Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ И МИГРАЦИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ПОЧВАХ ЛЕСОПАРКОВЫХ ЛАНДШАФТОВ НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ РЕКИ СЕВЕРНОЙ ДВИНЫ

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ И МИГРАЦИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ПОЧВАХ ЛЕСОПАРКОВЫХ ЛАНДШАФТОВ НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ РЕКИ СЕВЕРНОЙ ДВИНЫ"



На правах рукописи

МУХИН Евгений Валерьевич

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ И МИГРАЦИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ПОЧВАХ ЛЕСОПАРКОВЫХ ЛАНДШАФТОВ НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ РЕКИ СЕВЕРНОЙ ДВИНЫ

Специальность 03.00.16 -экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2007

Работа выполнена на кафедре экологии Российского государственного аграрного университета — МСХА имени К А Тимирязева

Научный руководитель Официальные оппоненты

доктор биологических наук, профессор U.M. Яшин доктор биологических наук профессор И.Г. Платонов; кандидат химических наук доцент A.B. Кузнецов

Ведущая организация

Московский государственный университет имени М В Ломоносова

Зашита диссертации состоится « {(, »__2007 г в / ¡52. часов на заседании

диссертационного совета Д-220 043 03 при РГАУ — МСХА имени К А Тимирязе ва по адресу 127550, Москва, Тимирязевская ул , 49

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной Научной библиотеке РГАУ—МСХА имени К А Тимирязева по адресу 127550, Москва, Тимирязевская j т , 49

С авторефератом можно познакомиться на сайте www umacad ru Автореферат разослан « /6 » boiffy/ 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор

В А Калинин

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы.

Исследование процессов формирования, трансформации и миграции водорастворимых органических веществ (ВОВ) в почвах тайги тесно связано с обоснованием их экологических функций и функций почв в биосфере (Добровольский Г.В., Никитин Е.Д., 1990; И.М Яшин, 1993, 2006). Познание генезиса ВОВ можно рассматривать в качестве одного из актуальных источников информации об экосистемах: это и продукты жизнедеятельности биоты, и активные мигранты, а также вещества, обусловливающие взаимосвязь таёжной биоты со средой обитания — почвами (А.Д. Фокин, 1975, 1986, 2003; А.И. Карпухин, 1986).

Сведения о ВОВ могут быть использованы для уточнения генезиса и характера кислотности экосистем, абиогенных потоков мигрантов, оценки экологической ситуации, в частности, в ландшафтах Архангельской области, испытывающих устойчивую (пока локальную), и всё более усиливающуюся антропогенную нагрузку: деятельность целлюлозно-бумажных комбинатов, предприятий по химической переработке древесины, разведка и добыча алмазов, нефти, крупномасштабные рубки и сплав леса, осушение болот, функционирование ракетно-космического комплекса, освоение пойменных участков реки Сев. Двины.

Цель работы: изучение экологических функций ВОВ, а также их компонентного состава и водной миграции в северо-таёжных ландшафтах Архангельской области. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. изучение процессов образования ВОВ с кислотными свойствами и особенности их внутрипочвенной миграции; уточнение генезиса фульвокислот в почвах северной тайги Архангельской области.

2. исследование динамики и масштаба" абиогенной (водной) миграции ВОВ и ряда водорастворимых органо-минеральных соединений в почвах геохимически сопряжённых ландшафтов: плакор увала (элювиальный - автономный) — склоны увалов (транс-элювиальный) — пойма реки (суперак-вальный).

3. изучение направленности и скорости трансформации ряда известковых мелиорантов, а также особенности миграции в глее-подзолистых почвах ионных форм соединений Са2+, Сс12+ и РЬ2+, а также Ре и

Научная новизна. Впервые для северо-таёжных ландшафтов применена новая методология оценки разноориентированньу>(--п<>т^оа-мщрацчи^ВОВ__в предварительно выделенных при детальной поч 1енной съем'й ЛАёъшйтарных

имени К.А. Тимирязева ЦНБ имели Н.И. Железпова Фонд научяын литераторы

почвенных ареалах В модельных полевых опытах изучены особенности трансформации известковых мелиорантов Полученные данные угл\бляют традиционные представления, основанные на химическом подходе и роли, главным образом, Н;ССЬ в превращении угленис юй извести и доломитов Систематизиро ваны сведения о фульвокислотах подзолистых почв Обоснованы трансформационная и миграционная функции ВОВ, охарактеризовано их участие в глее-гумусо-, подзолообразовании и в лессиваже Изучены формы и масштаб миграции соединений Ее и

Практическая значимость. Метод сорбционных лизиметров рекомендуется использовать при локальном мониторинге водоохранных зон речных систем, озер, прудов и водохрани-шщ Модификацию метода сорбционных лизиметров целесообразно использовать при оценке экологической безопасности осадков сточных вод (ОСВ), отходов производств и удобрений используемых в агроландшафтах, содержащих, например, тяжелые металлы Зная экспериментально установленный коэффициент мобилизации (км„) конкретного химического элемента из изучаемого техногенного продукта, можно приближенно обосновать прогноз водной миграции этого элемента в почвах, а также и о поведение на физико-химических барьерах (И М Яшин, Е В Мухин и А И Карпухин, 2004)

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на студенческих научных конференциях (1999-2001 гг ), конференции молодых ученых и специалистов РГАУ-МСХА имени К А Тимирязева в 2003 г на научно-методических заседаниях кафедры экологии (2001-2004 гг ) В 2002-2004 гг автор участвовал в научной программе Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) по фантам — 02-04-63044 (экспедиционный) и 0204-48791 (инициативный) под руководством профессора ИМ Яшина

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 научные статьи и 2 учебных пособия

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, приложения, научно-пракшческих рекомендаций Работа изложена на 149 страницах, включает 23 таблиц, иллюстрирована фото Список используемой литературы включает 407 работ, в т ч 63 на иностранных языках Некоторые фактические данные получены совместно с И М Яшиным и А И Карпухиным

Автор гл\боко благодарен своему учителю — профессору Ивану Михайловичу Яшину за методическую помощь и поддержку при выполнении настоящей диссертационной работы

Автор также признателен профессорам В А Черникову, А А Лурье за консультации и критические замечания

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Современное состояние изученности ВОВ в таежных ландшафтах

Проведен анализ научных работ отечественных и зарубежных авторов, изучавших формирование, состав, свойства ВОВ, их роль в гумусообразовании, питании растений, взаимодействии с минералами почв, а также участии в поч-венно-геохимической миграции продуктов выветривания и почвообразования в таёжных ландшафтах (И.С. Кауричев, 1965; А.Д. Фокин, 1975; А.И. Карпухин, 1986; Д.С. Орлов, 1990; Г.В. Добровольский и Е.Д. Никитин, 1990; И.Б. Арче-гова, 1992; И.М. Яшин, 1993; В.В. Никонов и Н.В. Лукина, 1996, 1998; Т.Т. Горбачева, 2002).

