Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ИССЛЕДОВАНИЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ФУНКЦИИ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ПОЧВ ПОДЗОЛИСТОГО ТИПА

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "ИССЛЕДОВАНИЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ФУНКЦИИ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ПОЧВ ПОДЗОЛИСТОГО ТИПА"

А-зодЧЪ

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА. ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ, АГРОХИМИИ И ЭКОЛОГИИ

#

На правах рукописи ИБРАГИМ БАДЕГГИ НМАДЗУРУ

ИССЛЕДОВАНИЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ПОЧВ ПОДЗОЛИСТОГО ТИПА

Специальность 03.00.27 — почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени^ кандидата биологических наук

МОСКВА 1994

І

Работа выполнена в Московской сельскохозяйственной академии имени К Л Тимирязева

Научный руководитель — доктор биологических наук, профессор Л. И. Карпухин.

Научные консультанты: кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник И. М. Яшин; кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Е. И. Шестаков.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор А. М. Гасанов; кандидат биологических на\к, старший научный сотрудник М. Г. Короткой.

Ведущее предприятие — кафедра физики и мелиорации почв, факультет почвоведения Московского государственного университета имени М В Ломоносова

Защита диссертации состоится в 15 час. на заседании специализированного совета К 120 35 01 в Московской сельскохозяйственной академии имени К А Тимирязева

Адрес: 127550, Москва, Тимирязевская улица, 49 Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА

Автореферат разослан «.

Л с-Я 1994 г

Ученый секретарь специализированного сов» кандидат биологических

Родионова

^авга аа'шш'иитц --танк

Актуальность. Современной экологячес*®* аообвиноотыо состояния почв и почвенного покрова различных ландшафтов Земного ша-. ра является усиливаиюеся их загрязнение различными токсикантами (тяжелыми металлами, радионуклидами, пестицидами и др.). Тяжелые металлы, например, могут поотупать й почвы как о выброоа-ми промышленных предприятий, -так и о химичеокими мелиорантами,

поотепенно накаплгоаяоь в компонентах вкооистем. у

Б этой связи весьма актуальной в теоретическом и прикладном отношении стйновитоя проблема изучения трансформации в почвах указанных выше: антропогенных веществ я оценки опецяфики (ооота-ва я свойотв) новообразованных хпшчеоких соединений. Принципиально важно, что процессы трансформации токсикантов и последующая миграция (биологичеокаяи абиотическая) органо-минеральных я иных новообразованных продуктов, в чаотнооти в почвах и природных водах таежных ландшафтов, протекают при активном участии водораотворимых органических веществ (ВОВ) о ярко выраженными киолотньми я ксшлекоообразующими свойствами. ;

. Неомотря на извеотные достижения, в решении рассматриваемой проблемы некоторые вопросы оотаются недостаточно оовевэннши, в частности, особенности вэавюдействия ВОЙ о химическши мелиорантами. -'V

Цель и задачи исследований. Основная цель наотоядей работы оостояла в изучения и обосновании биогеохимических функций ВОВ (их абиогенной компоненты) - установлении характера^ процессов взаимодействия компонентов Ьов,: отличающихся ярко выраженными кислотными и комплексообразующими свойствами с некоторыми химическими мелиорантами и почвенными коллоидами. В задачу исследований входило:

| ■ . Ю {ТРАЛЬНАЯ-

НДУЧ < "Я В^Л-ОТСКА' ' -I -- с и- с*олл ч. г.чгдэ.'иия

.1) Натурное изучение процессов трансформации растительных остатков (тотально меченных изотопом ,14С) я установление количественных 'закономерностей формирования групп BOB.

2) йсоледование масштаба вертикальной нисходящей миграции ВОВ и их соотава в почвах подзоны шной и средней тайги европейской чаотистраны. ..

3) Изучение лроцеооов трансформации доломита, фосфорита и- ' фоофогипса, а также гидрогеля гидрокоида*железа при их взаимо- '

. действии о кошонентами ВОВ.в условиях лабораторного "и'натурно- < го эксперимента. ' - -

4) Изучение молекулярно-массового состава и свойотв водорао-творимых юле зофульватных комплексов, синтезированных.на основа коллоидно-химического подхода. ' / '. ■ ■

5) Натурное исодедованиепроцеооа мобилизации, формы и мао-штаба абиогенной миграция.ряда тяжелых металлов в'почвах и при-i 'родных водах лодзон шной и средней тайги. ..■ • !-■

Научная новизна ^ С помошьп метода натурного моделирования /: изучены особенности начальной стадии-трансформации растительных оотатков (тотально меченных^изотопом всорбционных лизиметрах и выявлены количественные закономерности формирования.групп. ' ВОВ, а также йс компонентный состав. Уточнены процессы образова-i ния группы фульвокислот на начальном этапе трвнс<^орыации расти- j тельного опада., : ; " ; ' л '"' '.■ ! .'-■■•-' 1

Сформулировано положение об абиогенном "поле: миграции", ко-> ' торое отражает.оовокупнооть реальных процессов мобилизации, |транс формации и миграции группВОВ • в пространстве ЗЛА парцелл таежного биогеоценоза. . ' . . . . -'•. ■. .■'-.;:";/'■'• :Vj

Впервые выполнено.ксшлексное изучение процесоов .взаишдай-; ствия ВОВ кислотной природы о некоторыми химическими мелиорая-:

таив. Установлено, что данный процесс включает ряд стадий:

1) активную сорбцию компонентов ВОВ мелиорантами; 2) интенсивную мобилизацию в раствор ионов Са2+ из труднореотворимых оое динвний (мелиорантов) и удаление мобильных продуктов реакции из зоны их трансформации фильтрупвейоя гравитационной влагой и 3) воздействие мобилизованных ионов Са2+ на компоненты ВОВ, изменяя их состав и свойства. На основе коллоидно-химического подхода обоснован новый прием получения вативных форм водораотво-римых (уотойчившс) жвлезофульватных комплексов; изучен их моле-кулярно-маосовый состав опомощью метода систематизированной , гель-хроматографии. .'

