Громадные количества воды проходят через растения и водоросли в процессе обеспечения транспортной функции и испарения. Это приводит к тому, что вода поверхностного слоя океана фильтруется планктоном за 40 дней, а вся остальная вода океана - приблизительно за год. Весь углекислый газ атмосферы обновляется за несколько сотен лет, а кислород за несколько тысяч лет. Ежегодно фотосинтезом в круговорот включается 6 млрд т азота, 210 млрд т фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий, кальций, магний, сера, железо и др.). существование этих круговоротов придаёт экосистеме определённую устойчивость.
Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический). /ПРИЛОЖЕНИЕ 1/
Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь. [2]
Малый круговорот (часть большого) происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.
Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки. Так, тело человека состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов. [3]
2.2 Круговорот калия
Калий - химический элемент I группы с атомным номером 19 в периодической системе. Обозначается символом K (лат. Kalium), название происходит от лат. kalium, или англ. potash - поташ. Открыт и впервые выделен в чистом виде Г. Дэви в 1807 г. (Англия). [4]
Калий представляет собой серебристо-белый мягкий металл и принадлежит к семейству одновалентных щелочных металлов. Известны два изотопа калия: 39К и 41К.
В природе калий встречается только в соединениях с другими элементами. Например в морской воде, а также во многих минералах. Он очень быстро окисляется на воздухе и очень легко вступает в химические реакции, особенно с водой, образуя щелочь. Во многих отношениях химические свойства калия очень близки к натрию, но с точки зрения биологической функции и использования их клетками живых организмов они отличаются.
Калий содержится во всех растениях, особенно много калия в плодах. Природным источником калия являются минеральные соли.
Калий -- один из основных биогенных элементов. Его круговорот в биоценозах весьма интенсивен. Содержание калия в биомассе различных биоценозов колеблется от 20 (пустыня) до 2000 кг/га (дубравы).
Замкнутый цикл круговорота питательных веществ в естественных биоценозах и аккумулирующая деятельность растений приводят к перераспределению калия в пределах корнеобитаемого слоя почвы и постепенному обогащению этим элементом ее верхних горизонтов. /ПРИЛОЖЕНИЕ 2/
В агроценозах круговорот и баланс калия зависят в основном от хозяйственной деятельности землепользователей: обеспеченности удобрениями, специализации хозяйств и др. [4]
Валовые запасы калия в почвах во много раз (в 5-50) выше, чем азота и фосфора. Этого нельзя не учитывать.
Часть калия теряется из корнеобитаемого слоя почвы за счет инфильтрации: на легких почвах около 5 %, на тяжелых -- около 2 % от внесенного количества удобрений. На интенсивность этого процесса оказывают влияние гранулометрический состав почвы и ее водный режим, дозы удобрений, особенности культур.
Часть калия почвы теряется в результате водной и ветровой эрозии. По усредненным данным, это составляет 4-8 кг/га. Обычно считается, что расходные статьи потерь калия от эрозии компенсируются поступлением его с семенами (около 2 кг/га) и осадками (2-6 кг/га). [11]
Следует иметь в виду, что некоторая часть обменного калия может переходить в почве в фиксированное (необменно-поглощенное) состояние и тем самым изыматься из доступного для растений фонда калия. Установлено также, что в снабжении растений калием принимают участие не только пахотные, но и подпахотные горизонты почв. Тем самым расход калия из пахотного слоя уменьшается. Например, в опытах на дерновоподзолистых почвах подсолнечник и люпин в среднем около 32 % калия от общего его выноса потребляли из подпахотных горизонтов. [4]
Калий вместе с другими щелочными и щелочно-земельными химическими элементами аккумулировался в земной коре в процессе ее выплавления. Основная масса элемента включается в кристаллическое вещество на последних стадиях магматической кристаллизации. Калий входит в состав наиболее распространенных силикатов: полевых шпатов, амфиболов, пироксенов, слюд. В гранитном слое континентального блока земной коры средняя концентрация К2О равна 2,89 %, масса -- 198Ч1015 т, в осадочном слое средняя концентрация К2О равна 2,00 %, масса -- 38,5Ч1015 т.
При гипергенной перестройке кристаллохимических структур силикатов значительная часть калия остается в составе «переходных» новообразованных глинистых минералов, обладающих мутабильным составом, и освобождается постепенно, на протяжении длительного времени по мере образования конечных продуктов выветривания силикатов. Свободные ионы вовлекаются в водную миграцию, а также активно адсорбируются дисперсным минеральным веществом и поглощаются высшими растениями.
По этим причинам калий более прочно удерживается в пределах Мировой суши, чем кальций и натрий.
Калий играет важную роль в жизни растений и животных. Он принимает участие в фотосинтезе, влияет на обмен углеводов, азота, фосфора. В растениях он концентрируется в плодах, семенах и интенсивно растущих органах. При недостатке калия в почве урожай сельскохозяйственных культур резко снижается. В силу изложенного калий активно поглощается растениями и включается в биологический круговорот. Его кларк в живом веществе такой же высокий, как у азота, 0,3 %. Средняя концентрация калия в сухом веществе фитомассы суши оценивается от 0,7 % (Базилевич Н.И., 1974) до 1,4% (Боуэн X., 1966). В сухом веществе морских водорослей содержится 5,2 % калия (Боуэн X., 1966). Можно предполагать, что в растительности Мировой суши до активного воздействия на нее человека содержалось около 25Ч109 т калия, в сухой биомассе фотосинтетиков океана -- 0,176Ч109 т. В мертвом органическом веществе педосферы средняя концентрация калия близка к 0,1--0,2%. Следовательно, содержащаяся в органическом веществе масса калия в несколько раз меньше, чем в живом веществе, и ориентировочно составляет около (5-10) Ч109т. [7]
Часть освобождающегося при выветривании калия захватывается растительностью суши и частично сохраняется в мертвом органическом веществе. Некоторое количество солей калия и весьма крупные его массы, связанные в глинистых минералах, образуют главный запас этого элемента в педосфере. [4]
К сожалению, обоснованная оценка масс калия в настоящее время затруднительна. Несмотря на то что живое вещество суши и высокодисперсные продукты выветривания прочно удерживают значительную часть освобождающегося калия на суше, некоторая его часть вовлекается в водную миграцию и поступает в океан, где содержится 0,53Ч10'5 т элемента в форме растворенных ионов. В осадочной оболочке находится 38,2Ч1015 калия.