Благодаря внедрению в почвенные исследования методов хроматографии, лизиметрии и изотопных индикаторов в 70-х годах ХХ-го века были установлены важные функциональные особенности ВОВ в различных ландшафтах (К.Ш. Ибрагимов и А.Д. Фокин, 1985; И.Г. Платонов, 1998,2003; Coulson С., Davies R. a Lewis D., 1960; Haider К., Martin J.P., 1975; Wang T.S.C., Li S.W., Huang P.M., 1978; Schnitzer M., Khan S., 1978; Novák В., 1984; Chang H.H., Harper S.S., Lehmann R..G., 1986; Kuiters A., Denneman C.A., 1987; Lehmann R.G., Cheng H.H., Harsch J.B.; Guggenberger G. a W. Zech, 1994; Lundström U.S., Van Breemen N., Bain D.C. et al., 2000). В последние годы известные достижения были связаны не только с использованием инструментальных методов физико-химического анализа природных объектов (P.A. Хмельницкий, 1982), но и с разработкой новой методологии исследования ВОВ (И.М. Яшин, И.С. Кауричев, 1989).

1.2. Методология исследования экологических функций ВОВ таёжных ландшафтов

Отмечается, что реализация указанной методологии включает ряд взаимосвязанных этапов полевых и лабораторных изысканий: первый — детальное почвенное картирование стационарных площадок в М1:200; 1:500; второй — подготовка сорбционных лизиметров и их установка в 2-5-ти кратной повтор-ности в почвенных профилях (и катенах); третий — аналитическая диагностика в элюатах компонентов ВОВ и ионов металлов, полученных из активированного угля и других сорбентов; пятый — расчет величин масштаба миграции и оценка достоверности 2-х средний величин данных параметров между генетическими горизонтами по правилу «трех сигм»: х/сг>3. Причём каждый из указанных этапов потребовал освоения новых, перспективных методов (хрома-

гографии, сорбционных лизиметров, приемов детального картирования поч-вешгого покрова и закладки катен)

Акцентируется внимание на процессах активной биодеградации ВОВ и мобильных форм органо-минеральных соединении в приемных сосудах (например, в лизиметрах Шиловой и Дерома ), что вызывает известные артефакты Скорость минерализации компонентов ВОВ существенно замедляется если они поглощаются в лизиметрах активированным упем или оксидом алюминия

Глава 2. Объекты и методы исследовании 2.1. Объекты

Объектами исследований были лесные, лесопарковые и агроландшафты нижнего течения р Северной Двины Архангельской области Географические координаты объекта 64° с ш и41°вд

Современная дочина реки Северной Двины в нижнем течении имеет ярко выраженные материковую и островную поймы разновысотного уровня (от 1,5 до 7 м над у м ) Четвертичные (моренные) наносы залегают на осадочных карбонатных породах — доломитах и известняках В этих тоннах в 1980-1985 гг геотогами разведаны и уже разрабатываются промышленным способом крупные месторождения алмазов (трубки «Пионерская» имени М В Ломоносова ) В го же время в кимберлитовых породах Поморья обнаружено очень высокое содержание тяжелых металлов (ТМ), мг< кг валовых форм Сг — 430-2554 № — 471-1800, V — 21-760 4 также Эг и Ва — соответственно 364-2400 и 2851025 мг/кг (А И Малов, 1998) С разломами в осадочных то птах вблизи г Архангельска и н п Холмогоры связана также повышенная радиоактивность коры выветривания (Ф Н Юдахин 2002, Г П Киселев, 2002) Геологи и геохимики допускают, что при формировании речных палеодолин часть массы пород кимберлитовых тр\ бок была разрушена, а их материал переоттожился в четвертичные почвообразуюшие и подстилающие породы, которые могут быть $а-грязнены ТМ (Экология Северной Двины, 1998) В этой связи здесь проводятся различные виды мониторинга (оперативный, фоновый, импактный )

Для реализации поставленных задач были заложены и охарактеризованы следующие стационарные площадки размером 50ч50м

1. стационарная площадка «Холмогорский» расположена на левом (коренном) берегу р Сев Двины, в 65 км южнее г Архангельска, на плакоре моренного увала и приурочена к северо-таежному ландшафту Абсолютные отметки 57-71м над у м

Разрез 71 заложен в ельнике-черничнике долгомошном Древостой разновозрастный (40-120 1ет), сильно изрежен из-за вырубок и пожаров Подрост из

ели. Обилие можжевельника, редко рябина. Напочвенный покров: черника (Vaccinium myrtillus), по приствольным повышениям брусника (V. vitis idaea), мхи зеленые и Sphagnum, образующие упругую и влагоёмкую «подушку» оторфованной лесной подстилки. Много микрозападин, в которых находится бурого цвета верховодка. Почва — глее-подзолистая легкосуглинистая на бескарбонатной тяжелосуглинистой морене.

2. стационар «Малые Корелы» находится на правом берегу р. Сев. Двины, на 1-й эрозионной надпойменной террасе, в 25 км на Ю-В от г. Архангельска. Исследуемый лесопарковый ландшафт расположен на территории Архангельского государственного музея деревянного зодчества «Малые Корелы», занимающего площадь 140 га.

Разрез 7а заложен на выровненной поверхности плакора, вблизи церкви «Вознесения» 1669 г. основания, во вторичном хвойном лесу V-ro бонитета с еловым подростом. Часто встречается можжевельник, редко рябина. Напочвенный покров из зеленых и сфагновых мхов, черники и брусники. Абсолютные отметки 28-35м над у.м. Почва: глее-подзолистая контактно-глееватая супесчаная на двучленных бескарбонатных отложениях. Надпойменную террасу музея-заповедника пересекает корытообразная балка, склоны которой покрыты вторичным лесом, а профили почв здесь сильно эродированы.

Разрез 37а заложен в западинке площадью ~ 15 м2 под кроной зрелой ели, в средней части крутого 20°) северо-восточного склона балки протяженностью около 85 м., в ельнике разнотравном. Подрост из ели. Разнотравье из аконита, фиалки болотной, кислицы и зеленых мхов. На стволах и ветвях деревьев обилие эпифитных лишайников. Отмечена солифлюкционная подвижка почв и грунта, вызвавшая мелкобугристый (с западниками) микрорельеф склона. По новой классификации почва называется: абразём суглинисто-иллювиальный глееватый на делювии озерно-ледниковых глин (Классификация почв России, 2004).

Разрез 38а заложен на противоположной стороне балки (на плакоре) у подошвы выположенного песчаного оза, в 15 м от зарастающего пруда. Лес смешанный: преобладает осина, редко ель и рябина, много можжевельника. Напочвенный покров представлен черникой, «пятна» (по 3-5 м2) из зеленых и сфагновых мхов. По приствольным повышениям растёт брусника. Грунтовые воды — с 97 см. Почва: глее-подзол песчаный иллювиально-гумусово-железистый грунтово-глееватый на древнеаллювиальных бескарбонатных тонкозернистых песках.

