Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Коллоидно-высокомолекулярные системы солонцов Северного Казахстана

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Яцынин, Николай Леонидович, Алматы

ЮШСЯШШЯ АКАДЕМИЯ НАУК РШШГБЖКИ КАЗАХСТАН.

~ ¿Ал России ¡1

- от

КОЛЛОИДНО - БНСОКОМОЛЕЕОГЛНРВЫЕ СИСТЕМЫ СОЛОНЦОВ СКВЕРНОГО КАЗАХСТАНА

Специальность 03.00.27-почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Научный консультант: член-корреспондент НАН РК, доктор с.-х.наук,профессор Ахавов Пахан Уалыиерович

Алматы-1994

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................3

ГЛАВА I. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СОЛОНЦОВ И

ИХ ОКУЛЬТУРИВАНИЕ............................................................8

1. Абиотические факторы ......................................................8

1.1. Климат ......................................................................8

1.2. Рельеф,и геоморфология ..............................................10

1.3. Материнские породы ......................................................12

1.4. Гидрологический режим ................................................13

2. Биотические факторы ........................................................14

2.1. Растительность ..............................................................14

2.2. Микрофлора......................................................................16

2.3. Зоофауна.................................................................18

3. Антропогенный фактор .................................................18

4. Объекты исследований ....................................19

ГЛАВА П. ЙНТ|РРАГЕНЕЗИС КОЛЛОИДНО-ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ

СИСТЕМ .....................................................75

2.1. Формирование представлений о интеррагенезисе коллоидно-высокомолекулярных систем ....................75

2.2. Выделение и микроскопирование дисперсий КВС .. 100

2.3. Химический состав дисперсий коллоидно-высокомолекулярных систем .........................................119

2.3.1. Установление, соотношений между кристаллической и. высокомолекулярной частями в системе.. 119

2.3.2. Валовой химический состав дисперсий................129

2.3.3. Химический состав гумуса ВМС .........................139

2.4. Минералогический состав дисперсий КВС----.... 147

2.5. Элементные связи в коллоидно-высокомолекулярных системах...........................................157

2.6. Формулы высокомолекулярных соединений (ВМС)... 174 ГЛАВА Ш. СВОЙСТВА ДИСПЕРСИЙ..........................................................183

3.1. Седиментация и агрегативная устойчивость дисперсий .................................................183

3.2. Трансформация молекулярных масс ЭВМС дисперсий 207

3.3. Надмолекулярная структура КВС ................................219

3.4. Электрические свойства КВС ............................226

3.5. Физико-химическая поглотительная способность.. 250

3.6. Структурообразование .................................260

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ...................................................................................272

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................275

ВВЕ.ДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Работа посвящена изучению природы высокодисперсных фракций почв и, в основном, её молекулярной части, примере солонцов Северного Казахстана. В работе изначально выдвигается положение о интеррагенезисе (внутрипочвенном формировании) единых коллоидно-высокомолекулярных систем. Это вытекает из геологического анализа, который свидетельствует о том, что почвы возникают с образованием биосферы, т.е. жизни на Земле. Дисперсии почв проходят стадии лито~и педогенеза. Очевидно поэтому акад.Вернадский В.И. называл почвенный покров "Благородной ржавчиной" Земли, рассматривая в единой геосистеме - литосфере. Почвы это такой биологический объект биосферы, который осуществляет связь живой и неживой природы через интеррагенезис элемен-тоорганических высокомолекулярных соединений.

С экологических позиций, почвы формируются и эволюционируют, так же как и биологические объекты, под влиянием абиотических, биотических и антропогенных факторов. Формирование почв - это есть не что иное, как формирование дисперсий коллоидно-высокомолекулярных систем и в первую очередь синтез их элементооргани-ческих¿высокомолекулярных соединений. Исследование строения дие-персий, как единого коллоидно-полимерного комплекса позволит более объективно судить о эволюции почв и их трансформации в процессе использования в народном хозяйстве.

