Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние подкисления на состояние алюминия, железа и марганца в почвах лесных биогеоценозов

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Влияние подкисления на состояние алюминия, железа и марганца в почвах лесных биогеоценозов"

г Г 5 ОЙ 1 б онт 1305

На правах рукописи

НЕДБАЕВ Николай Павлович

ВЛИЯНИЕ ЛОДКИСЛЕНИЯ НА СОСТОЯНИЕ АЛОМИНИЯ, ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА В ПОЧВАХ ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ

Специальность 03.00.27 - почвоведение

Автореферат диссертации на соискание учоной степени кандидата биологических наук

Москва - 19^5

Работа выполнена на кафедре обоего почвоведения факультета Почвоведения Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова.

Научный руководитель:

доктор биологических наук профессор Б.Г.Розанов)

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук профессор Л.О.Карпачевский кандидат биологических наук в.н.с. И.А.Сапегина

' Ведущее учреждение: ВНИИ охраны природы

Защита диссертации состоится "/£" нР&д^^/ 1995 года в 15 часов 30 мин. в аудитории М-2 на заседании диссертационного Совета К 053.05.16. в МГУ им.М.В.Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета Почвоведения МГУ.

Автореферат разослан * 5 " С^А^рЬ 1995 года.

Приглаваем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного Совета, а отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просим направлять по адресу: 119899, Москва, ГСП, Ленинские горы, МГУ, факультет Почвоведения, Ученый Совет.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Г.В.М0ТУ30ВА

Актуальность темы. Проблема кислых доядей является одной из важнейгаих в современной экологии. С влиянием кислотных поллютан-тоз связывают массовое повреждение и снижение продуктивности лесов в Европе и Северной Америке. Растения угнетаются как в результате непосредственного воздействия кислых растворов на ткани, так и вследствие косвенного влияния через ухудшение почвенных свойств. Изучение трансформации свойств почв, индуцируемой их взаимодействием с кислотными атмосферными осадками, представляется ваяным направлением исследования проблемы подкнсления окружающей среды, так как именно почвы во многом определяют устойчивость и продуктивность биогеоценозов.

Цель работы. Изучить закономерности миграции алюминия, ае-леза и марганца и трансформацию их соединений в лэсны* почвах под воздействием кислотных атмосферных оседков. Задачи кссследозания.

1). Изучение группового состава алюминия, железа и марганца в лесных почвах: подзол иллювиальчо-гумусово-яелезистый, бурая лесная и аллювиальная болотная перегнойно-рлеевая.

2). Изучение закономерностей миграции А\, Ре, Мп с лизиметрическими водами в профиле лесных почв.

3). Оценка изменения закономерностей цщ'рации алюминия, яелеза и марганца в почвах под влиянием кислотных осадков.

4). Изучение трансформации группового состава алюминия, яелеза и марганца в почвах под воздействием кислых осадков.

Научная новизна. На основе натурных исследований и данных полевых и лабораторных модельных экспериментов оценено влияние кислотных осадков на подвианость алюминия, яелеза и марганца в почвах с разными буферными свойствами. Показана ванная роль органического вещества почв в контролировании поведения алкышнил и железа. Установлено, что под влиянием кислотных осадков происходит трансфор-

нация форм соединений алюминия, железа и марганца в почвах. Оценена степень трансформации менее подвижных форм в более подвиа-ные в зависимости от кислотности осадков и буферное™ почв.

Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы для прогнозирования уровней концентрации А1, Ре и Мп в почвенных растворах, поверхностных и грунтовых водах в районах распространения кислых атмосферных осадков. Полученные экспериментальные данные по поведении изученных елементов представляют определенный интерес для моделирования эволюции лесных почв в условиях антропогенносо подкисления и определения критических нагрузок кислотных поллютантов на почву. При мониторинге закисления наземных экосистем рекомендуется контролировать в почвах и водах изменение содержания алюминия, как токсичного элемента, и марганца, как наиболее подвижного элемента.

Апробация работа. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на заседании кафедры общего почвоведения факультета Почвоведения МГУ, на Всесоюзных совещаниях по экологии и почвоведению (Западная Двина, 1987; Сыктывкар, 1989).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.

Структура я объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав и выводов. Она изложена на £1Ь страницах машинописного текста (в том числе таблицу/, ¡X рисунков). Список литературы включает работ^на русском и ¿¿^/на иностранных языках.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования ироводилсь в Литовском национальном парке, рас-, положенном на Востоке Литвы и занимающем площадь около 30 тыс. га. Для района исследований характерны повышенная кислотность атмосферных осадков (среднее значение рН 4,5) и пирокое распространение

--. 3 -.

чувствительных к антропогенному загрязнению хвойных лесов. Исследовались 3 типа почв: иллювиально-гумусово-железистый подзол на флпвиогляциальных песках под сосняком чернично-зеленомошниы (в дальнейшем - подзол); бурая лесная остаточно-карбонатная почва на карбонатных моренных отложениях под ельником разнотравным (в дальнейшем - бурая лесная почва); аллювиальная болотная перегнойно-гле-евая почва на аллювиальных отложениях под березняком осоково-разно-травныы (в дальнейшей - перегнойно-глеевая почва).

Подзол характеризуется рыхлопесчаныы гранулометрическим соо- • тазом по всему профиле, содержание физической глины не превышает 3,2%, ила - 1,2Х. Реакция среды в верхней части профиля - кислая. Вниз по профилю происходит постепенное повышение значений рН, а затем резкий скачек на контакте с содержащими карбонаты прослоями флювиогляциальных песков (табл.1). Подзол обладает крайне низкими емкостью катионного обмена и степенью насыщенности основаниями.

