Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Системно-экологический анализ соединений микроэлементов в почвах

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Системно-экологический анализ соединений микроэлементов в почвах"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКИ РЕЮЖЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСЮГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени &Е ЛОМОНОСОВА

Факультет почвоведения

На правах рукописи

МОТУЗОВА Галина Васильевна

СИСТЕШО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОЕДИНЕНИЙ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ

Специальность 03.00.27 - почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Изсква 1992

Работа выполнена на кафедре химии почв факультета почвоведения Иэсковского государственного университета имени Ы. В. Ломоносова

Официальные оппоненты: Доктор биологически* наук, профессор Й.Б.Йинкин

доктор сельскохозяйственных наук, профессор ЕКСавич

доктор биологических наук, профессор X О. Карпачевский

Ведущее учреждение: Почвенный институт иы. В. К Докучаева

Зашита состоится "ЛЛ_" А-1 сг я_юд г.-

в /3". на заседании специализированного совета

Д 053.05.31 при МГУ им. ЕЕ.Ломоносова в аудитории Уг2 факультета почвоведения (119899, ГСП, Шсква, Ленгоры, ЫГУ, факультет почвоведения).

С диссертацией южно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан " ПрЗ л Я 199,? г.

Ученный секретарь / /

специализированного совета Л. А. Лабодева

Т иТ'ЫП'1

!тд ел ертациЯ.

к т у а л ь н о с т ъ темы. Накоплен болызой сбгем эмпирических данных с содержании и соединенная з почвах типо-ыорфнкх химических элементов, элементов биофмоз и макроэлементов, необходимых для ливых организмов, но опасных з избыточных количествах, развитие прсбле:.<н требует создания концепции образования системы соединений химических элементов в почвах. Теоретические обобщения станут осеовой понимания закономерностей формирования химического состояния и регулирования плодородия почз, оценки и прогноза экологических последствий антропогенного воздействия на почвы, построения надежных математических моделей процессов, протекающих в почвах.

Цели и задачи исследования. Разработка концепции о системной организации соединений химических элементов в почвах к на ее основе - теории и методологии почвенно -химического мониторинга. Решались следующие задачи: 1) изучение соединений химических элементов в почвах с системных позиций; 2) разработка схемы организации и иерархии системы соединений химических элементов в почвах и формирующих их процессов; 3) разработка концепции буферностн почв по отношению к микроэлементам; 4) выявление механизмов влияния природных и антропогенных факторов на соединения химических' элементов в почвах на примере анализа системы почвенных соединений микроэлементов; 5) обоснование концепции почвенно-химического мониторинга и его методологии; 6) реализация предложенных подходов при анализе отдельных природных ситуаций с экологической и агрохимической целью.

Объекты исследований. Объектами исследований служили почвы Западной Груз ж?. Северной Осетии, котловины Убсу-Пур, Московской и Кировской областей, Сихотз-Алкнского, Центрального лесного, Тебердинского, Кандалакшского заповедников; микроэлементы (Аз, Нд, Си, Т.п. Ш. В, К>, Сс1 и др.) и их соединения в почва*. Наибольшее внимание уделено закономерностям формирования и функционирования системы соединений химических зяе».;зктов на вэдзствонко-фазовом уропяэ. Для изучения влияния процессов более высоких иерархических уровней использовали ссбскзелные зкспзрлнептальные и литературные данные о и их соединениях з почвах.

Я а :Г ч ч а ячп о в п з п а. Сформулирована концепция о си-\7Ч ;"{о.\ срггкизаичи соел'г-зшй хюачзскях элементов в почвах. 1 сс!:с?с -го предстгялог-лге о СЕСТоюсбргзувзой роли при-

- г -

родных процессов, объединяющих б сложный хорошо организованный комплекс почьеннао соединения химических элементов. Ка основе теоретических обобщений и экспериментальных данных "показано, что система соединений химических элементов, сформированная процессами различных уровней соподчинения, имеет иерархическую организацию.

Введено понятие об элементарной системе соединений химических элементов в почвах. Выявлены механизмы формирования системы соединений химических элементов в почвах под влиянием природных и антропогенных процессов, протекающих на вещественно-фазовом, по чвенко-профильном, биогеоценотическом, ландшафт-но-геохимическом, биосферном и соцэкосистемном уровнях. Разработана теория и раскрыты механизмы буферное™ системы соединений химических элементов в почвах, обусловленные иерархической организацией соединений химических элементов в почвах,, их гетерогенностью и полифункциональностью. Сформулированы основы теории и методологии почвенно-химического мониторинга антропогенно-нарушенных почв на основе представлений о целостности и иерархической организации в почвах, системы соединений микроэлементов, подлежащих контроля.

Практическая значимость и реализация работы. Разработана программа почвенного мони-ринга фоновых территорий. Предложены способ определения устой- • чивости почв к загрязнению металлами и способ определения равновесной концентрации микроэлементов в почвенном растворе. Для прогноза общего содержания ГеСШ) и составляющих его частиц в почвенных растворах и других природных водах предложена модель системы соединений железа в водах и программа ее расчета. Результаты исследований позволяют проводить раннта диагностику загрязнения почв по содержанию элементов в .составе илистой фракции. Апробированы, усовершенствованы и аттестованы использованные химические к спектральные методы определения Аб, В, Си, Ил, Мп, Ге в почвах, оцэкгне Елиание условий анализа на его результаты.

Подготовлены и внедрены в практику "Методические указания по проведению почвелньк исследований в заповедниках". С участие»,: автора разработаны ГОСТЫ серий "Охрана природы", 'Тючвы" (17- 4. 4. 01-2-84, 27335-87, 27533-68, "'27784-83). Сбцэо число

публикаций автора около 100, из них 5 монографий и 6 учебных пособий. Подготовлены лично и в соавторства учебные пособия "Принципы к методы почвенно-химического мониторинга", "Химические основы буферности почв", "Почвенно-хгаический мониторинг фоновых территорий", "Физико-химические иэтоды исследования почв", "Методические указания по обработка и интерпретации результатов химического анализа почв", "Задачник по химическому анализу почв", "Методические указания по применении методов математической статистики в почвоведении, мевгарации и сельском хозяйстве", а также словарь-справочник "Хга.жчэское загрязнение почв и их охрана". Теоретические положения и экспериментальные данные, полученные автором, используются в лекциях для студентов факультета почвоведения МГУ и слушателей ОИШ.

Апробация работы. Основные гохозяения работы докладывались на X Международном конгрессе почвоведов (1974), на У1, УП, УШ Делегатских съездах ВОЯ (1531, 1985, 1989), на Всесоюзных совещаниях по микроэлементам (1970, 1972, 1973, 1975, 1977, 1981, 1984, 1990, 1991), на Веесовзных конференциях "Современные методы исследования почв" (1933), "Тяжелые ме- -таллы в окружающей среде" (1985), "Проблемы экологического нормирования" (1990), "Проблем« устойчивости биологических систем" (1991), "Научные основы заповедного дела" (1985, 1990), "Методы анализа объектов окружающей среды" (1983), "Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах" (1983, 1987), "Научные основы оптимизация, прогноза и охраны природы" (1986), на I Международном совещании по биосферным заповедникам" (1983), на Ломоносовских чтениях в МГУ (1985, 1992).

Структура и объем работа Диссертация состоит из 7 глав, введения, заключения, выводов, научно-практических рекомендаций и приложения. Она излохена на страницах, шмшзкщих таблиц, рисунков и списока литературы из работ на русском к иностранных языках.

СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

1. СОЕДИНЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГОЧВЗ -СЛСИНАЯ ПРИРОДНАЯ СИСТЕМА

1.1 Системные представления о природных объектах Обшзя теория систем изложена в трудах А. А. Богданова, Л. Бер-таланфи, У. Эшби, В. Е Садовского и др. Для системного анализа природных объектов ваяны теоретические поло.тения и концептуальные модели организации биосферы, ландшафта, биогеоценоза, почвенного покрова, почвы и.ее компонентов, разработанные ЕЕ Докучаевым, Е И. Вернадским, Е Е Шлыковым, Е К Сукачевым, А. А. Родэ, К. П. Герасимовым, Ы. А. Глазовской, КЮдумом, Д.$ортескью, Е Ж Оридландом, Е А. Ковдой, А. А. Ляпуновым, Е Е Ковальским, К Ф. Реймзрсом, Е Г. Розановым, А. Д. Ворониным и др.

1.2. Организация системы соединений химических элементов в почвах Опираясь на методы системного анализа и опыт изучения химических элементов в почвах, сформулирована почвенно-химическая концепция о соединениях химических элементов в почве как о еловой природной системе, обладающей целостностью и иерархической структурой. Специфические черты почвенной системы в целом отратаны в организации элементарной системы соединений химических элементов. Она представляет собой' теоретически выделенкул систему Есех соединений любого химического элемента в составе твердых, жидких, газообразных фаз почвы органической и неорганической природы, взаимосвязанных проп.ессами трансформации и перераспределения вещества и энергии, протекающими на вещественно-фазовом уровне. Материальным носителем элементарных систем всех химических элементов почвы является минимальный объем почтенной массы (морион, горизонт), в котором присутствуют все необходимые составляющие элементарной системы, соединений элементов (табл.1).

