Химия почв
Хи́мия почв — фундаментальный раздел почвоведения, изучающий химический состав, свойства и процессы в почвах на ионно-молекулярном и коллоидном уровнях, а также их роль в формировании плодородия, генезиса и экологических функций почвенного покрова. В то же время химия почв принимает участие в разработке многих нетрадиционных проблем, находящихся на стыке ряда наук: почвоведения, экологии, геологии, биогеохимии, органической и неорганической химии и др.
Химия почв использует законы современной теоретической химии и инструментальные методы анализа для решения вопросов генезиса, классификации, бонитировки почв и разработки мелиоративных мероприятий.
К XXI веку химия почв сложилась как самостоятельная комплексная дисциплина, в которой, согласно работе Орлова Д.С. с соавторами, выделилось 4 основных научно-прикладных направления.
Общие сведения
| Химия почв |
|---|
Направления
Фокусируется на изучении состава, строения и физико-химических свойств твёрдой, жидкой и газовой фаз почвы в статическом или квазистатическом состоянии.
| Направления | Основные процессы и задачи |
|---|---|
| Элементный состав | Макро-, микро- и ультрамикроэлементы; валовые, подвижные и потенциально доступные формы; геохимические аномалии |
| Минералогия твёрдой фазы | Первичные и вторичные минералы; глинистые минералы (каолинит, смектит, иллит, хлорит, смешанослойные); оксиды и гидроксиды Fe, Al, Mn |
| Органическое вещество (ОВ) | Гуминовые/фульвокислоты, гумин, негумифицированные остатки; функциональные группы, молекулярная масса, ароматичность/алифатичность |
| Коллоидная система | Заряд частиц, ПЗН (точка нулевого заряда), двойной электрический слой, адсорбция/десорбция, коагуляция/пептизация |
| Почвенные растворы | Состав, ионная сила, коэффициенты активности, комплексообразование, растворимость минералов, кинетика растворения |
| Почвенный воздух и газовая фаза | Состав газов (O₂, CO₂, CH₄, N₂O), диффузия, эмиссия парниковых газов, редокс-потенциал (Eh) как индикатор газовой динамики |
- Роль наночастиц и коллоидных органических фракций в стабилизации структуры и переносе загрязнителей
- Молекулярное моделирование органо-минеральных интерфейсов (DFT, молекулярная динамика)
- Изучение микропластика и нанопластика как новой фазы почвенной массы
- Количественная оценка «стабильного» и «лабильного» углерода в контексте климатических моделей
Исследования сосредоточены на химических преобразованиях, определяющие генезис, эволюцию и пространственную организацию почвенного покрова.
| Направление | Основные процессы и задачи |
|---|---|
| Выветривание минералов | Гидролиз, карбонизация, окисление-восстановление, хелатолиз; кинетика и термодинамика растворения; последовательность изменения минералов в гипергенных условиях |
| Гумификация и минерализация ОВ | Превращение растительных/микробных остатков; образование/разрушение гумусовых кислот; влияние аэрации, температуры, pH, микробиоты |
| Элювиальные, аллювиальные процессы | Оподзоливание, лессиваж, оглинивание; кислотное выщелачивание, миграция коллоидов и хелатов, аккумуляция в аллювиальных горизонтах |
| Засоление и рассоление | Накопление/вынос легкорастворимых солей; сульфатно-карбонатные, хлоридные, содовые процессы; криохимические эффекты в мерзлоте |
| Оглеение и редокс-эволюция | Восстановление Fe³⁺→Fe²⁺, Mn⁴⁺→Mn²⁺, SO₄²⁻→S²⁻; формирование глеевого горизонта, сульфидизация, редокс-буферность |
| Карбонатообразование и карбонатное выщелачивание | Осаждение/растворение кальцита/доломита; связь с дыханием почвы, влагообменом, биогенной деятельностью |
| Техногенное почвообразование | Антропогенная трансформация: загрязнение, урбанизация, рекультивация, формирование антропогенов и техносолов |
- Биогеохимическое моделирование миграции элементов в профилях и ландшафтах
- Роль экстремальных процессов (пожары, засухи, паводки) в перестройке почвенной химии
- Изучение почв Арктики и криолитозоны: таяние вечной мерзлоты, высвобождение древнего ОВ, редокс-сдвиги
- Химические маркеры палеопочв и реконструкция климатических изменений
Взаимосвязь химических свойств почвы с обеспеченностью растений элементами питания, устойчивостью к стрессам и продуктивностью агро- и природных экосистем.