Долгие годы в почвоведении доминировало представление о ми-целлярном строении почвенных дисперсий. Механизмы многих процессов рассматривались с позиций взаимодействия минеральных, органических и органоминеральных коллоидных мицелл. Учение о мицел-лярном строении почвенных дисперсий дало огромный импульс разви-

тия почвоведения и отдельные положения не утратили своего значения до настоящего времени. Однако, даже в самом раннем развитии этого учения академик Глинка К.Д. на основе reoграфогенетического метода исследований солонцов показал невозможность объяснения генезиса интрозональных почв на мицеллярной теоретической основе. Противоречия в почвоведении и современный уровень -развития коллоидной, физической и высокомолекулярной химии побуждали ученых к новым исследованиям. Ощущалась необходимость внесения определенных коррективов в познание природы почвенных дисперсий.

Проводимые ранее изучения органического вещества и аморфного кремнезема методами деструкции обеспечили глубокие познания компонентности систем, но мицеллярный аналитический подход разъединял их единство. Для молекулярных веществ мицеллообразо-вание является фрагментотивным, фазовым состоянием дисперсий в определенном концентрационном и качественном соотношении с дисперсионной средой.

С помощью рентгенографических методов получены большие достижения в области изучения структуры почвенных минералов. Гораздо сложней обстоит дело с изучением рентгеноаморфных, молекулярных соединений, хотя, со временем, становится всё более очевидным, что многие биосферные функции почв зависят именно от них. Макромолекулы дисперсий взаимодействуют между собой и с внешними физическими» геохимическими, биохимическими, микробиологическими факторами, определяя свойства почв.

Цель исследований - изучить природу коллоидно-высокомолекулярных систем солонцов Северного Казахстана.

Задачи:

- на основе электронной микроскопии показать строение кол-

лоидно-высокомолекулярных систем, как единого коллоидно-полимерного комплекса;

- определить химический состав и молекулярную массу высокомолекулярных соединений (ВМС)^

- установить электрические свойства дисперсий КВС,

- выявить влияние ВМС на формирование почвенных структур;

- исследовать трансформацию ионного обмена дисперсий КВС.

Защищаемые положения:

- коллоидно-высокомолекулярные системы формируются в почвах как единый комплекс кристаллических и макромолекулярных веществ;

- макромолекулярные вещества представлены элементооргани-ческими соединениями с большой молекулярной массой, величина которой зависит от внутрипочвенной среды.

Научная новизна. На молекулярном уровне показано единство лито-педогенеза в биосфере и внутрипочвенное формирование высокомолекулярных элементоорганических соединений. Последний проявляют к коллоидальной кристаллической фазе защитные свойства, обуславливая высокую апрегатнвную устойчивость дисперсий солонцов в дисперсионной среде. Установлена специфика защитного действия высокомолекулярных веществ почвенных дисперсий в отличии от классических представлений в коллоидной химии» согласно которых на поверхности таких золей, как золото, серебро, рубин, железо, берлинская лазурь и др. адсорбируются инородные органические высокомолекулярные стабилизаторы такие как: желатин, гемоглобин, гуммиарабик, казеинат натрия, сапонин, яичный альбумин и др. Почвенные дисперсии представлены единым коллоидно-полимерным комплексом имеющим химически-родственную связь и переход из кристаллической фазы в аморфную. Показано, что агрегативная

устойчивость коллоидно-высокомолекулярной системы будет меняться от трансформации молекулярной части под влиянием ионно-обренных, синтезирующих или деструкционных процессов.

Предложено,с целью отражения различия в мицеллярном и макромоле кулярном строении почвенных дисперсий, оттенить (экспериментально-установленное) различие природы их электрического заряда, формулируя потенциал для мицелл, как электрокинетический» а для макромолекул, как ионногенный. Электрокинетический потенциал обусловлен двойным электрическим слоем коллоидных мицелл. Для ионогенного потенциала наличие двойного электрического слоя мицелл не обязательно, т.к. он главным образом формируется за счет ионогенных групп макромолекул.

Дополнены теоретические положения акад.Ребиндера П.А. о кон-денсационно-кристаллизационном и коагуляционном структурообразо-вании нововведенным положением о химико-координационном, обосновывая химические и координационные связи между высокомолекулярными оболочками кристаллических основ почвенных дисперсий.