; : В натурных опытах изучены оообеннооти мобилизации ряда тяжелых металлов, а также формы их.миграции в природных водах и почвах леоных экосиотем.

Практическая значимость. Подученные4 ре а-ультаты иооледсваний, о одной стороны, заметно раопшряют традиционные представления о механизма трансформация некоторых почвенных коллоидов и кальцнй-^содержащих мелиорантов, раокрывают своеобразную и активную роль ' ВОВ киолотной природы, а о другой - позволяют рассматривать ио-клотйтельно важный процеоо (Химической мелиорации почв не одно-направленно(только регулирование почвенной кислотности), а более полно: с биогеохимичеоких позиций,

* Апробация работы. Основные положения доложены на научной кон феревции в г. Киеве (1992 г.). ,' , По материалам диссертации (Публикованы три научные статьи.

■ Объекты и методы иооледований. Натурные опыты проводили в подзоне шной тайги на стационарах кафедры почвоведения ТСХА в учхозе."Михайловокое" Подольского района Мэоко^ской облаоти: в лесу (на вырубке и в ельнике разнотравном), где распространены

дерново-подзолиотыэ и подзолиотые среднесуглинистые почвы, а такав на пашне (опыт № 7 профессора А.И.Пупонина), надерново-подзолистых среднесуглинистых почвах. '

В Архангельской области (подзона средней тайга) наблюдения осущэствляли в пределах Няндомоко-го стационара на сильншодзо-- лястой грунтово-глееватой почве и подзоле вллгаиально-гумуоово-. •железиотом. ".. ■ . '''' ; • ' ■'

Почвы отационаров обстоятельно.изучены И.С.Кауричевым, В.И. Савичем, И.М.Яшиным, Л.0.Карпачевским, Д.А.Варфэломеевым в другими авторами. ' ;'

-Тшоморфша химические а лементи (їв і Иа и Са), йакоторна

тяжелые' металлы (с<1 , Си , РЬ) и углерод ВОВ в раошорах и почвах

определяли.по общепринятым методам (Д.С.Орлов о сотр^, 1969, ' ; •

.1981;:Агрохимические.методы.*..,; 1975; Н.Г.Зырин-л Д.С.Орлов, ( 1

1980). ' • 'Л.;' • ; ■ '•О'.' ; ;

Группы ВЭВ.выделяли из почв, природных вод и растительных; .!

остатков по известной схеме ».Рогаль (1947); а фракции ВОВ | |

■ и органо-минеральных соединений диагностировали о''помощью гель-1,

хроматографии на оефадексах О-10 "и С--50 о автоматическим кол-:

лектором отбора проб. . , і •■ . ,. ^

Математическую обработку результатов исследований проводили •

о использованием метода вариационной статистики для' однородной

і V'. г •■ - ■ йия, 1 ' 11

7 глав, оййих выводов, научно-практических-рекомендаций и прило-; жения; излокека ка 175 стренводх, вкЛзчает 31 таблицу, оодернит И:рисунков и ч фотоснимок. Список используемой литературы включает 367 работ, в т.ч. 87 на'ийостранных языках.

Некоторые фактические.результаты получены совместно о И.О.,

выборки (Ю.Н.Благовещенский о. соевт.» 1987).

Структура и объем работы. Диссертация соотоит из ввадві

Кауричевым, И.М.Ятшшм, В.И.Шеотаковда, А.С.Пельтцер в И.Г.ПлаТОНОВЫМ. "

Автор глубоко благодарен овоему научному руководителю.про-. феооору Анатолию Ивановичу Карпухину за всестороннюю помощь в выполнении работы. ,

Автор также признателен профессорам Кауричеву И.О., Фокину А .Д. и Черникову В.А., отарож научна« оотрудникам МСХА Яшину И.М.

- Шеотакову Б.И., Пельтцер A.C., Платонову. И.Г. за мэтодичеокую помощь, ряд конструктивных ооветов и критичеокие замечания; оотрудникам кафедр почвоведения, экологии и применения изотопов в оельоком хоаяйотве за творческое оотрудничеотво. t

'л;.ООДБРЖАНИЕ РАЮТЫ ' Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

, . Выполнен анализ литературных оведений о процеооах формирования ВОВ в почвах таежных акооиотем, рассмотрены особенное ти их киолошых и комплекоообразующих овойств.Отмечено, что, находящиеся в ооотеве ВОВ поверхноотно-активные вещеотва (даже при незначительной концентрации) существенно наменяют поверхноотное натяжение на границе раздела фаз, заметно улучшая смачиваемость гидрофобных соединений почвы (З.Р.Вильямо, 1929; И.В.Тюрин, 1937; 1944; М.Н.Кононова, 1953; И.С.Кауричев, I960; 1965; В.В.Пономарева, 1964; М.В.Хлебншова и С.Н.Алевшн, 1972; А.Д.Фокин, 1975; Д.С.Орлов, 1974, 1988; С.Н.Алешин, 1978; В.И.Савич, 1982; Coul-■onC,, Daviee R.a.Lewie D., 1960; Haider К., Martin J.P., 1975; Sohnltzer M.,KhanS., 1978; fforak »., 1984; Kuitera A., Bemieman С.Л.,/198?; Kttmade K., _1988)¿

: : Показано, что эффективное и рациональное изучение генезиоа, а также йиогеохимичеоких функций ВОВ- в принципе возможно только

на основе системного подхода. Впервые такой матодологический принцип применил И.С.Кауричев (1ЭБ5). В последующем это направление уопешно развивалоаь А.Д.Фокиным (1975, 1986), А.И.Карпу-хшш (198§, 1990) и И.М.Яшиным (1993) и др.

Плодотворной основой для понимания экологии ВОВ служат также новые положения, разработанные Д.С.Орловым (1988, 1990) по теории гумификации, биогеохимические принципы и правила гумусообра-зования, а также концепция Г.В.Добровольского о соавт. (1988) об экологических функциях почв.