| Направление | Основные объекты и задач |
|---|---|
| Кислотно-щелочные свойства | Актуальная, обменная, гидролитическая кислотность; щелочность; источники кислоты/щелочи; буферные системы (обменная, карбонатная, силикатная, гумусовая) |
| Ионный обмен и сорбция | ЕКО (ёмкость катионного обмена), состав обменных катионов, степень насыщенности основаниями, селективность, кинетика обмена |
| Питательный режим макроэлементов | Трансформация и доступность N, P, K, S, Ca, Mg; формы фиксации (окклюзия P, фиксация K в межпакетных пространствах), минерализация/иммобилизация |
| Микроэлементы и их биодоступность | B, Mo, Cu, Zn, Co, Fe, Mn; хелатирование, конкурентное поглощение, дефицит/токсичность, влияние pH и ОВ на растворимость |
| Токсичность | Алюминиевая токсичность, избыток Na⁺ (осолонцевание), тяжёлые металлы (Cd, Pb, Ni, Cr), хлориды, сульфаты; механизмы детоксикации |
| Химия удобрений и мелиорантов | Растворимость, трансформация в почве, потери (вымывание, денитрификация, аммиачное испарение), взаимодействие с почвенной массой, эффективность форм (нитратные, аммонийные, амидные, хелатные) |
| Ризосферная химия | Экссудаты корней, изменение pH у корня, мобилизация питательных веществ, симбиоз с микоризой и ризобиями, химические сигналы |
- Разработка удобрений с контролируемым высвобождением и наногранулами
- Химическая оптимизация почв под изменение климата (засухоустойчивость, термоадаптация)
- Оценка секвестрации углерода и устойчивого плодородия в рамках программ «климатически-нейтрального земледелия»
- Хемоинформатика и машинное обучение для прогнозирования доступности элементов по базовым параметрам почвы
Разработка, валидация и применение методов отбора проб, пробоподготовки, инструментального анализа и интерпретации данных для всех трёх предыдущих разделов.
| Направления и задачи | Методы |
|---|---|
| Отбор проб и пробоподготовка | Стратифицированный отбор, сушка, просеивание, гомогенизация, консервация, экстракция (водная, солевая, кислотная, комплексообразующая) |
| Классические химические методы | Титриметрия (кислотно-основная, комплексонометрическая, окислительно-восстановительная), гравиметрия, колориметрия, фотометрия вытяжек |
| Элементный анализ | ICP-OES, ICP-MS, AAS (пламенный/графитовый), XRF, нейтронно-активационный анализ, атомно-флуоресцентный анализ (ртуть) |
| Минералогический и структурный анализ | Рентгеновская дифракция (XRD), электронная микроскопия (SEM/TEM), термический анализ (ДСК/ТГА), ИК- и Рамановская спектроскопия |
| Спектроскопия органического вещества | ИК-Фурье, ЯМР ¹³C/¹H, флуоресцентная спектроскопия (EEM-PARAFAC), ЭПР, пиролиз-ГХ/МС, размер-эксклюзионная хроматография |
| Хроматография органических загрязнителей | ГХ-МС, ВЭЖХ-МС/МС для ПАУ, пестицидов, фармацевтиков, органических кислот, гормонов, микропластика |
| Электрохимия и сенсорика | pH-метрия, редокс-метрия, ионоселективные электроды, вольтамперометрия, портативные спектрометры, лаборатория-на-чипе |
| Контроль качества и интерпретация | Референсные материалы, межлабораторные сличительные испытания, статистическая обработка, геохимическое нормирование, моделирование переноса |
- Гиперспектральная и мультиспектральная дистанционная диагностика почв
- In-situ сенсорные сети и IoT-мониторинг влажности, pH, Eh, нитратов
- Машинное обучение для калибровки спектров и прогнозирования состава без разрушающего анализа
- Стандартизация методов анализа «новых» загрязнителей (антибиотики, ПФАС, микропластик, наноматериалы)
- Разработка зелёной аналитической химии: минимизация реагентов, микромасштабные экстракции, безкислотное разложение
Прикладное значение науки и смежные исследования
Наука о химии почв имеет прикладное и фундаментальное значения для весьма обширного круга направлений.
