, как сульфат алюминия , который реагирует в почве с выделением протонов. Подкисление также происходит при выщелачивании из почвы основных катионов, таких как кальций , магний , калий и натрий .

Подкисление почвы происходит естественным образом, когда лишайники и водоросли начинают разрушать поверхность горных пород. Кислоты продолжают растворяться по мере развития почвы. Со временем и погодными условиями почвы в природных экосистемах становятся более кислыми. Скорость закисления почвы может варьироваться и увеличиваться с определенными факторами, такими как кислотные дожди , сельское хозяйство и загрязнение.

Причины

Кислотный дождь

Осадки имеют естественную кислотность из-за углекислоты, образующейся из углекислого газа в атмосфере. Это соединение приводит к тому, что pH дождя составляет около 5,0-5,5. Когда уровень pH осадков ниже естественного, это может вызвать быстрое подкисление почвы. Диоксид серы и оксиды азота являются предшественниками более сильных кислот, которые могут привести к образованию кислотных дождей, когда они вступают в реакцию с водой в атмосфере. Эти газы могут присутствовать в атмосфере из-за естественных источников, таких как молнии и извержения вулканов, или из-за антропогенных выбросов. Основные катионы, такие как кальций, вымываются из почвы по мере прохождения кислотных дождевых осадков, что способствует повышению уровня алюминия и протонов.

Азотная и серная кислоты в кислотных дождях и снеге могут по-разному влиять на подкисление лесных почв, особенно сезонно в регионах, где зимой может накапливаться снежный покров. Снег, как правило, содержит больше азотной кислоты, чем серной, и в результате талая вода, богатая азотной кислотой, весной может вымываться через высокогорные лесные почвы. Этот объем воды может составлять до 50% годового количества осадков. Смыв талой воды азотной кислотой может вызвать резкое кратковременное снижение pH дренажной воды, поступающей в подземные и поверхностные воды. Снижение pH может солюбилизировать Al 3+, который токсичен для рыб, особенно недавно вылупившихся мальков с незрелыми жаберными системами, через которые они пропускают большие объемы воды, чтобы получить O 2 для дыхания. По мере того, как проходит поток талой воды, температура воды повышается, а озера и ручьи производят больше растворенного органического вещества; Концентрация алюминия в дренажной воде снижается, и он связывается с органическими кислотами, что делает его менее токсичным для рыб. Во время дождя соотношение азотной и серной кислот уменьшается примерно до 1: 2. Более высокое содержание серной кислоты в дождях также может не высвобождать из почвы столько Al 3+, как азотная кислота, отчасти из-за удержания (адсорбции) SO 4 2- почвами. Этот процесс высвобождает ОН - в почвенный раствор и нейтрализует снижение pH, вызванное добавлением Н + из обеих кислот. Горизонты (слои) органической почвы лесной подстилки с высоким содержанием органического вещества также являются буфером pH и снижают нагрузку H +, которая впоследствии выщелачивается через нижележащие минеральные горизонты.

Биологическое выветривание

Корни растений подкисляют почву, выделяя протоны и органические кислоты, чтобы химически выветривать минералы почвы. Разлагающиеся остатки мертвых растений на почве также могут образовывать органические кислоты, которые способствуют подкислению почвы. Подкисление из-за листового опада на горизонте O более выражено под хвойными деревьями, такими как сосна , ель и пихта , которые возвращают меньше основных катионов в почву, чем под лиственными деревьями ; однако различия pH почвы, приписываемые растительности, часто предшествуют этой растительности и помогают выбрать виды, которые их переносят. Накопление кальция в существующей биомассе также сильно влияет на pH почвы - фактор, который может варьироваться от вида к виду.

Исходные материалы

Некоторые исходные материалы также способствуют подкислению почвы. Граниты и связанные с ними магматические породы называются «кислыми», потому что в них много свободного кварца , который при выветривании выделяет кремниевую кислоту . Кроме того, в них относительно мало кальция и магния. Некоторые осадочные породы, такие как сланцы и уголь , богаты сульфидами , которые при гидратации и окислении производят серную кислоту, которая намного сильнее кремниевой кислоты. Многие угольные почвы слишком кислые, чтобы поддерживать энергичный рост растений, а уголь выделяет сильные предшественники кислотных дождей при сжигании. Морские глины также во многих случаях богаты сульфидами, и такие глины становятся очень кислыми, если их истощить до окислительного состояния.

Поправки в почву

Поправки почвы , такие как удобрения и удобрения могут вызвать подкисление почвы. Удобрения на основе серы могут сильно подкислять, примеры включают элементарную серу и сульфат железа, в то время как другие, такие как сульфат калия , не оказывают значительного влияния на pH почвы . Хотя большинство азотных удобрений обладают подкисляющим действием, азотные удобрения на основе аммония подкисляют больше, чем другие источники азота. Азотные удобрения на основе аммиака включают сульфат аммония , диаммонийфосфат , моноаммонийфосфат и нитрат аммония . Источники органического азота, такие как мочевина и компост , подкисляют меньше. Источники нитратов , которые имеют мало или вообще не аммоний, такие как нитрат кальция , нитрат магния , нитрат калия и нитрат натрия , не подкисление.

Загрязнение

Подкисление может также происходить из-за выбросов азота в воздух, поскольку азот может в конечном итоге осаждаться в почве. На животноводство приходится почти 65 процентов антропогенных выбросов аммиака .

