Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Антропогенные воздействия на процессы трансформации соединений фосфора в почве

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Антропогенные воздействия на процессы трансформации соединений фосфора в почве"

РГБ ОД

2 7 ЯНВ 1997

Балицкий Вадим Юрьевич

На правах рукописи

Антропогенные воздействия на процессы трансформаций соединений фосфора в почве

11.00.11 - Страна окружающей среды и рациаизлмше использование природных рее)рсАз

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Мосетз - 1996

Работа выполнена на кафедрах промышленной экологии и проблем устойчивого развития общества Российского химико-технологического университета им. Л. И. Менделеева.

Научный руководитель.-Официальные оппненти-.

Ведущая организация;

доктор химических наук, профессор Тарасова Н. П.

доктор технических наук, профессор Бесков В, С; доктор химических наук, профессор Петросян B.C.

Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН

Защита диссертации состоится ''Л У'' ^¿¿¿¿с^Л. 1996? г. в час ь ауд. ^¿¿У? на заседании диссертационного

совета Д 033.34.11 в Российском химико-технологическом университете им. Д. И. Менделеева по адресу: 125047, Москва, А-47, Миусская пл., д. 9

Научно-информационном 1986 г.

С диссертацией можно ознакомиться ' в центре РХТУ им. Д. И. Менделеева.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Еаменчук И, II.

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Фосфор - один из биогенных элементов, он входит в состав жизненно важных соединений, таких как ДНК, АТФ, АДФ, фосфолипиды.

Соединения фосфора в основном в виде Н^РОд, Ро|", НР0^7 являются важнейшими составляющими в питании растений. Урожайность сельскохозяйственных культур напрямую зависит от содержания фосфатов, доступных для растений. Продуктивность растений плавно возрастает при увеличении концентрации растворимых фосфатов до 30 мг/100г почвы, после этого, концентрационного предела урожайность практически не меняется и даже может уменьшаться.

Цикл фосфора представляет собой совокупность последовательных превращений фосфорсодержащих веществ в окружающей среде. Особенностью цикла фосфора является то, что часть фосфорных соединений • попадает, в денные отложения и тем самым на длительное время выводится из обращения. Особенно сильные нагрузки на цикл фосфора наблюдаются в местах расположения предприятий фосфорной промышленности. При производстве фосфора образуются значительные количества отходов, которые, попадая в окружающую среду, изменяют фосфорный баланс почв и, следовательно,могут вызывать крайне неблагоприятные последствия для всей экосистемы исследуемого региона.

Так как основные процессы цикла фосфора происходят в почвенном слое при участии микроорганизмов, то на скорость трансформации фосфорных соединений б почве будут влиять параметры окружающей среды,, такие как влажность и температура почвы. Поскольку по прогнозам в следующем тысячелетии средняя глобальная температура может увеличиться на 1-4 С, то представляет интерес изучить, как эти климатические изменения повлияют на цикл фосфора и фосфорный баланс почв.

Несмотря на большое количество, исследований, посвященных процессам, происходящим в цикле фосфора, практически отсутствуют работы по оценке воздействия на него антропогенных факторов.

Таким образом, изучение влияния антропогенных факторов на цикл фосфора представляется важной и актуальной задачей.

Настоящая работа проведена в рамках Федеральной- программы "Экологическая безопасность России"Сконтракт'ЭБР 25-93, раздел 2.3.6 "Разработка комплекса методик оценки экологически}; последствий химического загрязнения геологической среды.).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Еыяеить взаимосвязь между антропогенных! воздействиями и функцией отклика цикла фосфора на эти воздействия, используя результаты собственных многолетних наблюдений за почвами в районе

расположения Чимкентского фосфорного завода СЧПО "Фосфор"), а также литературные данные.

Для достижения поставленной дели необходимо было решить следующие задачи:

1.Осуществить наблюдение по нескольким составляющим фосфорного баланса почв: содержание общего фосфора, содержание неорганического фосфора,содержание фосфорорганических соединений, содержание подвижных фосфатов.

2. Соотнести результаты наблюдений с характером и количеством выбросов соединений фосфора (в расчете на пентоксид фосфора) в атмосферу, а также с параметрами климата исследуемого региона.

Изучить распределение различных форм фосфора в почве в зависимости от расстояния до источника поступления пентоксида фосфора в атмосферу.