В Архангельской области глее-подзолистые почвы исследовали E.H. Руднева и В.Д. Тонконогов (1962, 1966, 1988, 1972), позже - И.М. Яшин и B.C. Кащенко (1984, 1986), И.М. Яшин (1993, 2006). Эти почвы отличаются заметным

опеением всего профиля, кистой и очень кистой реакцией (рН--4,1-4,4), сильно ненасыщенны основаниями и имеют фульватный и редко гуматно-фульватный состав гумуса По бонитету — это наименее плодородные, длительно промерзающие почвы

3. стационарная площадка «Приморский» (разрез 15, площадь - 5 ч*) расположена на территории ОАО «Приморский» в аллювиальной зоне дельты реки Северной Двины, на о Пустошь (в 0,4 км от дер Залахотье) Угодье — высокопродуктивный сеяный сенокос из костра безостого, лисохвоста, овсяницы луговой, ежи сборной, мятлика iyroeoro Состояние сенокоса очень хорошее Почва — аллювиальная (поименная) дерновая слоистая пееватая незасоленная легкосуглинистая на аллювиальных отложениях Пойменные дерновые почвы являются наиболее плодородными и высокобонитетными в Архангельской области (ИМ Яшин, В С Кащенко, 1986) Они выполняют функции плошадных почвенно-геохимических барьеров миграции (И М Яшин, С В Пузырев, Е В Мухин, 2004)

2.2. Методы

Исходя из задач исследований, в сорбционных лизиметрах использовали следующие сорбенты низкозольный активированный у го 1ь «карболен» (размер частиц 0,25-0,1 мм), основной оксид алюминия для хроматографии и ионообменные синтетические смочь! (катеонит КУ-2 в FT форме и аниониты — поти-функциональный ЭДЭ-10п и монофункциональный АВ-17 в ОН форме) Подготовка сорбентов к опытам, установка сорбционных лизиметров в профиль, технология десорбции из сорбентов поглощенных соединении, анализ групп ВОВ в элюатах (полифенолов, фульвосоединений) заимствованы из работ А А Лурье (1978) А И Карнучина (1984), И М Яшина (1974, 1993) и В А Черникова (1986)

Часть новообразованных в таежной экосистеме компонентов ВОВ поступают с нисходящим гравитационным фронтом влаги в сорбционные колонки и сорбируются активированным уг гем После извлечения лизиметров из почвы, ВОВ последовательно элюировали из угля в динамике со скоростью 30-40 мхч 90% водным ацетоном (400-500 мл), водой и 2% водным NFUON (450-650 мл) и редко этими же десорбентами в статике - в течение 24 часов В слоях песка, как и в AljOi, определяли общее содержание органического углерода по Гюрину Проводили также анализ воды, поступившей в приемные сосуды лизиметров Для десорбции ВОВ из катеонита КУ-2 использовали 1 н водный раствор НО, а из анионита (АВ-17 и ЭДЭ-lOu) — 0,1 н водный раствор NaOH Расчет вели-

чин масштаба миграции и градиента барьера миграции проводили согласно рекомендациям (И.С. Кауричев, И.М. Яшин, В.А. Черников, 1996).

Трансформацию ряда химических соединений (СаСОз, доломита...) в почвах изучали в стеклянных фильтрах-воронках № 3 объемом 600 см3. Корпус колонок, устанавливаемых под генетические горизонты в 2-3-кратной повторно-сти, полностью опоясывали лейкопластырем как для их укрепления, так и маркировки. В колонках снизу вверх последовательно располагали слои мокрого песка, 40-50 г активированного угля (частицы < 0,25 мм), 2 слоя чистой капроновой ткани, один или два слоя ионитов, слой мокрого песка, на который вносили известную массу (6-10г) мелиоранта. Кварцевый песок химически очищали от Бе по методу И.М. Яшина (1993), используя в статике попеременно растворы 0,1н. Н2504, воду и 0,1н. ЫаОН, (по 1сут.), а затем смесь водных растворов солей — цитрат,- оксалат,- и пирофосфат На. Общее время очистки — 5-6 (9 сут), а традиционного метода с 10% НСЬ -1,5-2 месяца.

Ионы Са!+, Ге5+ и другие определяли в аликвотах элюатов из сорбентов. Аликвоты, выпаривали досуха на водяной бане, сухой остаток обрабатывали 23 раза 20% Н2О2 для разрушения ВОВ, выпаривали и растворяли в ОД н. НС1. Органо-минералыше соединения Сё, РЬ, Ре, Бг.. диагностировали на атомно-абсорбционном спектрофотометре или химическими методами (Л.А. Воробьева «Химический анализ», 1998) до и после сжигания ВОВ. ор! диагностировали по методу Тюрина. Результаты опытов оценены с помощью вариационной статистики для однородной выборки (Е.А.Дмитриев, 1978).

Глава 3. Экспериментальная часть.

Исследование экологических функций ВОВ

3.1. Фульвокислоты таёжных экосистем (компоненты ВОВ): состав, свойства и формирование

В диссертации систематизированы сведения о фульвокислотах. Отмечается, что термин «фульвокислоты» (ФК) используется еще со времён Свена Одена (1919) в 2-х значениях. Первое: ФК называют все кислоторастворимые вещества, выделяемые десорбцией из почв по методу И.В. Тюрина (1952, 1961). Второе: фульвокислотами характеризуют специфические ГС, растворимые как в воде, так и в иных растворителях. Они выделяются из почв, природных и лизиметрических вод сорбцией на активированном угле по методу РогеуШ (1947) в модификации И.М. Яшина (1973, 1993), который из аналитической схемы Форсайта изъял диализ (здесь терялось до 80% ВОВ) и агрессивные химические реагенты: 0,5 н. ЫаОН и 0,1 н. НС1, а высокозольный уголь БАУ заменил на низкозольный - «карболен». Подобный подход позволяет выделить в составе

BOB 2 группы соединений с ярко выраженными кислотными свойствами 1-я rpvnna индивидуальные органические вещества (низкомолекулярные органические, уроновые и аминокислоты, полифенолы) и 2-я - специфические веше ства - ФК Зная их соотношение можно, в частности, уточнить направленность процесса гумификации органических веществ растительных остатков и лесной подстилки, полнее изучить их состав кислотные свойства и околошческие функции

Известно, что специфические группы ГС сорбированы на матрице почвы (Т А Зубкова, JI О Карпачевский, 2001) и при десорбции в лаборатории переходят в элюат, образуя неоднородную по составу и свойствам смесь органических и органо-минеральных веществ Поэтому ИМ Яшин с соавт (2004) рассматривают подобные «лабораторные» ФК как химический артефакт Уместно подчеркнуть, что и Д С Орлов на конференции «Г\ миновые вещества в биосфере», в МГУ имени М В Ломоносова (2003) также отмечал «вряд ли существует особая группа ФК» (с 8) В А Черников еще в 1984 юд\ предложил выделять препараты ГС из почвы без их предварительного разделения на группы гуминовых и фульвокислот Однако непонятно, если ФК как особой ipvrmbi нет, то почему, например, в песчаных подзолах тайги в юр Вь аккумулируется значительное количество ФК' Откуда они появляются в таких количествах 1 42,7% ли 14-27 г'кг'

Анализ и обобщение экспериментальных работ специалистов по органическому веществу Тимирязевской академии (ныне PI АУ-МСХА имени К А Тимирязева) ИВ Колосова Б А Сотоминской, СП Алешина, И С Кауричева, Р А Хмельницкого, А Д Фокина, А И Карпухина, В А Черникова И VI Яшина, В А Раскатова и ряда других позволяют заключить, что ФК в почвах таиги — это реальные природные гумусовые соединения Особенно основательно ФК в экосистемах подзон южной, средней и северной таиги ETC были изучены АД Фоышым, А И Карт хиным и И М Яшиным Этими авторами сформулированы следующие механизмы формирования ФК ассоциативный, миграционный и комплексообразовательный Миграционный механизм впервые был обнаружен и охарактеризован И М Яшиным (1973, 1993) Важную роль комплек-сообразования отмечали АД Фокин и А И Карпухин (1978) ГМ Варшал (1974) выявила ассоциативный механизм формирования ФК Однако до сих пор в полной мере не изучены экологические функции этой группы ГС

Наряду с химическим подходом специалистами школы И С Кауричева разрабатывается и биогеохимическое (экологическое) направление в исследовании ГС, ВОВ и ф\львокислот (А Д Фокин 1975 А И Карпухин, 1986, ИМ Яшин 1993,2004) В данном случае ВОВ изучаются сопряжено напочвенном и экосистемном уровнях организации веществ Почва является подсистемой

это и уникальный сорбционный фильтр, и активная биогенная среда, в которой происходят наиболее радикальные процессы трансформации веществ в экосистеме. Сюда и поступают индивидуальные и специфические (ФК) органические соединения с кислотными функциями из лесных подстилок. Они находятся в динамическом равновесии и отражают взаимосвязь биоты со средой обитания (почвой). Процесс гумусообразования в почвах экосистем северной тайги реализуется в виде ярко выраженных стадий мобилизации ВОВ, их трансформации и водной миграции.