Антропогенные источники диоксидов серы и оксидов азота играют важную роль в увеличении образования кислотных дождей. Использование ископаемого топлива и выхлопных газов двигателей являются крупнейшими антропогенными источниками выбросов серных газов и оксидов азота, соответственно.

Алюминий - один из немногих элементов, повышающих кислотность почвы. Это достигается за счет того, что алюминий выводит ионы гидроксида из воды, оставляя ионы водорода. В результате почва становится более кислой, что делает ее непригодной для жизни многих растений. Еще одно последствие содержания алюминия в почве - это токсичность алюминия, которая препятствует росту корней.

Практика ведения сельского хозяйства

Подходы к управлению сельским хозяйством, такие как монокультура и химическое удобрение, часто приводят к почвенным проблемам, таким как подкисление, деградация и почвенные болезни, что в конечном итоге оказывает негативное влияние на продуктивность и устойчивость сельского хозяйства.

Эффекты

Подкисление почвы может вызвать повреждение растений и организмов в почве. Подкисление почвы приводит к тому, что у растений корни становятся более мелкими и менее прочными. Кислые почвы иногда повреждают кончики корней, что снижает дальнейший рост. Ухудшается высота растений и снижается всхожесть семян . Подкисление почвы влияет на здоровье растений, в результате чего уменьшается покров и плотность растений. В целом у растений наблюдается задержка роста. Подкисление почвы напрямую связано с сокращением количества исчезающих видов растений.

Подкисление почвы снижает разнообразие микробов и макрофауны . Это может уменьшить ухудшение структуры почвы, что делает ее более чувствительной к эрозии. В почве доступно меньше питательных веществ, более сильное воздействие токсичных элементов на растения и последствия для биологических функций почвы (например, фиксация азота ). Недавнее исследование показало, что монокультура сахарного тростника вызывает кислотность почвы, снижает ее плодородие, изменяет микробную структуру и снижает ее активность. Кроме того, количество наиболее полезных родов бактерий значительно сократилось из-за монокультуры сахарного тростника, в то время как роды полезных грибов показали обратную тенденцию. Следовательно, снижение кислотности почвы, повышение плодородия почвы и ферментативная активность почвы, включая улучшение микробной структуры с полезными услугами для растений и почвы, могут быть эффективной мерой для развития устойчивой системы выращивания сахарного тростника.

В более крупном масштабе подкисление почвы связано с потерями в сельскохозяйственной продуктивности из-за этих эффектов.

Воздействие кислой воды и закисления почвы на растения может быть незначительным или в большинстве случаев значительным. К незначительным случаям, которые не приводят к гибели растений, относятся: менее чувствительные растения к кислым условиям и / или менее сильным кислотным дождям. Также в незначительных случаях растение в конечном итоге погибнет из-за того, что кислая вода снижает естественный pH растения. Кислая вода попадает в растения и заставляет важные минералы растения растворяться и уноситься; что в конечном итоге приводит к гибели растения из-за недостатка минералов для питания. В более серьезных случаях; происходит тот же процесс повреждения, что и в незначительных случаях, то есть удаление основных минералов, но гораздо более быстрыми темпами. Точно так же кислотные дожди, выпадающие на почву и листья растений, вызывают высыхание восковой кутикулы листа; что в конечном итоге вызывает быструю потерю воды растением во внешнюю атмосферу и приводит к гибели растения. Чтобы увидеть, подвержено ли растение закислению почвы, можно внимательно наблюдать за листьями растения. Если листья зеленые и выглядят здоровыми, pH почвы нормальный и приемлемый для жизни растений. Но если листья растения пожелтели между прожилками на листьях, это означает, что растение страдает от подкисления и является нездоровым. Более того, растение, страдающее закислением почвы, не может фотосинтезировать. Высыхание растения из-за кислой воды разрушает органеллы хлоропластов. Без возможности фотосинтеза растение не может создавать питательные вещества для собственного выживания или кислород для выживания аэробных организмов; который влияет на большинство видов Земли и в конечном итоге уничтожает цель существования растений.

Профилактика и лечение

Подкисление почвы - обычная проблема при долгосрочном растениеводстве, которую можно уменьшить за счет извести, органических добавок (например, соломы и навоза) и внесения биочара . При выращивании сахарного тростника, сои и кукурузы на кислых почвах внесение извести привело к восстановлению питательных веществ, повышению pH почвы, увеличению корневой биомассы и улучшению здоровья растений.

Для предотвращения дальнейшего подкисления также могут применяться различные стратегии управления: использование менее подкисляющих удобрений, учет количества удобрений и сроков внесения для уменьшения выщелачивания нитрат-азота, хорошее управление орошением с помощью нейтрализующей кислоту воды и учет соотношения основных питательных веществ к азоту в собранном урожае. посевы. Серные удобрения следует использовать только для чувствительных культур с высокой степенью восстановления урожая.

За счет сокращения антропогенных источников диоксидов серы, оксидов азота и принятия мер по борьбе с загрязнением воздуха давайте попробуем уменьшить кислотные дожди и закисление почв во всем мире.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Фенн, штат Мэн; Хантингтон, Т. Г.; McLaughlin, SB; Eagar, C .; Gomez, A .; Кук, РБ (2006). «Состояние подкисления почв в Северной Америке» (PDF) . Журнал лесоведения . 52: 3–13. Архивировано из оригинального (PDF) 20 октября 2011 года . Проверено 13 января 2019 . Истощение запасов кальция является основным механизмом кислотных отложений в восточной части Северной Америки.