Критический анализ работ ведущих отечественных и зарубежных исоледователэй основывается на ооботвенном понимании проблемы ВОВ, которые играют уникальную роль в биосфере Земли, являясь характерным связующим звеном в передаче вешеств и энергии между сосуществующими группами живых организмов. С помощью ВОВ в почвах, по-видимому, такие поддерживается своеобразное динамическое равновесие углэродоодержащих соединений, которые находятоя в различных состояниях, что оледует учитывать, например, при изученир вклада ВОВ в гумусовый балано почв агроландшафтов:

Гтатоовна вещества » ВОВ (жидкая Фаза почв) ("твердая фаза по""'

Своеобразную роль в этих продаооах играют металлорганичеокие комплексы (И.С.Кауричев, 1965; Д.С.Орлов, 1974; А.Д.Оокин, 1975; В.И.Савич, 1977; М.ЗоЬпДЛаег, 1988), формирующиеся в процессе мобилизации ионов металлов из нативных и антропогенных соединений при участии ВОВ.

С0г, СН4 и другие газы (газообразная фаза)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ . - 4

I. Лабораторные исследования

1. Использование метода гель-хроматографии при изучении , • водорастворимых продуктов взаимодействия растворов ; : фульвокиолот о гидрогелем Рв(он)3

Соединения желе за являются наиболее характерные среди тяпо-морфшх химических продуктов почв подзолиотого типа (Д.С.Орлов, 1988. 1990; С.В.Зонн,. 1982; А.Д.Фокин, 1986; В.Ф.Бабанин, 1986; 0.Н.В0ДЯЯЯЦКИ8, 1993; Brown в., Wood I.а., 1985; Sohnltxer M., Kodama H., 1975; Sohwertnann U., 1966 и Другие).Это обусловлено,, в частности, способностью хале за изменять валентность, об- ! разовыватьколлоидные оно темы о различны* знаком заряда и активно вотупать в реакции кошлексообразования о гумусовым ооеди-' нениями почв и ВОВ(И,С.Кауричев, 1961, 1965; В .В .Пономарева, " 1964 и др.). ' ■ ' " ■ ,

В лабораторных модельных опытах уотдаовлено.что при длительном (6 оуток) взаимодействия сшеяегоооацкавд ?в(он)3, имеющего больную удельную поверхность и положительный знак дзета-потенциала о водным раотвором <Ж, происходят сложные превращения как оо отороны ?«(он)3 - виоокодиопероного гидрофобного колло-■да, тек и оо стороны. ФК- гидрофильного поляэлектролята, склонного при увеличении концентрации органических веществ образовывать аоооциаты (мицеллы) мотвкул. В процесое сорбционного взаи-. модейотвия ухазанных соединений наблвдается модифицирование по- ; верхнооти чаотиц ?в(он)3 молекулами и ионами ФК, в результате чего минеральные коллоидные частида стабилизируются органическими вещеотвами и приобретают агрегативну» устойчивость. Одновременно наблюдается формирование водорастворимых устойчивых железо-

фульватных комплексов, которые на разрушаются при фильтрации че-<рвэ колонки как о ионообменндаи смолами, так и о гелями декотра-на оефадвко-0-^10 и 0--50 (табл. п и 2). ■ ' ' - Таблица 1. \

Результаты взаимодействия водного раствора ФК в отатичеоких ■' ^оловиях о'синтезированным гидрогелем ?е(он)3 в течение 6 оут

в„.т„. „„„-.¡До взаимодей-!Поелв вэаиш-|Сорбция ¡Мобилизовано ' Вариант опыта отвия фК + двйотвия ФК *фК. L„„ \

(раотвор ФК +{гидрогеля - j+ гидрогеля j?e(0H)

свежий гкдро-!Рв(0Н)3, МГ !Рв(он)3. ЫГ I . 3'| в раотвор

гель ?е(он)3 ! Бн !Сфк В | РН |«СК в| Í Сиох |из ^С0Н)3.

^раЬтв^раств^раотвораотв! ) л ' ■ >

Избыток. * • .'• ■ '

<в системе:.. ' :>* " '

«К ■ 2,35 79,2 2,75' 38,8 51,0 "'21,9 ; .

.. '2,15 251,0 . 2,83 -114,7 54,3 '9,1.' Г

Тв(0Н)3 - 2,46 79,2 3,20 Í5,1 .80,9, - .18,5 ! |

При этом гидрогель ,?в(он)3 оорбирует 51-8І/С. углерода ФК в | завиоимооти от соотношения в системе реагентов. Сорбцвонная ем-р . кость очинённого гидрогеля Ре (он)3 составляет 1,99-2, 43 г углерода ФК на I г минерального коллоида. ' •'. . ч; , ■.

Вейи^йн'ііюіяек^ляіяіас масо как ФК, так и наживных (синтезиро-в'еввіЬс)Гівл93оф^Іів'аівіа'Комплввоов- зависят от крнцентрации' ли- . .'гшдов." и'коііаЛіекоообразователя, а также рН раствора (табл 3). і ''^Ьівм^Шзьао^, что конституционные формы железа, находяшося- в *^лвкудйрных структурах ФК (выделенных препаративно из по' ®И) " "При 'гель-хроматографии существенно не трансформируются. Лишь Ъ,1% железа в составе таких ФК трансформировались в гидрооксокошлек- ■ оы и сорбировалиоь матрицей геля декотрана, образуя зону "хвоо-

тя" •. • ' • .''■■•■' ....,.'.'

- & —

- Таблица 2

Гель-хроматография водных растворов 4>К и железофульватных Комплексных ооединений на колонках с гелями декотрана Сефадекс " 0--10 и 0--50 (концентрация СфК 25 мг/мл, объем 2 мл)

В а р я.а н т о п ы та (рН среды)

(геля )ЦИИ 1 {

-1—-

ММ

I

Фульвоооединения (ФС), не очищенные на катионите КУ-2 в Н+-форме:

рН 2,5 V" '' " ' • 0--Ю I 0,515 2; 51 320

рН 5,5 '-"'.г.// ; . м I 0,800 2,30 200

рН 8,0 '■• ' : к I 0,773 2,34 220

е--50 2 0,200 3,84 6900

Собственно ФК(рН 2,5) ' * " I . 0,266 3,75 5600

.Фульваты натрия (рН 8,0 . И ' X 0,200 3,84 6900

2 0,900 2,89 780

Очищенная на угле и катионите КУ-2 & -10 I .0,470 2,52 330

водоацетоновая фракция Ж (рНИ0Х2,9) \ 4 2 0,100 3,95 8900

& -50 3 1,100 2,60 500

Водорастворимые желеаофулыватные комплексы

рН 2.8 .

