Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

ДИНАМИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КИСЛЫХ ОСАДКОВ С МИНЕРАЛЬНОЙ И ОРГАНИЧЕСКОЙ ЧАСТЯМИ ПОЧВЫ (НА ПРИМЕРЕ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ)

ВАК РФ 04.00.03, Биогеохимия

Автореферат диссертации по теме "ДИНАМИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КИСЛЫХ ОСАДКОВ С МИНЕРАЛЬНОЙ И ОРГАНИЧЕСКОЙ ЧАСТЯМИ ПОЧВЫ (НА ПРИМЕРЕ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ)"

я-пш

МОСКОВСЮЙ госдарсгвшай УНИВЕРСИТЕТ тени М.В.ЛОМОНОСОВА

Факультет почвоведения

ИЗМАЙЛОВА Нелли Борисовна

динамика ваАшодайствия КИСЛЫХ ОСАДКОВ С ШШЕРАЛЬНОЙ И ОРГАНИЧЕСКОЙ ЧАСТЯМИ ПОЧВЫ (НА ПРИМЕРЕ ДЕШВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ)

Москва - 1990

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

Факультет- почвоведения

На правах рукописи ' ИЗМАЙЛОВА Нелли Борисовна

ДИНАМИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КИСЛЫХ ОСАДКОВ С МИНЕРАЛЬНОЙ.И ОРГАНИЧЕСКОЙ ЧАСТЯМИ ПОЧВЫ СНА ПРИМЕРЕ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ)

Специальность 04.00.03 - йиогеохиыия

Автореферат диссертации на соискание учеаой степени кандидата биологических наук

Москва - 1990

*

ЦЕНТРАЛЬНАЯ .-УЧЧАЯ БИБЛИОТЕКА сельскохоз академии м. К. А. Тимирязев! л

Инв. '

Работа выполнена на кафедре химии почв факультета почвоведения Московского государственного университета им, М.В.Ломоносова.

Научный руководитель; доктор биологически* наук, профессор, заведующий кафедрой химии почв Д.С.Орлов»

Официальные оппоненты: доктор биологических наук АД.Фокин, кандидат биологических наук А.А.Иониэовский.

Ведущая организация - Почвенный институт им. В.В.Докучаева.

Защита состоится " " ............... 1990 г.

в 15 час. 30 ют. на заседании специализированного совета Д.053.05.57 при МГУ им. М.В.Ломоносова в аудитории М-2 (I19899, Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения ИГУ.

Автореферат разослан " "........ , . 1990 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании специализированного совета по биогеохимии в Московском университете, а отзавв на автореферат в двух экземплярах просим направлять по адресу: II9899, Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения, специализированный совет по биогеохимии.

Ученый секретарь специализированного совета -

Г.И.Агапкина

Дрту^>яость проблемы. Выпадение кислых осадков (КО) наб-лвдается практически повсеместно и относится к числу наиболее актуальных: экологических проблем. Негативное влияние КО на наземные экосистемы выражается в прямом угнетении растительности и косвенно - через ухудшение свойств почвы. Кислые осадки влияют на комплекс физических, физико-химических, химических и биологических свойств почвы. Одним из центральных аспектов проблемы является прогнозирование этих изменения. К факторам, сдерживавшим создание надежных прогностических моделей, относятся недостаточная изученность динамики взаимодействия КО & почвенными компонентами.

Цель 1^аботи. На примере дерново-подзолистой почвы изучить динамику взаимодействия кислых осадков с минеральной и органической частями почвы,

Ргеште тшк исрладрввдта.

1. Исследовать динамику взаимодействия кислых осадков с минеральной часть» почвы и режиме инкубационного модельного

,эксперимента.

2. Изучить динамику элшрования элементов яэ толстого слоя почвы однократной малой дозой кислых осадков.

3. Исследовать кинетику эл/мроваякч элементов кислыми оселками из тонкого слоя почвы.

4. Провести оценку влияния кислых осадков на органическое вещество и биологическую активность почвы.

с

5. Исследовать изменения химического состояния почвы под влиянием многолетней нормы кислых осадков.

Научная новизна. Изучены динамические закономерности процесса десорбции - сорбции химических элементов почвой при поступлении в нее КО, Исследовано элшрованиэ химических элемен-

тов из толстого слоя почвы однократной дозой КО* Впервые оценены кинетические параметры элкярования широкого спектра химических элементов кислнми осадками из тонкого слоя почвы, Изучены изменения молекулярно-массового состава органического вещества почвы под воздействием КО* Проведена оценка динамики биологической активности почвы при помощи "метода начальных скоростей" окисления легкодоступного субстрата.

Практическая., знзд^о^. Результаты работы могут бить использована при прогнозировании изменений свойств почв под воздействием КО. Использованные в работе система молельных экспериментов, методы статистической обработки и кинетического анализа результатов, метод оценки биологической активности почвы могут применяться вбиогео^имических исследованиях. На способ изучений молекулярно-мас сового состава органического вещества почвы получено Авторское свидетельство СССР об изобретении.