В лабораторных модельных опытах было показано, что в водных экстрактах из торфяного гор. От лесной подстилки в раствор мобилизуется больше индивидуальных органических веществ (49,7%), а из торфяно-перегнойного (Ош) активнее мобилизуются фульватные продукты (53,1% от СорГ ВОВ), но это увеличение с математической точки зрения недостоверное, кроме вариантов опыта с эпифитными лишайниками и вегетативными органами брусники (табл. 1). Процессы активной мобилизации и абиогенной миграции компонентов ВОВ в подзолистых почвах тайги отражают механизм биогенного кисло-тообразования и, по-видимому, средообразующую функцию таежной биоты (И.М. Яшин, И.С. Кауричев, 1989). Подобная методология дополняет традиционные представления, базирующиеся на оценке кислотности только твердой фазы почвы (С.Н. Алёшин, 1952; И.С. Кауричев и Д.С. Орлов, 1982). С учетом массы выпадений «кислотных дождей» (Т. А. Соколова, 2002) можно получить информацию о потоках кислотных реагентов в таежной фации. Экологическая диагностика, как более полная в сравнении с агрономической, включает обоснование кислотности всех подсистем биогеоценоза: биоты, почвы и кислотообразующих веществ антропогенного генезиса. При внутрипрофильной миграции низкомолекулярных компонентов ВОВ (ММ < 1000 а.е.м.) с глубиной наблюдается некоторое увеличение содержания ФК в глее-подзолистых почвах, однако в большинстве опытов с точки зрения статистики оно является недостоверным. Более типично равновесное состояние между индивидуальными органическими веществами (ИОВ) и ФК, достигающее 41,7-44,4% в гор. ЕЪВ и 41,8-45,5% в гор ЕЬ/Вг (разрез 71), табл. 2. ИОВ и ФК в составе ВОВ устойчиво флуктуируют в почвенном пространстве и времени. При увеличении концентрации ИОВ как реагентов (алифатических органических кислот, полифенолов, уроновых кислот и аминокислот) равновесие смещается в направлении образования ФК (это типично для гор. В а, глее-подзолов). Появление новых молекул ФК в почвенном растворе способствует сдвигу равновесия системы ИОВ <=> ФК в сторону формирования исходных реагентов — индивидуальных ВОВ. ИОВ, ФК, гуминовые соединения и гумины находятся в генетическом единстве, образуя динамическую систему гумусовых вешеств био-

геоценоза, ее «информационную» память Особенности такой системы, в известной мере зависят от типа таежной биоты, генезиса почвы и почвообра-зующей по роды, каталитической активности почвенных минералов, водного и теплового режимов

Таблица I

Компонентный состав ВОВ, мобилизованных в раствор из органогенных субстратов глее-подзолистых почв в лабораторном модечьном опыте*

I Исходное j Сорбция i СоргВОВ „

, - I рН вод I содержа . ВОВ в э поэтах из угля "о .л,,,

I кп субстрата 1 ^ 1 >. I иия ВОВ

- . I ние Cupr акгивиро-I

и гтуоина отоора у-■-• „„., г -1-; из активи-

i 1 ВОВ в ванным , 1 образцов см начало , конец водоаце .аммиачный1 рованно-I расгво- упем _ , ., . 1 опыта опыта , , „ . тоновый (ФК) го угля °. __I_| pax мг'т "-о к Сзд, |__1_

_Органогенные субстраты отобраны с Хотмогорского стационара _

1 Лесная 1 | 1

подстилка

I

i

-гор О (0 * см) ) 4 I 5 82 i 148 2i3 1 96 1 1 49 7t3 3 37 7 86 8 гор Om (6-11 см) j 460 I 5 70 I 202 4=e4 ^ , %6 I 30 3*2 4 ЧЫ7 1 83 4

2Эпифитные j I i

1ИШЭЙНИКИ и I

I

мелкие «свежие» 4 20 | 4 39 1 230 3*1 6 I 90 1 1 SO 3t2 I 10 3*0 7 I 99 6 веточки ели i I . i

k

3 Живые расте- i .

ниябр>сники , ^ 40 I 6 25 701 1_4 7 ' 96 3 ,0 1:18 «(3±0 8 4W

• Отбор проб проверен /J ноября 100 г imada настаивали t / i иог)ы n 3 i колбах с притертыми пробками 166 суш при f ~ 2lfL ь темноте Поп-ченные растворы фильтровали через ьоронки с бепапьными бумажными фильтрами и затем фракциониронали на yzie

3.2. Динамика и масштаб абиогенной (водной) миграции ВОВ в почвах нижнего течения р. Сев. Двины

Установлено, что в почвах северной тайги Архангельской области наблюдается активная внутрипрофильная миграция ВОВ по сезонам года (табл 2-4) В период вегетации (в оттаявших почвах) и при устойчивых атмосферных осадках наблюдаются значительные мобилизация и вынос ВОВ из гор Ая пойменной почвы выщелачивается 24,2^2,5, а из гор Оп пее-подзолистои почвы — 41,4—3,7 г/м* Сорг ВОВ При этом основная масса индивидуальных компонентов ВОВ поглощается в колонках ионитами (табл 3) Последние также частично сорбируют и ФК Оксид AL сорбирует незначительную часть мигрантов, а

низкозольный активированный уголь (карболен) оказался наиболее эффективным сорбентом для компонентов ВОВ (табл.4). Было отмечено, что полифе-нольные соединения, выщелачиваемые из гор. О™, совместно с ионами Бе (III) и Мп (II) образуют почти черного цвета водные растворы, которые в период вегетации маскируют естественный (белесовато-сизый) цвет гор. ЕЬ» в темно-серый (почти черный, диагностируемый нами как гор. ЕЬ^ь). Подобный эффект сохраняется до предзимья, затем он почти исчезает: растянутый (до 36-42см и более) гумусовый горизонт «сжимается» до 7-11 см. Указанный эффект «гумусовой занавески» впервые был отмечен В.О. Таргульяном в 1978 году для севе-ро-таежных почв. Если его не учитывать, то при почвенной съемке гор. Е!^ ошибочно определяется как А1 или АоАь а почва — как дерново-подзолистая; при этом существенно завышается ее бонитет и базовая стоимость. Таким образом, лизиметрические исследования позволили уточнить один из важных эко-лого-экономических аспектов оценки качества почвенных ресурсов Севера.

Значительный масштаб абиогенной миграции ВОВ в почвах нижнего течения р. Сев. Двины обусловлен, с одной стороны, их слабой сорбцией на почвенных (глеевых) барьерах, а с другой слабой утилизацией микроорганизмами. Отмечается, что абиогенная миграция в изучаемых почвах (за исключением глее-подзолов иллювиально-гумусово-железистых) отличается почти транзитным вертикальным нисходящим массопереносом продуктов почвообразования. В почвах с двучленным строением профиля нисходящий вынос ВОВ из верхних генетических горизонтов выражен менее активно (21,1 — 30,5 г/м2тод"'), чем в аналогах, развитых на однородной почвообразующей породе (54,6 — 63,6 г/м2тод"' Сорг ВОВ), вследствие худшего дренажа.