(маооа Сжтс 25,0 мг/мл; -

К3«51 «/2л)

& -30 I 0,330 " 2 0,566.

3,66 4600 3,34 2200

. Таким образом, использование колоночной распределительной гель-хроматографии весьма аффективно при выделении из состава групп ВОВ различных форм металлов.

; Выоказанное ранее положение (Д.С.Орлов с сотр., 1989) о возможном участии гидратированных ионов Ре (Ш) в процессах асооци-

- . Таблида 3 •

Распределение металлов по {»акциям (мг/мл) ФК и синтезированных водорастворимых жвлезофульватных /комплексов при систематизированной.гель-хроматограбии (содержание металлов определяли после

. разрушения ФК 20? раствором Н^)' V

Вари ант: они та

рН растворов { ^

!исход-}фильт-| Рв гний ;ратов i

и

2+ ! ! !

2а

2+ Ч ! !

Си

2+ ! ! I

Исходный водный раствор ФК по С .. (Со = 25 мг/мл, V « 20 мл, золь- 2,1 вость - 0,32?) '

■-Синтезированные водорастворимые хале зофульватные комплексы (масса ФК - 2,83 по С - 25,0 мг) : . ■ . : '

.■ Фракционирование. водорастворимых ' железофульватных кошлексов при • рНисх 2,83 (фракции после разде-

лелия на гелях:;

б- -10

и ." ...

а-50

(1-я) (2~я)

Й (5-я)

2,83,

Всего во фрак- - •■'■'"-'

•циях - ;. ... ',.•:;

Фракционирование водорастворимых -хелезоФульватных кошлексов при ■ РНисх 4,5 (фракции после разделе-

ния на гелях):

& -Ю

, Щ

е--50

1-я (2-я (1-я 4-я (5^я

4,5;

'Всего во фракциях

6,0

0,035 ■1,8'10"?-.'8,1г10~о.'1,4-Х0~* 5,7*10

-5

0,510 0;015 0,071

4,5 3,9 6,0. 5,2 4,5

0,120 0,033 ' 0,020 0,064 0,052

5,0*10" : . нет .

и

3,0*10" 2,0*10"

0.289 0.010 . 56,7. 66,7

0,023 .5,2*10" 1,4*10" 0,013 0,013

0.053

74,6...

0,069

0,024 6,2*10" .2,4*10" 0,013 0,013.

0.057 ' 82,6 .

0,037 '

8,0*10"? .3,2*10-? .1,0*10^ V 3,0*10"^ 5,0*10

о.о2о . -:

. 54,1 ■

1:85

22 ■

10"

6,0 0,095 не.опр. •

6,5 0,034. ■ " / .5,4*10~? 6;2*10"3 ______,

3,5 0,018 " 2,6* КГ* 3,8*10"о 1,0*10"^

-- •»п.тп-^. е.П.Ю-4 I 8'Ю"3 3 0-Ю"3

5,2*10^ ,3,4*10-?

Г п. тл-0

3,0*10"

0Л21

37,5

йШ

56,5 43,2

.Лрямечашзз: чнг!**»** -концентрация металлов.з расгворе;;анаманатель - % к исходному содержанию

6,0*10"

• ОхШ 43,7

о Г

ации молекул органических веществ (входящих в состав природных ФК) нашло экспериментальное обоснование (табл. 2): при рН 2,5 ММ фульвокиолот (диагностирована одна фракция) составляет 5600; при-рН 8 выделены 2 фракции о ММ 6900 и 780, а ММ новообразованных железофульватных комплексов (выделены 2 фракции на геле декотра-на &'-50) ооставляют 4600 и 2200.

Реакции комплекоообразования водных растворов ФК о мобилизо-вэднши из гидрогеля ?е(он)д ионами железа наряду с возможной перегруппировкой их структур сопровождаются рН-эффектом и частичным гидролизом новообразованных кошлекоов (Д.С.Орлов, 1990; ЗоЬп^гег К., 1988).

Результаты радиовегетационного опыта показали, что в присутствии водорастворимых железофульватных кошлекоов усвоение про-роотками кукурузы меченного фосфора из водной среды в вариантах - опыта и в контроле (вода + меченный фоофор) было практически одинаковым: соответственно 59,8 и 65,2$С. По распределению и накоплению меченного фосфора вегетативные органы растений можно расположить в следующэм порядке: корни > лиотья > 'отебли > старые зерновки. Часть меченного фосфора (16,1-17,450 не уовая-вается растениями, что связано, очевидно, о образованием малодоступных (труднорастворимых) фоофатов железа.

'.'/". II..'ПОЛЕВЫЕ (СТАЦИОНАРНЫЕ) НАБДВДШШ'

1. №учение трансформации растительных остатков (тотально меченных изотопом 14б) в дерново-подзолиотой почве о использованием метода оорбционных лизиметров .

Комплексные, исследования процессов трансформации растительных оотатков (меченных ^С) в подзолистых почвах были осуществ-

. ■ • : /Таблица 4

Распределение, изотопа по новообразованным группам ВОВ . • (числитель-- активность материала; распад/мин; знаменатель -% оуммарной активности ВОВ) при трансформации растительных оотатков ячменя в сорбционных лизиметрах-(II.10.91-2.6.92 г.)

(Отационар.в учхозе "Михайловское" ТСХА) '

¡Активность групп ВОВ в элюатах}Суммарная '[Активность жид-" о активированного угля> а„тивноот- ких новообразо-,-!-:-|КТИВНООТЬ¡ванных продуктов'

: |водоацатонсвый j водоаммиачныйГБ0В, . {н^активности"

I 38І0±І9І 1200^51 . 5030 І»8Ідр,І

75,8лр,4 24,2±1,2 • : 100 .

2 15 636±469 3922±196 19 558 ; .3,52^,2

80,0*2,4. 20,0±1,0 . 100

3 17 966±539 . ; 9386±282 27 352 .. 3,29^0,2

65,7±2,0 34,3±1,0 100.

