Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Матричная организация почв и ее экологическое значение

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Зубкова, Татьяна Александровна

Введение

Глава 1. Объекты и методы исследования

1.1. Объекты

1.1.1. Почвы Московской области

1.1.2. Курская область

1.1.3. Краснодарский край, Белореченский район

1.1.4. Днепропетровская область

1.1.5. Дальний Восток

1.1.6. Ставропольский край

1.2. Объекты исследования каталитических свойств почв

1.3. Методологические подходы и методы исследования

1.4. Методы исследования

1.4.1. Определение КАП в реакции разложения Н

1.4.2. Устойчивость почвенных катализаторов и минералов к многократному использованию

1.4.3. КА в реакциях разложения ГПК и ГПТБ

1.4.4. Волюмометрические опыты

1.4.5. Каталитическая активность в реакции разложения мочевины

1.4.6. Определение спектра КЦ ПММ методами термодесорбции аммиака

1.4.7. Метод ДСК в почвенных исследованиях

1.4.8. Пористость агрегатов

1.4.9. Плотность твёрдой фазы агрегатов

1.4.10. Удельная поверхность по БЭТ

1.4.11. Механическая прочность агрегатов

1.4.12. Гранулометрический состав

1.4.13. Содержание углерода органических соединений почвы методом Тюрина

1.4.14. Обменные катионы по Бобко-Аскинази

1.4.15. Почвенная кислотность

1.4.16. Диализ

1.4.17. Содержание Ге, Мп

1.4.18. Общее содержание элементов

1.5. Методы исследования почв в полевых условиях

Глава 2. Почвенная матрица

2.1. Почва как гетерогенная система 2.2 . Почва как смесь

2.3. Матрица

2.4. Почвенная матрица

2.5. Активные центры почвенных минеральных матриц

2.5.1. Кислотные центры минеральной матрицы

2.5.2. Обработка почвы

2.5.3. Кислотные и основные центры ПММ

2.5.4. Кислотные центры ПММ

2.5.5. Спектр КЦ ПММ по активности

2.5.6. Средняя активность КЦ ПММ

2.6. Активные центры минеральной матрицы и свойства почвы

2.6.1. Активные центры ПММ и центры адсорбции воды

2.6.2. Кислотные центры и минералогический состав

2.6.3. Кислотные центры и кристаллохимические особенности минеральной матрицы

2.6.4. Кислотные центры и состав обменных катионов ПММ

2.7. Минеральная матрица — основа почвенной матрицы

2.7.1. КЦ ПММ и ЕКО почвы

2.7.2. pH минеральной матрицы и почвенная кислотность

2.7.3. Удельная поверхность ПММ и почвы

2.8. Спектр КЦ минеральной матрицы как оценка каталитической способности

2.9. Экологическая роль почвенной матрицы

Глава 3. Абиотическая каталитическая система почвы

3.1. Почвенные катализаторы

3.2. Абиотические катализаторы в почве

3.3. Окислительно-восстановительный катализ в почве

3.3.1. КА почв в разложении II2O

3.3.2. КА минералов, Fe-Mn новообразований, морфонов и кутан дерново-подзолистых почв

3.3.3. Устойчивость почвенных абиотических катализаторов в многократном использовании

3.3.4. Влияние карбонатов и бикарбонатов на КА почвы

3.4. К А почвы в реакциях разложения органических гидропероксидов

3.4.1. Радикальные каталитические реакции в почве

3.4.2. КА почвы и почвенных новообразований в разложении

3.4.3. КА почвы и почвенных новообразований в разложении ГПТБ

3.5. Кислотно-основной катализ в почве

3.6. Почвенные новообразования — катализаторы почвенных и почвообразовательных процессов

3.7. Экологическое значение каталитической способности почв

Глава 4. Формирование матричного гумуса — экологическая функция минеральной матрицы

4.1. Теоретические аспекты взаимодействия минеральной и органической матриц

4.2. Матричный гумус

4.2.1. Удельная поверхность, поверхностная концентрация матричного гумуса и минеральной матрицы

4.2.2. Физические свойства гумуса и гранулометрический состав почвы

4.2.3. Общее содержание гумуса и гранулометрический состав почв

4.2.4. Емкость катионного обмена почвы после последовательного отделения органического вещества

4.3. Органоминеральные структуры

4.4. Влияние гранулометрического состава на адсорбцию гумуса

4.5. Сравнительная оценка толщины слоя матричного гумуса для чернозёмных и подзолистых почв

