ХИМИЯ ПОЧВЫ. ТВЕРДЫЕ ФАЗЫ ПОЧВЫ

Соединения фосфора и серы – апатит, сульфаты. Вовлечение фосфора в биогеохимический цикл 

Соединения фосфора

Фосфор содержится в литосфере и в почвах в количестве 0,08%. Основным первоисточником фосфора в земной коре является минерал апатит, встречающийся почти во всех магматических породах, а иногда образующий особые жилы (хибинские апатитовые месторождения на Кольском полуострове).

Апатит представляет собой минерал, почти не растворимый в воде; сложность строения его молекулы объясняет трудность перехода в раствор содержащегося в нем фосфора. Однако в процессе длительного выветривания апатит отдает некоторую часть своей фосфорной кислоты в раствор поверхностных вод; тем самым создаются условия для питания фосфором организмов и, таким образом, для вовлечения фосфора в биогеохимический цикл  .

Наибольшее значение среди минералов фосфора в осадочных породах имеют фосфориты, залежи которых встречаются во многих местах земной поверхности. Фосфатное вещество фосфоритов представляет собой в основном изоморфную смесь фторапатита, карбо- натапатита и гидроксилапатита. Растворимость фосфоритов очень невелика и колеблется в зависимости от их возраста и степени кристаллизации.

Рассеянные в изверженных породах кристаллы апатита дали начало и почвенным соединениям фосфора. В почвах фосфор находится в виде солей кальция, магния, железа и алюминия ортофос- форной кислоты.

Кальций образует с фосфорной кислотой ряд солей, различных по степени замещения кальцием водорода кислоты:

Са(Н2Р04)2-Н20; СаНР04.2Н20; Са3(Р04)2.0,5Н20.

Чем больше основна соль, тем меньше ее растворимость; в приведенном ряду растворимость падает от однозамещенного фосфата к трехзамещенному. В почвах с реакцией, близкой к нейтральной, и богатых кальцием, фосфаты Са благодаря постепенному гидролизу переходят в форму, наиболее устойчивую в почве,— гидроксилапатит — Са6(Р04)30Н или ЗСа3(Р04)2-Са(0Н)2; как видно из формулы, гидроксилапатит является еще более основным фосфатом, чем трех- кальциевый.

Магний дает с фосфорной кислотой соли, аналогичные солям кальция, но с более высоким содержанием кристаллизационной воды и несколько большей растворимостью:

Mg(H2P04)2-2H20; MgHP04-7H20; Mg3(P04)2.8H20.

Как и в ряду фосфатов кальция и магния, растворимость фосфатов А1 и Fe тем меньше, чем выше их основность. Наиболее устойчивыми в почвах являются основные соли. Фосфаты полуторных окислов присутствуют почти во всех почвах, но резко преобладают в кислых почвах.

Как видно из сказанного, почвенные фосфаты мало растворимы и поэтому концентрация фосфора в почвенных водах очень невелика. Растения, извлекая фосфор из растворов, используют его для построения своих тканей; фосфор входит в состав нуклеопротеидов, фосфатидов и др. (об органических соединениях, содержащих фосфор, см. раздел об органической части почвы). После отмирания растительных и животных организмов органическое вещество минерализуется и фосфор переходит снова в форму фосфорнокислых солей. Кроме солей фосфорной кислоты, почвы содержат также ее ионы, адсорбированные на поверхности почвенных коллоидов.

Малое общее количество фосфора в почвах, слабая доступность его растениям из большинства форм и, с другой стороны, большая потребность растений в фосфоре приводят к тому, что на большинстве почв, особенно в случаях длительного пребывания их в культуре, для получения высоких урожаев необходимо внесение фосфорных удобрений.

Соединения серы

Сера, составляя 0,09% в литосфере и 0,085% в почвах, встречается в очень разнообразных соединениях. Действующие вулканы выделяют H2S и S02 *; у их кратеров находят скопления сублимированной самородной серы. В магматических породах сера находится, главным образом, в виде сульфидов (например: пирит — FeS2, цинковая обманка — ZnS, свинцовый блеск — PbS). Реже встречаются сульфаты (гаюин — 3NaAlSi04-CaS04).

Восстановленные формы серы (S, H2S, сульфиды) на земной поверхности легко окисляются, давая серную кислоту или сульфаты:

2S + 302 + 2Н20 = 2H2S04; PbS + 202 = PbS04.

Серная кислота, взаимодействуя с другими минералами, дает сульфаты; так, например:

H2S04 + CaSi03 = CaS04 -f Si02 + H20.

Сульфаты, кроме FeS04, являются наиболее устойчивыми соединениями серы на земной поверхности; FeS04, окисляясь и гидра- тируясь, переходит в гидрат окиси железа, освобождая серную кислоту.

Растворимость сульфатов сравнительно высока и зависит от катиона. Обычно почвы содержат очень небольшие количества сульфатов, которые включаются в круговорот серы в биосфере. Растения поглощают ион SO^", восстанавливая его внутри своего организма. S участвует в молекуле белков и эфирных масел. После отмирания растений и животных и разложения белков в результате гниения сера освобождается и, окисляясь, вновь дает серную кислоту, которая в почве тотчас же связывается с катионами, образуя сульфаты. Если гниение происходит в анаэробных условиях, как это имеет место в болотах, скопляется H2S.

Из почв и гидросферы в атмосферу постоянно поступает некоторое количество серы в виде газов (S03, S02, H2S); растворяясь в воде при сгущении водяных паров в воздухе, соединения серы вместе с осадками поступают в почву. Таким образом, существует круговорот газообразной серы между педосферой (почвами), гидросферой и атмосферой  . Возле промышленных центров в почву с осадками поступают повышенные количества серы за счет газообразных отходов производства. В среднем <>о 8 кг/га S в год поступает в почву из атмосферы, но в разных районах содержание S в осадках сильно колеблется.

В то же время происходят потери серы из почвы и в результате выщелачивания, вымывания растворимых соединений серы осадками. Благодаря хорошей растворимости сульфатов накопление их в почвах возможно лишь в условиях сухого климата. В северных зонах, где выпадает много осадков, из почвы ежегодно выщелачивается такое количество серы, которое в несколько раз больше поступающего с осадками.

Общий баланс поступления и потерь серы (в атмосферу и глубокие горизонты) в почвах может быть и отрицательным и положительным.

Как показали недавние исследования (P. X. Айдинян, 1964), основная часть серы (до 70—90% ее валового содержания в незаселенных почвах) связана с гумусом — почвенным органическим веществом (к этому мы еще вернемся в разделе об органической части почвы). Распределение S по почвенному профилю тесно связано с распределением органического вещества.

Так как потребность большинства растений в сере невелика, то обычно почвенные запасы сульфатов бывают достаточны и только некоторые растения, богатые белками (например, клевер), повышают урожай при внесении гипса. На почвах давней культуры потребность в серных удобрениях постепенно возрастает.