4 20 0I8i60I 15 132*451. 35 150 3,16*0,3

57,0±1,7 . 43,0jl.3 ■ 100

Примечание:.. Активность в элюатах определяли жидкоотно- ( ; . оцинтилляционным методом на бета-спектрометре : " , "ЛаокЪв*»" (модель 1219 фирмы "ІХВ" ЧГаІІао, . -

.Финляндия). Ошибка измерения - до 3-5^ при до- • ' верительном интервале 99£. ') ' ■; .

' ' ".' ■ ■■■ • ' •■■■.'•'"'' ! ■" ^ .'.'..) :]"'■■': лены А.Д.Сокиным (1975, 1986). В пооледние: годы'В.В.Вилья|ую! <1965), И.С.Кауричев о сотр. (1969, 1973), Б.А.Рыбакова (1969); В.А.Черников (1984), Д.С.Орлов<(1990) и; др. выполнили интерео- . ный'йикл работ по изучению состава-и свойств ©С, которые можно -выделить из почвы, используя методы И.В.Тюрина (1960) и. ».Рог-ву«і (1947). - / ^. =;

. Разработки.указанных-выше авторов веоыла актуальны в мето-

Таблица' 5

Молекулярно-массовое распределение по фракциям ВОВ, выделенных при гель-хроматографии на гелях декотрана Сефадеко '.-•'•'., Gr-Ю (I-3-я фракции) и G--50 (4-я и 5-я фракции) .

• - —---' ■ |---1--|-—-

Фракция 1 Те, мл ! . к4 | МЫ | С, %

. Индивидуальная группа*^ ВОВ I • _ 22 0 > 700 41,2*3,3

' : 2 '29 0,35 '.- 410 29,4*2,7

; 3 *41 0,66 260 29,4*2,8

4 20 • 0,0| 8400 5,9*0,2

л 5 44 0,79 1060 - 35,3*2,8

Специфическая группа BOB ($К) : I 22 О > 700 44,1*4,0

•;. 2 32 • 0,50 320 25,7*3,5

'З ■ ■ 36 У 0,70 . : . 240 .. 30,2*3;7 • • 4 ' 20 ' 0,06 8400 15.3*1,4

■ ' 5 46 0,85 910 ' 28,8*2,4 •

* Ifcynnu ВОВ выделены по* ».yorsyth (1947)

дологическом отношении,-поскольку еоть и иная точка зрения: w. Flalg (1971), например, очитает СК искусственными продуктами кислотного или щзлочного гидролиза гумусовых ведаотв почв'. Таким образом, проблема генезиса нативных ФК требует дальнейшего : экспериментального обоснования» В полевых опытах установлено, что в ооенне-ранневесенний период, напримзр, в лесных почвах юго-запада Подмосковья наблюдается активная минерализация органогенного оуботрата (56-63^ исходной массы), а в составе ново-

• образованных ВОВ преобладают главным образом индивидуальные органические соединения.(57-60* С0<3щ>ВОВ)р которые интенсивно ути-лязируются почвенной биотой (табл.*4). Одновременно происходит отбор, образование и накопление термодинамически устойчивых органических соединений, в частнооти, полифенольных кошонентов. и фульвокислот (ФК). Шдявидуальная и специфическая группы ВОВ; генетически взаимосвязаны. При этом нативные ФК в почвах подзолистого типа формируются как при абиогенной миграции ВОВ в почвенном профиле, так и при взаимодействии мобилизованных в раот-вор ионов металлов (кальция и явлеза) о кошонентами ВОВ киолот-ной природы. • ' ' 1 ■ . V ' V '.

Характерно, что ВОВ, формирующиеся на начальном этапе прев- -рашзняя растительных остатков в поверхностных горизонтах почв, i отличаются гетерогенным молекулярно-массовым (ММ) составом • • (табл. 5). В группе индивидуальных органичеоких веществ доля j

компонентов с ММ менее 1000 составляет порядка 56$, а вопецифи-ческой - 85^ С0(5щ> данной грзппы ВОВ; . ,

2. Особенности абиогенной миграции ВОВ в почвах ' :;

подзолистого типа шной и средней тайги

Систематически мобилизующиеся в раотвор из растительного опала, лесных подстилок в виде корневых выделений и др. хошо-ненты ВОВ претерпевают самые разнообразные превращения: активно минерализуются до С02» HgO и минеральных солей, учаотаувт в реакциях мобилизации ионов металлов и формировании устойчивых ор-гано-мявзральных комплексов (и гетерополярных оолей типа CaC¿04)¿ поглопвются биотой, претерпевают перегруппировку молекулярных структур, мигрируют в почвенно-гео химическом пространстве (В.В. Пономарева, I9S4; А.Д.Кашанокий, 1972; Н.Ф.Ганхара, 1973;.Л.Н.

Александрова, 1980;. Е.Д.Нлкитин, 1977). , .

Темп и масштаб сезонной мобилизации ВОВ, а также последующая их автогенная миграция определяются совокупностью ректоров, в частности:возрастая и парцеллярной структурой'биогеоценозов, запасами и ооставом подстилок (и опада),. генезисом почв, структурой почвенного покрова и др.; Установлено, например, что в подзоне средней'тайги (Няндомский стационар) из гор. А™ подзолистой почвы в "окне" между деревьями мигрирует 7-24 г/м2 х год-1 углерода ВОВ, из-под развитой моховой кочки - 35, а под кроной ели - 37г/м2. . ' V■'■

.'В почвах подзоны шной тайги абиогенный поток несколько меньшвчкак вследствие более активной сорбция минералами почвы, , так'и иэ-за более интенсивной утилизации микроорганизмами (табли ва 6). ... . , ';■■• :: ■. . ■

, Выполненные исследования показали,. что выноо ВОВ в почьах . целесообразно- изучать в пределах "поля мл грации", предо тавляющее ообой пространство и совокупность абиогенных потоков ВОВ в пределах конкретного.таежного биогеоценоза. Такой подход позволяет выявить специфику миграции ВОВ.в пределах элэментарных почвенных ареалов, что веоьма актуально при изучении структуры почвенного покрова. • I .'■'■•'•

; ;У. ' Состав ВОВ в^известной маре зависит от отепени наовденности , почв ¡ щелочноземельными, основаниями: врегяоне "Каргопольокой су-ши"ореди ВОВ идентифицированы главным образом специфические продукты,' а из раотительного опада подзолистых почв в раствор мобилизуются преимущественно У индивидуальные органические компоненты, ' количество которых резко снижается в ле тний п ериод и з-за минерализации.. . ..-"'.' '

J

' . ' . Таблица 6

Состав и масштаб вертикальной нисходящей миграции ВОВ в почвах ' парцелл лесного биогеоценоза подзоны южной тайги (стационар в учхозе "Михайловокое" Московской облаоти: 11 оентября 1991 г.