Вурая лесная почва имеет более тонкий гранулометрический состав: опесчаненный легкий суглинок в гумусово-аккумулятивном горизонте, приближающийся к супеси в нижних горизонтах. В верхнем горизонте содержание физической глины составляет 22%, снижаясь вниз по профилю до 7,5 - 9,0 %. Содержание ила составляет 5,0 - 12,0 Кислая реакция' характерна для верхних горизонтов, однако резкая смена реакции среды происходит на глубине 40-50 см, где в горизонте В2 отмечается присутствие карбонатов. Наиболее низким содержанием обменных оснований и насыщенностью ППК характеризуются гори^ зонты в средней части профиля - АВ и В1.

Пере'гнойно-глеевая почва характеризуется суглинистым составом перегнойного горизонта. Содержание физической глины составляет 25,151!, ила 11,7%. Она имеет близкую к нейтральной реакцию по всему профилю. Наименьшее значение рН (5,9) характерно для верх-

Таблица 1

Хийические■свойства почв Литовского национального парка

i ' л i } Гори-! j 50HT | Глуби- С ! j рН j Кисло' гность j Обменные катионы ¡Степень )насыщен. ¡основан.

Почва на орган. ¡обмен. 1 i о. ! ! Са ! Mí2+ !

1 Н2° ! KCI ;гидрол К

! 1 см * ! МЭКБ / 100 г почвы | %

Подзол иллювиапьно-гумуссво -железистый АО 0-? - 4.33 3,30 7,6 70,6 23,0 5,50 1,15 28

А0А2 7-10 2,67 4,56 3,30 1,3 5,8 0,4 0,20 0,10 12

ВЦ BI В2 10-16 16-50 50-82 1,28 0,46 0,35 4,85 5,36 5,66 4,18 4,57 4,62 1.2 0,5 0,3 . 4,0 2,1 1,4 0,2 0,1 0,3 0,05 0,04 0,10 0,05 0,05 0,05 7 8 24

ВС 82-130 0,08 6 „40 6,00 0,1 0,7 2,0 •0,40 0,10 78

Бурая АО 0-1 _ 5 ¿00 4,20 2,8 25,0 . 29,0 ;3,00 1,40 57

Al 1-10 3,94 458 4,04 1,3 13,3 8,5 '1,30 0,14 43

лесная АБ . 10-18 1,57 4,70 3,91 2,4 6,8 1.3 0,20 0,06 19

BI 18-36 0,81 5,11 4,26 1,6 3,6 0,9 0,10 0,04 22

Б2к 36-57 0,46 7,П 6,35 0,1 1,1 4,1 1,20 0,05 83

ВС 57-93 0,23 8,30 8,25 - - 7,5 2,10 0,05 -

Аллювиальная Mi 0-20 35,96 5,93 5,09 0,1 17,5 76,0 9,7 0,21 83

болотная АН 20-40 35,38 6,27 5,64 0,1 11,7 87,0 10,2 0,13 89

перегнойно - AÜ' 40-70 34,22 6,52 5,71 0,1 10,2 95,0 11,3 0,10 51

глеевая • С 70-110 0,03 7,10 6,65 - 0,8 1,5 0,3 0,10 70

ней части перегнойного горизонта. Высокое содержание гумуса и положение почвы в аккумулятивном ландшафте определяют высокое содержание обменных оснований и насыщенность поглощающего комплекса.

Профиль подзола резко дифференцирован по распределению несиликатных форм алюминия. Отчетливо выраженный максимум содержания подвижных, аморфных и окристаллизованных форм элемента приходится на горизонт Всь- Дифференциация профиля по распределению несили-катнах железа и марганца выражена в меньшей степени, однако, подвижные и аморфные формы этих элементов также в наибольшем количестве присутствуют в иллювиальном горизонте.

В бурой лесной почве определяющей диагностической тенденцией является биогеохимическая аккумуляция свободных форм, алюминия, железа и марганца в верхней части профиля. Содержание подвижных и аморфных форм Ре и А1 в гумусово-аккумулптивном горизонте в 2-3 раза превышает их количество в нижележащих. В верхней части профили доля аморфных соединений алюминия и железа в составе несиликатных максимальна, тогда как ниже абсолютно преобладают силикатные, а среди несиликатных - окристаллиэованные формы. Содержание подвижных форм Мп в гор.А1 в 6,5-13,0 раз, а аморфных в 2,5-3,3 раза выше, чем в нижележащих горизонтах.

В перегнойно-глеевой почве доминируют процессы биогенной аккумуляции. В органической части профиля содержание несиликатных форм соединений железа является преобладающим. По содержанию марганца профиль перегнойно-глеевой почвы дифференцирован слабо.

Для изучения поведения алюминия, железа и марганца под воздействием кислых осадков были проведены полевой и лабораторные модельные эксперименты. В полевом эксперименте для имитации воздействия кислых осадков использовали полив участков подзола и бурой лесной почвы (40x40 см) растворами на основе серной кислоты с рН 2,5 и 3,5. Полив проводили в течение 2-х вегетационных периодов (2-3 раза

за период). Полная доза полива имитировала от полугодовой (гор.АО и А0А2) до годовой (гор.А1 и В) нормы осадков. Сбор фильтрующихся вод из-под горизонтов АО, А0А2, В1 подзола и А1, В1 бурой лесной почвы осуществлялся лизиметрами конструкции Ё.И.Шиловой.

В длительном лабораторном эксперименте использовали монолиты почв ненарушенного сложения, состоящие из горизонтов А0-А0А2-В£Ь-В1 подзола, А1-АВ-В1 бурой лесной почвы и верхнего слоя гор.Аь перегной-но-глеевой почвы, помещенные в пластмассовые сосуды диаметром 10 см и высотой 28 см. Искусственные кислотные осадки с рН 4,5; 3,5; 3,0 и 2,5 создавались на основе серной кислоты. Разовый полив имитировал месячную норму осадков (60 мм) со средней интенсивностью 0,1 мм/мин. Полная, доза полива составила 5 годовых норм из расчета 720 мм/год. Общее время эксперимента - ,7 месяцев.