3. Построить динамическую систему фосфорных потоков в почве.

4. Математически описать систему и получить критерии, позволяющие определить области устойчивого функционирования цикла.

5.Получить зависимости, связывающие параметры окружающей среды с показателями фосфорного баланса почвы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

,На основании девятилетних наблюдений за фосфорным балансом почвы построена динамическая система фосфорных потоков в почве, удовлетворительно описывающая характер изменений фосфорного баланса почв при наличии антропогенных нагрузок на цикл фосфора.

Впервые получены аналитические зависимости критериального типа, отражающие взаимосвязь между концентрациями фосфорных соединений в почве и параметрами окружающей среды. Критерии, включающие в себя характеристики окружающей среды, такие как влажность и температура воздуха и почвы, определяют области устойчивого функционирования цикла фосфора.

Полученные ■ уравнения позволяют оценить изменение параметров функционирования цикла фосфора при глобальн<эм изменении климата.

Проанализировано влияние ионов тяжелых металлов на цикл фосфора. На основании экспериментальных данных установлено, что наличие ионо! свинца вызывает ускоренное накопление труднорастворимых фосфатов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

Получены уравнения, позволяющие оценить фосфорный баланс почвы пс параметрам климата исследуемого региона. При помощи критериев можнс произвести оценку устойчивости функционирования цикла фосфора пр! антропогенных нагрузках. Применение критериев в оценке фосфорной баланса почвы обеспечивает подходы к прогнозированию изменени:

урожайности растений при глобальном изменении климата.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные результаты работы представлены в докладах на 5-ой и 6-ой Международных конференциях по глобальному потеплению, Сан-Франциско, 1994, 1995 гг.

По теме диссертации опубликовано четыре работы.

На защиту выносятся: результаты наблюдений за фосфорными соединениями в почве в районе расположения 4110 "Фосфор"; результаты анализа воздействия выбросов пентоксида фосфора в атмосферу на. фосфорный баланс почвы; динамическая система фосфорных потоков в почве; аналитическое описание динамической системы потоков; уравнения, характеризующие функцию отклика _ цикла фосфора на антропогенные воздействия; прогноз фосфорного режима почв при изменяющихся климатических условиях;влияние ионов тяжелых металлов на содержание фосфорных соединений в почЕе.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертационная работа изложена на страницах машинописного

текста и состоит из пяти частей-, обзор литературы, методическая часть, экспериментальные данные, обсуждение результатов, заключение. Диссертация содержит 30 таблиц и иллюстрирована 28 рисунками. Список литературы содержит 59 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ.

1. Введение. Обоснована актуальность проблемы и сформулирована рель исследования-.

2. Литературный обзор. Рассмотрен глобальный цикл фосфора и проанализированы антропогенные воздействия на этот цикл. Поскольку основные процессы цикла фосфора происходят в почве, то подробно рассмотрены формы почвенных фосфорсодержащих соединений.

Рассмотрены факторы, определяющие фосфорный режим почв. Проанализированны основные физико-химические характеристики процессов трансформации соединений фосфора в почве. Приведены сведения о взаимосвязи между климатической системой Земли и биогеохимическими циклами биогенных элементов. Приведены прогнозные оценки баланса питательных веществ почвы при глобальном изменении климата.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ.

Методическая часть.

Прабы почв отбирались всоответствии с ГОСТ 17.4.4.02.84 "Охрана природы.Почвы.Методики отбора проб и подготовки проб для химического, бактериологического и гельминтологического анализа". Обоснованы точки

проботбора.

Лабораторные исследования включали в себя анализ отобранных образцов, по четырем составляющим фосфорного баланса почвы. Анализ на содержание общего, неорганического и подвижного фосфора проводили по спектрофотометрической методике Труога-Майера.

Приготовление вытяжек проводили по методике Стварда и Дадиса с применением ультразвука. По разности между количествами общего фосфора и минерального фосфора определяли содержание фосфорорганических соединений. При определении подвижных . фосфатов использовали углеаммонийные вытяжки.

Анализ на содержание соединений свинца производили по спектрофотометрической методике.

ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ.