Если суммировать все количество калия, содержащееся в гранитном слое, осадочной толще, океане и других резервуарах, то оно составит 236,7Ч1015 т. Это значение должно характеризовать исходную массу калия в гранитном слое литосферы. Нетрудно подсчитать, что на протяжении фанерозоя в процессе развития биосферы из гранитного слоя было извлечено примерно 16 % калия. Вынос этого элемента осуществлялся с большим трудом, чем натрия, которого за тот же период времени было извлечено большее количество. [11]
В биологический круговорот на суше на протяжении года вовлекается около 1,8Ч109 т калия. В океане через многократно возобновляемую массу фотосинтетиков проходит около 121Ч107 т/год калия. Освобождающаяся из системы биологического круговорота на суше масса калия частично задерживается в мертвом органическом веществе и сорбируется педосферой, частично вовлекается в водную миграцию. Ежегодно с континентальным водным стоком выносится в океан более 61Ч106 т свободных ионов калия. Значительно большая масса элемента переносится в составе дисперсных, преимущественно глинистых частиц в форме взвесей -- около 283Ч106 т/год.
Калий активно мигрирует в системе поверхность океана -- атмосфера-- поверхность океана в составе аэрозолей. Средняя концентрация элемента в океанических атмосферных осадках над океаном около 0,15 мг/л. На протяжении года с атмосферными осадками на поверхность океана выпадает примерно 65 * 106 т калия. Вместе с 20 % сухого осаждения это составляет 78Ч06 т калия, ежегодно вовлекаемых в обмен между океаном и атмосферой.
Концентрация ионов калия в континентальных атмосферных осадках в среднем близка к 0,7 мг/л, что составляет 0,05Ч109 т/год. С учетом 20 % сухого осаждения (0,01Ч109 т) в атмосферу с суши захватывается около 0,060Ч09 т ионов калия, а выпадает несколько больше за счет переноса океанических масс -- 0,065Ч09 т. Значительное количество элемента выносится с суши в океан с пылью. Приняв концентрацию калия в пыли равной концентрации в глинистых отложениях, можно ориентировочно оценить пылевой вынос элемента в 0,043Ч109 т.
Глава 3. Применение калия в промышленности
У калия есть три основные сферы применения. Рассмотрим каждую по отдельности:
1. Сельское хозяйство
Добавление калия в почве имеет решающее значение, где значение рН щелочное. Калийные удобрения повышают рН в почве по этому не должны быть использованы с растениями, предпочитающими кислотный состав почвы, таких как гортензия, азалия и рододендрон. Превышение калия может вызвать проблемы для растений, предпочитающих кислые или сбалансированные рН почвы. В таких ситуациях имеет смысл делать тест почвы, чтобы увидеть, имеет ли почва дефицит калия, перед использованием калийных удобрений. Калий не двигается в почве более чем на дюйм, по этому важно разработать почву так, чтобы он попал в корневую зону растений. Среднее количество, на бедной калием почве - 1/4 до 1/3 фунта хлористого калия или сульфата калия на 100 квадратных футов. Таким образом необходима тщательная подготовка перед тем как начинать обрабатывать участок земли калийными удобрениями. Избыток калия накапливается в виде солей, которые могут быть вредными для корней. Ежегодные приложения компоста и навоза, как правило, являются достаточными, если почва не песчаная. Песчаные почвы бедны органическим веществом, и потребуется листовой опад и другие органические удобрения пропашные в почве, чтобы увеличить рождаемость. [6]
Калийные удобрения вносятся в почву напрямую в виде концентрата или в составе сложных удобрений (npk).
Калийные концентраты принято разделять на малоконцентрированные и концентрированные. Малоконцентрированные удобрения содержат до 30% калия. Наиболее известные виды простых удобрений: сильвинит, каинит и калимагнезия. Однако из-за низкой эффективности и ряда ограничений, связанных со сложным химическим составом, они в меньшей степени используются в сельском хозяйстве, чем концентрированные, доля калия в которых может достигать 60%.
Самый популярный вид калийных удобрений - хлористый калий, производимый из сильвинита - относится ко второй группе. Он представляет собой 95%- , 98 %- или 99% -ную кристаллическую соль белого или розового цвета, содержание полезного вещества в которой составляет 57-60%. Своей популярностью он также обязан удобству в хранении и использовании. Хлористый калий почти не гигроскопичен, не слеживается, легко рассеивается и хорошо растворяется в воде. Кроме того, он подходит для всех видов культур и почв. Из концентратов также применяют сульфат калия, карбонат калия, калий-электролит, 30%- и 40%-ные калийные соли, получаемые путем смешивания хлорида калия с размолотым сильвинитом (40%) или каинитом (30%).[6]