В сельском хозяйстве химия почв решает проблему оптимизации удобрений, известкования, оценки плодородия, химизации земледелия. Наука решает задачи оценки загрязнения тяжёлыми металлами, ПАУ, пестицидами; прогнозом миграции загрязнителей в почвах для целей экологического мониторинга. В области мелиорации химия почв занимается разработкой методов улучшения кислых, засоленных, эродированных почв. Исследование роли почв в цикле углерода, оценка эмиссии/депонирования СО₂ и СН₄ сейчас востребовано для климатических аспектов в условиях их глобальной изменчивости. По той же причине весьма актуальны и необходимы исследования химии криогенных почв, миграции загрязнителей в условиях вечной мерзлоты и влияния таяния на биогеохимию Арктических экосистем.
Знания методов исследования химии почв, особенно анализа органического вещества, редокс-режимов, миграции металлов и ПАУ, могут быть адаптированы для океанологии с целью изучения химии углеводородов в арктических морях, климатических рисков, исследования морских донных осадков и их взаимодействия с поровыми водами, а также биогидрохимическими циклами биогенных элементов в водной толще.
Образование
Одна из старейших и ведущих кафедр факультета почвоведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова[1]., основанная в 1943 г. Берет свои истоки на физико-математическом факультете Московского университета, где в 1863 г. была учреждена кафедра агрономической химии. На рубеже XIX-XX вв. профессор А.Н. Сабанин, заведующий кафедрой агрономии, заложил основы учения о поглотительной способности почв, разработал методы определения гумуса и гранулометрического состава.
В 1943 г. официально была создана кафедры химии почв в составе факультета почвоведения. Во второй половине прошлого века на кафедре работает Н.Г. Зырин — основатель школы по проблемам загрязнения и почвенного мониторинга. Он создает лабораторию минералогии почв, внедряет рентгеновский фазовый анализ. Также на кафедре трудятся такие классики отечественного почвоведения, как Г.В. Мотузова, Т.А. Соколова, Д.С. Орлов.
Фундаментальные направления исследований:
- Химия гумусовых веществ: структура и функции гуминовых и фульвокислот; взаимодействие органического вещества с минеральной фазой)
- Минералогия и химия твёрдой фазы почв: глинистые минералы, оксиды железа и алюминия, рентгеновский и спектроскопический анализ
- Кислотно-основная и окислительно-восстановительная буферность почв
- Химия микроэлементов и тяжёлых металлов: подвижные формы, миграция, биодоступность; загрязнение почв и методы ремедиации
- Биогеохимические циклы элементов в почвах
Прикладные направления исследований:
- Экологическая химия почв: мониторинг загрязнения; оценка экологического состояния урбанизированных территорий
- Методология химического анализа почв: развитие атомно-спектральных, хроматографических, масс-спектрометрических методов
Задачами студентов данного профиля[2] является овладение системой знаний о минеральных, органических и органо-минеральных компонентах, составляющих почву, и химических и физико-химических свойствах и протекающих в почвах химических и физико-химических реакциях и процессах. На кафедре ведется подготовка специалистов в области химического анализа и оценки плодородия почв по направлению 06.03.02 «Почвоведение» бакалавриата[3] и магистратуры[4].