Периодикеекая повторяемость таких однотипно организованных инвариантных структур формирует систему соединений :а:мичееких элементов почвенного профиля, взаимосвязанных процессами водной и биогенной вертиальпой миграции. Воздействие процессов катдого иераражского уровня ведет к создания системы почвенных соединений химических элементов соответствуют категорш (табл. 2). Перераспределение химических элементов медцу компонентами биогеоценоза, наряду с веществс-нно-фаасзыми преврап;--ниями химических вецэств и их внутрипрофильной миграцией, Армирует систему почвенных соединений химических веществ

биогеоценоза, а процессы латеральной шгращш и глобального переноса зеществ ведут соответственно к созданию системы почвенных соединений ландшафта и биосферы в целом. Организация и экологическая роль системы почвенных вецгств антропосферы, сформированных под влиянием производственной деятельности человека, зависит от уровня концентрации этих веществ и совместимости или несовместимости их с природной средой.

Таблица 1. Элементарная система соединений химических

элементов з почвах.

ПРОЧНОСВЯЗАЯБЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

минеральные первичные вторичные минералы—глинистые \ . минералы

, , * 1

свободные трудко-

оксиды и—раствори-гидроксиды ше соли

органические органические—биомасса остатки

гумусовые вещества

ГОДВИННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ТВЕРДЫХ ФАЗ адсорбированные-обменные

химически связанные

РАСТВОР

ОН—ХЗ — I.

нго-н—а

/

, ПОЧВЕННЫЙ ВОЗДУХ

БШТЛ

Тагам оЭр&зш, кггдая из систем почвеншх соединений химических тоз рассматривается как компонент системы более высокого трарудадс¡'.его урознп (локдпгЗга,' биосферы) и в свою очередь М5&вг быть расчленена на подсистемы более низкого уровзя (почвэкасгр профизй, горизонта, элементарной системы почвенных соединений химкчееких элемектоз, фазы почвы, соединения химического элемента, иона).

Таблица 2. Схема иерархической организации системы соединений химических элементов в почвах

уровень системы системообразующие подсистемы

отношения

вещественно-фазовый

элементарная

система соединений химических элементов в почвах

почвенко-прсфильный

биогео-цено-гический

ландаафтко-

система соединений химических элементов почвенного профиля система соединений химических элементов биогеоценоза система соеди-

геохимический нений химических элементов ландшафтно-геохимической арены

биосферный система соединений хкмичес-13% элементов биосферы

процессы синтеза, разрушения, трансформации веществ в результате реакций осаждения-растворения, сорбции- десорбции, ионного обмена, гидролиза, дис-соции, комплекссоб-разования, окисления-восстановления процессы водной и биогенной знутри-профилькой миграции веществ

процессы перераспределения

вещества в биогеоценозе процессы латеральной миграции и аккумуляции вещества в ландсафге

прочносвязак-ные вещества, подвижке соединения твердых фаз, раствор, почвенный воздух, почвенная биота.

морсроны, горизонты

почва, породы, воды, воздух, биоценоз

элементарные ландшафты

процессы гйобаль- почвенный ного биотического покров, ат-обмена веществ мосфера, гидросфера, литосфера, фи-тосшера

Как особый внесистемный уровень следует зудееть соцэкологи-ческий, который характеризуется процессами антропогенной трансформации и перераспределения веществ, форжгруияими систему соединений химических элементов антропосфэра.

2. ЭЛЕМЕНТАРНАЯ СИСТЕМА СОЕДИНЕНИЯ МЙКРОЭЛЕШНОВ В ПОЧВЕ 2.1. Прочносвязанные соединения микроэлементов в почвах

Основной источник микроэлементов в почьах естественных ландшафтов - первичные минералы почвосбразующях пород. В геохимии и почвовэдешта известно, что исходные породы пкроко различаются по содержания микроэлементов в связи с приуроченностью последних к определенным группам минералов. Установлены ряды устойчивости минералов к механическому и хккичесгаму разрушению (Gold i сп, 1949; Jackson, 1968) и механизмы миграции мккрозле-меятов (Папанов, 1S56; Перэльман, 1961; Глззовская, 1934,1969). Имеются сведения о корреляционной связи содержания мккрозле-мангоБ в почвах и их минералогического состава (Ковда и др., 1959; Зарин и др., 1961, 1930; Ильин, 1973).

Обобщение собственного и штературкого ¡затерзала показывает, что прлмолинейнак зависимость общего содерхзкпя микроэлементов в почвах от мккрээлементлого состава пород плсслезкиЕается не всегда, но вс.тркзгегся при анализе системы ес-гдкиений микроэ-деьлптоз в почвэх. Сбщео содер:?шше микроэлегйэтоБ з почвах как правило обеспечивается прочноовягашщ-.а сседхненяямл роэлэ^зпто^ твердых фаз почек, которые предсгтзляхгг собой уе-то£;лаое чдрэ этой системы, сбразогзшюе npcum.ni и созренэн-нт.-ъм хсто:'й1П1Г'7Г и гипергекякуз щюпоссх.а. S5» ижЕосгркрую? дааньй о массовой доле _макроэлементов з ссс^ан? различных групп прсчдосчйаакны: соединений в почзох, пс^одообрезгошглх и акцессорных ютерахов, сдоисля аяшзспгакагсз и несишкахши ссодпхеккй, органических весрсув и ньсдаоро.5тшх по составу срсаугоьз-г&н&ских почв.

В составе лерпхчпых )"п;ерг-гоз крчзподояз п бурше тесьых ко";;, рг^кптьнг на коре пкгэтрпзгная сшкнмс '¿^узавоп Зачад-:;oi! Грзт.'.г; ccvn'-u-.v^ocs 13-252 ст сбэтго иалК-^зния Си п 2п (колгчоптг.о тас коррелирует с содерз&шсм тяг,:-."^ минералов) и

.: с:сг>з ттврвзгз. Сгг:сп~л чгсть осессо-

' ". -.т:" ".".•г v.."-:-":~r.:: мчтсрозл?::ек7ог,

• - 8 -

прочно закрепилась в составе глинистых минералов и несиликатных соединений железа Приуроченные в почвах Западной Грузии в основном к илистой фракции почв, они аккумулируют до половины общего содержания Си и 7п, но не повсеместно удерживают в такой же мере Ш. Аналогичную роль в судьбе 2т\ и Си играет илистая фракция е почвах Сихотз-Алиня. Аб в них удержизается в основном соединениями железа и алюминия.

Вклад легких минералов (кварц, полевые шпаты) нередко обусловлен содержанием микроэлементов не в решетке самих минералов, а в железистых и гумусово-келезистых пленках, покрывающих их частица. Это наглядно иллюстрируют сведения о соединениях Си, 1п, Мп в почвах Западной Грузии.

Общее содержание бора в почвах чаще всего связано с присутствием турмалинов и слюд. Концентрация бора в йлистых фракциях почв, как индекс древнего засоления почзообразующих пород Западной Грузии, проявляет корреляционную зависимость от содержания в ней шлига, о котором судили по высоте рефлекса 100 нм на рентгенограмме и по содержанию в иле К+Ма Особенно велико накопление бора, типичного талассофила, в иллштах буроземов на третичных глинах и глинистых сланцах, в желтоземно-подзолистых почвах, развитых на.морских терассах (табл.3).

Таблица 3. Содержание бора и показатели состава гранулоштрических фракций почв Западной Грузии

Почва, горизонт Бэр, мг/кг почвы < 0,001 мм 0,001 -0,01 мм

Б, мг/кг высота ■ рефлекса К20+Г;аг0, 100 нм,мм % в, мг/кг высота рефлекса 100 нм.мм

Краснозем

А1 12 18 11 1.0 10 1

В1 14 16 10 1,2 22 2

В2 12 20 8 . 1.1 30 12

С д 15 2 1.0 15 1

Желтозем

А1 34 31 20 2.1 54 17

ВГ 30 18 19 2.3 105 по

В2 37 38 36 2,2 43 19

С 48 40 40 2,4 58 28 Бурозем

А1 58 78 43 3,5 ЮС 51

С 77 76 39 3,8 102 80

На общее содержание микроэлементов в зоне рудспроявленкя могут существенно злиягь рудные минералы. Примером служат бурыз горно лесные почвы Северной Осетии со средним содержанием Аз равным 6-19 мг/кг. Бурые почвы, сформированные на продуктах выветривания сланцев, отличаются повышенным содержанием элемента - 30 мг/ кг и более. Массовая доля Аэ з тяжелых минералах (с!>2,75 г/см ) этих почв составляет 120-450 от/кг, в них аккумулируется до 28-40% общего запаса Аб, в то время как в большинстве почв региона на долю зтих соединений приходится О, 1-3,5Х общего содержания элемента (табл.4).