В лабораторном эксперименте по изучению поведения алюмо- и же-лезогумусовых соединений использовали монолиты почв ненарушенного сложения, включающие в себя верхние горизонты, характеризующиеся наибольшей активностью миграции органического вещества: гор. АО и АОА2 подзола, А1 бурой лесной почвы и Аи перегнойно-глеевой почвы. Монолиты были обработаны 5 раз кислыми растворами с рН 4,5; 4,0; 3,5; 3,0 и 2,5, в количестве соответствующем 5-месячной норме осадков.

Повторность каждого варианта опыта во всех экспериментах двухкратная. Контролем служил полив дистиллированной водой с рН 5,7. В ходе экспериментов в фильтрующихся растворах определяли рН, Сорг., Ре, А1, Мп, Са, Мд, К. После окончания долговременного лабораторного эксперимента монолиты почв были разделены на составляющие их генетические горизонты (перегнойный горизонт на слои 0-5 см, 5-10, . 10-25 см) для определения групп и форм соединений алюминия, железа и марганца. Полученные данные были обработаны методом математической статистики.

-- ? -

ТРАНСФОРМАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОЧВЕННЫХ РАСТВОРОВ

ПРИ ПОЛЕВОМ МОДЕЛИРОВАНИИ КИСЛОТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

В таблице 2 представлены средние за период эксперимента показатели химического состава лизиметрических вод, которые свидетельствуют, что эффектная нейтрализация кислых растворов (рН 3,5) происходит уже в лесной подстилке, а в минеральных горизонтах профиля завершается практически полное связывание поступающих протонов. Воздействие кислых растворов уменьшает растворимость органических соединений. Одновременно со снижением концентрации углерода в фильтрующихся растворах снижается содержание алюминия и железа, мигрирующих в верхней части профиля преимущественно в составе органо-минеральных соединений. Частично нейтрализованные в элювиальной части профиля подзола кислые растворы, тем не менее, заметно повышают содержание алюминия в почвенном растворе иллювиальных горизонтов, где возможность его связывания органическими компонентами ограничена.

В случае экстремальной кислотной нагрузки (рН 2,5) миграция А1 в ионной форме возрастает и в верхней части профиля. Мобилизация минеральных форм железа по-прежнему н^происходит.

Марганец является наиболее чувствительным к подкислению элементом. Его мобилизация в почвенний раствор при подкислении не связана с поведением водорастворимых органических компонентов.

Полученные в результате полевого эксперимента результаты свидетельствуют о важной роли органо-минеральных взаимодействий в контролировании растворимости алюминия в поверхностных горизонтах почв, которые первыми вступают во взаимодействие с кислыми осадками. Более подробно 'закономерности миграции А1, Ре и С в верхних горизонтах лесных почв изучены в лабораторном модельном эксперименте.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ МИГРАЦИИ АЛШИНИЯ, ЯЕЛЕЗА И ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПОВЕРХНОСТНЫХ ГОРИЗОНТАХ ПОЧВ

Обработка монолитов почв растворами, подкисленными до рН 4,0

Таблица 2

Содержание углерода органических соединений, алюминия, железа и марганца в почвенном растворе, мг/л

Вариант Горизонт рН С А1 Ре Мп С: А1 С: Ре

опыта

Подзол -

Контроль, АО М. 4,31 26,3 0,20- 0,09 0,10 131 292

рН 5,7 (и =14) С-0,13 5,4 0,05 0,03 0,05 12 41

А0А2 М 4,12 38,4 1,20 0,67 0,26 32 57

(л=12) С- 0,18 9,6 0,28 0,13 0,16 4 12

В1 М 4,66 9,3 0,63 0,08 0,13 15 116

(11 = 10) ^0.18 1,6 0.12 0.01 0.03 4 12

рН 3,5 АО М 4,05 26.3 0,28 0,11 0,36 94 239

(и = 14) <-0,13 9,7 0,08 0,04 0,10 11 28

А0А2 М 4,03 26,0 1,05 0,42 0,37 25 62

(П*13) ^ 0,12 9,0 0,17 0,09 0,12 7 13

В1 М 4,51 12,1 1,19 0,13 0,42 10 93

(и = 8) «" 0.07 2,7 0.11 0.03 0.13 2 17

рН 2,5 АО М 3,02 15,6 0,54 0,07 0,66 29 223

(и =16) о 0,08 4,2 0,25 0,02 0,26 12 39

А0А2 М 3,60 14,9 5,94 0,25 0,62 2, 5 60

(п=12) ^ 0,20 3,2 1,26 0,04 0,26 0, 8 11

В1 М 3,52 8.7 6,41 0,09 0,56 1. 4 97

(и= 7) с 0.13 2,2 2,26 0.02 0.29 0, 6 13

Бурая лесная

Контроль, А1 М 4,8 21,6 1,12 0,25 0,06 19 87

рН 5,7 (Л.11) ^0,14 4,7 0,26 0,06 0,02 4 14

В1 М 5,8 14,7 0,64 0,11 0,10 23 134

(П=11) С» 0,13 4,2 0.12 0.04 0.04 4 13

рН 3,5 А1 М 4,8 9,5 0,42 0,08 0,1 23 127

(П=12) 0,12 2,3 0,21 0,02 0,01 5 13

В1 М 5,2 9,5 0,39 0,04 0,04 24 221

(п=11) ««- 0.13 2,0 0,19 0,02 0.02 5 26

рН 2,5 А1 М 3,6 8,1 2,08 0,08 0,33 3, 9 101

(« = 12) ^ 0,10 2,1 1,12 0,02 0,07 0,8 13

В1 М 4,8 5,0 0,33 0,02 0,15 15 256

(11 = 12) ^0,13 1.8 0,23 0.01 0,04 4 41

не выявила изменения концентрации органических соединений. При более низких значениях рК (3,5 и ниже» наблюдается снижение растворимости органических веществ уже при однократной обработке почв (рис.1). Последующее кислотное воздействие сопровождается дальнейшим снимением концентрации углерода и ео стабилизацией на новом количественном уровне после имитации 4-х и 5-ти месячного воздействия. Аналогичные закономерности миграции органического вэщества характерны и для почв,имеющих большую буферную емкость: бурой лесной и перегнойно-глеевой.