• .- 21 мая 1992 г.) • ••:'•

Т

Горизонт и глубина установки колонок,

см

Общий вынос С ВОВ, г/м2 ,

С ВОВ, г/м2

1 •-

| Вынос С

С ВОВ ,Сорб-_____ неопе- ¡ция

їв водо-¡в амми-. І вов по Ж" ¡Е*®

Іацето- Іачном І оорбции 0Кіис і110?-.

вилиті 'гяшм, "

(ш!п-тах)*х І 1 !

: !

!новом Ізлюате

элттв !

1 І

на

г/м2.

іорга- |вой, % , ¡ничео- і к посік их вє-іТуПИВ-іщеога, ішей'

, робщ . Iма00®

1 ВОВ '

г

Почва-

1 Разр. 16. Молодой ельник - мертвопокровный у • сильноподзолистая среднесуглиниотая на покровных отложения^ 17,5-31,3(19,2) 8,7*2,7 1,4*0,6 9,1*3,1 г 86,1 19,4-40,7(21,2) 3,1^0,7 1,2±0,316.9±5,4 72,1 4,3-8,8(6,2) 3,3^0,9 1,6*0,5 1,3*0,4 67,3 70,8

V2

А 2-21 ¿2^-44

Разр. 17. Осоково-моховая западина \

Почва - среднеподзолистая среднесуглиниотая глееватая на покровных

. отложениях . . . ,

14,Г-27,2(17,2)2.0^.3 1,3*Р,4 13,9*4,7 60,6 ' ; ' - .

7,6-18,5(10,7) 1,9*0,4 2,1^,5 6,7*1,5 47,5 37,8 >

4,1-9,8(6,8) 3,2*0,8 I,ад,4 3,4*0,9 . 72,7 36,4 \

13,2-25,4(15,1) 5,3*1,6 0,7*0,2 9,1*2,9 88,3

і т_4

Д

А1-9 А2Вв-43

Разр. 15. Под кроной зрелой ели Почва - сильноподзолистая ореднеоуглиниотая на покровных отлоивииях 9,3-21,5(13,2) 2,7^0,9 1.4*р,4 9,1*3,0 65,9 -5,9-16,7(9,1) 1,5*0,4 1,6^,4 6,0*2,1 48,4 31,1 А2В-46 4,4-15,6(7,0 ) 2,0*р,6 0,8*0,2 4,2*0,7 ; .71,4 23,1

V2

А2-18

разр. 18. Смешанный лео (разнотравный) в 220 м от разр. 15

Почва - дерново-лодзолиствя среднеоуглиниотая на покровных

отложениях

не опр. не onp.II,9*2,9 не опр. , - 3,5*0,6 ; .- 70,6

■ -" ". 4,2*0,8 ..

- - 2,4*0,6 - ' 42,9

АоТ1 А^-18 А2-24 А2В-34

9.3-20,6(11,9)

2.4-7,6(3,5) 2,8-8,9(4,2) 1,4-4,4(2,4)

3. Диагностика продуктов разложения Ca(Mg)cOg • фосфорита и фосфогипса в почвах подзолистого . , • ' типа, о,помощью метода оорбционных лизиметров i

В качестве модельных.препаратов нами выбраны широко используемые в земледелии такие средства химической мелиорации почв как тонкодиоперсные порошки доломита, фосфорита и.фосфогипса.

Несмотря на определенные успехи в изучении процессов трансформации .известковых мелиорантов необходимо отметить, что ключевые звенья проблемы (мобилизация ионов Са2+ в раствор, формы . их миграции в почвах и др.) остаются олабо освещенными. Это связано, .очевидно, как о недостаточной изученностью биохимических функций ВОВ в биосфера Земли, тек,и о. известным положением о химичеокой активности Н2С03 (Е.И.Шилова, 1957, 1967, 1988).

, Анализ работ по проблеме ВОВ, выполненных в последние годы, показывает,' что.ВОВ являютоя более сильными киолото- и комплек-сообразующими агентами в сравнении о угольной кислотой, анион которой, например о Са2+, образует олабодиссоциирушее соединение- CaCOg (В.И.Савич о сотр., 1981).

По даннда О.К.Янатьевой (1955, 1956) Н2С03 мобилизует издо-лоыита 9-13 мг/л Са2+, а природные кошоненты ВОВ в несколько , раз больше (табл. 6-8). По сведениям И.М.Явина (1991) СК более

активно мобилизуют ионы Са2+ из доломита, если находятся в раст-. воре в ионно-молекулярном ооотоянии,;хотя комплексообразующая . способность выше у аосоциатов молекул ФК.

? , В натурных опытах-уотановлено, что при доминировании в соо-■. таве ВОВ фульвокиолот.(гор. А1, А2 и процесоы мобилизации ; ионов Са2+ из мелиорантов; и их последуюиря миграция протекают более активно в сравнении о аналогичными процессами, в гор. Ад

- 16 •-

... Таблица 7

Форма и масштаб мобилизации ионов Са2+ из порошка доломита в профиле дерново-подзолистой почвы (стационар "Михайловокое" . ТСХД; вырубка, разрез в; наблюдения о 29,8.90 по 30.7.91 гг.)