Таблица 4. Содержание Аб в бурых горных лесных почвах Северной Осетии, во фракциях и минералах, выделенных из почв

во фракции в тямэлых минералах Разрез, Аз общ., <0,001 мм фракции 0,05-0,25 мк

глубина, иг/кг --------------------------------------

см. почвы мг/ет X от Аэ мг/'кг 7. от Аб

фракции общ. минерал. общ.

р. 1 0-Ю 7,5 15,8 69 229 1,5

50-60 8,2 17,4 62 333 2,3

70-80 12,9 18,2 ЗЭ 288 0,2

135-145 8,6 17,1 48 414 0,2

р. 3 0-11 19,0 30,0 36 422 1,1

11-20 19,0 25,6. 27 353 3,7

20-30 24,3 24,2 45 435 4,7

22-'«.' 23,5 30,6 67 . 355 10,5

82-99 25,0 35,4 50 351 28,1

110-120 17,2 36,6 52 177 ■18,0

Количество мггкрозлементов, прочно связанных с органическими вещзстЬзая, койгблса'ся в пределах 0,5-1 ОТ. от валового содйржа-

ния в красноземах и желтоземах Западной Грузии и 8-35% - в подзолах и буроземах Сихотэ-Алиня. Сосредоточены эти соединения не только в илистых, но и пылеватых фракциях.

2. 2. Соединения микроэлементов почвенного раствора ' Систему соединений микроэлементов почвенного раствора как и других природных вод формируют потоки вещества и энергии, связанные с перераспределением их между истинно растворимыми соединениями и часто присутствующими в растворе коллоидами и взвесью, а в истинно растворимой фазе - с процессами гидролиза и комплексообразования (Lindsay,1079); в гумидной зоне прежде всего с органическими веществами (Кауричев, 1958-1978; Баршал, 1975-1980). Соотношение образующихся соединений микроэлементов, о котором судят по эмпирическим данным (Аржанова, 1981; Добровольский,.1S90), или по результатам теоретических расчетов на основе констант устойчивости соединений или минимизации их свободной энергии (Крайнов, 1931; Карпов, 1981; Воробьева, 1981), зависит от свойств почв и особенностей химических элементов.

В оторфованных горизонтах илляшально-хелезистых подзолов до половины общего содержания Zn почвенных растворов содержится в составе коллоидной . фракции, а в составе истинного раствора преобладают отрицательно заряженные частицы, связанные с органическими веществами (табл.5).

Таблица 5. Цинк (мг/л) и его соединения (в % от общего содержания) в растворах из почв Кандалакшского заповедника (1-коллоиды, 2-анионы, в том числе органические, 3-катионы и нейтральные частицы)

Разрез, Zn,

горизонт мг/л 1 [/////< 2\ j 3 !\\\4-\i

113 Т 0,35

AT 0,13

Е 0,22

В 0,17

Bf 0,20 119 Т1 0,05

Т2 0,05

Органические формы преобладают (до 90%) среди растворенных соединений Нг в подзолистых почвах (табл.6).

Таблица 6. Концентрация соединений ртути (ют/л) в растворах и йодах подзолистых почз ДЛГЗ

Горизонт нг общ. н^ орг. Не несрг.

почвенные растворы

А0+А1А2 0,105 ОД 46 0,020

А0+А1А2 0,187 0,165 0,024

лизиметрические воды

АО 0,025 0,024 0,001

А1А2 0,020 0,019 0,001

Из растворимых соединений ртути для .чшых организмов наиболее опасна метилртуть. Содержанке ее в водах зависит от присутствия органических веществ и динамики микробиологической деятельности. По нашим данным, при модельном затоплении чернозема Горного Алтая, содержание мэтилртутя в водах з начальные сроки после затопления (4-7 дней) колебалось от 0,3-0,4 мкг/л (в опыте без глюкозы) до 1,0-1,2 дат/я (при добавлении 8 г/л глюкозы, как питательного материала для микроорганизмов). Через 3 месяца инкубации содержание кетилргути в водах упало до 0.01 мп'/л. Этот опыт свидетельствует о необходимости учета биогенных процессов при характеристике состояния ртути в водах.

Кислотно-основные и окислительно-восстановительные реакции, комплексообразование с растворенными веществами играют роль внутренних системообразующих процессов, которые обуслов.гдвают соотношение частиц лелеза в почвенных растворах и поверхностных водах. В качестве внесших системообразующих отношений выступает процессы взаимодействия сседашений химичесювс элементов в растворе с контактирующими твердыми фазами: осакдение-раст-Еоренкэ, сорСцгя-десорбция, ионный обмен, диффузия. Общепринято, что твердой фазой, с осачцением-раетвореннем которой связана концзнтрацня ^злеза в поверхностных вода!:, является гидрогсеид Ге(0Н)3. Шлю рассчитать ориентировочно соотношение частиц .-:злеза в растворе только на основании произведения

-37.5

J

растворимости гкдроксида, равного 10 , и констант устойчивости гидроксокомплексов F'e(I II). Для почвенных растворов и дренажных вод Яхромской поймы, для которых характерны близкая к нейтральной реакция и ОВП >400 мв, по результатам такого расчета установлено преобладание частиц Fe(OH)^.

Представления о составе соединений FedII)'в растворе меняется, если учесть взаимодействие Fed II) с фульвокислотами (ФК) и образование гидроксофульватных комплексов, константа устойчивости которых, по данным Г. М. Варшал (1S75) равна 10 7,1. На основании представлений о растворении Fe(0H)3, гидролизе и образовании гидроксофульватных комплексов Fe(111) нами составлена термодинамическая модель состояния Fed II) и рассчитана теоретическая концентрация FedII) (линии на рис. 1) и его частиц в растворе в зависимости от рН и содержания ФК.

С ростом рН общая концентрация Fe(III) в растворе уменьшается, с увеличением количества ФК растет, особенно при рН 5-7. При рН-б и содержании SK 10 мг/л концентрация Fe(III) увеличивается более, чем на порядок, а при содержании ФК 100 мг/л -более, чем на 2 порядка. Такой уровень содержания SK характерен для поверхностных вод. Почвенные растворы Яхромской поймы содержат 10-120 мг/л органических веществ, условно отнесенным к ФК, а такгв 0,2-0,6 мг/л Fe при средней минерализованности растворов 150-250 мг /л. Близость эмпирических (точки на рис. 1 соответствуют собственным и литературным данным) и теоретических значений подтверждает верность гипотезы о доминирующих процессах, влияющих на концентрацию Fe(III) в растворе.

Рисунок 1. Зависимость концентрации. Fe(III) (моль/л) в растворе от рН при разном содержании ФК

-3

1 - СФКЫОО мг/л

2 - [«КЗ-10 мг/л

3 - СФЮ-0 мг/л

-7

6

?

ъ ч

s

рН

- 13 -

2. 3. Подвижные соединения микроэлементов

Подвижность химических элементов в почвах обусловлена, с одной стороны, их способностью переходить из твердых фаз почвы в раствор, с другой стороны, способностью химических элементов мигрировать в почве и з ландшафте. В связи с этим подвижность химических элементов характеризуют два показателя: содержание тех соединений, которые реально находятся в растворе, и потенциально подвижные соединения твердых фаз почвы, которые могут переходить в раствор и восполнять удаленные из него за счет миграции химические элементы. Эти соединения соответствуют интенсивному (I) и экстенсивному (О показателям подвижности химических элементов. Традиционно применяемые экстрагенты (растворы солей, кислот, комплекссобраэователей), предложенные ЯКПейвз и Г. Я. Ринькисом (195?) для извлечения подвижных соединений микроэлементов, подобраны эмпирически, действие их предположительно соответствует растворяющей способности растений. Очевидна необходимость приведения в соответствие эмпирических и теоретически обоснованных подходов к подвижности микроэлементов з почвах.

Систему шграционно способных соединений микроэлементов формируют потоки вещества и энергии, связанные с процессами межфазных взаимодействий, а именно, с процессам осаждекия-расг-ворения, сорбции-десорбции, конного обмена, диффузии. Чаще всего эти процессы сказывают совместное влилнгг на подвижность микроэлементов, что показывают результаты молельного опыта, в котором равновесная концентрация 2п была определена в водной суспензии метафосфата и гипофосфата Тп, к которым в переменных количествах добавлены каолинит, гидромусковит и бентонит. (рис. 2). Концентрация 2п в насыщенных растворах солей после добавления минералов снижалась тем сильнее, чем бочыпэ была навеска минерала. Падение наблюдалось и при добавлении к суспензии почв. В другой серии опытов к образцам дерново-подзолистой почвы был добавлен каолинит в перемешал: количествах и по сорбции этой смесью Тп были определены показатели подвижности элемента. При добавлении каолинита и запас подвижного 2п в твердых фазах почв (С}) и равновесная концентрация его з 1)г".стЕоре (I) пропорционально понизились (рис.3).

- 14 -

Рисунок 2. Изменение концентрации Zr>. 2 равновесном растворе в зависимости от навески минерала.

•«Vi

1,5 ■ 1.0 -05-

Рисунок 3. Взаимосвязь показателей подвиююсти б суспензии смеси образцов • дерново-подзолистой почвы + каолинит (от 1:1 до 1:10).