Анализ молекулярпо-кассоаого распределения органических компонентов почвенного раствора свидетельствует о преимущественном осажде • нии высокомолекулярных соединений. Так, в растворах, фчльтрувцихся из элювиального горизонта подзола и из перегнойного горизонта перегнойно-глеэвой почвы, присутствуют 3 основные молекулярно-массовые фракции органических веществ: \i3-15 тыс., 1,5-3,0 тыс. и 0,5-0,8 тыс., первая из которых отсутствуау в растворах с пониионным содержанием органического вещества после кислотного воздействия на почву.

В кислых автоморфннх почвах повышенная мобилизация алюминия происходит лишь в варианте с наибольшим кислотным воздействием (рН 2,5), тогда как при меньшей кислотности раствора концентрация элемента спивается одновременно с уменысением количества водорастворимых органических соединений. Отношение С:А1 при этом остаётся практически неизменным, в противоположность резкому его падению при максимальном воздействии.

Концентрация железа в растворах всех исследуемых почв во всех вариантах кислотного воздействия снизилась. Однако, изменившееся в варианте с наибольвим подкислением отношение С:Рв свидетельствует о воз-монной мобилизации в кислых почвах железа, являющегося одним из наименее чувствительных к антропогенному подкислению элементом. В пере.~-гнойно-глеевой почве, напротив, отношение С:Ре заметно расширяется после осачдония органо-минеральных комплексов. Это свидетельствует о том,

Рис. I. Изменение рН, содержания С, А1 и Ре (мг/л) в растворах, А0А2 подзола при воздействии на почву кислотными растворами

фильтрующихся из горизонта

что отношение С:Ме монет меняться не только вследствие мобилизации алюминия или железа под воздействием кислых растворов, но и в результате изменения качественного состава водорастворимого органического вещества при осаждении его высокомолекулярной фракции.

Изучение содержания алюминия и железа в осаждаемых и неосаждае-мых при подкислении почвенного раствора до рН 1 органо-микеральных соединениях подтверждает сложность решения вопроса о процессах взаимодействия комплексов о металлами при умеренных кислотных нагрузках. Так, осаждаемые высокомолекулярные соединения в почвенном растворе подзола относительно обеднены железом и поэтому их переход в твердую фазу мог бы сопровождаться уменьшением отношения С:Ре в растворе даже при отсутствии мобилизации металла. В то же время, осаждаемые комплексы в бурой лесной и перегнойно-глеавой почвах, напротив, обогащены железом. И если в первой их осаждение никак не ыояет привести к сужению отношения С:Ре в почвенном растворе и свидетельствует о мобилизации металла при интенсивном кислотном воздействии, то во второй расширение отношения С:Ре, очевидно, связано с изменением качественного состава растворимых соединений. Уменьшение отношения С:М в осаждаемых соединениях при интенсивном кислотном воздействии свидетельствует об активном взаимодействии.мобилизованного алюминия с органическими компонентами.

трансформация химического состава почвенных растворов при длительном кислотном воздействии

Имитация 5-летнего кислотного воздействия на почвы привела к поступлению в них 11,4 г-экв/ Н^/м^при рН воздействующего раствора 2,5; 3,6 г-экв Н+/м2 при рН 3,0; 1,14 г-экв Н+/м2 при рН 3,5 и 0,11 г-экв Н+/м2 при рН 4,5

Наиболее быстрое снижение рН фильтрующегося раствора в подзоле происходит в течение порам* 3-6 имитированных месяцев кислотного

воздействия, после чего реакция стабилизируется. Вторичное подкис-ление в вариантах с pli 3,0 и 2,5 наблюдается в середине эксперимента, когда запас мобилизуемых обменных оснований истощается и алюминий становится преобладающим катионом почвенного раствора. Повышение кислотности проквных вод в бурой лесной почве происходит лишь после имитации 2-4 лет кислотного воздействия. При этом максимальное уменьшение рН почвенных растворов как и в подзоле, не превысило 0,4-0,5 ед. Перегнойно-глеевая почва обеспечивает поддержание рН почвенного раствора на высоком уровне даже при воздействии на нее сильнокислых растворов СрН 3,0 и 2,5).

Кислотное воздействие на минеральные горизонты гвтоморфных почв приводит к мобилизации алюминия. Подвижность алюминия в подзоле возрастает при воздействии растворов с рН 3,5; 3,0 и 2,5 (рис.2). Макскмальная^кислотная нагрузка приводит к резкому нарастанию содержания алюминия в почвенном растворе. Уже после имитации 6 месяцев воздействия кислотных осадков концентрация элемента повышается в '5 раз. В конце эксперимента содержание алюминия в почвенном растворе начинает снижаться, вероятно, в результате исчерпания ресурса мобилизуемых при данной кислотности форы соединений.

Механизм обеспечения буферной способности подзола при высоком уровне кислотной нагрузки связан с функционированием алюминиевой буферной зоны. Уде на первых этапах интенсивного кислотного воздействия СрН 3,0) доля ионов Al в составе мобилизуемых катионов составляет около.ЗОЖ, а к 5 году воздействия она возрастает до 65%. При снижении рН до 2,5 мобилизуемый алюминий составляет 44% катионов в начале и 91* в конце эксперимента.