глубина уота-1 ' ■ I- мг»л - ¡в.приемниках ли- ¡Са4+ новки сорб- 1в ппиам-1—т-^гтг- зиметрических вод из ме-

ционных ли- - Л О КУ-2 -Г. ■ „„о-. лиоран-

•зшетров, ом |РМ.«| |Н+-фориа | мг | 'та.**

А0А-1 ~ 3 1.7, 10,8 4,4 18,4 97,9 0,13

А1 - 18 1,4 37,4 22,0 " 52,4 96,0 0,37

кг - 25 1,8 46,2 . 43,1 83,2 ■ 95,1 0,58

- 33 1,4 24,8 20,4 34,7 ' 94,6 ,0,25

*КМ0Й - коэффициент мобилизации характеризует соотношение масс ионов Са2* (г), мобилизованных в раотвор из опытного образца Са(Мв)оо^ к его иоходной массе (г) и умножен-' - ный на 100. ' '••'_.•• • ■ '

(зоне формирования ВОВ), где .возможно образование осадков типа

СаС204. . ' :' ., "..'■-..' . /У ;' '\*\> " .V..

Жюнно потому, что ионы Са2* образуют о полидентатнши лй-гандами (главным образом, ФК) (табл. 8) водорастворимые (мобильные) кальций-органические комплекоы'(Н.и Ланов и В.И.Савич,1981) устойчивые при рН> .7, ; эти продукты почвообразования - как отмечено в полевых опытах - олабо сорбируются такими поглотителями как активированный уголь и катионит КУ-2 в Н* форме. В олабокво-лой среде основная их маооа при сорбционно-десорбционных взаимодействиях, очевидно, разрушается и вытеоняется из фазы оорб- .. ции минералов почв и оорбентов более прочными железоорганически— ми комплексами, типичными для изучаемых почв таежной зоны.

Таблица 8

Форма и маоптаб мобилизации ионов Са^+ из доломита, фосфорита и фосфогипса, локализованных в оорбционннх лизиметрах год лесной подотилкой (стационар "Михайловокое"; наблюдения о 28.9.91 по 12.5.92 гг.)

Вариант опыта{ Са*+, мг-л

.„_„л_„„_„ч'.в приемниках',в водо-ацето-'в аммиачном (трансформация мелиоранта), * вод ¡новом элюате элюете

I I О угля I о угля

Контроль: колонки о активированным углем - под кроной ели, - на вырубке 2,5/43,1*^ 4,8/39,3 0,9 3,1 А4 4,3

Доломит: - под кроной ели, - на вырубке 53,4/86,7 14,3/77,3 2,7 1.2 5,5 3,0

ФооФооит: - под кроной ели, - на вырубка . 44,1/86,8 18,3/81,7 2.1 0,8 4,6 3,3

фоофогипо: - под кроной ели, - на вырубке 80,9/89,4 12,0/72,3 3,7 1.7 5,9 2,9

В знаменателе - % от Са„2.

В специальных натурных опытах на стационаре учхоза "Михай-ловсков" установлено, что при трансформации доломита (гор. А0) образуется 14,1% кальцийорганических комплексов, при совмеотном превращении гидрогелей гуминовых кислот и доломита (в сорбцион-ных лизиметрах) - 58,6%, а в природных почвенно-грунтовых водах ельника разнотравного диагностировано 8.655 от .

Масштаб мобилизации-ионов Са^+ из доломита и фосфорита, ло-

. калиэованных в оорбционных лизиметрах под гор. А™ подзояиотой почвы (Няндомский отационар) составляет, соответственно 0,60$ я 0,58$; в гор. А2 величина К,^ достигает 0,74$ для доломита (т.е. 740 мг Са2+ на 100 г мелиоранта). : '

4. Водорастеоримые органические вешеотва как йактор * . геохимической миграции тяжелых металлов

Содержание и формы миграции токсикантов (тяжелых металлов > •', я др.) в природных водах Земного шара супвотвенно зависят от загрязнения ландшафтов;(почвенного покрова и т.д.) отходами промышленных предприятий.(И.Г.Ваявнин с сотр., 1980; П.В.аипатьёвокий*; о соавт., 1990; Г.М.Варпвл о ооавт. , 1992; В.А.Черников и В.А. , Кончиц, 1988; А.Д.Фокин, 1992;-Ьопв »., з0Ьп1гввг м., 1956). ; .

Химические продукты, включающие тяжелые металлы, накапливаются в экооистемах и наиболее активно трансформируются в таежной зоне, где формируются и систематячески мигрируют злачитель-ные масоы ВОВ (А.Д.Кашанскяй; 1972; М.В.Базилинская, 1974).

Показано, что в ооставе ВОВ поверхностных вод ландшафтов : оредней я северной тайги (реки Няменьга, .Онега я Сев. Двина) преобладают фульвоооединеняяи содержится значительное колячвот-. во индивидуальных органичеоких веществ. При атом на I мг ВОВ, находящихся в водах р.Сев.Двины (аллювиальная зона дельты), приходится 2,5-КГ2 мг железа, 1,9-Ю"3 мг меди, Э.З'Ю-4 мг свинца и 9,2'Ю-4-мг кадмия. .- •.

При характеристике миграции некоторых типоморфкых и тяжелых \ металлов в почвенно-геохимических ландшафтах изучены не 'только их концентрации, но и соотношение масс в жидкой и твердой (клерки элементов, $) фазах (А.И.Перельман, 1975). Например, в водах р. Нименьги, протекающай ореди болотных шооивов (Няндомский

отационар), концентрацияипи Cd составляет соответственно 4,2 и 0,04 мг/л. Однако более.активным мигрантом является Cd , величина-, КуИГ которого составляет 5'103 , а Мп - 42. Установлены ряды величин, миграции K^y Cd , Ып , Cu , РЪ.и Fe применительно к поверхностным водам подзон средней и северной тайги (реки Ни-меньга, Онега¿ Сев. Двина):С4(460~78*1Ср) > Cu (3-97) » Mn (2-80) > РЬ (2-63) » Ув (0,4-2,5).