3,4

А

А.0--

2,0-

0.5"

10

15

2.0

10 £0 30

<Wa

'Kl

В данном случае концентрация Zn в растворе связана и с растворением солей цинка и с поглощением его твердыми фазами почв. По каким данным интенсивный показатель подвимности микроэлементов соответствует содержанию элемента в почвенном растворе и найденной по изотермам сорбции равновесной концентрации элемента, при которой-почва не отдает и не погдоп^ает элемент (табл. 7). Исследование подвижности Zn в подзолистых почвах показало удовлетворительное соответствие найденных таким образом концентраций содеряанию элемента в вытяже раствора 1 н. KCl, продложнкого Я В. Бейве и Г. а Ринькисом как экстрзгента подвижного Zn. Учитывая высокий уровень природного варьирования микроэлементов в почвенном растворе и аналитическую погрешность при построении изотерм в области низких концентраций Zn, нет оснований считать сравниваемые концентрации различающимися. Экстенсивный по1^затель подвижности Zn соответствует запа-Таблица 7. Концентрация цинка (мг/л) су способных к обмену в почвенных растворах подзолистых почв, определенная разными методами

Разрез, Анализ По изотермам горизонт вытесненного сорбции раствора

р. 1 A2Bhf A2Bf

0,65 0,36

1,21 0,64

подвижных соединений Zn, который мокет быть найден как по изотермам сорбции так и при десорбции элемента последовательными (5-7) вытяжа-ми 1 н. KCl. В некарбонатных почвах близко к ним содержание элемента

р. 2 ВЫ 0,47 1,21 в вытяжэ 1 н. МЩСН3С00

В1 0,76 0,63 - универсального зкетра-

р.З А2 0,16 0,45 гента подвижных форм ря-

взс 0,12 0,18 да элементов. Концентра-

Р. 4 А1 0,07 0,02 ция 2п в равновесном ра-

р. 6 В1 0,05 0,30 створе проявляет значи-

Р. 7 А2 0,20 0,54 мую связь с запасом под-

В2 0,14 0,25 винных соединений его в

------------------------------------ твердых базах.

Подвижный бор, определяемый в кипящей водной вытяжке по Еер-геру-Труогу, в неззсолеиных почвах соответствует преэде всего сорбированным формам элемента (табл.8).

Таблица б. Показатели подвижности бора в почвах Скхотэ-Алинского заповедника

Определены по изотермам В, иг/кг,

сорбции извлечен

Почвы ,------------------------ Н 0 при

I, мг/л 0, мг/кг кипячении

бурозем 0,С5 0,75 0,80

темноцветная 0,04 0,48 0,50

аллювиальная 0,06 0,70 1,10

нодбур 0,05 0,40 0,85

подзол 0,09 1,00 1,40

бурозем 0,07 1,50 2,90

Подвижные соединения мышьяка в Еытяжке 0,2 н. Ш1, соответствует сорбированным ионам и рыхлссвязанньм арсенатам Са и

В опытах по сорбции Аб установлена высоко значимая корреляционная связь между поглощенным /в и. удельной поверхностью почв. В щелочной среде (рН 8,2) количество поглощенного элемента вьше, чем в кислой среде (рН 4,5), но удерживается он в этом случае менее прочно и легко вымывается десорбирующим раствором сульфата аммония. Высокое сродство арсенаты проявляют к каолиниту, о чем свидетельствует величина удельного поглощения элемента Это связано с обменными реакциями и прочной связью с А1 боковых сколов минералов. Органические и органоми-

- 16 -

нералькые соединения препятствуют сорбции мышьяка.

Приведенные данные показывают, что обязательными характеристиками системы подвижных соединений химических элементов, образованной меяфазкыми взаимодействиями, служат равные по информативности интенсивный и экстенсивный показатели подвижности. О влиянии внутрипочвенных условий на формирование системы подлинных соединений свидетельствует значимая положительная связь между содержанием в почве подвижных соединений микроэлементов и удельной поверхностью почв, содержанием ила и гумуса, зависимость от рН и содержания свободных оксидов Ге.

Каждую из рассмотренных подсистем соединений мккроэлемептоз формируют процессы гидролиза, растЕорення-осаждения, сорбции-десорбции, диффузии, комплексообразования, которые С. А. Захаров (1327) называл физическими, химическими, биологичеасими, А. А. Роде (1947, 1971) - микропроцессами, В. О. Таргульян и др. (1939) - элементарным:! механизмами. Эти процессы свойственны не только почвам, но и другим природным средам. Для почв специфично лишь определенное сочетание этих процессов, с которым связано прошлое и современное разрушение первичных минералов и образосание новых минеральных форм, разложение к (формирование промежуточных я конечных продуктов распада органических остатков и вновь образованных органических и органо-минеральных веществ и перераспределение их в гетерогенной почвенной массе. Эти процессы в пределах морфона, горизонта объединяет в единое целое необходимый и достаточный перечень вышеназванных подсистем, которые представляют собой минимальную почвенную вецест-венно-фазовую неоднородность, в связи с чем система, объединяющая их, и названа элементарной.

3. ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПОЧВЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ, ТРАНСФОРМАЦИИ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВ В БИОГЕОЦЕНОЗЕ, ЛАНДШАФТЕ, В БИОСФЕРЕ 3.1 Системообразующая роль процессов почвообразования Система соединений микроэлементов почвенного профиля формируется процессами водкой, механической, биогенной миграции, которые ведут не только к вертикальному перемещению веществ, но и к созданию в 1саэдом горизонте характерной вещественно-фазовой система Структура системы соединений ■ микроэлементов почвенного профиля отражает влияние литогенных и почвенных

процессов, роль которых часто не выявляется при анализе внут-рипрофильного изменения общего содержания микроэлементов. Свидетельствует об этом, в частности, система соединений микроэлементов профиля красноземов. Организация ее обусловлена соотношением двух ведущих процессов: образования фзрралитной коры выветривания и современного выноса Ре и А1. В профиле краснозема на коре выветривания основных эффузивов Си и 1п распределены монотонно. Из краснозема на зебровидной глине Си более, а Ъп менее активно выносятся. Увеличение содержания 2п на границе с почвообразующей породой обусловлено первичными минералами, содержащими 1п> и несиликатными соединениями Ре; роль глинистых минералоз невелика, так как они практически полностью представлены каолинитом. Увеличение содержания 2п в средней части профиля этих почв связано не столько с гидроксидами Ре, сколько с образующимися здесь емепаннослойными хлорит -верми-кулитоЕыми минералами. Рассмотрение системы соединений химических элементов почвенных горизонтов, играющих роль биогеохимических барьеров, позволяет понять механизмы формирования кх.

Марганец не проявляет связи с распределением Ге и глинистых минералов. Подвижность его зависит от окислительно-восстановительного режима и кислотности почв. В красноцветной коре выветривания элемент сохраняется в окисной форме, из коры выветривания сланцев и галечников он частично выносится. Почвообразование в красноземах, желтоземах, бурых лесных почвах ведет к выносу марганца.

3.2 Взаимосвязь соединений микроэлементов биогеоценоза, ландшафта, биосферы

Многофакторные процессы перераспределения веществ в биогеоценозе, ландшафте, биосфере в целом осложняет формирование системы почвенных соединений микроэлементов. Накопление микроэлементов ргстенияшг зависит от их видовых особенностей и поч-венно-химических условий. Возвращение в почву элементов, усво-еннкх растениями, обусловлено их биомассой, характером биологического ¡футоворота эяемептов, составом, объемом и скоростью разложения опадали кодстилси. Биогенная аг^куиуляция микроэлементов нередко монет?-быть выявлена только при анализе системы соединений их з почвах.4 Ока лишь частично обусловлена соединениями микроэлементов, свясанншк с органическим веществом (в

почвах Западной Грузш! Си и гп в их составе 2-13 мг/кг). В основном ограничение миграции микроэлементов из верхних горизонтов почв происходит за счет минеральных соединений.

Процессы радиальной и латеральной миграции формиру;аг систему соединений микроэлементов на ландшафтно-геохимическом уровне. На примере системы соединений Си, Ъп, Мп геохимически сопря-зкенного ряда почв Кировской области показано, что за счет соединений, связанных с несилжатными формами Ге, обеднены дерново-подзолистые почвы элювиальных ландшафтов (р. 55 - супесчаная на карбонатной морене, р.56 - суглинистая на покровной глине) медью и особенно цинком. Накопление элементов в почвах трансаккумулятивных и супераквальных ландшафтов обеспечивают силикатные и связанные с Ге соединения, часть элементов вынесена за пределы катены (рис. 4). Аналогичные закономерности прослеживаются в сопрякзнном ряду почв- Среднего Сихотз-Алиня.

Общепланетарный перенос химических элементов такяе влияет на обмен веществами мезкду составляющими биосферы (Добровольский, 1983).