Aftpodflügg работы. Результаты диссертационной работы рассмотрены на заседаниях кафедры Химии почв ф-та почвоведения ИГУ (Х9в6 - 1990 г.г.), доложены на X конференции молодых ученых ф-та почвоведения МГУ (1968) и Межрегиональном совещании по экотоксккологии (Рига, 1986), представлялись на УШ делегатском съезде ВОН (Новосибирск, 1989).

По теме диссертации опубликовано ХО работ, получено Авторское свидетельство СССР об изобретения.

Обгегл работы. Диссертационная работй изложена на страницах машинописного текста, включает таблиц и рисунка. Список использованной литературы насчитывает названий (из них - зарубежных).

I. ОКЬЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Объектом исследования были образцы горизонта Адах дерново-подзолистой почви (агройиостакшд "Чашншсово", Московская обл.).

Исследования проводили при помощи системы модельных лабораторных экспериментов, состоящей из а) инкубационных опытов, в которых взаамодействие определенных исходных-количеств почви и КО протекало в замкнутом объеме, б) злщионинх хроматографических экспериментов,, шитирувдих взаимодействие однократной малой дозы КО с толстш слоем почви, в) экспериментов по элшрованию элементов из тонкого слоя почвы к г) фронтальных хроматографиче ских экспериментов, моделируадих вынос элементов из толстого слоя почвы многолетней нормой КО. Эксперименты проводили в 3-х-кратной пов-торности. Параметры хроматсграфичес кях опытов приведены в табл. I.

Содержание элементов в почвенных растворах и элштах, химические характеристики почвы определяли стандартная физико-химическими методами; молецулярно-масоовые распределения гумусовых веществ - методами HPLC и стандартной жидкостной хроматографии; биологическую активность -"методом начальных скоростей" окисления глюкозы. Обработку экспериментальных материалов осуществляли на 1Ш/РС/ХТ - совместимой вычислительной технике при помощи дисперсионного двухфакториого анализа, приемов анализа временных рядов и кинетических методов.

2, дШШЖА ВЗШОДЕлСТВИй ШЖРАЛЪГОД ЧАСТИ ПО'Ш С КИС.ЧЫШ СШОХИ (И(1КУЕАЦ110Н] 1ЬЕ КЮДЕШШК ЭКСПЕВШИТУ) Навески почвы (60 г) баливали до полной платоемкости КО с рНйСХ 1,5; 2,3; 3,5, которые имитирозали рас т во ради !l-S04 и ^Одист' в контрольном эксперкненти лочву насыщали Н^Од,^. уравновешенной с С02 атмосферы СрН 5,til. Изучали динамику toiiuí;ht;:¿%-ций в почэенном растворе Са ,M¡) ,К ,Na , Al ,S¡ n Nn, n

величин pH и окислительно-восстановительного потенциала (ОШ), Опыт длился 28 суток, Сша проанализирована 21 временная точка.

Таблица I

Методические параметры хроыатогра^вчвских экспериментов

Предмет Размеры Высота : На- : Конеч-: Число : pH

исследования колонка почвен-: вески: нов : вре- шодель

Дна- ; Высо- ного ; почвы; коли- : мен- :ных

слоя в : г ; чество: ных. :осад-

метр,: та, * колонку: » годо- : точек:ков

си : см J см * ; ! вше : отбо- +

* * • • норм : ра 4 4

* i * * • * осад- : элкн *

» ков : №№

Вынос элемен- 1,8 30 20 60 I 30 5.6

тов КО в алю- 3,5

циовном режиме 2,3

иэ толстого 1,5

слоя почвы

Выкос элемен- 4,0 6 о,5-о,е 9 I 43 5,6

тов КО из тон- 2,3

кого слоя поч- 1,5

вы

Вынос елемен- 6,0 30 20 650 5 35 тов КО во фронтальном режиме из толстого слоя почвы; изменение химического состояния почвы

Вынос углерода КО из почвы, изменение органического вещества и биологической активности почвы

Обработка экспериментальных результатов включала: а) оценку ста-гиспгаескоа значимости различий между кинетическими кривыми элементов в почвенном растворе, полученными яри разных значениях рНисх модельных осадков, с гтсвдщью двухфакторного дисперсион-

5,6 3,5 2,3

2,4 30

20 100

34

5,6 4,0 3,0 2,3

кого анализа по Н.А.Плохинскому (1980); б) объединение статистически однородных временных рядов; в) выделение из полученных рядов трендовой составляющей пуЗем аппроксимации их полиномами с

о

объективным выбором степени по критерию Я 00т ;г)получение аналитических уравнений трендов скоростей процессов десорбции и сорбции элементов почвой путем дифференцирования уравнений трендов динамики концентраций элементов по времени; д) вычисление порядков и констант скоростей реакции десорбции и сорбшш элементов почвой. Для установления факта неслучайности вариаций временного хода рядов использовали корреляционный анализ конечно-разностных аналогов экспериментальных повторностей временных рядов.