Таблица 2

Компонентный состав и масштаб абиогенной миграции ВОВ в почвах низовья р Сев Двины Архангельской обт за период вегетации — с 26 июня до 14 сентября (81 с\т) 2001 -£002г

Генетиче- I Объем Упсрод Состав ВОВ сороированных акти- Масштаб 1 Обшии скийгори- | воды в ВОВ в вированным угтем мгт'/Собщч . миграции | вынос зонт и пу- ' поймет- водах ти- в воло- | в аммиач- , всего в С. рг ВОВ 1 С,,р1 ВОВ сина уста- I рах, л зиметроя ацетоновом! ном этюате тизимет- г ч* за за год новки коло-1 мг т чпоате | (фульво- I ре период | г мг | номм | соединения) | вегет а' }____НИИ I

Стаиионарная плошадка «Холмогорский» Разрез 71 Етьник черничник лотомошныи

______ Почва глее подзолистая легхосугтиннстая на бескарбонатной морене_|

„ Г «О ■'^2 2 ""»4 4.11!) Ч 1 ~

_■ *б~8 , 5 ' ■41 4-3 7 6,6

ЕЬг-28 | 100 1 ^^3 I ~ ~ ' 7-8 Ч Мб

, EL/B. — 46 1 О 49 I ММЫ

i:6 418

I Стаиионарная плошадка «Приморский», дельта р Сев Двины (о Пустошь) Разрез 15. Луг сеяный окультуренный Почва алтювиальная (поименная) зерновая слоистая гтееватая супесчаная на современном алиовии (данные И VI Яшина. 2001)_

л т I Л -i.6-*-1.6 i lS2.fc*3.7 20\^2.7 I 364,6 ,

I 0 44 ^Г , 2<7 1 «8 1 100 I

А.-" 1 0-0 «gf* I ^ I ^ ■ «V

Стационар «Малые Корелы». Разрез 38 а Е 1ьник осинник чернично разнотравныи Почва пее подзол илдювиально-гумусово-летезистый песчаный на древнеаллювиальных песках Наолюдения с 13 08 03 по 09 08 04 г S-.б колонок 176 6 ем

О' —2 1 неустан i неопр '

I Ehs — 8 не устан | не опр

304J т.О 678

| нео"Р 44 g <5 1 ,

44.«. 29S.Q

Г'""" 1 , 4*4 i 546

n.u I ' 2М I 19 V I 224J

Bthg-35 I не устан неопр | ^ I 87' I ¡f)¿

Bthg — восходящий перенос S2.4 i 423.7 i 4J6J

ко тонки с S„añ - 176 б см' _16 3 I 83 7 I 100

ht, опр 38 4*

f

| не огр 30 6

| не опр 12 7

1 не опр 28 7

3.3. Формы и масштаб миграции Ре, Б!, РЬ, Сс1, /п в почвах северной тангп

Рассматривается экспериментальный авторский материал и литературные сведения об > никальном попвенно-геохимическом процессе — глееобразованин Отмечается важная и своеобразная роль при оглеении компонентов ВОВ с кислотными и восстановительными свойствами Выдетяется ряд процессов взаимодействия ВОВ с оглеенными горизонтами почв 1) мобилизация в раствор из алюмосиликатов ионов Са'* Ре'* $1(ОН)з и А13~ 2) формирование и трансформация коллоидов Ре, 81 н А1 3) образование закисных форм Ре(И) Мп(П) 4) формирование устойчивых (в тч хелатных) форм органо-минерапьных соединений, способных к водной миграции, 5) участие гидратированных ионов Ре(ОН>>\ Ре(ОН):\ [А1(Н^О)л]'\ Я1(ОНЬ в ионообменных реакциях Приводятся сведения ряда авторов о сравнительной миграционной способности ионных форм Рс(П) и Ре-ф> тьватных комплексных соединений (АД Фокин, 1968), образовании коллоидных форм Ре, и А] (ИМ Яшин, И С Кауричев, 1992) и стабилизации гидрозотей гидроксидов Ье(Щ, А1 и компонентами ВОВ при их абиогенной миграции в оглеенном субстрате Отмечается, что выход в раствор гидратированных ионов 51 и А1 из алюмосиликатов зависит от концентрации ВОВ и ионов НчО1" Донорами ионов Н-.О* являются ВОВ а также шдроли-!\<юш.иеся А1^ и Ре'4" ионы В кислой среде (при оглеении) эти ионы подверх а-ются гидрочизу по схеме АР* г ЗН20 — А1(ОН)}| + 31Г (I)

Сильнокистая среда и наличие в почвенных растворах ВОВ способствуют агрегативной устойчивости почвенных коллоидов - гидрозолей гидроксидов Бе и Д1 В то же время из осадков А](ОНЬ и Ре(ОН)ч ионы НЮ* и ВОВ могут вновь мобилизовать в раствор при рН 4,0-4,8 ионные формы А13* и Гь, * по схеме А1(ОН)т ЗН* о А11* 1- ЗН:0 (2), которые вступают во вторичные реакции ионного обмена, комплексо-, и осадкообразования, разрушаются микроорганизмами (железобактериями ) Подобные взаимопереходные формы и состояния Рс, А1 (и Мп) характерны для почв тайги, испытывающих поверхностное переувтажнение (Ю А Водяницкий, 1992, Ф Р Зандечьман, 2002)

Полученные нами сведения показывают, что в гтее-подзолистых почвах северной тайги преобладает коллоидная форма миграции Ре и 81 протекающая под зашитой ВОВ Доля мобильных комплексных Ре-органических соединений составляет примерно 12% в гор От В минеральных, сильнооглеенных горизонтах, она уменьшается до 4-6% Указанные особенности водной миграции характерны и для Б1 При этом нисходящий вынос мигрантов компенсируется за счет восходящих пленочно-капиллярных перемещений Ре и при промерзании почв В оглеенных юризонтах преобтадает шкальное диффузионно-сорбционное перераспределение Б1, А1, Ре , известное как процесс сегрега-

ции. Изучение этих важных почвенных процессов необходимо продолжить, поскольку нами показано, что в конкрециях аккумулируются и ФК (до 2,7% СорГ), и целый ряд ТМ: РЬ (39,4 мг/кг), С<1 (5,5 мг/кг), 7л (375,4 мт/кг), Си (93,4 мг/кг), Мп (221,0 мг/кг) и Ре (1472 мг/кг). В почвенной массе их содержание меньше в 7,5- 9,3 раза.

Соединения марганца и железа при сезонном переувлажнении в период вегетации обусловливают вместе с ВОВ (полифенолами) почти черный цвет горизонтов , залегающих непосредственно под лесной подстилкой глее-подзолистых почв (И.М. Яшин, Е.В. Мухин, А.И. Карпухин, 2004). Однако прочность их сорбции гидратированными минералами очень низкая и, по нашим наблюдениям, к предзимью мощность таких ложных гумусовых горизонтов резко уменьшается. Перераспределение ВОВ и мобильных форм Бе, Бь.. в изучаемых почвах связано не только с восходяще-нисходящими потоками при абиогенной миграции, но и с внутригоризонтной сегрегацией и лессиважем. Источником коллоидных систем Ре, 51, Мп и А1 в почвах с двучленным строением профилей является зона контакта песчаного и суглинистого наносов, диагностируемая как элювиально-глеевый горизонт ЕЬй. Из этой зоны в периоды иссушения и промерзания почвы и происходит восходящая миграция коллоидов без их активного химического разрушения, под защитой ВОВ. Преобладает не однонаправленный нисходящий вынос продуктов почвообразования, а пульсирующие потоки мигрантов, отражающие сезонную динамику процессов почвообразования. Эти вопросы требуют дальнейшего исследования.