Экспериментальные данные. В этом разделе приведены результаты наблюдений за почвами в районе расположения Чимкентского фосфорного завода СЧПО"Фосфор"). Результаты наблюдений включают в себя экспериментальные данные по содержанию фосфорных соединений в почве, с указанием времени и места отбора проб.

ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ.

Обсуждение результатов. Все более широкое применение соединений фосфора в промышленности и сельском хозяйстве приводит к избыточному поступлению фосфорсодержащих соединений в окружающую среду. Изменение характеристик . климатической системы Земли может вызвать перераспределение составляющих фосфорного баланса почв за счет изменения физико-химических параметров функционирования цикла фосфора.

На основании данных по выбросам соединений фосфора в атмосферу было рассчитано поле приземных концентраций пентоксида фосфора в зависимости от расстояния до источника поступления этой примеси в атмосферу (табл.13. Анализ экспериментальных данных по концентрации фосфорсодержащей пыли е атмосфере показал, что содержание пыли не ■оказывает влияние на характер распределения фосфорных соединений в воздухе. Полученные данные были сравнены с кривыми распределения различных форм фосфора в почве,- показано, что максимальному содержанию фосфорных соединений в почве соответствует поле максимальных приземных концентраций пентоксида фосфора в приземных слоях атмосферы (рис. 1 и табл. 1).

Аналогичные расчеты были проведены для всего периода наблюдений. Во всех случаях.наблюдались симбатные изменения приземной концентрации пентоксида фосфора и содержания общего и неорганического фосфора в почве, (табл. 2).

Таблица 1.

Расчетное поле концентраций Р^Од СС^Зв приземном слое атмосферы на разном удалении СХ1 ) от ЧПО "Фосфор".

Х^, км

С1 мг/м

1,5 2,0 6,0 10,0 12,0 13,0 20,0 23,0

0,79 1,03 3,16 3,26 6,34 7,89 10,33 13,16

0,961 0,988 0,918 0,246 0,183 0,124 0,073 0,048

0,321 0,329 0,306 0,082 0,061 0,041 0,024 0,016

Рис. 1. Зависимости распределения содержаний фосфорных соединений в почве на разном удалении от источника выброса пентоксида фосфора в атмосферу

1- содержание общего фосфора;

2- содержание неорганического фосфора;

3- содержание органического фосфора.

"—~—¡г—а— - -- расстояние,км.

~т—I—I—I—I—I—I—

2 5 б '0 Ч-

Таблица 2

Содержание Р^Од в приземном слое воздуха на расстоянии 1,5 км от места, выброса.

1 оды

1986 1987 1988 1989 1990 1991 1994

Концентрация РоОкВ приземном слое воздуха, Сх, мг/м 0,24 0,24 0,24 0,24 0,39 0,32 0,11

Суммарное количество выбрасываемого г/с. 75,1 73,1 73,1 73,1 73,1 66,1 12,1

Содержание общего фосфора, мг/ЮОгпочвы 98,1 120,2 230,2 270,3 650,1 580,4 350,3

Р.мгЛОСг гочш

ШС

Такое поведение свидетельствует об активном техногеино:

воздействии предприятия по производству фосфора на резервуары фосфорных соединений в литосфере. Отклонения в поведении кривой распределения органических соединений фосфора связано, по нашему мнению, с относительной стабильностью органического вещества почвы. На основании анализа литературных данных выбрана схема, описывающая процессы трансформации соединений фосфора в почве Срис.2).

Содержание фосфсра в растительном опадэ

*5

Содержание фосфора в срганическом Ееществе почвы.

"452"

2Г

¥>5 в атмсс&ре И

12

45

1гдвижныэ $Ьс фаты

4 4

_р ^ Содержание

24Г] фосфора в растениях

Х4

"вторичше" фосфаты

Хо

Рис.2. Схема трансформаций соединений' фосфора в почве,где: X - концентрация к-го соединения фосфора в 1-ом резервуаре фосфора, мгЛООг; поток фосфорных соединений из 1-го в j-й резервуар,

мг/100гмес.

Уравнения (1-3) выражают скорость трансформации соединений фосфора .в почве.

*гЗ=кгЗ*2^ Ш• К12=к12х1Г1 (3}' %Гк32*3ГХ(4^

К32=к32х3с ^ С2)- %2= к62х6Гс/р^ХХС53' где эффективные брутто-константы скоростей процессов.