Проведенный анализ позволяет сделать вывод: почвенные соединения микроэлементов взаимосвязаны и объединены в единую хорошо организованную природную систему, что обусловлено процессами трансформации и перемещения вещества на различных иерархических уровнях. Чем выше уровень процессов, играющих роль внешних по отношению к системам подчиненных уровней, тем более сильное влияние на них они могут оказывать. В реальных условиях организация образующейся при этом системы соединений элементов обусловлена соотношением факторов внешней и внутренней природы. Например, низкое содержание подвижных соединений Си, 2п, Мп в красноземах и желтоземах - следствие как прочной фиксации элементов свободными оксидами и глинистыми минералами, так и выноса способных к миграции форм, чему способствуют большое количество осадков, кислая реакция, подвижность органических веществ.

4. БУФЕРНЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМЫ ПОЧВЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ 4.1 Механизмы устойчивости системы почвенных соединений микроэлементов на вещественно-фазовом уровне

Система почвенных соединений химических элементов обладает

Рис.4. Содержание соединений макроэлементов(мг/кг) в почвах геохимически сопряженного ряда

с-

Нъ

Лес 1« ¿се

' - лсрХсЛиСГН е..

о^рнооо- гл<.'еоО'г

Сооержони^ ' эле/четъоё < ' -

- couыt

---Мера- Ох-сжссну,

V—у_ О,-?* С/Л СоО'Лу

устойчивостью к внешнему воздействию, приобретенной в процессе длительной эволюции почв в результате разрушения и удаления неустойчивых в данных термодинамических условиях соединений и сохранения более стабильных из них. Образованная при этом система соединений химических элементов в наибольшей мере соответствует природному сбалансированному круговороту вещестз.

Основой буферности почвы в целом является буферность элементарной системы соединений химических элементов. Она связана с наличием в ее структуре с одной стороны, устойчивых прочносвя-занных соединений, с другой стороны, подвижных соединений раствора и твердых фаз. Первые характеризуют стабильность, вторые - гибкость, как две -важнейшие .характеристик!! устойчивости системы. Буферность почвенного раствора проявляется как способность.поддерживать, в нем концентрацию химических элементов.

Буферность суспензии выше, . чем изолированного раствора благодаря. дополнительному влиянию .процессов межфазных взаимодействий.. Примером служит устойчивость концентрации Fe(III) в водной суспензии Fe(0H)3 при рН 6-11, когда в растворе преобладают частицы Fe(0H)j , количество которых не.зависит от рН раствора, а содержание. рН-зависящих комплексов Fe(OH)^ , Fe(OH)!, и других относительно .мало. При увеличении в водах количества Са и fe они частично связывают ФК в комплексы, в результате чего содержание гидроксофульватных комплексов Fe(lll) уменьшается, а доля частиц Fo(0H)3 увеличивается (табл.9).

Таблица 9. Соотношение соединений Fe(HI) в почвенных растворах поймы р. Яхромы

Разрез, . Fe(OH) ФК Fe(OH) Са ФК Мг ФК Fe(OH)

горизонт ' Z от Fe(I II) % от ФК

р. 11 Ат 33 62 68 29 3

В1. 62 38 23 10 64

В2 14 86 32 17 46

р. 13 Ат 15 85 50 33 9

В1 17 83 43 35 14

р. 19 И 24 76 31 19 41

р.З В1 16 84 44 39 4

Проявляются буферные свойства гетерогенной системы тагаэ в опыта:г по сорбции микроэлементов почвами и их десорбции. Изотермы сорбции Zn, В, As некарбонатными почвами (рис.5) в широком интервале концентраций, как правило, расчленены на два или более прямолинейных участка, что связано с перестройкой системы соединений микроэлементов в процессе смены доминирующих реакций. протекающих с разной скоростью и с участием в сорбции различных энергетических центров. Влияют на эти процессы и свойства почв и особенности элементов. В области меньших концентраций поглощение As характеризуется энергией 30-50 кд-V моль (образование осадков, хеыо- и ионообменная- сорбция). Краснозем отличается максимальным количэст-бом ярочпоудеряанного As. Увеличение концентрации As з растворе ведет к снижению энергии его поглощения лочзя№;: большая часть элемента закрепляется почвами предположительно сялзгй! физической сорбции (энергия процесса около 10 кда/моль).

Опыты по дессрбиии Zn последовательными вытянкаш 1 н. KCl из подзолистой, почвы показывают, что выход способного к обмену Zn уменьшается от первой к шестой вытяже. Однако в последую-щх вагяжах концентрация Zn остается постоянной. Буферность этого раствора обусловлена растворимостью соответствующих труднорастворимых соединений элемента

Имеется много экспериментальных доказательств (Кокотов, 1980; Пинский, 1983), что энергия вхождения металлов в структуру полкфункциональпого сорбционного комплекса снижается по мере увеличения доли поглощенного металла. В ненасыщенных основаниями почвах этому способствует и сопровождающее процесс снижение pR На рисунке 6 приведена схема действия механизмов буферности почвенного раствора в отношении металлов.

Рисунок 5. Изотермы сорбции Zn, В... почвами (S погл., от/кг; С'равн., мг/л)

Рисунок 6. Схема буферности почвенного раствора по отношению к ионам металлов Источник ионов металлов (МЕ)

вынос вытеснение увеличение

Н+, А113 доли МЕ в сорбционном комплексе

♦ I

снижение снижение• рН ~ ЕКО Дополнительное поступление ионов металла в почву не ведет к повышению его концентрации з почвенном растворе, если элемент не поглощается почвой и выносится нисходящим водным потоком или, напротив, прочно поглощается твердыми фазами почвы путем образования осадка, хемосорбции—и—внедрения—в—сорбциояный-комплекс.

4. 2 Буферкость почвы как компонента биогеоценоза Буферность почвы, БГЦ, ландшафта как природных систем есть способность сохранять организацию этих систем. Под организацией или структурой системы мы понимаем перечень, уровни и соотношения взаимосвязанных компонентов системы.

Буферные свойства почвы формируются под влиянием известных факторов почвообразования, обусловливающих дифференциацию почв по химическому составу. В процессе почвообразования доминирующая роль отдельных из них, проявляющаяся на различных этапах эволюции почв, сменяется многогранным равнозначным влиянием их на почву. Нивелирование влияния внешних факторов происходит за счет формирования организованного природного комплекса (почва, БГЦ, ландшафгг), взаимосвязанный обмен веществом и энергией внутри которого обеспечивает устойчивость комплекса в целом и в том числе устойчивость системы соединений химических элементов. \

Имеется много примеров сглаживания влияния исходной лктоген-ной неоднородности на микрозлементный состав почв. Влияние пород Дальневосточной - халькофильно-сидеральной геохимической специализации на микроэлементный состав почв Сихотэ-Алинского заповедника ослабляют процессы выветривания (в продуктах выветривания интервал варьирования содержания микроэлементов ниже, чем в исходных породах), почвообразования, водной и биогенной мш'рации (в верхних горизонтах почв этот интервал сужается еще больше). Лишь на юге и юго-западе заповедника, где темноцветные граниты, липаритоЕые и кварцевые порфиры обогащены микроэлементами, они обусловливают повышенное содержание з почвах Аэ (10-14 мг/кг) и РЬ (13-31 кг/кг), что нашло отражение на соответствующих картосхемах. В остальных случаях ведущее влияние пород на общее содержание микроэлементов в почвах не выявлено.

В Убсунурсксй котловине для почвообразувщих пород - песчаных продуктов разрушения гранитоидов, характерно в 3-5 раз более низкое, чем кларк содержание Си, Со, }.5п, N1 и близкое к кларку содержание В я У. Гклергенноо преобразование одночленных пород ведет к выносу V и Сг та верхней части профиля почв, а N1, Си, Со в условиях щелочкой реакции накапливается (табл. 10).

Таблица 10. Содер?ание микроэлементов (мг/кг) в горизонте А (над чертой) к С (под чертой) почв Убеунурской котловины

Светло- Каштановая Среднее

Элемент Каштановая капггако- на продувах Дерновая по А.Е

на песке вая на выветривания на Виногра-

песке гранитоидов аллювии дову

В 12/12 18/4 17/6 7/17 10/12

V 86/95 82/95 92/180 65/66 100/90

Сг 81/130 72/120 96/170 54/37 200/83

Си 12/11 12/12 20/12 6/9 20/47

Со 7/5 4/4 11/10 5/4 8/8

N1 27/21 20/22 32/13 20/15 40/80

В свою очередь неоднородность пород, латеральный перенос, перераспределение веществ в биогеоценозе ослабляет биогенное

влияние на химический состав почв. Микрозлементные харатаерис-тики четырех геохимически сопряженных экосистем Сихотэ-Алинс-кого заповедника от кедровника неморального на буроземе до кедровника олиготрофного на подзоле, состав мендариновых деревьев в Западной Грузии, сведения о биологическом круговороте зольных элементов (Родин, Базилевич,' 1965) показывают, что деревья играют роль депо для многолетнего хранения микроэлементов. Ограничивает миграцию микроэлементов накопление их в кустарниках, мхах, лииайниках, а также в подстилках, содержащих в экосистемах Среднего Сихотэ-Аликя микроэлементов в 1,5-5 раз больше, чем растения. Микроэлементы, извлеченные из почвы растениями и вновь возвращенные б нее с-опадом и. при отмирании пополняют? зачас подвижных соединений в почвах и частично выносятся. Они способствуют перестройке системы соединений микроэлементов в почвах и часто не ведут к увеличению общего содержания их элементов в верхних горизонтах почз. Подобные случаи отмечались з отношении Cu, Zn, As, В в почвах всех исследованных регионов. Но почти повсеместно наблюдается биогенное накопление . Мп.