Установлено, что величина рЯисх модельных осадков статистически значимо влияет на кинетические кривые химических элементов в почвенном растворе (рис, I), динамику значений 0Ш и рН почвы. Процесс взаимодействия почвы с КО включает три временные стадии: I) максимальных скоростей десорбции элементов в раствор (в 1-» минуту инкубации), 2) экспоненциального снижения скоростей процесса (в последующие 10-20 минут) и 3) малых скоростей процесса (длившуюся до момента окончания эксперимента - 28 суток) (рис. 2). По окончании первой стадии, в зависимости от химического элемента и рНисх осадков, наблюдалась продолжавшаяся до окончания "эксперимента его десорбция в раствор, сорбция на твердых фазах почвы ели сложная смена стадий десорбцконно-сорбционкого процесса. Продолжительность времени от начала эксперимента до момента выхода в

почвеннщ раствор обменных оснований в количествах эквивалентных внесенным с осадками иона-д водорода- увеличивается по мере снижения величины рНисх модельных осадков а составляет для КО с рН 1,5 --- 3 мин, с рН 2,3 - - I мин и для осадков с рИ 3,5 и 5,6 ~ < I шн. Кинетика реакций сорбит - десорбции элементов почвой

'Са,пз/л

500400 -3Û0-200100-

PHKÛ\5 П I ИГПТ~ГГП~1 Щ ИТ

jf * ^ ТУ t4tf.

; .y^.wiayyg ^ i Tí 9 ^

ТГТППТГТТГП—пттгт

?п КО 2,3

ь-лМ-

ik t Л ПА**

тети il' tu i i и i ut

pH КО 3,5

^-о-р^ооадаа-о-ДД-с—Д—РОД-ОРО-

тттттипг"i 1п " i—пттгт

pHocodtoé S, 6

О i 1,11 Щ Д« A Afii Ц t, МММ

pfi КО {5

ТТЖНТТТГТТПТТ

Ч*** ' ЛДЛА^ ft & I lir I" ПТ in .

pfi осаеноВ 5, Ô

-П Т7ППГ1 Í I f t I M J If

О 0,46f Z,A&Z,1b 4 46Г {gt,MU*

Puc,i, Динамика, тнцемраций Ca(a)uFe(S) (средние акспминен-

Ща»ю, мг/ЮОг-тн

/55-й

т/Ш'/шн

20 60 %пин

&Лл*10,т\ЮОг*мин 33-У

я ,

О^'Ю, мгЮОг*шя ПМ

го во ь.пим

Рис.2, СреЗмие скорости ЗесорВции химических эмм&той& 1-ю минуту инкубации, (топни) и тренд динамики скоростей процесс<£ десорщии и сорбции элементоЬ почвой, (сплошные линии].

Условные оБо^начснав,* о~рНосаЗкоЬ V-2,3;д-; о-5,6-кантраль.

ю

во вторую стадии процесса в большинстве случаев подчиняется первому порядку (тайл, 2). Для «а-.й! ,иМппорядок реакции и кинетические константы скорости зависят от величины рйисх осадков, а в случае Са, Мд я К - ортакгтся практически постояинши при изменении кислотности осадков,

: Таблица 2.

Порядок (а) и константы скоростей реакции Ш сорбшга к десорбции элементов почвой в начальный период инкубационного модельного эксперимента (от момента I = I мин до

Щъ)« 0.11)4, 1мин)

Химический

элемент

рН осадков

1.5

2,3

3,5

5,6

а

:4х10: а : 1с.х10 : а : 4x10: п.

4x10

Са Ид К* На И

51 Ре Мп.

I I

0,5 0,4 0,4

9,5

!*

3,0

I I

0,6

I I

0,5

3,7 6,6 3^0 2,9 4,3 3 8 4,2 2,1

£.6 I 0,6

3.7 6,3 3,9

II

4 1

2,5

X 0,6

I

0,7

3,7 6,4

м

3,9 2.3

Примечание. Период времени, для которого проводила расчет, начинался с момента Ь = I мин и заканчивался моментом времени, при котором скорость процесса ОН) составляла 0,1 от скорости реакция при Ъ = I мин (Ы^ ^ мин** Размерность4 при а = 1-мин~*.

Степень тесноты корреляционной связи динамики концентраций А1 к 51 и значений рН почвенного раствора зависит от величины рНисх осадков и даяАС является тесной и статистически значимой в случае ко с рН 1,5, а для 51. - о рК 1,5 и 2,3.

Динамика значений рН и ОВП системы оказывает статистически значимое сильное совокупное влияние на кинетические кривые Ма п почвенном растворе при рсех величинах рН осадков, а в случае

Ге - только для ВЭ с рН 1,5. Количествешше показатели этой свя-а« существенно зависят от величины рН^ осадков.

Механизмы процессов сорбщнг - десорбции элементов почвой не удалось интерпретировать при шжощи литературных данных о ионами-ыеральнкх равновесных окстмах типа "минерал - раствор" или о динамика превращения минералов в растворах кислот. Наиболее вероятное объяснение этому - удаленность системы "почва - раствор" от состояния равновесия и ее поликошюнантный состав.

Возвращение значений рй почвенной пасты к исходному уровню в случае осадков о рН 3,5 протекало практически мгновенно (<3ыин), ДЛЯ КО с рН 2,3 - около 140ч, а для КО с рН 1,5 восстановления исходного уровня рН не нвбяцд&аось иа всем протяжении вксвери-мента и расчетное время релаксации составило ^40 суток.