Коэффициенты Гс/р в литературе называют фзкторо!,

влажности, температуры почвы, а, также, факторами отношенш Рнеорг/Рорг и С/Р в гумусе почеы, соответственно. Эти коэффициент учитывают Елияние факторов окружающей среды на скорость трансформашп фосфорных соединений в почве.

Рис.3.Динамическая система фосфорных потоков в почве. У/д- влажность почеьг; Wa- влажность воздуха; Т&- температура воздуха; Т3- температура почвы; поступление фосфатов из атмосферы; К^д-образование "вторичных" фосфатов; мобилизация "вторичных"

фосфатов; ¡^д- потребление фосфора растениями; {^д- переход фосфора в растительный опад; К^?- минерализация растительного опада; К^ц-гумификация растительного опада; минерализация органического

фосфора почвы; {^-иммобилизация подвижного фосфора почвц; унос

подвижного фосфора за пределы цикла фосфора;

На основании данной системы достаточно сложно прогнозировать отклик цикла фосфора на антропогенные воздействия. Понимая под внешними фактора™ влажность почвы (V), температуру почвы (Т) и концентрацию пентоксида фосфора в атмосфере, построим динамическую систему потоков вещества в почвенной части цикла фосфора С рис. 3).

Динамическая система содержит в своей структуре три петли с положительными обратными связями, что обуславливает' неустойчивость данной системы к внешним воздействиям. На основании.данной системы можно дать объяснение результатам мониторинга фосфорных соединений в почве. Для удобства разобьем весь период наблюдений на три части (рис.4).

70С

60С 50С 400 ЗОС 20С, ЮС

,мг/10Сг гочы

Й^мгЛОСг

й ж а

гсаы

1294

Рис.4 Содержание фосфорных соединений в почве на расстоянии 1,5 км от места выброса пентоксида фосфора в атмосферу. 1-Содержание обиего фосфора, ш-у 100г почвы; 2-Содержание неорганического фосфора, игЛООг; З-Содержание подвижного фосфора, мг/100г; 4-Содержание органического фосфора, мг/ЮОг.

1986-1989 гг. Этот периодхарактеризуется плавным увеличением содержания всех контролируемых форм фосфора в почве. Величина выброса составляла 73,12 г Р^О^/с и не наблюдалось изменений в параметрам окружающей среды. Поскольку в системе присутствуют петли с положительными обратными связями, следует ожидать плавного увеличения содержания всех наблюдаемых форм фосфора.

Второй период С с 1989 по 1990 год), характеризуется резкт увеличением содержания всех наблюдаемых форм фосфора. Такой резки« рост общего содержания фосфора в почве можно обьяснить на основан!« динамической системы-для фосфорных потоков. В этот период времени £ исследуемом регионе наблюдалось увеличение приземной концентрацш пентоксида фосфора на фоне изменения климатических услови! (направленность розы ветров), то есть произошло изменение сразу дву> параметров, воздействующих на цикл фосфора. Поскольку в систем« присутствуют петли с положительными обратными связями, усиление воздействия на цикл фосфора произойдет по. всем подсистемам Спетл! 1,11,111). Как следствие, должно возрасти содержание всех форм фосфор; в почве, что и подтвердили экспериментальные результаты.

; В течение третьего периода С с 1990 по 1991 год) наблюдений з; содержанием фосфорных соединений в - почве отмечено сниженш концентраций общего и неорганического фосфора вследствие сокращени: выбросов Р^Од в атмосферу. Поскольку на этом участке наблюдаете;

воздействие на. цикл фосфора одного параметра -С,

Р2°з'

уменьшена

приземной концентрации пентоксида фосфора, в соответствии < динамической системой, вызовет изменение всех потоков в цикле; и

следователыю, должно произойти плавное снижение содержания общего и неорганического фосфора в почве. Именно такое поведение кривой мониторинга наблюдается на этом участке.

За счет совместного влияния различию; токсических веществ возможно усиление неблагоприятного воздействия на окружающую среду, Примером осложняющего воздействия соединений свинца на фосфорный баланс почвы может служить ситуация, наблюдающаяся' в Чимкентском регионе. Дополнительным источником загрязнения почвы в этом регионе являются выбросы свинцового завода СЧСЭ), который расположен в 15 км к, северо-западу от ЧПО "Фосфор". Результаты анализа показали, что, несмотря на удаленность.ЧСЗ от, места выброса пентоксида фосфора в атмосферу С15 км), наблюдается повышенное содержание неорганических соединений фосфора в почве по сравнению с содержанием этих соединений в точке, расположенной на таком же удалении от ЧПО, но в' сторону преобладающего направления ветров (табл. 3).