Формирование буферных свойств почвы, БГЦ, ландшафта обуслов-^еко~тгкерархичеекой~оргагшзацией.—Процессыг~(псоторыми~свя--заны буферность ¡савдого из уровней системы, действуют разыонапрзлэно. Важно понимание этих процессов при изучении механизмов м;срации физиологически ценных веществ. Твердые фазы органогенных и иллювиальных горизонтов почв задерживает микроэлементы, что обеспечивает поддержание состава почвенного раствора, низкую устойчивость к этим элементам почвы в целом и. защищенность от них сопредельных с почвою сред. Как латеральные биогеохимнческкэ барьеры действуют почвы трансаккумулятив-ннх и аккумулятивных ландшафтов, с чем связано ограничение миграции элементов в пределах ландшафтно-геохишческой арены.

Таким образом механизмы буферностн системы соединений химических аяементов различных уровней обеспечивает сохранение организации каждого ее уровня за счет относительно меньшей устойчивости сопряженной системы. Совместное действие разнонаправленных процессов, протекающих в системах разных уровней, обусловливает усиление буферных свойств системы в целом по ¡.tepe позцлнкия уровня ее организации. Зтп свойства проявляются

при действии процессов, направленных как на снижение так и на увеличение содержания химических элементов в почвах, БГЦ, ландиафте.

Соотношение влияния факторов внешней природы (биогеноценоти-ческих, ландшафгно-геохимических и др.) на систему соединений химических элементов почвенного горизонта или профиля, ■ обусловливающих внутреннюю природу и буферные свойства почвы, различно в зависимости от организации всего природного комплекса. Об этом в частности свидетельствует сопоставление уровней варьирования показателей систем! почзенных соединений микроэлементов различных уровней организации. В почвах ЯЛГЗ и Сихотэ -Алинского заповедника основной вклад з варьирование мяхрозле-ментного состава верхних горизонтов почв вносят процессы, происходящие на уровне элементарного ландшафта. Увеличение площадей слробывнкй, что влечет за собой участие процессов более высокого ранга, не ведет к увеличению варьирования (табл. 11).

Таблица 11. Статистические показатели содержания микроэлементов в верхних горизонтах буроземов Сихотэ-Алинского заповедника (х - среднее, мг/кг, V - коэффициент вариации, %)

Элемент, Пробные площадки Почвы региона форма --------------------------------------

XV XV

РЬ общ. 21 14 20 18

Сс1 общ. 0,5 35 0,4 26

Си лодв. 0,7 31 0,8 29

2п подв. Ц 34 15 37

Мп подв. 54 46 60 42

5. ХИМИЧЕСКОЕ АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПОЧВУ 5.1 Антропогенное влияние на систему соединений химических элементов в почвах Различные виды антропогенной нагрузки на экосистему вызывают специфические изменения в системе почвенных соединений химических элементов. Наиболее ощутимые экологические и агрохимические последствия имеют поступления в почвы химических веществ в растворимой или легкорастворимой форме в составе

удобрений или с отходами производства. Распределение антропогенных соединений химических элементов в почвенном горизонте, профиле, ЕГЦ, ландша$пе происходит в соответствии с природной организацией системы соединений химических элементов, в чем проявляются буферные свойства этой систеда. Однако резкое увеличение поступления подвижных соединений ведет не только к возрастанию общего содержания микроэлементов, но и к изменению соотношения всех форм соединений химических элементов в сторону увеличения доли более мобильных из них".

Опыт внесения в качестве микроудобрений борной кислоты и сульфата цинка в красноземы и буроземы под цитрусовые, испыгы-ваю1дие недостаток в зтих элеметах, показывает различный характер их распределения. В красноземах в наибольшей мере возросло содержание подвижных соединений бора за счет зго ионообменного поглощения, внесенный цинк прочно закрепился несиликатными соединениями железа, что привело к увеличению общего содержания 2п в почве. В буроземе повышение содержания подвижных форм В и 7х\ сопровождалось частичным выносом их из почвенного профиля.

Литературные данные показывает, что в зоне локального загрязнения степень увеличения содержания подвижных соединений т,1еталлов-на-1-"г_порядка~превышает-общий-уровекь— накопления -их в почвэ (Елпатьевский, Луценко, 1983; Решетников, 1990), изменяется состав растворов загрязненных почв (Аржанова, Елпатьевский, 1990).

Организация системы соединений микроэлементов в загрязненных почвах - совместный результат влияния производственной деятельности человека и буферных свойств природной системы соединений химических элементов в почвах.

5.2 Неспецифические изменения в почве, БГЦ, ландшафте

Отрицательные последствия антропогенных изменений системы соединений химических элементов в почвах связаны с ее деградацией, которая ведет к ухудшению свойств почв, обусловливающих агрохимические и защитные свойства почвы. При недостатке в почзе химических элементов з доступной для растений форме падает объем и качество продукции. Превышение допустимого уровня доступных растениям и миграционно способных соединений микроэлементов в почвах ведет к изменению неспецифических показателей состояния биогеоценоза и соцэкосистемы: происходит наруше-

ние растительного покрова вплоть до полного исчезновения, сокращение численности и обеднение состава биоценоза, падение биохимической активности, снижение качества продуктов питания и в конечном итоге ухудпение здоровья людей (хронические болезни и микрозлементозы) (Школьник, 1974; Ковальский, 1974; Беус- и др., 1976; Ильин и др., 1980; Авцьш, "Жаворонков, 1989; Левин и др.. 1989).

6. КОНЦЕПЦИЯ ПОЧВЕННОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 6.1 Основы системного подхода к почвенному хим.ччес!сому мониторингу Представления о составляющих почву химических веществах как о сложных организованных природных комплексах является концептуальной основой почленно-химического мониторинга Химическое антропогенное воздействие на любое из звеньев ее неизбежно от-рагается на состоянии всей природной системы з целом. При техногенной перегрузке ■ система почвенных соединений химических элементов начинает деградировать, терять способность к самоорганизации, обусловливающей буферные сзойстза почвы в экосистеме.

Системный подход к мониторингу предполагает контроль за экосистемой с целью сохранения ее в целом. При почвенном мониторинге подлежит контролю целостность системы соединений элементов-биофилов, недостаток или избыток которых ведет к снгакнию плодородия почв или к возникновению токсшо-экологической опасности. Целостность и естественное функционирование системы соединений микроэлементов в почвах предполагает сохранение инвариантов ее структуры в рамках свойственного ей регионального варьирования. Верхняя граница этого диапозона с вероятностью 0,99 соответствует превышении среднего регионального уровня показателей системы не более, чем на 3 средних квадратических отклонения.

■ 6.2. Выбор контролируемых при мониторинге почвенных показателей Наиболее важным з программе мониторинга является выбор ограниченного числа интегральных информативных почвенных показателей, который не мокет не опираться на существующую в природе взаимосвязь объединенных в систему соединений химических элементов.

Из специфических показателей этой системы наиболее чувствительны к загрязнению состав почвенного раствора и подвижные соединения твердых фаз. К числу показателей ранней диагностики загрязнения почв можно отнести и содержание микроэлементов в илистых фракциях, так как наши наблюдения и литературные данные показывают, что изменения в их микрозлементном составе "под влиянием процессов почвообразования и загрязнения наступают раньше, чем в почве в целом. О степени нарушенности системы соединений микроэлементов в почвах свидетельствуют производные показатели: содержание подвижных соединений микроэлементов в загрязненых почвах, нормированные либо содержанием тех же форм в незагрязненных почвах либо содержанием более устойчивых соединений.

При комплексном мониторинге подлежат контролю и неспецифические показатели загрязнения почв. На соцзкологкческом уровне ими служат показатели здоровья людей (рождаемость, ..заболеваемость, продолжительность жизни), на ландшафтно-геохимическом к биогеоценотическом - структура ландшафта и БГЦ, на почвен-. но-профильном - показатели морфологических, физических, ышсро-биологических свойств почв, а также кислотно-основных, катион-нообменных, показателей гумусного состояния и других,-названных 1L А. Глазовской (1981) педохимическимк.

7. СИСТЕЩО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОЕДИНЕНИЙ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЦЕЛЯХ МОНИТОРИНГА 7.1 Контроль за состоянием микроэлементов в системе почва-вода

При прогнозе состава почвенно-грунтовых вод в связи с опасностью заохривания коллекторно-дренажной сети информативны не только содержание Fe(II) и Fe(III), рН и Eh, с которыми связано образование осадков Fe(0H)j (Зайдельман, 1275; Воробьева. 1985), но и количество в водах SK, кеоргакнчаоки* катионов к анионов, присутствие которых изменяет область устойчивости Fe(I II) в растворе и соответственно опасность заохривания дрен.