' ' ВЫВОДЫ'

.. - ' 1. ВОВ отличаются ярко выраязнными-кислотными и комплекоооб-разуицими овойотвама, гетерогенным молекулярно-массовым составом и способностью к ассоциации в водных растворах при участии ионов металлов (Са2+ и Fe3"*;). - "

2. С помощью методов радиоактивных индикаторов и сорбцион-ных лизиметров установлены количественные закономерности формирования групп-ВОВ на начальном этапе трансформации растительных остатков, тотально меченных изотопом Показано, в частности, что в осенне-весенний период масштаб мобилизации ВОВ составляет .1,8-3,при этом образуются преимущественно индивидуальные ор-' ганичеокие вещества (?7-80/К С0(3щ>ВОВ).'В то же время происходит накопление термодинамически устойчивых органических продуктов -фульвоооединений преимущэственно о низкими молекулярными массами. ■

3.;Новообразованные группы ВОВ имеют в основном низкомолекулярный состав (Ш менее 1000) : в rpjime индивидуальных компонентов на их долю приходится 58í, а в специфической -ч85£. Рассматриваемые органические соединения генетически взаимосвязаны, а проводимое разделение, в определенной мере, условно.

- 4. Изучен процесс взаимодействия препаратов гидрогеля гадро-ксида железа (осадка) с водным раствором ФК. Установлена его

отадчйнорть, характеризующаяся активной оорбцией органичеоких лигендов минвральнма коллоидом (51-81^ Сойщ<ФЮ, мобилиаацввй в раотвор ионов железа (9-22?6) и формированием, в чаотности. водо-ра о творимых устойчивых железофульватных комплексов.

5. Показано, что новообразованные железофульватные комплексы имеют неоднородный молекулярно-массовый состав (при рН 2,8 диагностировано 2 фракции о ММ 2200 и 4600). 4

6. В специальных радиовегетационных опытах (метод водных культур) усыновлено, что синтезированные на основе коллоидно-химического.подхода железофульватныекомплексы не оказывают не- . благоприятного влияния на поступление фоофора, меченного изотопом 32Р, в проростки кукурузы. По накоплению меченного ^ вегетативные органы растений располагаются в оледующзм порядке: корни ' > листья > стебли > отарые зерновки. .-'V ;

7. В лабораторных и натурных опытах уотеновлено.чтовэаимо-дейотвие водных растворов Ж о тонкодисперсными химическими мелиорантами (доломитом, фосфоритом и фоофогшсом) сопровождается

чактивной сорбцией ФК (емкость поглощения, например доломита, .составляет 2,9-5,0 мг углерода ФК на 1 г мелиоранта), мобилизацией в раствор ионов Са2+ (7-63 мг/л) и формированием при рН > 7 каль-цийфульватных комплексов, которые неустойчивы в кислом интервале

рн. -

8. В натурных опытах, проводившихся в почвах подзолистого типа на стационарах в шной и средней тайге о использованием метода сорбционных лизиметров,: установлено, что наиболее интеноив-. но мобилизация и вынос Са2+ из мелиорантов происходят в гор.А2, где среди ВОВ преобладают фульвосоединения: ^¿варьирует соответственно от. 0,58 до 0,74/С. , * . ■ " - - , '.

9. С помощью метода сорбционных лизиметров исследованы мао-

■ '-1: • ' "'V - 23 - . V. 1

' штаб вертикальной нисходящей миграции ВОВ и их состав в подзолистых и дерково-подзолиотых почвах таежных биогеоценозов. Уста' * - " ' * *рп

новлено,-что в подзоне оредней тайги, например, из гор. вы. нос ооотавляет 7-37 г/м2 х год-1 и оуврственно зависит от место.. положения установки колонок (под кроной дерева, в "окне" между '. деревьями и т.д.), а в шной тайге в среднем этот параметр нео. колько меньше, что связано о более активной минерализацией новообразованных ВОВ.

, Ю. Обосновано-положение об абиогенном "поле миграции", пред-отавляицее" ообой пространство ЭПА и совокупность абиогенных потоков ВОВ в пределах конкретных парцелл таежного биогеоценоза. • II. Предложены критерии оценки абиотической составляющей био- геохимических функций ВОВ в таежных ландшафтах, в основу кото-• рой положено оистемное изучение и характеристика процессов мо; билизации; трансформации и миграции ряда элешнтов при взаимо- < '/.действии в натурной обстановке труднораотворимых химических продуктов о компонентами ВОВ. . . ,

'-:- - • . ; 1иуод)41Ртичнжиз РЕСОХСЙЩЦИИ

1. Разработан и рекомендуется прием изучения продуктов транс-•: формации различных органогенных субстратов, основанный на оис-

, темном подходе - использовании методов сорбционных лизиметров,: /радиоактивных индикаторов.и гель-хроматографии.

2. При организации мониторинга за' состоянием и уровнем загрязненности почв различных ландавфтов.тяжелы^ и вны-, ми токсикантами рекомендуется-комплексное использование метода

■ сорбционных лизиметров (в натурных опытах) и различных видов Х- хроматографии (в лабораторных экспериментах). С помощью приемов

оорбции и фракционирования осуществляются эффектияаме ■оиэрацм «о концентрированию, разделению и диагностике иоследуемызс вещеотв.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО Ш1Е ДИССЕРТАЦИИ

1. Яшин И.М„ Кауричев И.С., Нмадзуру И. - Абиогенные поля миграции водораотворимых органических вещеотв в лесных биогеоценозах // Извеотия ТСХА, 1933, вып. I, о. 41-55. ,

2. Яшин И.М., Нмадзуру И., Шеотаков В.И. - Оообеннооти фор- , мирования водораотворимых органических веиеотв в подзолистых . почвах и их роль в абиогенной миграции тшоморфных ¿лемеитов. // Известия ТСХА, 1993, вып. 3, с. 126-142. ,

•3. Кауричев И.С., Яшин И.М., Нмадзуру И. - Использование метода сорбционннх лизиметров при исследовании биогеохшичеоких функций водораотворимых органических вещеотв подзолиотых почв." // Известия ТСХА, 1994,'вып. I, о. 124. , ,' С ; ■ ■ <

Объем 1 '/г п л

Тираж 100

Заказ 426

Типография 'Чосковскои с -х академии им К А Тимирязева и7550 Москва И ^50 Тимирязевская ул, 44