Подобные результаты наблюдались и для почв, взятых вблизи Иваниаенского стекольного завода (ИВСЗ), расположенного около города Гусь-Хрустального Московской области. Завод выбрасывает вместе с. дымовыми газами соединения свинца в атмосферу. Результаты приведены в табл. 3.

Таблица 3

Соотношение между концентрациями ионов СЕИНца и неорганическими фосфорными соединениями в почвах вокруг ИВСЗ и ЧСЗ.

Регион Концентрация свинца, мг/ЮОг почвы. Содержание неорганического Фосфора, мгЛоОг почвы.

Зона активного загрязнения ИВСЗ, удобряемое поле, картофель 2,4х 92,5 •

Не-^удобряемое поле, картофель ,не в зоне влияния ИВСЗ. (0,3х ' 37

Фоновая почва, в регионе расположения ИВСЗ <0,3* 56,3

3 км к северу от ЧСЗ заь

15 км от ЧПО "фосфор" юго-запад 2 145

* - Данные получены в лаборатории кафедры "Промышленной экологии", 1993г, - НДКрь=1'мг/100г почеы.

Очевидно, что свинец способствует накоплению фосфора в почЕе в

виде труднорастворнмых фосфатов. Известно, что тяжелые металлы в почве

присутствуют в виде малоподвижных соединений сложного соста'ва. Одной

из причин накопления свинца может быть образование его фосфоросодержащих соединений. В результате может наблюдаться симбатное увеличение содержания свинца и фосфора в районах специфического антропогенного воздействия.

Таким образом, присутствие тяжелых металлов вызывает накопление труднорастворимых фосфатов в почвах. Это приводит к уменьшению содержания подвижных фосфатов и, как следствие,, снижает продуктивность растений.

Как и любая система потоков вещества и/или энергии, данная система может быть описана системой дифференциальных уравнений.

1 Ьх^ С^Хд ^ с1Хр:

ЛЛ

^хе 1 С1хе

• к62Гс/рГх/м~аГГ1С1С).

Получение аналитического решения подобной системы уравнений является довольно сложной задачей, поэтому в химической технологии часто используют' методы, упрощающие решение таких задач, но при этом дающие достаточно точные результаты.

Мы использовали подходы, применяющиеся в теории подобия при получении различного рода критериальных уравнений (например критерия .Рейнольдса). Били получены следующие уравнения: 1 1 в= . С113 (12) к22 Ч • 23 'и

к- г г1 л- 3 N..

Физический смысл величин А, В, С, I) состоит в том, что они характеризуют соотношение ускорений потоков в цикле фосфора в нестационарном состоянии. Необходимо отметить, что значения приведенных соотношений (11-14) зависят от физико-химических параметров окружающей среды и природы веществ, участвующих в процессах трансформации фосфорных соединений. Следовательно, используя уравнения материального баланса и коэффициенты передачи между потоками, можно получить уравнения, связывающие концентрации фосфорных соединений в почве с параметрами климата. ■ '

X' , *

-А= РЬ0,3 мг,

2 С10:)

---=(.! /Д-Б-С) 1/В =(РЬ')3,1 •

где символами Ph и Ph' обозначены правые части уравнений в системе С15) . Показатель степени введен для приведения в соответствие расчетных данных с экспериментально полученными величинами отношений х3/х2 и xt/x2.

Верификацию данных соотношений произведём, сравнив рассчитанные значения Ph • по климатическим данным и экспериментально наблюдаемые величины. Так, для почв Белоруссии средняя величина отношения хЗ/х2, составляет 16 ,и практически не изменяется при появлении антропогенной нагрузки С внесение-суперфосфата), при этом расчетное значение Ph ' попадает в доверительный интервал экспериментально • наблюдаемой величины (табл. 4).

Таблица 4.

Экспериментальные значения Xg/Xg для разных видов почв Белоруссии

Виды почв ' х3/х2 среднее

1 2 3 4 5

Климат, условия.