О качестве вод при затоплений почв, обусловленном присутствием ртути, . свидетельствует не только общее содержание элемента, но и количество наиболее токсичной формы - метилртутя. Результаты лабораторного модельного опыта и литературные дан-

ные свидетельствуют о наибольшей опасности образования ее в водах в начальные сроки после затопления.

7.2 Контроль за состоянием микроэлементов в агроценозах Дефицит физиологически важных микроэлементов в агроценозах может быть установлен по содержанию микроэлементов в почвенном растворе и в составе подвижных соединений твердых фаз почвы, а также по содержанию микроэлементов в листьях. Обследование цитрусовых плантаций ряда регионов Западной Грузии (Чаква, Анасеули, Н. Афон и др.) показало, что почвы в достаточной мере обеспечивают цитрусовые культуры медью и характеризуется дефицитом бора, желтоземы и красноземы недостаточно, а бурые лесные почвы - з средней степени обеспечены цинком. В красноземах и бурых лесных почвах возможен периодически дефицит Мп.

7.3 Почвенно-химический мониторинг фоновых территорий Специфическиэ трудности Фоноеого почвенного мониторинга в отношении микроэлементов связаны с постоянным характером выпадений их в фоновых концентрациях при условии высокого уровня природного варьирования элементов в почвах. Антропогенные соединения микроэлементов глобальных выпадений, будучи совместимыми с природной средой, не влияют на общее содержание микроэлементов в почвах. Основанием для контроля за содержанием микроэлементов в верхних 2-5 см почв Сихотэ-Алинского заповедника служит сопоставимость запасов подвижных соединений Нд, РЪ, Сй, Аз в них с ежегодными выпадениям, среди которых преобладают растворимые формы.

На почвах фоновых территорий возможен контроль за содержанием микроэлементов в почвенном растворе и подвижных соединений твердых фаз в вытяжках из почв. В качестве объектов исследования целесообразно выбрать подстилки, верхние горизонты и горизонты биогеохимических барьеров почв аккумулятивных и трансаккумулятивных ландшафтов. При выборе тестовых участков предпочтение отдается почвам, обладающим наименьшей буфер-ностью по отношению к контролируемым элементам, уровень которой определяется экспериментально в опытах по сорбции и десорбции элементов. На территории Сихотэ-Алинского заповедника подобраны участки для регулярных наблюдений.

выводы

1. Соединения химических элементов в почвах объединены в единую систему сопряженными процессами преобразовании органических, минеральных и органо-минеральных веществ н прэраспре-деления их между различными фазам! почвы, лощенными горизонтами, компонентами биогеоценоза, ландшафта, биосферы.

2. Система соединений химических элементов в почвах имеет упорядоченную иерархию, связанную с соподчинением процессов, формирующих ее на вещэстЕенно-фазовом, почвенно-профильном, биогеоценотическом, ландшафтно-геохиыическом, биосф-эрном к со-цзколог-кческом уровнях.

3. Элементарная система соединений химических элементов почвы представляет собой минимальную вещественно-фазовую неоднородность и объединяет все вещестга, образованные каждым химическим элементом, входящие в состав ecqx фаз почвенного морфона или горизонта. Ее подсистемы по отдельности свойственны не только почвам, при удалении любой из них систеьа утрачивает сбои специфические свойства.

4.. Соединения микроэлементов в составе первичных и глинистых -минералов, -несиликат ных -еоо диноний лэг&-и_адвмнн1Е1,—солейл. органических веществ в почвах взаимосвязаны и формируют общий уровень содержания микроэлементов. функциональная связь обетм содерзазигм микроэлементов в почвах и почаооЗраззта?!:: породах, г такте биогенным накоплением их не всегда обнаруживается с шковр» корреляционного aa&bsa и ьскрыгаззгея шт при р&сскотрешш система соедякепаб никрозлеменгов.

5. Снсто.-.у ьодакгццк соединений мифозлемзи1-ов в поч-в&к, иредегааггкнго сссд;гьо;:;;л:с: ючвешюго раствора, поглов^н-hv:.V i: ее/:. ИЙ^ЗОТЬЛ.Г.; TEC-V¿аз, (нормируют провесы

î s : : ■ й с •. .-с i : j i, nposorcssyis ка -умственно -фзаозом урозно. a ;:;р:.рсспрсд-элен1.:; no^s-cr^v ссзцкгзаий мякроо-

лси-гнтол г i; лаадзгфгг. Содгргоклг iv^-zziux соединений

^Kpcc.^iioiii-oi; яролв^-.е? етрреллгд.'ьж.^о евгеь со свойства»:?; "очь, " к;, ход зтг_л процсссси: pli, шестой

гу./уса, удельной пэмухиогс го~~.

i.c^i.'i.i.'O pi.or/.'jf;'.'--:;,..- ь; е: ■ " ..... "

состав взвесей и коллоидов, формируют процессы взаимодействия химических элементов раствора и твердых фаз почвы, а в гомогенной мидкой фазе - лроцессы гидролиза и комплексообразова-. кия, в почвах гумлдной зоны - прежде всего с органическими веществами, отнесенными ¡с фульвокислотам. Уровень концентрации микроэлементов в растворе, соотношение свободных и связанных Форм, их заряд обусловлены составом контактирующих с раствором твердых фаз и свойства),м почвенного растзора (рН, содержание других химичес.'слх элементов), влияющими на системообразующие процессы. 3 растворах исследовании некарбонатных почв преобладают соединения Нг, 1п, Ге,' связанные с органическими ' веществами, значительная доля микроэлементов приходится на соединения в составе взвесей и коллоидов.

7. Процессы более высоких иерархических уровней способны влиять на организацию системы почвенных соединений химических элементов подчиненных уровней. Доминирующей ролью биогенной аккумуляции обусловлено повышенное содержанке в верхних горизонтах почв подвижных и связанных с органическим веществом соединений. Перемещение веществ в профиле и ландшафте обеспечивает сникекке содержания соединений, подверженных разрушению и выносу в зоне здювиированкя и увеличение количества вновь образованных соединений э горизонтах и ландиафтах, играющих роль бкэгеохиммчзских барьеров. Антропогенное влияние может привести к изменению организации системы соединений химических элементов на всех ее уровнях.

8. Буферность почвы как внутренняя способность системы соединений химических элементоз почвы сопротивляться внешнему воздействию, обусловлена иерархической организацией системы, гетерогенностью и полифункщюнальностью ее соединений и разнообразием реакций, в которых они участвуют. Буфэрность систем соединений различных уровней организации обеспечивает сохранение структуры и функционирования, характерных для систем каждого 'из уровней. Совместное действие разнонаправленных механизмов буфэрноети разных уровней системы обусловливает нелинейность отклика на внешнее воздействие всей системы в целом. Усло;г.'ение системы соединений химических элементов в почвах, которое зедет к расширению перечня системообразующих процессов, обеспечивает усилению ее буферных свойств.

9. Концептуальной основой теории и методологии почвеино-хи-мического мониторинга .являются представления о системной организации соединений химических элементов в почвах, их взаимосвязанности, целостности и иерархии. Пэдлежат регулярному контролю специфические'' показатели элементарной системы- соединений, а среди них подвижные соединений'химических элементов, с недостатком или избытком которых связано.снижэние плодородия или опасность возникновения токсико-зкологической ситуации. При комплексном мониторинге наряду со .специфическими рекомендуется контролировать нэспецифичеокие - показатели -изменения системы соединений химических элементов: показатели состояния здоровья людей, показатели структуры-^ свойств ландшафта . и'. 'ЕГЦ, показатели "химических, биологических, физических ■ свойств-почв.

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ "

1. Предложена программа почвенного • мониторинга на фоновых территориях, перечень- контролируемых ■ -показателей - и • принципы-выбора тестовых участков."

2. Предложена схема' анализа' системы соединений- микроэлементов в почвах.

3. Предложен способ определения буферной" способности~почвен-— ного раствора по отношению к микроэлементам;. .

4. Предложен способ определения -равновесной концентрации микроэлементов-в-растворе. .

5. Предложен способ ранней диагностики-'загрязнения- почв па анализу илистой-фракции.

6. Предложена программа-расчета концентрации и вещественного, состава Ре (III) в-природных водах-по -величине- рН- и общей концентрации Ре, Са -и Щ, - фульвокислот.. -

7. Усовершенствован ,■.'■■ апробирован-и аттестован химический .метод определения мышьяка в почвах.

8. Предложен способ оценки" варьирования .¡¿икроэлементов в верхних горизонтах почв - большее -. территорий ■ по ■ варьированию их содержания на пробных площадях (500-400 к ). .

9. Предложено оценивать границы, нормального: функционирования системы соединений микроэлементов в почвах- по показателям . ее стру1стуры, отличающимися на 3 средних квадратичееккх отклонения от регионального фонового значения.

СТАТЬИ ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ, В ТОМ ЧИСЛЕ В СОАВТОРСТВЕ:

1. Потребление микроэлементов мандариновым деревом в субтропиках Западной Грузии. Субтропические культуры, 1971, N 5.