🗓️ Кафедра была создана в 1946 г. как «кафедра географии и картографии почв» одним из основоположником советской школы географии почв академиком И.П. Герасимовым. В период 1959–1987 гг. под руководством выдающегося ученого-географа М.А. Глазовской на кафедре были заложены основы ландшафтно-геохимической школы. В 1970 г. переименована в «кафедру геохимии ландшафтов и географии почв» в связи с развитием нового научного направления. С 1987 по н.в. кафедру возглавляет академик Н.С. Касимов. Свой вклад в развитие кафедры внесли А.И. Перельман — создатель учения о геохимических барьерах, Ю.А. Ливеровский, В.Н. Флоровская.
Фундаментальные направления исследований:
- Теория и методология геохимии ландшафтов и географии почв
- Почвенное и ландшафтно-геохимическое районирование и картографирование
- Пространственно-временные модели миграции тяжёлых металлов, ПАУ и других приоритетных загрязнителей в природных и антропогенных ландшафтах
- Генезис, эволюция и прогноз состояний почвенного покрова
- Техногенное почвообразование и рекультивация почв
Прикладные направления исследований:
- Экспериментальные исследования поведения загрязняющих веществ в почвах, водах, растительности, воздухе
- Инструментальный анализ вещественного состава объектов окружающей среды
- Эколого-геохимическая оценка состояния почв в урбо- и агроландшафтах
- Геоинформационное моделирование изменений среды при антропогенном воздействии
- Разработка нормативов ПДК и предельно допустимых нагрузок на геосистемы
- Экологическая оценка воздействия промышленных и транспортных объектов
- Оценка воздействия при освоении нефтегазовых месторождений
На кафедре также есть лаборатории:
- Лаборатория геохимии ландшафтов
- Лаборатория углеродистых веществ биосферы
- Лаборатория экологической безопасности
- Лаборатория почвенно-геохимических исследований
Задачами студентов данного профиля является изучение географии почв с основами почвоведения, геохимии ландшафтов, актуальных проблем геохимии ландшафтов и географии почв , а также экологический менеджмент и аудит , получение навыка методов оценки качества среды, ГИС-технологии в эколого-почвенных исследованиях. На кафедре ведется подготовка специалистов в области химического анализа и оценки плодородия почв по профилю «География» бакалавриата и магистратуры [6].
Литература
- Орлов Д.С. «Химия почв». — М.: МГУ, 1985. — 370 с. 24
- Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Суханова Н.И. «Химия почв». — М.: Высшая школа, 2005.
- Соколова Т.А., Толпешта И.И., Трофимов С.Я. «Почвенная кислотность и буферность». — Тула: Гриф и К, 2012.
- Соколова Т.А., Трофимов С.Я. «Сорбционные свойства почв». — М.: Университетская книга, 2009.
- Трофимов С.Я. и др. «Химия почв: практикум и семинары». — М.: КДУ, 2012. 18
- Sparks D. L., Singh B., Siebecker M. G. Environmental soil chemistry. – Elsevier, 2022.
- Sposito G. The chemistry of soils. – Oxford university press, 2008.
Примечания
https://vuzopedia.ru/vuz/235/programs/bakispec/21
- ↑ Сайт кафедры химии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова.
- ↑ Вузопедия - стоит ли подавать на факультет почвовведения?
- ↑ Образовательные программы бакалавриата по теме химии почв.
- ↑ Образовательные программы магистратуры по теме химии почв.
- ↑ Кафедра геохимии ландшафтов и географии почв.
- ↑ бакалавриат программа кафедры ГЛиГП МГУ.