х3/х2 без удобрений 14,7 10,0 27,2 22.1 10,3 16,7± 6,2

х3/х2 внесен суперфосфат 10,8 9,5 27 23 10,9 16,1+ 6,6

Pho.y 17,9 .

1. Дерново-карбонатная типичная суглинистая; 2. Дерново-карбонатная

оподзоленная суглинистая; 3. Дерново-подзолистая суглинистая; 4.

Дерново-подзолистая песчаная; 5. . Дерново-глеевая оподзоленная тяжелосуглинистая, осушенная.

В случае Чимкентского' региона расчетное значение РЬ^'^

удовлетворительно соотносится с экспериментально наблюдаемыми

величинами Стабл. 3).

Таблица 5.

Отношение х^'х^, в зависимости от расстояния от места выброса Р£0. в атмосферу.

Расстояние от НПО "фосфор", км 1,5 2.0 6,0 20,0

X.j/Xo -J С- ■¿¿,з c'U, 1 21,У 2/,2

PhU,b 24,1

Таким образом, антропогенная активность, приводящая к поступлении фосфорных соединений в почву, изменяет абсолютное содержание фосфора в природных резервуарах, но при этом соотношение ме.ггу ними сохраняется примерно постоянным и численно

О Ч

раЕним РЬ I-

Величина Гп"'' характеризует соотношение различных Ф Хссфсра в почте и г--тот бить вычислена, исходя из параметров

окружающей среды, таких' как температура, влажность почвы и воздуха. о 1

Аналогично проведем верификацию CPh') ' (табл. 6).

Таблица 6.

Расчетные значения содержания подвижного фосфора в сравнении с экспериментальными данными. (Ph')^',1=Q,266.

1991год 19Э)год

Расстояние от ЧП0,км 1,3 2,0 10,0 15,0 1,5 2,0 10,0 16,0

Приземная кон центрация Р205, мг/м3 0 ,32 0,33 0,08 0,04 0,37 0,ЗУ 0,09 "0,05

Содержание подвижных фос фатов,мг/100г почвы (эксп.) 31 38 4,0 5,2 27 28 5,5 2/3 .

Расчетное содержание подвижных фосфатов, мг/ЮОгпочвы 25 25 3,1 3,9 23 24 5,6 2,2

Как видно из данных таблицы 6, наблюдается удовлетворительное совпадение между расчетными и экспериментальными значениями х^.

Процессы минерализации-иммобилизации органического вещества почвы, а также растительного опада, происходят при участии сообществ микроорганизмов/ Микробиологические процессы, в свою очередь, являются достаточно чувствительными к внешним факторам. Параметры окружающей' среди (температура почвы и её влажность) оказывают значительное влияние на скорость такого рода • процессов. Известны предельные значения температуры почвы (10-30 С), после которых прекращается эффективная работа микроорганизмов, такие же ограничения существуют и по влажности почвы (30-60 %). Если хотя бы один параметр окружающей среды выйдет за пределы этих ограничений, цикл перейдет в область неустойчивого функционирования. Под устойчивым функционированием цикла фосфора понимается такой способ его реализации, при котором потоки трансформации соединений фосфора в цикле не являются функцией времени. Под областью устойчивости цикла фосфора понимается множество значений параметров, при которых цикл устойчив.

Исходя из предельных значений параметров окружающей среды через соответствующие им величины Ph-фактора, можно рассчитать граничные значения Xg и Хр, определяющие области устойчивости цикла фосфора. Результаты расчетов представлены графически на рис. 5.

Проанализируем полученные результаты. В области (I) цикл неустойчив, поскольку микробиологические процессы не происходят или происходят с недостаточной эффективностью. В области (II) цикл

устойчив, В пределах устойчивости цикла фосфора можно выделить -зону, соответствующую концентрации подвижных фосфатов, оптимальной для максимальной урожайности растений.

Система (15) предполагает множество решений, это обстоятельство позволяет использовать данную систему для оценки фосфорного баланса почв при изменении климатических условий.

В настоящее время Чимкентский регион находится в пустынной зоне и характеризуется засушливым климатом. Влажность почвы в этих условиях не превышает 10%, средняя температура наиболее теплого месяца (июль) равна 26 С.