В бурой лесной почве подвижность алюминия возрастает лишь при экстремальной кислотной нагрузке (рН 2,5). Постепенное повышение концентрации элемента происходит после обработки почвы раствором, соответствующим 2-х летней норме осадков. В первой половине опыта кислотность нейтрализуется в пределах катионообменной зоны

Подзол

Рис. 2. Изменение рН, содержания А1, Ре и Ш(ыг/л) в растворах, I фильтрующихся из горизонтов В1 подзола и бурой лесной почв при воздействии на них кислотными растворами

буфорности (доля алюминия среди катионов раствора ИХ). После исчерпания запасов обменных оснозаний активизируется алюминиевая буферная зона, доля алюминия среди мобилизуемых катионов повышается до 62Х.

Перегнойно-глеевая почва при всех изученных уровнях кислотного воздействия нейтрализует избыточную кислотность в пределах катио-нообменной буферной зоны. Лишь после имитации 3 лет киолотного воздействия происходит некоторая активизация алюминия под воздействием раствора с рН 2,5. Однако, его концентрация к концу эксперимента и в атом случае не превышает 0,1 мг/л.

Динамика концентрации железа в растворах, фильтрующихся из нижних горизонтов аьтоморфных почв, никак не диагностирует кислотное воздействие и отражает лишь постепенное вымывание из почвы подвижных соединений элемента в условиях промывного режима. В органогенном горизонте перегнойно-глеевой почвы снижение растворимости орга-но-минеральных комплексов ведет к снижению концентрации железа при кислотном воздействии.

Марганец является очень чувствительным к подкислению элементом. Его подвижность возрастает в вариантах опыта с рН 3,5; 3,0 и 2,5, о в перегнойно-глеевой почве - с рН 3,0 и 2,5. Концентрация элемента в растворе, фильтрующемся из подзола, повышается уже в результате однократного воздействия. В ходе эксперимента в вариантах с рН 3,5 и 3,0. содержание марганца остается относительно постоянным: в 3-5 и 15-20 раз выше фоновых значений. При максимальной кислотной нагрузке (рН 2,5) резкое повышение концентрации элемента (в 50 раз) происходит на начальном этапе эксперимента. Затем содержание элемента снижается в 2 раза (от б до 3 мг/л) и стабилизируется на этом уровне, превышая фоновые концентрации в 15-30 раз.

Концентрация марганца в растворе, фильтрующемся из бурой лесной почвы начинает превышать фоновый уровень лишь после имитации 2,5 лет воздействия раствора с рН 3,5 и полутора лет - с рН 3,0.

Только наиболее интенсивная кислотная нагрузка (рН Я,5) приводит к повышенной мобилизации элемента после однократного воздействия. От начала к концу эксперимента концентрация марганца постепенно повышается от 0,5 до 10,5 мг/л.

Для пеоегнойнс-глезвой почвы повышение концентрации марганца в фильтрующихся растворах характерно в варианте с рН 3,0 после имитации 6 месяцев кислотного воздействия и с рН 2,5 - в результате однократного воздействия (к концу эксперимента концентрация элемента повышается более чем в 100 раз),

ТРАНСФОРМАЦИЯ СОЕДИНЕНИИ АЛШИНИЯ, ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА В ПОЧВАХ В результате имитации 5-летнего воздействия кислых осадков на почвы происходят значительные изменения в содержании и распределении по почвенному профилю форм соединений А1, Ре и Мп. Алюминий. В автоморфных лесных почвах возрастает количество обменных, подвижных и аморфных соединений алюминия. Содержание обменного А1 в лесной подстилке подзола увеличивается поело взаимодействия с модельными осадками с рН 4,5. В минеральных горизонтах подзола увеличение содержания обменного алюминия происходит при воздействии на почву модельных осадков с рН 3,5; 3,0 и 2,5. В более насыщенной основаниями бурой лесной почве растворение гидроояиолов и разрушение алюмоорганических комплексов, приводящее к увеличению содержания обменного алюминия, происходит при большей кислотной нагрузке (в верхнем горизонте при рН 3,0 и 2,5, в нижележащих - при рН 2,5). В то же время более насыщенный основаниями помещающий комплекс бурой лесной почвы имеет достаточный запас обменных позиций для внедрения алюминия. Поэтому при интенсивном кислотном воздействии содержание обменного алюминия увеличивается в большей степени, чем в подзоле (в гумусово-аккумулятивном горизонте более чем в 5 раз, в нижележащих горизонтах в 2 раза).

В наибольшей степени изменение содеряания и профильного распределив алюминия аморфных соединений происходит в подзоле. Для элювиального горизонта характерно повышение количества аморфного алюминия при обработке почвы кислотными осадками с рН 3,0 и сниае-ние со.дериамил при более интенсивном кислотном воздействии (табл.3). В иллювиальных горизонтах количество аморфного алюминия возрастает во всех вариантах опыта. В бурей лесной почве происходит снижение количества аморфного алюминия з гумусово-аккумулягивном горизонте при интенсивном кислотном воздействии (наряду с этим уменьшается доля аморфных соединений в составе несиликатных форм). В ншелеяа-щих горизонтах наблюдаетсяЦкезначительное повышение содержание аморфного алюминия.