Практическая значимость. Исследования по интеррагенезису коллоидно-высокомолекулярных систем позволили научно обосновать частичное сохранение отрицательных агрофизических свойств солонцов после проведения мелиоративных работ. Снижение содержания поглощенного натрия не приводит к полному устранению отрицательных свойств. Если принять все комплексные работы по улучшению солонцов в течении специального севооборота за мелиоративный цикл, то для полного окультуривания солонцов мелиоративный цикл, в большен-стве случаев, должен быть не один, что устанавливается, экспериментально для определенных почвенно-климатических условий и объясняется необходимостью трансформации структуры высокомолекулярных соединений.

Дано объяснение возможности снижения норм мелиорантов содержащих кальций. Приводится обоснование более эффективного использования солей поливалентных металлов и полимеров, мелиоративное свойство которых объясняется флокулирующим действием.

Показана целесообразность развития разработок по изготовлению почвенных мелиорантов на полиеилановой основе.

Апробация. Основные положения диссертации доложены на 1У Республиканской конференции почвоведов Казахстана (Алматы, 1987); на УШ Делегатском съезде Всесоюзного общества почвоведов (Новосибирск, 1989); на I Делегатском съезде почвоведов Казахстана (Алматы, 1990); на международном симпозиуме на тему:"Генезис и управление плодородием засоленных почв" (Волгоград, 1991); на координационных советах ВАСХНИД по проблемам генезиса и мелиорации солонцов (1980-1990 г.г.); на ученых советах Института почвоведения HAH FK (1980-1994 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 работ, из них 2 монографии.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и выводов. Изложена на §10 страницах машинописи, включая 60 таблиц и 44 рисунка.. Список литературы насчитывает 435 названий.

ГЛАВА I. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СОЛОНЦОВ И ИХ ОКУЛЬТУРИВАНИЕ

Интеррагенезис коллоидно-высокомолекулярных соединений изучался на примере солонцов Северного Казахстана в подзоне южных черноземов и темнокаштановых почв. Исследуемые солонцы привлекали своей изученностью и длительным периодом наблюдений за их трансформацией в процессе естественной эволюции и под влиянием мелиоративных приемов. Обработка мелиоративных технологий осуществлялась Л.Ф. Киеляковым (1972), А.Л.Аншуровым (1974).

В подзоне южных черноземов были взяты два стационара: в совхозе "Колос" Кокчетавской области и совхозе "Урюпинский" Акмолинской области.

На формирование солонцов» в основном влияют абиотические и биотические факторы, а в ряде случаев и антропогенные.

I. АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ:

1.1. Климат. Характеризуется как резко континентальный с жарким летом и суровой зимой (Григорьев, 1945; Утешев, 1952,1972; Чубуков, 1956, "Климат Казахстана, 1959;1 Вайдал, 1964; Федосеев А.П.).

Вторжение тропического воздуха из Средней Азии сопровождается пол

вышением температуры в летнее время до +40, + 42 С, средняя температура в июле + 20,3°С. В зимнее время холодный арктический воздух обусловливает устойчивые морозы с понижением температуры до - 49°С (табл.1). Средняя температура в январе - 17 С.

Весна и осень в Северном Казахстане короткие, что объясняется планетарной циркуляцией воздушных масс. Весной теплые массы воздуха вызывают резкое повышение температуры и бурное снеготаянье, с периодическим похолоданием и заморозками.

Осенью под влиянием арктического воздуха уже в конце августа и сентября наблюдаются заморозки.

Вегетационный период в исследуемых подзонах с температурой выше 5°С составляет 167 дней. Общая сумма тепла - 2620°. Атмосферных осадков выпадает 300-350 мм. Снежный покров неглубокий 20-25 ем. Для климата Северного Казахстана характерны сильные веуры со скоростью 5-10 м/сек.

Таблица X

Климат исследуемых подзон

Л - - ------ №№ 1 „„ . Показатели пп | Подзона ! южных Подзона 1 темнокашта-. - ЬййВШС-ППЧВ _

I. Среднегодовая температура воздуха °С ~ 1,1-2,4 1,7-3,4

2. Средняя температура января °С -17,3 -18,0

3. Средняя температура июля °С +19,0 •+20,0

4. Безморозный период (дней) 120-125 125-130

5. Сумма температур выше Ю°С 2250 2450

6. Сумма осадков за год (мм) 250-300 230-250

7. Сумма осадков за период с температурой выше Ю°С 150-180 140-160

8. Абсолютный минимум (-); максимум (.+) -48(+40) -49(+42)