Рассмотрим два возможных сценария изменения климата в данном регионе, вызванного глобальным потеплением.

Сценарий Под влиянием глобального потепления в данном районе будут создаваться условия, соотносимые по температурам и влажности почвы с зоной сухих степей , то есть климатические зоны переместятся с севера на юг. Этот тип климата характеризуется следующим! параметрами: температура воздуха=17 С, влажность почвы' Wn=20%.

Сценарий.2._ Глобальное изменение климата вызывает перемещение климатических зон с юга на север, следовательно, ■ Чимкентский регион окажется в климатических условиях юга пустынной зоны. При этом температура воздуха t =30 С, влажность почвы не более ТА. Изменение температуры на 4 С по сравнению с температурой, которая наблюдается сейчас в Чимкентском регионе, совпадает со средним увеличением среднегодовых температур на планете, обусловленных парниковым эффектом. Коэффициенты передачи, рассчитанные для всех трех случаев по уравнениям (11-14), и Ph фактор приведены в табл. 7.

Параметры окружающей среды в сценарии 2 выходят за рамки критических для устойчивого функционирования цикла фосфора, расчетное значение Pli фактора превышает граничное. Следовательно, 'при таком изменении климата в Чимкентском регионе ■ произойдет разбаланс

Таблим 7.

Расчетные значения величин А, В, С, при различных параметрах окружающей среды Слегний период)

Сценарий 1991. г. Сценарий 1, Сценарий 2,

Параметры климата tB=26 С Wn=10?i tB=15 С Wn=20 У. tB=30 С V7*

А 215 166 431

В 3,7 3,7 4,1

С 0,005 . 0,003 0,003

D 0,005 0,002 0,002

Ph . 24,1 21,1 42,1

фосфорного баланса почвы, что приведет к негативным последствиям для экосистему данной местности. Возможным следствием коллапса цикла фосфор может стать фосфатизация почвы. Другими словами, почва окажется насыщенной соединениями фосфора, но в формах, которые не могут усваивать растения. Это приведет к фосфорному голоданию растений и угнетению ИХ продуктивности.

Увеличение количества "вторичных" фосфатов будет связано с тем, что коэффициент А Сур. 14), характеризующий соотношение R23/%2' увеличится в 1,7 раза. Следовательно, в почве будет наблюдаться рост содержания "вторичных" фосфатов по сравнению с первыми двумя сценариями. Рассчитаем по уравнениям С15) (используя приземные концентрации PgOg для 1991 года), возможное содержание "вторичных" фосфатов для всех трех случаев (табл. 8).

Таким образом; при изменении климата в сторону увеличения влажности и уменьшения температуры должно наблюдаться падение содержания "вторичных" фосфатов в почве, что коррелирует с экспериментальными данными (табл. 8). При постоянном обьеме выброса пентоксида фосфора е атмосферу, содержание вторичных фосфатов меньше в осенний период, когда наблюдаются сравнительно низкие температуры и увеличивается.количество осадков. Содержание подвижных фосфатов в почве определяется'скоростью изменений Ph и Xg O^Xg/Ph®'^).

За длительный период осреднения (1991-1994) содержание подвижных фосфатов не изменяется, что объясняется симбатным уменьшением х^ и Ph?'^. При этом их отношениеостается постоянным. В пределах одного года, значение Ph0,^уменьшается быстрее, чем х3, и именно поэтому концентрация подвижных фосфатов'в почве ь осенний период выше, чем в

летний (табл. 9). Таким образом, в первых двух случаях (базовый и сценарий 1) цикл фосфора находится в области устойчивого функционирования. При изменении климата по сценарию 1 можно ожидать; что содержание подвижных фосфатов в почве не уменьшится, а, следовательно, сохранится или увеличится продуктивность растений за счет увеличения количества осадков.

•Таблица 8

Расчетные значения содержания "вторичных" фосфатов в различных климатических условиях (летний период). '

Расстояние . от ЧПО, км . 1.3 . 2,0 10,0 15,0

Приземная концентрация, мг/м3 0,32 0,33 0,08 0,04

Хд.МГ/ЮОГ 1991 год, 680 701 170 85

Сценарий 1 х3,мг/100г 420' 433 105 53

Сценарий 2 х3,мг/Ю0г 930 959 232 116

При развитии событий по сценарию 2 цикл фосфора выйдет за пределы области устойчивого функционирования. Концентрация подвижных фосфатов уменьшится, и, так как это происходит на фоне увеличения засушливости

Таблица 9.