2. Спектрографическое определение бора в цитрусовых. Субтропические культуры, 1972, N 2.

3. Обеспеченность микроэлементами цитрусовых культур з Западной Грузии. Агрохимия, 1972, N 8.

4. Использование метода.Эндреди для выделения свободных окислов келеза из почвы. Вестник МГУ, сер. биолог., 1972, М 5.

Б. Сравнительная характеристика точности спектрофэтометричес-кого и химического•мэгодоз определения бора в растениях. Биологические пауки, 1972, Н 12.

6. Бор в почвах Западной Грузи; з связи с их минералогическим составом. Шчзоведение, 1973, N 7.

7. 5ормы соединений микроэлементов (Си, 2п, ><п, В) в почвах Западной Грузни. Автореферат. канд. дисс. К , ИГУ, 1973.

8. <йрш соединений микроэлементов в почвах и методы ¡к изучения. Тр. X Ьйждукароднсго . конгресса почвоведов, Ы., 1974.

9. Кикроаяэменты (В, Мп, Си, 2п) в почвах Западной Грузии. В кн. "Содержание и формы соединений микроэлементов в почвах". II , МГУ, 1Э79.

10. Химическое определение мышьяка в почвах. Агрохимия, 1979, N 2.

И. Метрологические характеристики химического метода определения мышьяка в поЧве. Взстшк ИГУ, почвоведение, 1980, N 3

12. Влияние условий разложения почвы на результаты определения в пей общего содержания ряда микроэлементов. Научные доклады высшей пколы. Биологические науки, 1980", N 11.

13. Шпьяк в почвах. Агрохимия, 1981, N 1.

14. Роль окислов Ре 35 № в удерживании тяжелых металлов в почве. В кн. "Геохимия тяжелых металлов в природных и техногенных ландшафтах". М., МГУ, 1983.

15. Си, 7л, )<Ь в геохимически сопряженных рядах некоторых почв Скхотэ-Алияского заповедника. Там же.

16. Мыпгояк в буркх горно-лесных почвах Северного кавказа Там

17. Структура и функционирование кедровников Сихотэ-Алинского биосферного заповедника "Современные проблемы географии

экосистем". М., 1984..

18. ГОСТ N 17.4.4.02-84. Методика пробоотбора при контроле химического, биологического и гельминтологического загрязнения почв.

19. Принципы организации глобального почвенного мониторинга в отношении тяжелых металлов. В сб. "50 лет Сихотз-Алинского заповедника", Владивосток, 1985.

20. Оценка состояния меди, цинка, марганца в почвах Сихотз-Алинского заповедника в целях Фоноеого мониторинга Вестник МГУ, почвоведение, 1985, N 4.

21. Глава "Мышьяк". В кн. "Химия тяжелых металлов, мышьяка и молибдена в почвах". 11, МГУ, 1985.

22. О программе почвенного биосферного мониторинга Почвоведение, 1985, N 3.

23. Миграция мышьяка в почвах гумидных горных ландшафтов. В сб. "Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах". Л., Госкомгидромет, 1985.

24. Потенциальная буферная способность почв по отношению к загрязнякщкм веществам как показатель подверженности почв загрязнению. Тез. Докл. УП делегатского съезда почвоведов. Ташкент, 1985.

25. Содержание РЬ и Сс1 в почвах и породах Сихотз-Алинского за-

—поведника—Биологические науки,—1936, - N"3.-

26. Методические указания по.обработке и интерпретации результатов _ химического анатаза почв. У. , МГУ, 1986.

27. Темноцветные лесные почвы Сихотз-Алинского заповедника Почвоведение, 1986, N 8.

28. Оценка фонового содержания свинца и кадмия в почвах Сихотз -Алинского биосферного заповедника Почвоведение,1986,N 10.

29. Микроэлементы в почвах и породах северо-восточной части котловины Убсу-Бур. В сб. "Информационные проблемы изучения биосферы. Эксперимент Убсу-Нур, Пуеино, 1986.

30. О выборе тестовых участков при фоновом почвенном мониторинге. В сб. "Миграция загрязняющих вещзств в почвах и сопредельных средах", тр. КЗМ, вып. 14 (129), 1987.

31. Поглощение мышьяка почва;,к и минералами. Там же.

32. Принципы и методы определения буферной способности почв но отношению к загрязняющим веществам. "Современные физические и химические методы исследования почв". М., МГУ, 1987.

33. ГОСТ N 27395-87. Определение двух и трехвалентного железа в вытилках 0,1 и. Н БО из почв.

34. Медь, цинк, марганец в геохимически сопряженном ряду почв. В сб. "Комплексная химическая характеристика почв Нечерноземья". Ы. ,' МГУ, 1987.

35. О мониторинге подвижных'форм тяжелых металлов в почвах фо-. новых районов. В сб. "Мониторинг фонового загрязнения природных сред". Л., Гидрометеоиздат, 1987.

36. Фоновое содержание мышьяка в почвах Сихотэ-Алинского заповедника. Там же.

37. Авторское свидетельство -N 4230451/30-15 "Способ определения устойчивости почв к загрязнению металлами", 1988.

38. Принципы и методы почЕенно-химического мониторинга М., МГУ, 1988.

39. Почвы Сихотэ-Алинского заповедника и их химические свойства В сб. "Динамика, структура почв и современные почвенные процессы". Кзд-во Глав. Упр. Охот, хозяйства и заповедников при Совмине РСФСР, 1988.

40. Бор в почвах Сихотэ-Алинского заповедника Там же.

41. Закономерности извлечения цинка из почв различными экстра-гентами. I Извлечение цинка из почв 1 н. KCl. Вестник МГУ, почвоведение, 1988, N 1.

-42. Устойчивость почв к химическому загрязнению. Тр. конф. Тяжелые металлы в окружающей среде. М , 1988.

43. ГОСТ N 27593-88. Почвы. Термины и определения.

44. Микроэлементы з лесных экосистемах Сихотэ-Алинского биосферного заповедника В сб. "Мониторинг фонового загрязнения природных сред". JL , Гидрометеоиздат, 1989, вып. 5.

45. Оценка фонового содержания некоторых металлов в почвах Си хотэ-Алинского заповедника В сб."Фоновое состояние природных компонентов Сихотэ-Алинского биосферного района". Владивосток, 1989.

46. Пзчвенно-химические условия, ограничивающие уровни показателей химических элементов при загрязнении почв. В кн. ")гиграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах". Л. , Гидрометеоиздат, 1989.

47. Уэдъ в почвах и сопредельных средах среднего течения р. Ка-тукь. Биологические науки, 1989, I! 9.

48. Зависимость подвижности цинка от химических свойств почв. Дгрохтяш, 1939, N 8.

•19. .Об информативности показателей почвенного фонового мониторинга по тяжелым металлам з северо-восточной части Убсу-иурскэй котловины.- В сб. Информационным проблемы изучения

биосферы. Советско-Монгольский эксперимент Убсу-Нур. Пущи-но, 1989.

50. Показатели подвижности цинка в некарбокаткых почвах. Тез.■ Всес. съезда почвоведов. Кн. 2, Новосибирск, 1989.

51. Методические указания по проведению почвенных исследований в заповедниках. Комиссия АН СССР по координации научных исследований в заповедниках, 1989.

52. Еочвенно-химический мониторинг при локальном загрязнении почв тяжелыми металлами. В сб. "Проблемы советского почвоведения", М., Наука, 1S90.

53. Химическая характеристика- и микроэлементный состав почв Сихотэ-Алинского заповедника Биологические науки, • 1990, 9

54. Определение равновесной концентрации цинка в почве по изотермам сорбции. Почвоведение, 1990, N 4.

55. О методологии почвенных исследований в заповеднике. В сб. "Заповедники СССР, настоящее и будущее", Новгород, 1990.

56. Экологическая концепция почвенно-химического мониторинга Тез. конф. "Методология экологического нормирования", Харькоз, 1990.

57. Еочвенно-химический мониторинг фоновых территорий. М., ИГУ. 1990.

58. Химические основы буферкости почв. М., МГУ, 1991.

"597~Лёйствие раствора 0,1 н. H~S0~, Талиа, Мира-Джексона на

соединения железа в дерново-аллюзиальной почве. Вестник МРУ, почвоведение, 1991, М 1.

60. Химическое загрязнение почв и их охрана Словарь справочник. М., Агропромиздат, 1991.

61. Уровни и природа варьирования содержания микроэлементов в почвах лесных биогеоценозов. Проблемы экологического мони- _ торинга и моделирования экосистем, т. 14, С-Петербург, Ги-дрометиздат, 1992.

52. Исследование почвенного раствора в целях экологического мониторинга. Там же.

63. 'Biological productivity' and circulation of substances in cedar (Pinus Koraiensis) forests of Sichote-Alin biosphere reservation. Theses of reports of soviet specialists at poster sessions. I Intern, bioshere reserve congress MAB, Bioresco, Minsk, 1983.

64. Structure and functionering "of ecosystems in Sichote-Alin codar (Pinus Koraiensis Sieb. et Zucc.) forests. In th? save piacj.