Корреляционный анализ экспериментальных новторностей кинетически кривых показал, что степень воспроизводимости последних для резных химических элементов неодинакова к зависит от величию рН^ осадков. Дннашяа концентраций К, На и Ма .статистически достоверно воспроизводится во всех вариантах эксперимента; для Нд и АЬ наблодается обратная ситуация - невос- , производимость во всех вариантах эксперимента! в случае Со. ,£| и Ге теснота связи между отдельны«* реализациями кинетической кривой регулируется значениями рйисх осадков. Это, очевидно, есть отраженна совокупного влияния на течение изучаемых процессов физико-химической неоднородности почвы и неодинаковой степени сложности (и, как следствие, - разной детерминированности) реакций сорбции - десорбции элементов почвой.

Инкубация почвы с модельнодк осадками привела к изменениям в ее химическом состояния: снизилось содержанке-оспенного Мд и свободного окристадяиэованного АI, увеличилась содержание яесюш-

каткого fe иS а варианте эксперимента с КО рН 1,5; возросли количества переходщих в внтяхку Таима На и fe so всех вариантах эксперимента.

3. ДШШКЛ ЗЛШРОВАНИЯ ЭЛВЫШТОВ ИЗ ПОЧВЫ кисши ослщш (ХРОМАГОГРАФШЙСЙИБ ЭКСПЕРШЕНга С ОДВДМЕЙ НОШОЙ ОСАДКОВ)

ЗЛ« Элшюваниа химических. элементов однократной до вой КО на толстого слоя почвы.

Задачей эксперимента была качественная п лолуколичестввниая оценка влияния эффектов взаимодействия движущихся по колонке химических элементов с твердой матрицей почвы на их вынос из толстого слоя почвы.На поверхность слоя почвы наносили порцию модельных КО н по вхождении ее в слов промывали колонку дистиллированной водой. В элюет&х измеряли концентрации химических адамантов и рН (си. в.2К Пример кривых алшрования приведен на рио. 3. Как показало сопоставление теоретических концентраций элементов (рассчитанных для . условий, искдвчавдгас поглощение химических элементов твердой матрицей почвы) и ваблидаеыыхв вянете» имеет место сорбция на ночва К, At, Si и Ге щя иг движении в потоке алгата по колонка. Ориентировочная' оценка соотношения основных механизмов перехода из почва в раствор обменных катионов показала, что при экстремально высотах значениях кислотности осадков (рН X,5) преобладает ионный обмен, а в менее кислых условиях - процессы растворения.

3.2, Зьшфование химических элементов кисдши осадкши из тонкого слоя почвы.

Пример кривых элмгровании химических «юиежгов из тонкого слоя почва показан на рис. 4а; чгслеивш интегрированием на ЗВЦ исходных данных получили кумулятивные >1фивве выкоса (рис, 46) Провели кинетический анализ полученных данншс. Дяя этого дифференциальные 1фИые алюированяя подразделяли на стадии по харак-

ммоль/л

Ъ -

2 -

-

Л

Л

4-

в-

II II 11 I ) I I

■ч!

Ir

о а

(odáfcd

pHoaúkcl

е

ы*

со

й 0,023 цтцнз

рНосаЗщА5.& Й.Л

ptiMQiS

/ /' / / 7 Q¿523 £?ase IM

pHotaSmi

ocao-

Puc. ô. ¿инанияа зшхроёонш Ca(a)t $î0) и Мп(6) из таястозо слоя однократной Зо^ои мисшл коо (злюционнш Зк'Слеранешпу Ытраха&вА лъшя - кривая злаиробашв сла&сорёируннроася паркера (uaw. С£ ').

12 -« -

б H

3

ЛЛ- 1

4030-

*Ш1

906 W -

a»;\ pti Kots

\ , яНК0%Ь

totrrrrtFTTHi

ptitxaieé 5,S

iminniHrm

iz

rrrj

да

10 -

Sfi-

16 è,4

(МйШШНЖЖ

í

э >

pHKOtf

nil 11 I ) I И t t tttrM»

рн m 2,&

ВИИШИШИТ)1) 1111 M

iSifíWOTffiiiinj 111 nïï

ft »2 ----Г

0,4

pHoa&uá 5,6

¿76

25 30 -

4$ -10 -S -

-КЮ-.

SB" 20-}

mm nu

ла

Г

f pH KD fS

emmrffirrffWW^

W'.....

ПЖИ1ИШ Lilt! i'VTT

"V

0,4 Vf,/t

16 t,v

*о

m-

Jt*0^ pHWZS

r

.....

»iitmmftHi нищ i

«ШШТПГГТГГТТТТТГ y O.tZ Of t 0,ff> 9С.Л

y 4 8 « « t,4 0 4 ß iZ 1& *,V

/W.4. £цтнша элюироЬанця (a) а иунужшЬш криЬе &&aca (S} Ca, и ЛЬ осадками u¡¡ тайного слал пои бы.