Таблица 3

Мобилизация и нисходящая миграция мобильных форм тяжелых металлов в глее-подзолистой супесчаной почве на двучленах. Стационар «Малые Корелы» Наблюдения 14 08 02 - 08 08 ОЗгг Разрез 37а.

Вариант Значе- ТМ вытесненные из сорбентов мг'м* год ' ' Общий масштзо чи

опыта, гту- | ния ^ акт _ ->о/ | ' грашш ионов тяжелых

бина уста- | призна- 3 " ° I 0 1 н ШЧОз ю КУ-2 , металлов за I год (акт

новки кото- ка _I_ уголь-1-КV-2) чг/м"_

I нок. см I | РЬ* I са* | ¿п РЬ' ' СМ* ^/п* [ РЬ: С(Г ггГ

Контроль». , г 116 1,2 I 32 4 18 7 | 3 8 Г 48 3 | 30 3 < 0 80 -

гор Ог° < | а I 84 I 08 I 140 | 156 | 89 | 148 |_I }

Вариант1: | | | ' ' ' | I I

ГОР Еив I х | 19 3 22 ' 61 4 33 7 I 34 I 117« <30 50 . 178 9

Я 7 I 04 | 21 8 | Чб | 17 2 | 34 8

(без Ре Мп

| конкреций) |

_._

I Вариант 2'

I НЬ г (над , ' 1 | | I I 1 !

ч-негдом» с г 2* 7 I 33 | 91 7 40 2 7 9 . 148 4 , 6* 9 | 11 2 I 240 1 I Ре Мп кон о | 13 9 | 2 < . 36 2 I 8 1 I 0 8 1 7^ 3

! крециями) 10

I

Вариант 3 | у I ,:5 I ,, 57,8 I 22 4 2 9 , 63 3 349 , 46 . 121 1

гор

о | 9 3 0 6' 25 8 I 123 17 | 24 6

I Сорбиия | ' I |

' ТМ углем I I ' | ||

| "оотобшего , | 38 3 ,24 0 40 1 | 61 7 76 0 1 ^9 9 I 100 1 100 100

, по горизон- ' I . I |

I г V Ог I I I I '

В контроче коюнки Остановлены в 3-4-х кратной повтирности с катионы-тои КУ-2 в 1Т- форме (верхнии слои) и активированным \глем (нижнии слои) -над дренажем в других вариантах опыта была 2 х кратная повторность

Таблица 4

Масштаб вертикальной нисходящей миграции ВОВ и их состав в почвах нижнего течения р. Сев. Двины в осеннее-весенний период.

Генетический горизонт и глубина установки колонок, см Объем ВДв приемниках вод, л Сорг ВОВ в приемных сосудах лизиметров, мг-л"1 Сорт ВОВ в элюа-тах из ионитов, г/м2 Общий вынос Сорт ВОВ, г/м2* Вынос по сорбции ионитами Сорг ВОВ, г/м2 Доля Сор, ВОВ, сорбированных AI2O3 г/м2**

КУ-2 в Н' форме ЭДЭ-Юп вОН" форме

Стационарная площадка «Приморский»! о. Пустошь. Разрез 15. Луг окультуренный (сеяный). Почва — пойменная дерновая слоистая глееватая супесчаная на современном аллювии. Наблюдения: с 12.09.02 г по 29.05.03г.

Ад | 0,64 36,5 | б,9±0,4 44,5±6,1 58,0±6,9* | 51,4±4,9 3,1

Ai — 11 0,47 20,4 ! 5,4±0,3 40,7±4,4 49,2±7,3 46,1±5,6 1,7

П.-39 0,31 14,7 1 0,8±0,1 18,8±1,6 23,5±3,1 19,6±2,3 1 3,2

Стационар «Малые Корелы». Разрез 7а. Почва: глее-подзолистая контактно-глееватая супесчаная на двучленных отложениях. Наблюдения: с 27.07.02гпо 05.08.03 г.

О™ —4 | неуст. не опр. 3,1±0,7 21,3±2,8 30,5±4,6 1 24,4±3,1 1 6,1

F.LS —10 неуст. не опр. 4 5±1,6 12,4±4,1 21,1±3,6 | 16,9±4,4 4,2

Вгг-36 неуст. 1 неопр. 1 0,8±0,2 8,7±1,3 | 16,8±2,7 ( 9,5±2,6 7,3

Стационар «Малые Корелы». Разрез 37а. Крутой склон балки северной экспозиции. Ельник разнотравный. Наблюдения: 07.08.03r —28.10.03 г (период вегетации)

О™-4 | неуст. не опр. 1,9±0,7 24,8±4,4 34,1*5,2 26,7±5,3 7,4

ELh — 13 i не уст. не опр. 0,6±0,1 20,7±2,7 29,2±4,3 21,3±3,3 7,9

Bs-38 (восходящая + боковая миграция) 0,4±0,2 16,3±4,3 22,1±2,9 16.7±4,8 5,4

Стационарная площадка «Холмогорский» Разрез 71. Почва — глее-подзолистая легкосуглинистая на бескарбонатной морене.

О1-5 1,14 30,5±2,6 22,2 ±4,7 13,5±4, 3 100,5±7 ,3 91,4±5 ,9 2,2 16,3

О™-9 0,53 36,5±3,1 29,9 ±6,8 20,3±3, 5 48,7±3, 9 60,9±4 ,2 1-3 6,4

ELe - 28 1,05 не опр. 25,6 ±7,1 25,6±6, 4 не опр. не опр. не опр. Не опр.

*С учетом массы ВОВ, не сорбировавшейся ионитами и А1/)з и поступившими в приемник вод лизиметров. Так, для гор. Ль (разрез 15) масса ВОВ в приемнике составил 23,4 мг, а с учетом рабочей площади лизиметра 66,4 см2 и расчетной — 1 м2, вынос будет равен 3,5 г/м2. Его суммируют с выносом по сорбентам.

**Сорг определят по методу Тюрина в средних порциях А1:Оз (3-5 г), добавляя в колбочки немного прокаленной пемзы, чтобы исключить при кипячении выброс К2С.Г2О7. Определение Сарг ВОВ непосредственно в А!£)} позволяет получить более объективные результаты по миграции ВОВ.