4.6. О механизме формирования матричного гумуса

4.7. Экологическое значение органической и минералоорганической почвенных матриц

Глава 5. Матричная организация почвы

5.1. Почвенные структурные уровни

5.2. Почвенные агрегаты

5.3. Контактные взаимодействия

5.3.1. Структурные связи и контактные взаимодействия

5.3.2. Типы контактов

5.3.3. Цементирующие и клеящие вещества в почве

5.3.4. Условия проявления процессов склеивания, цементации в почве

5.4. Механическая прочность агрегатов

5.4.1. Количественная оценка энергетических признаков структуры

5.4.2. Механическая прочность агрегатов европейской части России

5.4.3. Механическая прочность агрегатов разных размеров как показатель адгезионной способности почвенной матрицы

5.4.4. Механическая прочность агрегатов после нескольких разломов — как отражение активности почвенной матрицы

5.4.5. Механическая прочность агрегатов разной формы после анатомирования»

5.4.6. Влияние влажности на механическую прочность агрегатов

5.4.7. Механическая прочность абсолютно-сухих агрегатов как отражение внутрипедных связей

5.5. Оценка межчастичного контактирования в почве

5.6. Прочность агрегатов и свойства минеральной матрицы

Глава 6. Экологическая роль матричной организации почвы

6.1. Структурная организация почвы - фактор устойчивости почвенной экосистемы

6.2. Устойчивость почвенной структуры

6.2.1. Устойчивость агрегатов — фактор стабильности почвенной макроструктуры

6.2.2. Пестрота как фактор устойчивости агрегатной структуры

6.2.3. Динамика свойств порового пространства как фактор устойчивости почвенной экосистемы

6.3. Матричная организация почвы и её экологическое значение

6.4. Активность почвенной матрицы как показатель экологических функций почвы

6.4.1. Абиотическая каталитическая способность — экологическая функция активных центров

6.4.2. Активные центры минеральной матрицы — основа матричного гумуса в почве

6.4.3. Активные центры матрицы — центры иммобилизации ферментов, адгезии микроорганизмов в почве

6.4.4. Неоднородность спектра активных центров минеральной матрицы — фактор устойчивости почвенной экосистемы

6.5. Размеры почвенной матрицы и её экологическое значение

6.6. Экологическая роль матрицы как ионнообменника, миграционной среды

6.7. Буферные свойства как функция почвенной матрицы Заключение

Молекулярное почвоведение

Матричная организация почв и её роль в молекулярном почвоведении

Молекулярные процессы в почвах Выводы

Введение Диссертация по биологии, на тему "Матричная организация почв и ее экологическое значение"

Актуальность. Одно из новых направлений в почвоведении - учение об экологических функциях почвы (Добровольский, Никитин, 1986; Карпачевский, 1993). Многие экологические функции почв, обусловленные такими её свойствами, как кислотность, обменная способность, влагоёмкость и пр., определяются гранулометрическим составом почв. При этом не вся почвенная масса играет одинаковую роль в проявлении экологических функций. Экологические проблемы, связанные с почвой, требуют от почвоведов новых подходов и оценки почв. Есть подходы к почве как геохимическому барьеру (Глазовская, 1988), как вновь возникающим почвоподобным телам — городские почвы (Строганова, 1998), как к мелиоративной толще (Зайдельман, 1987). Все эти подходы опираются на способность почвы взаимодействовать с растворами, растениями, с водой. Большинство почвенных процессов, связанных с указанными взаимодействиями происходят на поверхности почвенных частиц, или, точнее, на почвенной матрице. Поверхностные явления в почвенных и почвообразовательных процессах играют ведущую роль, поскольку с ними связаны основные свойства почв и взаимодействие твердых фаз с почвенными растворами и воздухом. Поверхность почвенных частиц обеспечивает питание растений, нейтрализацию токсичных веществ. Именно через поверхностные явления и процессы можно направленно изменять экологические свойства почв. При исследовании поверхностных явлений в почвах основное внимание уделялось свойствам одной из контактирующих сред — почвенным растворам (Полынов, 1956; Гедройц, 1955; Вигнер, 1941: Чернов, 1954; Минкин и др., 1982, Орлов, 1992 и др.).