теру зависмооти скорости выноса элемента СЦа) от времени <Ъ). Выделению участки кривых подвергли формальному кинетическому анализу (определяли порядка и кинетические вокстанты реакций); часть подученных результатов представлена в табл. 3. Установлено, что кавдый изученный химический элемент обладает индивядуадьнда набором стадий элюмрования и характеризующих юс эффективных кинетических коиотант. Существование нескольких стадий в процессе, по-виднмсжу, отражает наличие в почве нескольких "форе", являющихся источниками элемента в элюате* Согласно полученнж результатам, у Со, существует, ш меньшей мере, - 5, А1 - 2, К , Иа,5( ,Ге к Мл -по 3 таких "форам". Каждая последующая стадия имеет удельную скорость реакции- <-• в 2-10 раз меньшую, чем предыдущая. Следовательно, в начале разрушаются менее устойчивые к "формы", и,по мере их исчерпания, в реакцию вступают более стабильные соединения. В ряде случаев завершающая стадия имеет нулевой порядок, свидетельствушщй о существенном избытке труднорастворимой "форма" элемента в твердой матрице почвы. Наиболее глубокое воздействие на минеральную часть почвы, как и следовало ожидать, оказывают КО о рН 1,5. Для них характерных ке только максимальные суммарные количества вынесенных из почвы * элементов, ко к наибольшие удельные скорости процесса. Кроме'того, на поздних стадиях эксперимента осадка с рН 1,5 извлекали Са , Мд , АЪ, Ге и Мп из фор«, не разрушающихся под воздействием КО о рН 2,3. Кинетические кривые отдельных стадий элшроаания обменных оснований и 61 удовлетворительно описывались одностадий-

п>* ИЛИ т

ними кинетическими схемами вида А —---- Р. В то же вреия

для А1, Ге я Мп характерны кинетические схемы в виде цепей последовательных реакций (А в^ ... Р), указывающие на существование в процессе промежуточных состояний источников .элементов, .

Таблица 3.

Стада процесса алшрования Со, и AV на тонкого слоя почвы кислши осадками и их эффективные кинетические константы

Хими-;рН мо-:Временной :Количест- :Фориаяь-: Эффективные кинети^ чес- :дель ¡интервал ;во вше- :ная кя- ; чес кие хонстантиг" кий :ных :стадаи :сенного :нетичес-: эле- :осад- ¡процесса,:из почвы_<кая схе-: мент ;вов :ч :влемента*:ма про- :

: : :цесса :

Са 1,5 0 -<0,4 5.2 ? ?

t3è) Ъ о

-0,2-3,7 A -Î-LP Ki)=I,49t7,IIjcI0-*

3,7-16,6 ЭД А -Ь-р V^ŒiICf^tf .вШСТ4

2,3 0 -5,2 А^-РК^-О.бв^.ОбхХО"2

O^g А К,«1.09±6,0бх10"*2

2,2-16,6 0.86 А -&-Р ,85XX0"2j4.OSXIO*4

5,6 0 - 2,2

At 1,5 0-4

83.4 A -&-В tUI,06Л ,79x10"?

67x10^

4 -16,6 36^ A -&VP ti,=^,99xl0~2ji,35x10-3

2,3 О -16,6 72,8 А&В -^Р1ИЭ,25±г,32Л:0~?

_<100}_ур,27g ,27x10^

к - вынос Са дан в мт-эквДОО г, Al - мг/IOÛ г; в скобках -

% от суммарного выноса, н* - ГК.1 = мг(мг-экв)/(100 г»ч), [Кь+С2] » ч*1.

4. ИЗМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВЫ ПОД ВЛИЯНИЕМ ПОЛИВА ПЯТИЛЕТНЕЙ НОРМОЙ КИСЛЫХ ОСАДКОВ (ФРОНТАЛЬНЫЕ ХРОМАТОГРАЙИВСКИБ ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ТОЛСТЫМ СЛОВМ ПОЧВЫ) Почвенные колонки промывали пятилетней нормой осадков. В отбираемых элюатах определяли концентрации химических элементов и значения рн. По окончания полива почву извлекали без нарушения стратиграфического сложения и разрезали на отдельные слои (0-2,

2-4, 4-8, 8-12, 12-16, 16-20 см).'В полученных образцах определяли содержание обменных оснований, АС (извлекаемого СН3СООЫН4 с рй 4,8 к вытяжкой Тамма), 51 (извлекаемого вытяжкой Тамма),Ге (по Тешу и «еру-Джексону) и Мп. (экстрагируемого СН3СООНН4 с Г« 4,8).

Численнда интегрированием на ЭВМ рассчитали общий вынос элементов из толстого слоя почвы (табл. 4). Установлено, что подкис-дение осадков приводит к статистически значимому увеличению суммарного выноса химических элементов из почвы. Исключение составил Ма , в случае которого не наблюдалось значимых различий между кривдаи выноса при всех значениях рй^ осадков.

Послойный анализ химического состояния почвы показал, что подкисление осадков до уровня рН 2,3 приводит к статистически значимому снижена» содержания обменных форм Си и Мд , росту содержания экстрагируемого А1 и подвижного Ми в почве. При атом снижение содержаний обменных катионов в наибольшей степени коснулось верхних слоев почвенной колонки, а рост количеств экстраги-.руемого А1> и подвижного Ма произошел, главным образом, в ее средних и нижних областях (рис. 5). Расчет средних скоростей выноса элементов в течение отдельных циклов, имитируюцих полив почвы однолетней нормой осадков (рис. 6), показал, что значения средних скоростей алшрования обменных катионов закономерно снижались от 1-го к 5-му циклам поливов почвы осадками; средние скорости выноса & закономерно возрастали с течением времени, а в случае Ма шзли максимум, приходящийся на 2-ой цикл поливов; злшрование А1 из почвы шало место только в течение 5-го цикла поливов.