Евяезо. Подзикноо велезо (растворяющееся в ацетатно-аымонийном буфере) накапливается при кислотном воздействии во всех почвах. По мере усиления кислотного воздействия процесс аккумуляции элемента проявляется все в большей степени в верхних горизонтах и распространяется на нияние (табл.4). Так, в элювиальном горизонте подзола повышение содеряания подбивного волеза отмечается уме при обработке почвы растворами с рН 4,5, в лесной подстилке ив поверхностных .горизонтах бурой лесной и перегнойно-глеевой почвах - при рН 3,5. В нижележащих не горизонтах подобное повышение происходит лишь при воздействии растворов с рН 3,0 и 2,6. Аморфные формы щелеза при обработке подзола растворами с рН 3,5 и 3,0 накапливаются в элювиальной части, профиля настолько, что их профильное распределение перестает диагностировать подзолистый процесс (содержание в элювиальном и иллювиальном горизонтах выравнивается, а доля в составе несиликатных соединений возрастает с 20 до 395К). С увеличением кислотной нагрузки на почву абсолютное содерьание аморфного железа возрастает и в иллювиальных горизонтах, однако здесь его доля в составе несиликатных соединений не увеличивается. В бурой лесной

Таблица 3

Влияние имитированных кислых осадков на содержание групп и форм соединений алюминия в почвах, мг/100 г

Вариан- - Гори- Обмен- Подвиж- Валовой Несили' - Аморф- - ОКРИС' - Сили-

ты опы- - зонт ный ный катный ный талли-зован нш1 катный

Подзол

рН 5.7 АО 16,2 7,1 290 113/39 ► - 177

А0А2 9,9 7,2 2000 67/3 26/40**41 1933

Bfh 9,0 24,8 2400 189/8 90/48 99 2211

В1 3.6 14,4 2550 384/15 140/36 244 2156

рН 3,5 АО 28,8 7,1 270 115/43 - - 155

А0А2 13,5 13,0 1950 99/5 45/45 54 1861

Bfh 10,8 27,2 2270 243/11 141/58 102 2027

В1 4.5 17.7 2400 359/15 131/37 228 2041

рН 2,5 АО 52,2 9,5 280 144/51 - - 136

А0А2 15,3 5,0 1950 44/2 20/46 24 1906

Bfh 11,7 27,9 2250 233/10 142/61 91 2017

В1 8.1 26.4 : 2410 369/15 167/45 202 2041

Бурая лесная

рН 5,7 А1 9,0 11,6 3270 210/6 146/70 64 3060

АВ 19,8 31,3 3540 340/10 110/32 230 3200

В1 11.7 22,8 3800 325/9 101/31 224 3475

рН 3,5 А1 9,0 14,9 3320 237/7 147/62 80 3083

АВ 16,2 30,0 3610 323/9 110/34 213 3273

В1 15,3 21,8 3770 350/9 119/34 231 3420

рН 2,5 А1 49,5 26,7 3250 292/9 127/44 175 2953

АВ 39,6 33,4 3460 382/11 122/32 260 3078

В1 22,5 34,6 3660 362/10 125/35 236 3298

Перегнойно-глеепая

рН 5,7 Ahd 0 1,0 500 150/30 133/09 17 350

Ah 0 1.0 560 135/24 121/90 14 425

Ah' 0 1.0 440 145/33 128/88 17 295

Ahd 0 1,5 470 145/31 128/83 17 325

Ah 0 1-0 560 140/25 128/91 12 420

Ah- 0 1,0 460 135/29 119/88 16 3^5

Ahd 0 4,3 530 159/30 137/66 22 371

Ah 0 1,9 600 170/28 159/94 11 420

Ah • 0 1.4 470 150/32 131/87 19 320

*- СОДЙ рж-чни-з в 4 от вяюяого * * _ содержание а % ov кее!:л1:кэтного

Таблица 4

Влияние имитированных кислых осадков на содержание групп и форм соединений железа в почвах, мг/100 г

Вариант ' опыта Горизонт Подвижное Валовое Несиликатное Аморфное Окристал-лизован-ное Силикат ное

Подзол

рН 5,7 АО 1,2 300 230/70* - - 70

А0А2 5,0 711 347/49 68/20** 279 364

В£Ь 7,4 901 327/36 125/38 202 574

В1 1.2 920 316/34 72/23 244 604

рН 3,5 АО 1.6 323 243/75 - 80

АОА2 10,6 765 350/46 116/33 234 415

В^ 7,3 900 355/39 137/39 218 545

В1 1.3 935 333/36 77/23 256 602

рН 2,5 АО 2,3 350 320/91 - - 30

АОА2 16,0 670 378/56 149/39 269 292

В£Ь 18,6 870 569/65 164/29 405 301

В1 2.4 930 357/38 90/25 267 573

Бурая лесная

рН 5,7 А1 3,8 2261 927/41 253/27 674 1334

АВ 5,3 2356 754/32 156/21 598 1602

В1 1.6 2493 698/28 70/10 628 1795

рН 3,5 А1 4,5 2230 932/42 252/27 680 1298

АВ 6,0 2480 832/34 171/21 661 1648

В1 1.2 2430 702/29 97/14 605 1728

•рН 2,5 А1 24,9 2220 864/39 263/30 601 1356

АВ 13,4 2210 718/32 193/27 525 1492

В1 3.1 2350 713/30 148/21 565 1637

Перегнойно-глеевая

рН 5,7 Аь<з 2,5 1900 1720/91 1420/83 300 180

Аь 2,8 1970 1920/97 1410/73 510 50

АЬ' 2.0 1920 1540/80 1140/74 400 380

рН 3,5 Айв 6,4 1990 1860/94 1500/80 360 130

АН 3,1 2020 1960/97 1430/73 530 60

АЬ' 2.2 1900 1540/81 1030/67 510 360

рН 2,5 Аиа 14,3 2010 1820/90 1330/73 490 190

Аи 9,2 2060 2010/98 ■ 140970 610 60

АЬ' 3/7 2010 1680/84 1120/57 560 330

* - содержание в % от валового ** - содержание в % от несиликатяс

почве заметное накопление аморфного железа происходит лишь при достаточно интенсивном кислотном воздействии и только в горизонтах, расположенных ниже гумусово-аккумулятивного.