Свойства поверхности твёрдой фазы почвы, её молекулярно-ионные особенности и их функции в почвообразовании оставались малоизученными. Работы А.Д. Воронина (1981-1986) открыли новый этап исследований в этой области. Они показали, что основная гидрофизическая кривая отражает самые разные свойства почвы. Особое внимание уделялось площади поверхности почвы (Бондарев, Купман, 1972; Манучаров и др., 1992, 1997, 1998; Витязев и др., 1980, 2000; Кауричев и др., 1983; Сапожников, 1982 и др.). Информация о твёрдой фазе почвы выражалась в усреднённых по поверхности и энергетическому распределению характеристиках: поверхностная энергия, заряд поверхности, электрокинетический потенциал, изотермы адсорбции, теплота смачивания, удельная поверхность. Однако эти характеристики не могут объяснить, как при одной и той же удельной поверхности и близком минералогическом составе может быть разная структура почвы: зернистые агрегаты выщелоченных черноземов и слитой чернозем, ореховатые агрегаты серых лесных почв и зернистые черноземных и т.д.

Поверхность почвы можно рассматривать как состоящую из конечного числа элементарных участков, или активных центров. Активные центры 7 твёрдой фазы почвы, как форма взаимодействия почвенной поверхности с другими соединениями, представляют элементы молекулярно-ионного уровня организации почвы и определяют такие процессы, как адсорбционные, включая и химическую адсорбцию, каталитические, обменные, снабжение растений питательными элементами, движение воды и пр. Особую роль они выполняют в формировании структурных связей и образовании почвенных агрегатов. Активные центры представляют собой основу многих молекулярных процессов в почве, что можно считать особой областью почвенных исследований.

Данная работа посвящена изучению свойств твёрдой минеральной фазы почвы, характеризующих её на молекулярно-ионном структурном уровне и механизмов связи этих свойств с макроскопическими параметрами почвы и проявление этих свойств в экологических функциях почвы.

Цели работы. Разработка концепции матричной организации почвы, раскрывающей роль молекулярных свойств почвы в структурной организации почвы. Изучение активных центров минеральной матрицы, их роли в почвообразовании. Характеристика абиотической каталитической системы почвы, а также каталитических процессов, зависящих от почвенных минеральных катализаторов. Выявление механизмов передачи информации о молекулярных взаимодействиях в почве на более высокий структурный уровень (агрегатный, горизонтный).

Задачи исследования включают:

Формулирование понятия почвенной минеральной матрицы.

Выявление активных центров минеральной матрицы, их роли в формировании почв.

Характеристика почвенной абиотической каталитической системы.

Выявление и анализ основных пространственных закономерностей расположения минеральных катализаторов в почвах.

Выявление закономерностей формирования почвенной органоминеральной матрицы на минеральной матрице.

Изучение прочностных свойств почвенных агрегатов.

Выявление связи молекулярных свойств почвы со свойствами агрегатов.

Обоснование концепции матричной организации почвы и её экологического значения.

Выявление роли матрицы в экологических функциях почв.

Защищаемые положения:

1. Концепция матричной организации почвы определяет, что в основе структурной организации почвы лежит матрица, которая определяет ряд её макросвойств (морфологические и физико-механические свойства агрегатов, горизонта). Структурные параметры почвы определяют направленность 8 передачи матричных взаимодействий с молекулярного уровня на макроуровень. Почвенная матрица может включать в себя 3 индивидуальные матрицы: минеральную, органическую, органоминеральную. Минеральная матрица лежит в основе органоминеральной матрицы и определяет её особенности. Взаимодействие матриц осуществляется на активных центрах. Среди активных центров минеральной матрицы преобладают кислотные центры. Спектр активных центров минеральной матрицы по силе связан с генетическим типом почвы. Почвенная матрица определяет такие группы экологических функций почв, как регуляция, трансформация химического состава поступающих в почву веществ, движение различных веществ в почве и экосистеме.

2. Почвенная матрица — поликаталитическая система почвы и участвует в гумусообразовании, трансформации загрязняющих веществ. Активные центры минеральной матрицы — реакционная основа абиотических катализаторов в почве.

Научная новизна работы. Сформулирована концепция матричной организации почвы, в основе которой лежит минеральная матрица. Показано, что взаимодействие органической и минеральной матриц приводит к образованию новой органоминеральной матрицы и определяет основные макросвойства почвы. Предложено оценивать активность минеральной и органоминеральной матрицы активными центрами.