Таблица 5

Масштаб вертикальной нисходящей миграции ВОВ и их состав в 1есных гтее-подзолистых почвах низовья р Сев Двины за осеннее весенний период (с 12 09 02г по 29 05 ОЗг , 259 с\т )

Г енетиче ский I горизонт пуоина (см) и вари | анты\ста новкн колонок, CV1

Объем Н.О в прием-| пиках

1изи

метров 7

С„ргВОВ| в лизиметр | воде колонок, mi'I

ОЬиии I масштаб миграции ВОВ

I/M

I

Вынос | Спр по юроции на \l2Oj\

г см

Сорг ВОВ в элюатах из АЬгОз. мг/-_

1 н fbSO,

I н NaOH

г

У. рг

ВЫНОС Г \1

Дотя С, ВОВ вы тесненных

| злюента-ми iu

I \LOi I

0 О С f ш в 1 А1,Оз

О - < О -9 EL, - 28

Стационарная площадка «Холмогорский» Разрез 71

Почва — пее подзотистая тегьосуг шнистая на Сесьароонатной морене 114 30 Ь | 22 2 4 7 i И Wj | 1Q0 Wj 41 9 2 2

-3 9

0 S3

1 о«;

36 <^3 1 Не опр

29 9^6 8 20 3-3 « 2* Dt? 1 2' Ь~Ь 4

48 '

60 9*4;

1 i

lb 3 64

не (jup не опр не опр не l гр

3.4. Особенности трансформации известковых мелиорантов в глсс-иодзолистых и пойменных дерновых почвах

В полевых опытах были испо 1ьзованы методические разработай И М Яшина и И С Кауричева (1989) предложивших хм этих целей модифицированный вариант МСЛ Установлено что грансформация порошка доломита наиболее активно наблюдается в гор Е1_я коэффициент мооилиззции ио нов Са'* из мелиоранта в раствор составляет 0,142° а (или 1,42 г на 1 кг) Мобилизованные ионы Са * мигрируют в сорбционных колонках в форме отрицательно заряженных Са-органических соединений и слабо поглошаются использованными сорбентами, поступая в приемники лизиметрических вод На их лоно приходится 65,7% миграционных форм Са

Наряду с указанной формой, кальций мигрирует и в виде положительно заряженных ионов, сорбируясь катионшом КУ-2 в Н* форме В гор Е1^/Вг доля миграционных ионных форм Са** достигает 53,4%, а в гор В? - 34 3°о Движущей силой трансформации веществ в почвах тайги выступают компоненты ВОВ которые ненасыщенны ионами металлов и сохраняют свои ярко выраженные кислотные функции и комплексообразуюпше свойства

Отмечается, что в оглеенных гор ЕЬг и ЕЕ, В? преобладают диффузионные потоки ионов Са2* (В М Прохоров, 1965, 1970 ЮА Поляков, 1964, 1968 АД Фокин, 1970, 1975, 2002) Уточнены традиционные взгляды, в основном химиков-аналитиков, о роли Н:СОч в трансформации СаСО?(МцСОт) Отмечается,

что алифатические органические кислоты и ФК, как более сильные кислоты (их константа диссоциации больше на три с лишним порядка аналогичного параметра для 1-й ступени диссоциации Н2СО3), играют ведущую роль в трансформации известковых мелиорантов. Дополнительный вклад в эти процессы вносят также продукты жизнедеятельности микроорганизмов (В.Т. Емцев, 1976; А.Д. Фокин, П.А. Раджабова, А.И. Карпухин, 1997, 2003).

Обосновывается сорбционно-десорбционный (и комплексообразователь-ный) механизм трансформации СаСОз(М£СОз) с участием ВОВ (и ФК). Указанные реакции зависят от состояния ФК в растворах. При низких концентрациях С-орГ (ионно-молекулярное состояние) ФК более активно мобилизуют ионы Са2+ (27,7-68,0 мг/л), но комплексообразующая способность выше у ассо-циатов ФК (высокие области концентраций: 140,9-2254,0 мг/л Сорг)- Вода, ненасыщенная Н^СОз, в лабораторных модельных опытах мобилизовала 0,6 мг/л ионов по сведениям O.K. Янатьевой - 13,7 мг/л.

Полученные нами экспериментальные данные позволяют уточнить дозу и глубину внесения известковых мелиорантов. При расчете баланса кальция необходимо учитывать его миграционные потери из пахотного горизонта.

3.5. Экологические функции водорастворимых органических веществ таёжных экосистем

Обоснование экологических функций ВОВ ландшафтов тайги неразрывно связано с положением о функциях почв в биогеоценозах и биосфере (Г.В. Добровольский, Е.Д. Никитин, 1990, 1993). Большой вклад в разработку этой проблемы, как уже отмечалось, внесли специалисты РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева: И.С. Кауричев (1965), А.Д. Фокин (1975), А.И. Карпухин (1986), И.М. Яшин (1973,1993). Работы этих авторов существенно углубили представления об особенностях процессов гумусо,- глее- и подзолообразования, масштабе и формах миграции соединений Fe, Si, Mn, Са, А1. Именно этими авторами были сформулированы концепции «экологической кислотности» и «экологического гумусообразования»; предложены новые понятия и критерии оценки миграции мобильных продуктов почвообразования в профиле почвы -Rf, к«об, «поле миграции».

В диссертации охарактеризованы экологические функции ВОВ: педоген-ные, биогеохимические и гидрохимические (И.М. Яшин, 1993). Так, педоген-ные функции определяют участие компонентов ВОВ в питании растений, гумификации, изменении окислительно-восстановительного потенциала почвы. С биогеохимическими функциями ВОВ связано в основном трансформация минералов и водная миграция ионов металлов в форме мобильных органо-минеральных соединений в почвах и ландшафтах. Здесь важная роль отводится

ФК Гидрохимические функции — это участие, прежде всего наиболее устойчивых компонентов ВОВ (ФК) в «дальней» водной миграции ионов металлов, в частности, в реках Европейского Севера с их частичным выносом в эстуарии рек и морские бассейны Рассматриваются также дологические функции ИОВ (полифенолов и органических кис тот) в экосистемах тайги биохимическая, защитная, аллелопатическая, окислитетьно-восстановительная, миграционная и трансформационная Констатируется познание экологических функций ВОВ охватывает как функциональный, так и химический — структурный аспекты рассматриваемой проблемы

Отмечается, что в последние годы И VI Яшиным с соавт (2000 - 2006) разрабатывается концепция биогенной (экологической) кистотности таежной экосистемы Авторами в частности, подчеркивается, что если с агрономической точки зрения кистотность - крайне неблагоприятный фактор для жизнедеятельности кутьтурных paciemw, то для естественной (дикой) биоты тайги кислотность выступает одним из эффективных механизмов ее адаптации к суровым условиям существования Кислотный гидролиз тормозит формирование высокомолекулярных гуминоподооных веществ при дефиците обменнопоглощенно-го кальция, в почвенных растворах подзон южной, средней и северной тайги европейского Севера преобладают органические вещества с низкими величинами молекулярных масс - менее 10 000 дальгон (А Д Фокин, 1986, А И Карпухин ИМ Яшин, В А Черников, 1993) Они отличаются заметной миграционной способностью и высокой химической активностью, обусловливая моби-шзацию элементов из твердой фазы в раствор Процесс гумификации в экологических условиях Севера существенно упрошен Своеобразный вклад в биогенное кислотообразование вносят микроскопические плесневые грибы Мисог, Abpergillus, Pénicillium, Hisanum (их более 40 тыс видов) Наряду с органическими кислотами они выделяют высокотоксичные метаболиты, в частности ми-котоксины (изучено -120 веществ) афлотоксины, патулин, а также токсичные алкалоиды - эрготоксин, эрготамин, гистамин С помощью микотоксинов плесневые грибы эффективно адаптируются к суровым жолш ичсским условиям тайги (ВТ Емцев, Е H Мишустин, 1996)

Выводы

1. Изучены особенности формирования ВОВ и их сезонная динамика в почвах фоновых и иных стационаров северной тайги. Показано, что абиогенная миграция ВОВ в глее-подзолистых почвах происходит весьма интенсивно и в период вегетации, и в осеннее-весенний умеренно-холодный и избыточно-влажный период, достигая 42-93 г/м2 Сорг за 1 год. ВОВ слабо сорбируются на оглеенных почвенно-геохимических барьерах. ВОВ присущи функции активных трансформаторов почвенных минералов. Они играют важную роль в формировании мобильных продуктов почвообразования (органо-минеральных соединений Ре, Са, и и ряда тяжёлых металлов — С<1, РЬ, 7л\ и Си. В оглеенных генетических горизонтах (ЕЬ8; ЕЬ8/Вг) эти экотоксиканты могут сегрегироваться в Ре-Мп конкрециях.