На основании подученных данных рассчитали рады относительной эффективности выноса элементов из почвы КО и относительной

Таблица 4

Вынос химических элементов из почвы пятилетней нормой осадков

Дели- : рН мо- ¡Общий вы-: йЕв % от;Лг в % от : Химичес-:рК ш-:0бщий в % от:Мг в % от

'■ксюШ:дельных :нос (Не ),: содержа- :общего со- : кий :дель- :вынос :содериа!- :общего со-

:осадков : мг-экв :ная обмен*иер*ания : элемент :ннх :(Мг ),:няя сод-* ¡держания ;.;сы? : : 1ииг :ной формы:элемента в : :осад- :мг/100гвикнш ¡элемента в : : : : почве : :жов : ¡форм*7 : почве

Са 2,3 4,47 86 10 М, 2,3 1,32 18 0,02

3.5 . 1,61 31 4 81 2.3 6,53 31 0,02

5,5 1,50 29 3 3.5 И 5.6 5,1 24 0,01

Мд 2,3 1,77 190 7 -Ма 2,3 14,37 142 12

3,5 Я 5,6 0,79 85 3 3.5 I 5.6 5,48 54 5

К 2,3 3.5 5.6 0,05 0,04 0,03 - 20 17 ■ 13 ОД 0,1 0,08

Ый 2,3: 3,5 а 3,6 0,27 151 0,8

* за содержание подвижных форы А1>и Мп принимали количества элементов, экстрагируем® С^СОО)Н4 буфером (рН 4,8), а - переходящие в вытяжку Таима.

-5"~4 -3 ~2

aMçq лг-акёЫоСг '-г -t о

pH 2,5

flfiV í8

pH 2¿u 5,6

ïf-t-

О w 3Ù 30 40

pH2,2 le

Рис.5- йгпсмыие.

1 I1 1

í

1

í

pli 5,6

Vta 'StcS¡Ю0а*нл

Щф * пё-эхо/ЮОг'Мл

к?!

13-

3-

X)¿¿ * 10, *г/№г*нл Vflin * 10, мг/юо^мл

ZZ7!

Â

г,е-

>49

I fx i ff Г . , „I ,1 Ж Ж Г ..

Til

if

X Д- 4L H i ^ ¿ ^ ¿и дд, л, .' ^

^ГоЭадае AqúMw рсаЙте» _ Говооые нермы ocqwoo

Рис* S. Динамика сревкик ектостеи Ьыноса хцлицрсни* 3J>e*<e»/nQ¿из тажетого смгя лочоы с gcdoovrui vmnu осаЗнор при поливе

¿>-f»u нсрнсй. oco-SfoS.

чувствительности почвы к КО* Согласно полученнда результатам, КО по сравнению с %0рист наиболее интенсивно элшруюг аз почвы Са, Мд, А1 и Мп и в наибольшей степени влияот на изменение содержания в почве обменных форм Са и Мд, экстрагаруемого А1/ и подвижной формы Мп, Следовательно, эти показатели, можно рекомендовать а практику мониторинга почв, подвергавшихся воздействию КО.

Провели также эксперимент, в котором изучали динамику значений рН и содержания серн в слоях 0-2 и 2-20 см почвенных колонок в течение полива почвы пятилетней нормой осадков. В результате статистической обработки данных установлено, что полив КО с рК 2,3 приводит к существенному снижению величины рН и увеличению содержания серы в почве. Основные изменения наблюдались в верхнем (0-2 си) слое почвенной колонки.

Совокупность полученных нами экспериментальных данных свидетельствует. о сложном характере изменений, происходящих в толстом слое почвы под влиянием КО, которые не могут быть объяснены в рамках представлений о последовательном выщелачивании отдельных слоев почвенной колонки кислыми осадками.

5. ВЛИЯНИЕ КИСЛЫХ ОСАДКОВ НА 0НГА1ЩЕСК0Е ВЩБСТВО И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ ПОЧВЫ Исследование проводили при помощи фронтального хроматографи-чеекого эксперимента. Определяли динамику содержания углерода на разных глубинах почвенной колонки и в элюатах. Согласно получению! данным, максимум выноса углерода с промывндаи водами пришелся на 3-й цикл полива почвы для всех значений рН модельных . осадков, в течение которого в растворенном виде было вынесено около 60% от общих потерь углерода почвой с элюатамя (рис. 7). Статистическая обработка результатов анализа почвы показала от-