Марганец. Выщелачивание марганца под воздействием имитированных кислых осадков сопровождается изменением состояния этого элемента в почвах. При общем обеднении почв марганцем содержание его подвижных форм может возрастать (табл.5). Интенсивность проявления этой закономерности зависит как от уровня кислотной нагрузки, так и от исходного состояния элемента в отдельных горизонтах почвенного профиля. Присутствие марганца е лесной подстилке преимущественно в составе подвижных Форм обусловливает снижение его содержания по мере усиления кислотного воздействия. В минеральных горизонтах автоморф-йых почв и в перегнойном горизонте перегнойно-глеевой почвы, где подвижные формы марганца составляют лишь незначительную часть от общего содержания элемента, активно идут процессы его трансформации и выщелачивания из состава менее подвижных соединений.

Изменение содержания форм соединений А1, Ре и Мп происходит в результате: 1) снижения миграционной активности железо- и алюмо-гумусовых водорастворимых комплексов в верхних горизонтах почв; 2) повышенного выноса минеральных форм А1 и Мп под воздействием кислых растворов; 3) трансформации соединений элементов на месте. Балансовые расчеты показывают, что накопление в элювиальном горизонте подзола железа, переходящего в вытяжку Таима, лишь на 10-20% обусловлено снижением выноса элемента с фильтрующимися растворами. Для алюминия соответствующее значение составило 70-8035. В бурой лесной и в перегнойно-глеевой почвах вклад процесса осаждения

органо-минеральннх комплексов в аккумуляцию подвижных Форм алю-■^ЫРЛЖе и ,

миния и железа'в значительно меньшей степени, что объясняете;! более низким относительным снижением выноса элементов и их высоким исходным содержанием в поверхностных горизонтах этих почп.

Таблица 5

Влияние кислотных осадков на содержание форм Нп в почвах, мг/кг (1 - псдвииный, 2 - аморфный, 3 - валовой)

гори-| форма | рН воздействующего раствора

почва зонт ¡элемента! 5,7 1 4.5 3,5 3.0 2,5

Подзол АО 1 О 2ЭЗ 318 213 93 13

С 3 358 362 230 107 31

А0А2 1 8 29 16 18 8

2 85 165 145 128 45

3 310 303 250 177 127

1 X 9 19 13 17 17

2 123 155 168 193 128

3 395 385 353 333 250

ВЗ 1 7 4 3 5 4

2 63 59 54 63 48

3 125 127 128 166 152

Бурая А1 1 232 251 240 181 56

лесная 2 1290 1170 1510 770 210

3 1903 - 1782 1431 779

АВ 1 36 31 35 22 62

2 390 330 320 340 660

3 554 - 707 752 805

В1 1 27 25 27 27 44

2 200 260 . 230 370 730

3 578 - 567 700 981

Перегнойно- 1 94 83 106 117 198

глеевая 2 620 670 590 610 310

3 855 - - - 526

Аь 1 54 50 48 72 83

2 400 360 460 400 440

3 850 - - - 1049

Аь' ч1 53 30 36 39 41

2 430 400 360 410 350

3 703 - - _ 727

Активный вынос минеральных форм из верхних горизонтов характерен для марганца при рН растворов 3,5; 3,0 я 2,5, а вынос алюминия происходит только з случае экстремального кислотного воздействия (рН 2,5). В ниделешащих горизонтах мобилизация алюминия в почвенный раствор происходит под воздействием кислых, осадков с рН 3,5 и нияе. Однако, во всех вариантах кислотного воздействия количество подвижных и аморфных соединений алюминия в иллювиальных горизонтах подзола к глубае гумусово-аккумуляти.вного горизонта бурой лесной иочвн после эксперимента возрастает, свидетельствуя о преобладании процесса трансформации соединений на месте. Главным образом трансформируются окристаллиэованные формы алюминия и яелеза, доля которых в состазе несиликатных соединений уменьшается. В то яе время, очевидно, под воздействием наиболее кислых растворов (рН 2,5) в элювиальном горизонте происходит вксвобовденив алпминия из состава алюмосиликатов. Общий рост количества несиликатного яелеза при энст-земальном кислотном воздействии происходит, напротив, в иллювиаль-шх горизонтах. 3 гумусово-аккумулятивном горизонте бурой лесной ючвы трансформация форм соединений нелеза практически на яроисхо-(ит, тогда как алюминий высвобондается из состава алюмосиликатов |ри экстремальном кислотном воздействии. В нижележащих гсризон-ах наблюдается активный переход окристаллизоваиных фор« яелеза в морфные. Трансформация несиликатных (кроме подвияных) и силикатных орм алюминия и аелеза в наиболее буферной перегнойно-глеезой иоч-е не выраяена.

ВЫВОДЫ

. Изменение состояния А1, Ре и Мп е почвах лесных биогеоценозов од воздействием кислотных осадков находится в зависимости от чкости их катионообменной буферности:

в наибольшей степени трансформация состояния и поведения изучен-

ных элементов происходит в иллювиально-гумусово-железистом подзоле, для которого характерна очень низкая степень насыщенности почвенного поглощающего комплекса основаниями;

- аллювиальная болотная перегнойно-глеевая почва, содержащая большое количество органического вещества и имеющая насыщенный основаниями ППК, наименее подвержена кислотному воздействию;

- бурая лесная остаточно-карбонатная почва с богатым химическим "> и минералогическим составом занимает промежуточное положение по

устойчивости к кислым осадкам.

2.«Мобилизация в почвенный раствор А1 контролируется поведением алюмогумусовых комплексов в органогенных и гумусово-аккуыулятивных горизонтах лесных почв и гидроксидов - в минеральных. Снижение растворимости органо-минеральных комплексов вызывает уменьшение концентрации А1 в почвенном растворе поверхностных горизонтов при умеренном кислотном воздействии. Мобилизация А1 из состава органо-минеральных комплексов происходит только при воздействии растворов

с рН 2,5, тогда как рост концентрации элемента в почвенном растворе минеральных горизонтов подзола наблюдается, при рН 3,5.