9. Испаряемость за период с температурой выше |0°С (мм) 600-700 700-750

Клшат оказывает важную роль на формирование почв. Тепло солнечной энергии аккумулируется почвенным покровом и перераспределяется в зависимости от сезона года. Преобладание испарения над количеством осадков приводит к поднятию солей с грунтовыми водами. В холодный период происходит глубоко© промерзание и растрескивание. Межсезонная динамика увлажнения способствует периодическому

. - 10 -

засолению и опреснению почв. Такое воздействие, согласно теоретическим представлениям о гальмиролизе (Андреев,1956) вызывает наиболее интенсивное выветривание минералов.

1.2. Рельеф^й^геомо^фолория^ В соответствии с геоморфологическим разделением Казахстана орографической детализацией регионов (Берг, 1913; Герасимов,1940,1943,1947; Доскач,1960; Доскач и др.,I960; Сваричевекая,1961,1965), районы исследуемых стационаров относятся к южной части Западно-Сибирской низменности и абразионно-аккуму-лятивным и абразионно-денудационным равнинам Центрально-Казахстанского мелкосопочника.

В Юкной части Западно-Сибирской равнины геоморфологи1 выделяют следующие основные формы рельефа:

- гривы - невысокие (до 4 м.) и узкие (до 1,0 км.), как правило, вытянуты в северо-восточном направлении с протяженность© 7-10 км. Межгривные понижения составляют 5-7 км.

- древние долины стока в рельефе выражены слабо. Характерной чертой является большое количество озер.

- озерные котловины обычно удлиненной формы, достигая в ширине до 3-5 км.

- долины рек, в которых выделяются русло, пойма и надпойменные террасы.

В Центрально-Казахстанском мелкосооочнике основными формами рельефа являются:

- денудационные низкогорья в форме скалистых гряд с максимальной высотой до 800 м., вытянутых в меридианном направлении.

- мелкосопочник в виде волнистых и холмистых гряд. Мелкосо-почник в виде холмистых равнин или водоразделов.

- цокольно-денудационные равнины имеют увалисто-волнистые формы в отдельных случаях по формам схожими с мелкоеопочником.

- пластово-денудационные равнины с неглубокими замкнутыми понижениями западин и эрозионных блюдец.

- II -

- речные долины и озерные котловины.

Формирование современного рельефа районов исследования имеет сложную геологическую историю и детально рассматривается в трудах многих геологов» геоморфологов и почвоведов (Тихонович,1902; Орлов, 1930; Кассин,1931,1936,1947; Быков,1936; Волкова,1936; Павлов, 1936; Водорезов,1938; Старостина и др.,1941; Герасимов,1943,194?; Лавров, 1948; Доскач,1960; Сваричевекая,1961 и многие другие). На основе хронологического разделения истории земли,геологическую историю Северного Казахстана кратко можно сформулировать так:

- Протерозой - Палеозой (Силур) - территория покрыта морем. Под влиянием вулканической деятельности идет накопление вулканогенных отложений.

- Палеозой (Девон - нижний и средний) - происходит поднятие территории и обмеление моря, формируется горная часть суши.

- Палеозой (Дввон - верхний) - территория опускается, море формирует поверхность.

- Палеозой (Карбон) - море отступило, но поверхность в виде сырых низин.

- Палеозой (Пермь) - формируются пролювиальные, континентальные отложения и формирование поверхности.

Эра палеозоя сопровождалась накоплением метаморфических отложений в виде сланцев и кварцитов. Осадочных пород в виде яшмы, конгломератов; известняков, песчаников, глины. Магматические породы, представленные гранитами, диоритами, порфирами, порфиритами, туфоагломератами и мн.др.

- Мезозой. Характеризуется континентальными условиями формирования поверхности и формирования основных черт современного рельефа.

Эра мезозоя сопровождалась, за счет субтроитеского климата, интенсивным химическим выветриванием и формированием мощного пок-

рова коры выветривания.

- Кайнозой (Третичный). Наступление и отступление моря. Формирование современной гидрографической сети.

В третичный период происходит накопление морских и континен-

н

тальных отложений в виде различных глин, песча