сутствие влияния уровня кислотности осадков на убыль содержания углерода в почве и перераспределение углерода в толще почвенной колонки. Произошедшие измененияjне были связаны со значениями рН воступавдих в почву осадков, а зависели только от их суммарного количества. Для выяснения возможных, качественных превращений органического вещества почвы изучали молекулярно-массовые распределения {(WP) гумусовых вешеств исходного образна почвы и проб, отобранных с глубин 0-2, 2-10 и 10-20 см из почвенных колонок, промытых пятилетней нормой осадков с рН 2,3 и 5,6. Метод исследования -HPLC (фаза Protein Рак 300SW ). Полученные хромато-граммы показали, что под влиянием полива 5-летней нормой осадков произошло незначительное перераспределение гумусовых веществ по глубине колонок. Существенных различий между образцами почв, промытых HgO^^ и КО с рН 2,3,не установлено (рис. 8). Изучали также динамик/ ММР водорастворимого органического вещества в элюатах. с этой целью провел» оптимизацию существующей методики гель-хроматографкческого анализа водорастворимого органического вещества. Нами была показана недопустимость использования Н£>0даСг в качестве элюента при изучении ММР водорастворимого органического веществе почвы методом гель-хроматографии и

»

предложен новый способ фракционирования. Он основан на предобработке почвы сильны* комплексоном к последующем ее фракционировании на сефадексах с элюентом, включающим буфер и ионный детергент. Согласно полученным по предложенному способу результатам, величина рН осадков заметно не влияет на ММР элюируемого вещества.

Таким образом, в рамках проведенного эксперимента не удалось выявить существенного влияния величин рН осадков на содержание и пространственное перераспределение углерода в почве, а

00,аш i Kav ÛQ&dtt i Hav

Puc-8, {мь-,<Фомйтозрамт> органического б&лестба (OJu.MaQtí¿ытшнс!) oiïpûmet лоу&ы, отодранных с злуВин 0-5., 3-1Я, 12-20 см из яолоноя, промытых 5ти-лтнш нормой осаЗмоб сpH5,6(ионтрсшо) (а.) и 2,3(5).

также WMF органического вещества почвы я элшрувмнх осадками водорастворимых органических веществ.

Для научения динамики биологической активности почвы проводила поливы почвенных колонок КО с рН 2,3 и Hgü^j в количествах) соответствущих 1-ой, 2-м, Э-м и 5-ти годовда нормам. По окончании полива почвы Заданной нормой осадков, в образцах определяли биологическую активность лочвы при помощи адаптированного нами для целей исследования "метода начальных скоростей" окисления легкодоступного субстрата (глюкозы). Обработка полученных результатов позволила разбить изучаемые объекты на 4 статистически однородные группы (см. табл. 5).

Таблица 5.

Максимальные скорости ( УлмО и кажущиеся константы полунасыщения ( КГ ) реакции окисления глюкозы образцами почв

Статистически однородные группы объектов исследования (количество годовых норм осадков: величина рН модельных осадков) \U.xICr\ : мг С-СОо/ : (г почвытс ч: Ккаж мг глюкозы/ (г почвы)

Исходный образец почвы 15,1 ± 2,4 . 3,4 ± 0,85

I; рН 5,6

2; рН 5,6 11,8 11,6 2,7 ¿ 0,6

3; рН 2,3

2; рН 2,3 3; рН 5,6 8,85* 1,4 2,1 ± 0,6

3; рН 2,3 4,7 ± 1,0 1,0 t о.б

5; рН 2,3 6,7 ±1.5 3,1 ±1,3

Полученные зависимости удовлетворительно подчинялись кинетической схеме Нихаэлиса. Константы уравнения скорости реакции "С6Н12°6 ~ вктивний центр* представлены в табл. 5. Согласно полученным результатам, КО с рЕ[ 2,3.статистически значимо влияет на биологическую актипность почвы по сравнению с контролыаи 8а-

риантом эксперимента. На протяжении полива почвы 3-х летней нормой КО с рН 2,3 происходило закономерное снижение величин

каж

и , сменившееся их ростом после воздействия на почву пятилетней норлы осадков. Такая динамика кинетических параметров процесса свидетельствует о существенной перестройке микробного комплекса почвы под влиянием кислых осадков.

ВЫООДЫ

1. Уровень кислотности модельных осадков статистически значимо влияет на кинетические кривые обменных катионов,А1,5« ,Ге а Ми в почвенном растворе, а также динамику ОВП и рН почвы.

2. В процессе взаимодействия почвы с кислыми осадками наблюдаются три временные стадии: I) максимальных скоростей десорбции элементов в раствор (1-ая минута реакции), сопровождающаяся обменом основных количеств привнесенных с осадками ионов Н* на катионы почвы (Са.Ид ,К и На), 2) экспоненциального снижения скорости процесса (в последуйте 10-20 минут) и 3) малых скоростей процесса (длящаяся до момента окончания эксперимента - 28 суток).~ На протяжении второй стадии процесса порядок и удельные скорости реакций десорбции и сорбции Са ,Мд и К практически не зависят от исходных величин рН осадков, а в случае ,Ге иМа- регулируются ею.

3. Степень тесноты корреляционной связи динамики концентрации А1 и Б! со значениями рН почвенного раствора и совокупного влияния ОВП и рН на кинетические кривые Гс и Мп. зависят от исходной величины рН осадков.

4. Уровень статистической воспроизводимости кинетических кривых разных химических элементов в почвенном растворе неодинаков и зависит от исходной величины рН осадков.

5. Соотношение основных механизмов элшрования обменных катионов из почвы регулируется исходной величиной рН осадков - при экстремально высоких значениях кислотности осадков (рН lt5) преобладает ионный обмен, а в менее кислых условиях - процессы растворения. №еет место сорбция на твердой матрице почвы К ,Al. , Si и Гс при их движении в потоке элзоата по почвенной колонке.