3. Ре не мобилизуется в почвенный раствор ни из состава Ре-гумусо-.вых комплексов в органогенных горизонтах почв, ни из состава гидроксидов - в минеральных, во всем диапазоне исследованных уровней кислотного воздействия (рН 4,5-2,5). Снижение концентрации Ре в растворах поверхностных горизонтов при кислотном воздействии связано со снижением растворимости Ре-гумусовых комплексов.

4. Мп является наиболее чувствительным к подкислению элементом. Его концентрация в почвенном растворе всех исследованных почв повышае-ся с ростом кислотности воздействующего, раствора. Поведение Мп

при подкислении поверхностных горизонтов не связано с поведением органо-минеральных соединений.

5. Кислотное воздействие на почвы приводит к изменению содержания

и профильного распределения форм соединений А1, Ре и Мп в результате: 1) снижения миграционной активности железо- и алюмогумусовых водорастворимых комплексов в верхних горизонтах почв; 2) повышенного выноса минеральных форм А1 и Мп; 3) трансформаций соединений элементов на месте. В целом, изменение состояния элементов в почвах характеризуется переходом относительно менее подвижных соединений в более подвижные.

в. Для алюминия характерно повышение содержания обменных и подвижных форм при умеренном кислотном воздействии, несмотря на рост абсолютного выноса элемента из почвенного профиля. Переход окристал-лизованных несиликатных соединений в аморфные происходит в элювиальном горизонте при умеренном подкислении и распространяется на иллювиальный с ростом кислотной нагрузки. Только при экстремальном кислотном воздействии (рН 2,5) происходит потеря подвижных соединений алюминия и, возможно, разрушение алюмосиликатов в элювиальном . горизонте.

7. Яелезо накапливантся в составе подвижных соединений, и его несиликатные окристаллизованные соединения трансформируются в аморфные. В отличие от А1 трансформация силикатных соединений железа при интенсивном подкислении.происходит в иллювиальном горизонте. Аккумуляция аморфного Ре в элювиальной части подрола при воздей* ствии растворов с рН 3,5 и 3,0 происходит настолько, что профильное распределение этой формы элемента перестает диагностировать подзолистый процесс.

8. Изменение содержания подвижных форм Мп определяется соотношением процессов их выноса из почвы и продуцирования при трансформации менее подвижных соединений. Абсолютная потеря подвижных форм Мп харак-тернна только для поверхностных горизонтов кислых автоморфных почв.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Использование лизиметрических установок для исследования поводе-

- 24 - ■ ■

ния подвижных форм Ре, Мп, 2г., си // Эксперимент и математическое моде лировзиие в изучении биогеоценозов лесов и болот: Всесоюз. совещ. М., 1937, С.253-255

2. Сопряженное исследование состава атмосферных осадков и почвенных растворов при проведении экологического мониторинга// Проблемы экологии. Прибайкалья. Иркутск, 1988. С.36 (с соавторами)

3. Трансформация состава атмосферных осадков в холмисто-моренном лесном ландшафте//Тез. докл. 9-го Меядунар. сиипоз. по биогеохимии окр. среды. М., 1989. С.16 (с соавторами)

4. Влияние кислотных атмосферных осадков на условия минерального питания растений и токсичность почв в лесных биогеоценозах// Экология лесоЕ Севера. Сыктывкар, 1989. С.107-108 (с соавторами)

5. Миграция микроэлементов в почве под воздействием кислых осадков //Биологическая роль микроэлементов и их применение в сельском хозяйстве и медицине. Самарканд, 1990. С.41-42 (о соавтором)

6. Устойчивость почв лесных биогеоценозов к антропогенному кислотному воздействию// Проблемы устойчивости биологических систем. Харьков, 1990. С.479-481 (с соавторами)

7. Устойчивость почв таежных ландшафтов к воздействию кислых осадков //Освоение Севера и проблемы рекультивации: Тез. докл. Мелду.нар. конф. Сыктывкар, 1991. С.53-54 (с соавторами)

Ъ. Миграция органического вещества, пелеза и алюминия в лесных почвах при антропогенном подкисленни//Вестн. Моск. ун-та, сер. Почвоведение. 1932 ¡РЗ. С.47-54 (о соавторами)

Э. Влияние кислотных осадков на состав почвенного раствора лесных почв //Вестк. Моск. ун-та, сер. Почвоведение. 19ЭЗ, 152. С. 55-64 (с соавт.)

10, Закономерности поведения микроэлементов при воздействии на почву кислотных ссадкоз//Зестн. Моск. ун-та, сер. Почвоведение. 1993. !И С.38-45 (с соавторами)

11. Трансформация соединений алюминия и жолеза в лесных почвах под

воздействием кислых осадков//Почвоведение. 1994. №4. С.129-136 (о соавторами)

12. Изменение свойств лесных почв под воздействием кислых осадков

в условиях эксперимента//Лесоведенив. 1994. (Р5. С. 26-35 (с соавтором)

13. Влияние кислотных осадков на подвижность органического вещества в лесных почвах//Почвоведение. 1994. £8 С.110-118 (с соавтором)

14. Воздействие кислотных осадков на почвы и экологические послед-, ствия изменения почвенных свойств// Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв /учебное пособие/. М., Изд. Моск. ун-та. 1994. С. 32-60 (с соавторами)

15. Адсорбция сульфатов лесными почвами при антропогенном подкисле-нии//Вестн. Моск. ун-та, сер. Почвоведение. 1995. № 1. С.30-37

(с соавторами)

По«пиашовлсч«№ 6 С) Форк«760*1(4/16 1юг»э НПО

Усгпечл. 1,3 Тир1*//Г"