Дана характеристика почвенной каталитической абиотической системы. Изучены пространственные особенности распределения катализаторов в почвенном профиле. Каталитические свойства почвы в окислительно-восстановительных реакциях могут определяться почвенными новообразованиями (Ре-Мп конкреции, манганы), оксидами, гидроксидами марганца, солями железа. Абиотические каталитические системы почв могут участвовать в разложении ксенобиотиков.

Каталитические свойства минеральной матрицы по кислотно-основному механизму реакций оцениваются спектром активных центров по энергии их связи с молекулой-тестом. Общее число активных центров определяется размерами матрицы, а также почвенными свойствами (гранулометрический, минералогический состав, рН, емкостью катионного обмена, механической прочностью агрегатов). Минеральные матрицы чернозёмных, дерново-подзолистых, дерново-глеевых, бурых лесных почв различаются по силе кислотных центров.

Механическая прочность агрегатов в широком масштабе естественных и пахотных почв (дерново-подзолистые, серые лесные, чернозёмы обыкновенные, типичные, выщелоченные, слитые, солонцы, каштановые, слитые) зависит от формы агрегатов, их размеров, влажности и является функцией минеральной матрицы почвы, а также может служить диагностическим показателем устойчивости почвенных агрегатов. 9

Механическая прочность агрегатов впервые использована в почвенных исследованиях, как характеристика, которая отражает информацию о структурных связях почвенных частиц (сила индивидуального контакта) и структурных параметрах (удельная поверхность, гранулометрический состав, порозность), для установления взаимодействий между свойствами молекулярного уровня почвы с макроуровнем.

Показана экологическая роль матричной организации почвы в проявлении таких экологических функций почвы, как регулирование и изменение состава поступающих в почву природных и загрязняющих веществ, изменение характера их миграции в почве и экосистеме в целом.

- В работе применены новые методологические и методические подходы:

• Выбор объекта исследований -— почвенной минеральной матрицы.

• Оценка абиотической каталитической активности почвы.

• Оценка активных центров почвенной минеральной матрицы.

• Оценка механической прочности почвенных агрегатов как отражение внутриагрегатных связей.

Практическое значение. Разработанная концепция матричной организации почвы позволяет вычленить молекулярные свойства почвы, которые непосредственно отражаются в макросвойствах, разрабатывать механизмы трансляции молекулярных взаимодействий на макроуровень, и в перспективе позволяет подойти к синтезу агрегатов с заданными параметрами. Развитие молекулярного почвоведения позволит создавать новые искусственные почвы и восстанавливать нарушенные.

Разработан новый количественный показатель почвенной минеральной матрицы (спектр активных центров), который во многом определяет свойства почвы, характеризует "активность" минеральной матрицы и может использоваться в прогнозных моделях.

Установлены закономерности трансляции свойств почвы с молекулярного уровня на макроуровень. На основании оценки структурных параметров почвы (удельная поверхность, пористость, число контактов) дана характеристика межчастичного контактирования в почвах. Это позволило разделить почвы на группы риска по отношению к антропогенному воздействию.

Разработан методический подход к количественной оценке некоторых экологических функций почвы, оценке роли молекулярного уровня организации почв в их экологических функциях. Показано влияние матрицы на такие функции почвы, как снабжение растений питательными элементами, геохимический барьер, формирование норового пространства в почвах и пр.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на VI, VIII делегатских съездах Всесоюзного общества почвоведов (Тбилиси, 1981;

10

Новосибирск, 1989), на Всесоюзных совещаниях "Fe-конкреции в почвах. Состав, генезис, строение" (Тбилиси, 1990), на II съезде Общества почвоведов при РАН (Санкт-Петербург, 1996), на И съезде Европейского общества по охране почв (Фрайзинг, 1995), на Международной конференции "Экология городов" (родос, 1998), на 1-ой Всероссийской конференции по лизиметрическим исследованиям почв (Москва, 1998), 1-ой Международной научной конференции "Слитые почвы: генезис, свойства, социальное значение" (Майкоп, 1998), на Международном совещании "Железо в почвах" (Ярославль, 1999), на VII, VIII, IX Всероссийских школах "Экология и почвы" (Пущино, 1997, 1998, 1999), на совещании рабочей группы по минералогии немецкого общества почвоведов (Гиссен, 15-18 февраля 2001).

Основные направления исследований были поддержаны Государственной программой Экологическая безопасность России (1993-1994 г.г.), Российским фондом фундаментальных исследований (проекты 96-04-48579; 99-04-48579).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и выводов, изложена на страницах, включает список литературы из 526 наименований.