6. В результате кинетического анализа кривых выноса химических элементов из тонкого слоя почвы обнаружено, что изученные элементы обладают индивидуальны» набором стадий злшрования

и характериэущих их кинетических констант. Каждая последующая

к ■

стадия алшрования элементов имеет удельную скорость реакции с

■ ■ 'Ч"

КО в 2-10 раз меньшую, чем предыдущая.

7. Подкнсление осадков до рН 2,3 приводит к статистически значимому увеличению выноса из почвы Со. , Мд , К ,At ,Si и Мл , снижению содержания обменных форм Са и Мд и росту содержания

"экстрагируемого" At и "подвижного" Мп в почве. Химические элементы обладают разнокачественной динамикой скоростей выноса из тол-„ с того слоя почвы и неодинаковш характером изменения содержания их химических форм по профияю почвенной колонки.

8. Кислые осадки по сравнении с дистиллированной водой (рН 5,6) наиболее интенсивно элкшруют из почвы Ca,Mg ,At и Мщ в наибольшей степени влияют на изменение содержания в почве обменных форл Са и Мд , "экстрагируемого" At и "подвижного" Мп.

*

9. Полив КО с рН 2,3 приводит к существенному снижению величины рН и статистически значимому увеличению содержания серы в почве. Основные изменения найлвдаются в верхней (0-2 см) слое почвы.

10. Уровень кислотности осадков не оказал статистически значимого влияния на содержание и пространственное перераспределение углерода в почвенной колонке, а также молекулярно-массовые распределения органического зещества почвы и вотируемых осадками водорастворимых органических веществ.

IX. Кислые осадки с рН 2,3 статистически значимо влияют на биологическую активность почвы по сравнению с осадками, имеющими рН 3,0) 4,0 И 5,6. На протяжении полива почвы 3-х летней нормой КО о рН 2,3 происходило закономерное снижение максималь-

КАЛЧ

ной скорости С Утак) и кажущейся константы полунасыщения ( К$ ) реакции окисления глюкозы, сменившееся ростом ях значений после воздействия на почву пятилетней нормы осадков*

По материалам диссертации опубликована сдедувдив работы:

1. О системе обработки результатов натурных экспериментов но изучению влияния кислых осадков на вынос элементов из лесных почв //Эксперимент и математическое моделирование в изучении биогеоценозов лесов и болот. Тезисы Всесоюзного совещания. Зап.Двина, 1987. С.224-226.

2. Влияние киолнх осадкрв на вынос элементов питания из дерново-подзолистой пахотной лочвы (соавт. Орлов Д.С., ФрНдланд Е.В.)

* //Экотоксикология я охрана природы. Тезисы докладов республиканского семинара 16-18 февраля 1988 г.» Юрмала. Рига, 1968. С.Х27.

3. Способ фракционирования гумусовых кислот по молекулярнш

т массам (соавт. Орлов Д.С., Минько О.И., Демин В.В., Сальников В.Г.) //Положительное решение по заявке Л 4615945 класс 01.1/028. Приоритет 1988.

4. О природе и механизмах образования металл-гумусовых комплексов (соавт. Орлов Д.С., Минько О.И., Демин В.В., Сальников В.Г.) //Почвоведение, 1988. К 9. С.43-52.

5. Об участии металлов в формировании молекулярно-массовой организации гумусовых веществ почвы (соавт. Орлов Д.С., Минько О.И., Демин В.В., Сальников В.Г., МилановскиК Е.Ю.) //Доклады АН СССР. 1989. Тш 305. * 5. C.I228-I23I.

6. Методические приемы изучения чувствительности почв к кнелги осадкай (соавт. Титова И.М., Фридланд Е.В.) //Тезисы докл. УШ Всес. съезда почв., кн. 2. Новосибирск, 1989. C.I75.

7. Влияние кислых осадков на выноо элементов и органического вещества из почвы, ее биологическую активность (соавт. Орлов Д.С., Минько О,И.) //Тезисы докл. УШ Всес. съезда почв., кн. 2. Новосибирск, 1989. С.188.

8. Динамика взаимодействия дерново-таежной почвы с киелши осадками (по результатам модельных опытов) (соавт. Кашинцева А.».)

* //Труды X Конференции молодых ученых факультета почвоведения MIT. Деп. ВИШТИ 21.07.89 * 4884-В8Э.

9. Динамика взаимодействия дерново-таежной почвы с кислыми 5 осадками (соавт. Орлов Д.С., Кашинцева А.Ю., Титова 11, М.)

//Совет.-Монг. эксперимент Убсу-Нур.* 1-10 аьг. 1989. Тез дом. Пушино, 1989. С.50-53.

10. О гель-хроматографическом анализе водорастворимого органического вещества (соавт. Минько О.И., Миланонский Б.Ю., Орлов Д.С.) //НЕШ(.сер. Бпол. науки, 1390 (в печати).

Подпиоаао в печать II.11.90г. Форшт 60x641/16, печ.л. 1,5, тираж 150 экэ. Эак.4857

Ротапринт В1ЖТЯИ