2. При внутрипрофильной миграции ВОВ в северо-таёжных почвах с глубиной отмечается изменение их состава и некоторое увеличение масс фульват-ных компонентов в почвенных растворах, однако в большинстве полевых опытов оно является недостоверным. Более типичны динамичные равновесные состояния между группами ИОВ «ФК. Для гор. ЕЬ8 они составляют 41,7-44,4%, а для гор. Е18/Вг - 41,8-45,5% (разрез 71). Процесс гумификации в почвах северной тайги выражен очень слабо.

3. Наиболее активное формирование веществ фульватного характера происходит в глее-подзолах песчаных иллювиально-гумусово-железистых при близком залегании грунтовых вод (~ 1 м), обогащенных мобильными органическими веществами. Указанные почвы и ФК формируются, в известной мере, за счёт гидрогенного (аллохтонного) привноса ВОВ. Однако механизм образования молекулярных структур ФК пока полностью не раскрыт.

4. Состав и свойства ФК зависят от величин их ММ: при рН в интервале 5,1-5,5 фульвокислоты представлены фрагментами с ММ менее 1000 а.е.м. Ионы Са и стимулируют образование ассоциатов ФК, а алифатические органические кислоты (щавелевая и др.) их разрушают до более низкомолекулярных компонентов — активных мигрантов. ФК являются экологическим феноменом почв таёжных экосистем и выполняют важные гидрохимические функции в водной миграции веществ.

5. В северо-таёжных глее-подзолистых и иных автономных почвах (на бескарбонатных породах) при ярком дефиците в растительном опаде Са и N. длительном оглеении, промерзании и очень слабой биологической активности высокомолекулярные гуминоподобные соединения не образуются. Также не формируется в профиле и гумусово-аккумулятивный горизонт А^ Функции ГК в северных почвах выполняют биополимеры растительного опада и лесной

оторфованной подстилки Наблюдается задержка реакций поликонденсации и полимеризации на стадии образования полифенольных структур и элементарных по составу ФК вследствие кислотного гидролиза При этом реализуется не биохимический, а более простой - физико-химический (абиогенный — по И М Яшину 1993) механизм процесса гумификации

6 Изучены продукты трансформации тонкодисперсного порошка СаССЬ (MgCCh) в глее-подзолистой почве, масштаб и формы миграции соединений Са Наибольший коэффициент мобилизации ионов Са** в раствор отмечен в гор ELg (kMOO 0,142% или 142 мг на 100 г мелиоранта), а наименьший (кч„б = 0,075%) под лесной подстилкой, очевидно, вследствие образования труднорастворимых осадков типа СаСЛ Одной из важных форм миграции кальция являются мобильные Са-органические соединения не сорбируемые в колонках катеонитом КУ-2 в Н+ форме

7 Выявлен и охарактеризован эффект «гум\ совой занавески» связанный с сезонной (водной) миграцией Fe- и Mn-органических комплексных соединений Предлагается называть подобные почвы как сезонно-гум\сированные с активной внутрипрофильной миграцией продуктов почвообразования

8 В глее-подзолистых почвах элювиальных геохимических ландшафтов северной тайги преобладает коллоидная форма миграции Fe и Si Абиогенный (нисходящий) вынос веществ из верхних горизонтов компенсируется не только восходящими потоками (вследствие гидротермического и концентрационного градиентов), но и за счет сегрегации ряда химических элементов в Fe Мп конкреции В профиле аллювиальных дерновых почв также установлен интенсивный вынос ВОВ Показано, что эффективным барьером для миграции в почве гидрозолей Fe(OH)3 является порошок СаСОч(МцСОз) Данный природный сорбент также активно поглотает фульвокислоты и ВОВ Процесс сорбции органических типшдов порошком доломита сопровождается мобилизацией в раствор некоторой массы ионов металлов свинца, цинка, а также кальция и стронция

9 Изучены трансформационная и миграционная экологические функции компонентов ВОВ вешеств полифенольной природы и низкомолекулярных органических кислот, играющих важную и своеобразную роль в миграции и трансформации в таежных экосистемах прод> ктов глее-, и подзолообразования

Рекомендации производству

При оценке антропогенного загрязнения почвенного покрова и экосистем тайги (например, тяжёлыми металлами) наряду с констатацией параметров их концентрации необходимо обосновать масштаб и формы миграции этих эко-токсикантов с помощью MCJI в геохимически сопряженных ландшафтах.

Известковые мелиоранты следует рассматривать не только как вещества, используемые для регулирования почвенной кислотности, но и как природные сорбенты, приводящие к детоксикации ионов тяжёлых металлов. Они обеспечивают экологическую безопасность продукции агроэкосистем.

Перед использованием в агроландшафтах различных отходов промышленности целесообразно изучить процессы их трансформации (и миграции), а также экологическую безопасность образующихся мобильных продуктов с помощью модифицированного варианта МСЛ. Особенно актуальны такие исследования при использовании ОСВ, гидролизного лигнина, опилок хвойных пород, отвалов горных пород в почвах агроэкосистем плакоров и пойм разных регионов России.

МСЛ необходимо включить в научную программу федерального оперативного (и импактного) мониторинга за состоянием сельских населенных пунктов, водоохранных зон, лесопарковых массивов, детских площадок и городских парков, санкционированных свалок, полигонов складирования промышленных и дерево-перерабатывающих отходов, а также агроландшафтов при интенсивном применении в севооборотах химически агрессивных веществ (минеральных и органических удобрений, средств защиты растений) и химических мелиорантов: фосфоритной муки, фосфогипса, известковых материалов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Яшин И.М., Мухин Е.В. Перспективы применения лизиметрического метода в почвоведении и экологии // Известия ТСХА. 2003. Вып. 2. С. 40-62.

2. Яшин И.М., Мухин Е.В., Карпухин А.И. Эколого-геохимическая характеристика почв лесных и лесопарковых ландшафтов низовья р. Сев. Двины // Известия ТСХА. 2004. Вып.4. С.19-37.

3. Яшин И.М., Пузырёв C.B., Мухин Е.В. Основы ландшафтоведения (эко-лого-геохимические аспекты). Учебное пособие. Изд-во МСХА. 2004. 212 с.

4. Яшин И.М., Пузырёв C.B., Мухин Е.В. Ландшафтоведение (лабораторный практикум). Изд-во МСХА. 2004. 75 с.

1,5 печ т

Зак 331

Тир 100 экз

Центр оперативной полиграфии ФГОУ ВПО РГАУ - МСХА им К А Тимирязева 127550, Москва, ут Тимирязевская, 44

^Sav О ^ - /от. 1

O^O'^/ryZ ~ //¿¿оЯ'Лг/,i-i Г

. £>7^, SJj - witfî. sffíxc . '.у''J. i Д

'— — -¿¿¿'¿irise '

J ' ' /

\ /V >• ,

Л ' '

CC ctrjF-^f'-