Содержание подеижных и "вторичных" фосфатов в почвах Чимкентского региона е летний и осенний периоды. 1991г.

Расстояние от ЧПО "фосфор", км 1,3 2,0 6,0 10,0 12,0 25,0

Содержание подвижных фосфатов, мг/100Г почвы лето 11. и 38 9 3.8 9,6 4,4

осень 31 38 12 4 5,2 8

Содержание вторичных фосфатов. нг/ЮОг почвы. лето 484 743 305 105 179 154

осень 391 57о 244 162 161 141

климата, будет наблюдаться угнетение продуктивности растений, ^ что крайне неблагоприятно скажется на экосистеме Чимкентского региона.

Выводы.

1. На примере анализа поведения почв Чимкентского региона под действием выбросов фосфорсодержащих веществ установлено, что при этом в почве изменяется абсолютное содержание различных форм фосфора во всех природных резервуарах, тогда как соотношение отдельных форм сохраняется постоянным.

2. На основании результатов полевых исследований и литературных данных по содержанию соединений ' фосфора в почвах в ■ различных пачвенно-климатических зонах установлено, что соотношение различных форм фосфора в почвах определяется климатическими условиями и не зависит от присутствия антропогенной нагрузки в рассматриваемом регионе.

3. -Применение методов теории подобия при решении системы уравнений для 'фосфорных потоков позволило получить аналитические выражения для коэффициентов А, В, С, D, характеризующие соотношения ускорений потоков в цикле фосфора в нестационарных условиях, которые зависят от параметров окружающей среды (температура, влажность почвы и воздуха).

4. На основании решения системы дифференциальных уравнений определена область устойчивого функционирования цикла фосфора, представляющая собой совокупность концентраций соединений фосфора в различных природных резервуарах фосфора.

5. На основании уравнений Материального баланса для процессов трансформации ' фосфорных соединений в почЕе получены зависимости, .Характеризующие ' функцию отклика цикла фосфора на антропогенные воздействия. Показано, что динамическая система фосфорных потоков содержит в своей структуре контуры с положительными обратными связями, что обуславливает неустойчивость системы по отношению к внешним воздействиям.

6. На основании обобщения экспериментальных данных и зависимостей, выявленных на основе решения системы дифференциальных уравнений'для фосфорных потоков, получены велнчины(РЬ^'Jn (Ph')3,1) критериального типа, • обеспечивающие подходы к прогнозированию изменения параметров фосфорного баланса почв, позволяющие рассчитать фосфорный баланс по параметрам климата соответствующей почвенно-климатической зоны и содержанию.фосфорсодержащих соединений хотя бы в одном из природных резервуарах фосфора.

Основное содержание диссертации изложена в следующих работах: 1. Тарасова Н.П., Балицкий В.Ю. • "Окисление элементного фосфора в воде под действен ионизирующего излучения. "//Журнал прикладной химии",-1991., т. 64, Ii 6,- с. 1172-1177."

2. Natalia P. Tarasova, Yuri V. Smetannikov and Vadim Yu Balitsky. Global Warming and the Phosphorus Cycle. //World Resource Review,-

1994, Vol.6, No. 3,- p. 336-342.

3. Natalia. P. Tarasova, Yuri V. Smetannikov, Vadim. Yu. Balitsky. The Limits of Sustainability of Phosphorus Cycle under Global Impact./Abstracts, The Global International Center,San-Francisco,

1995, p. 26.

4. Natalia. P. Tarasova, Yuri V. Smetannikov, Vadim Yu. Balitsky. The Limits of Sustainability of Phosphorus Cycle under Global Impact. //World Resource Review, 1995, v. 6, No. 5, p 237.

'3. Тарасова Н.П. , Балицкий В.Ю. "Антропогенные воздействия на процессы трансформации соединений фосфора в почве. "/Материалы международного семинара "Сернистые соединения и окружающая среда", Ивановская государственная химико-технологическая академия,-1996,-с. 12.

Подп. в печать 11.11.96. Заказ. Обьем 1.0 п. л Тираж 100

Типография РХТУ им. Д. И. Менделеева