Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ПОЧВЫ. ­ ИХ СОСТАВ И МИГРАЦИЯ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ПОЧВЫ. ­ ИХ СОСТАВ И МИГРАЦИЯ"

-МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

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

. , 'На правах рукописи

ЯШИН Иван Михайлович

7Я6№

ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ПОИВШИХ СОСТАВ И МИГРАЦИЯ

(Специальность 06.01.03 — Почвоведение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

МОСКВА -1974

Диссертационная работа выполнена на кафедре почвоведения Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

Научный руководитель — доктор сельскохозяйственных наук профессор И. С. Кауричев. г-

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук И. А. Соколов; кандидат химических наук А. И. Карпухин.

' Ведущее учреждение —кафедра почвоведения, факультет почвоведения МГУ имени М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан «*Нг.» . —'~лг..... 1974 г.

Заигита состоится «*?<?-"». . .л. . . . 1974 г.

в /.О. час. на заседании Ученого совета факультета агрохимии и почвоведения ТСХА

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА (корпус 10). ' :

Просим принять личное участие в работе Совета либо прислать отзыв, заверенный печатью, в 2-х экземплярах по адресу: 125008, г. Москва А-8, Тимирязевская ул., д. 47, корпус 8. Ученый совет ТСХА. Телефон 216-24-92. (

.Ученый секретарь Совета академии— ЛЛ - л

доцент Ф- А. Девдчкин.

ВВЕДЕНИЕ

В генезисе большинства типов почв и формировании их свойств органическим соединениям, бесспорно, принадлежит ведущая роль. В связи с этим понятен интерес исследователей к этому вопросу на всем протяжении развит"ня"~почвоведення как науки. В изучении органического вещества почвы достигнуты значительные успехи. Вместе с тем можно отметить, что особенности участия водорастворимых органических соединении в процессах почвообразования освещены еще недостаточно полно. В частности, слабо разработаны вопросы трансформации компонентов водорастворимого органического вещества н процессе разложения и гумификации растительных остаткоп и пх миграция в профиле почвы.

Изучение данных вопросов важно как для познания современной направленности и интенсивности развития почвы, так и для разработки рациональных приемов регулирования почвенного плодородия.

В связи с этим в задачу наших исследований входило:

1. Совершенствование и теоретическое обоснование метода лизиметрических хроматографических колонок с целью изучения состава и миграции индивидуальной и специфической групп водорастворимого органического вещества в профиле подзолистого типа почв.

2. Проведение лабораторных опытов по изучению сорбции—десорбции на окиси алюминия и активированном угле основных компонентов водорастворимого органического вещества почвы. v

3. Исследование-составах водорастворимых органических веществ из некоторых природных объектов (почвенно-грунто-вые п лизиметрические воды, водные вытяжки из растительного опада) методом адсорбционной хроматографии на угле.

4. Постановка полевых наблюдений за миграцией водорастворимых органических.соедннений-в-некоторых почвах.

Раздел I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Раздел состоит из двух глав. В первой рассмотрены вопроси состава водорастворимых органических веществ па основании рабог отечественных и зарубежных исследователей (И. В. Тюрин, 1937, 1941, 1944; А. А. Роде, 1941; И. Прох, 1960; И. Ы. Антппов-Каратаев и Г. И, Цюрупа, 1961; В. В. Пономарева, 1964; И. С. Каурнчсв, 1958, 1965; К. В. Дьяконова, 1964, 1967; Л. Н. Александрова, 1966, 1968; Н. Ф. Гаижара, 1970; Bloom-field С, 1953, 1954, 1957; Coiilson, 1960) н нх роль в миграции и аккумуляции химических элементов в зоне гипергеиеза (И. В. Тюрин, 1910; В. В. Пономарева, 1949, 1951; А. П. Виноградов, 1950; К. В. Верпгина, 1950; В. В. Щербина, 1955; С. П. Ярков, 1961; II. С. Кауричев, 1965), а также в гумусо-образоваини (И. Прох, 1960; К. И. Чекалов и В. П. Иллговиева, 1962; Simonart, 1958; Scheffer F. и Ulrich В., 1960).

Изложены вопросы исследования природы водорастворимого органического вещества методами хроматографнческого анализа с помощью адсорбционной (С. Т. Цинцадзе, 1948; Д. В. Хан, 1951; С. С. Драгунов, 1953; В. В. Внльямс, 1965; Б. Г. Мурзакш, 1969; Hock, 1937; Forsyth, 1947; Scholz G., 1957; Scheffer и Ziechmann, 1959), ионообменной (Т. В. Дроздова, М. Д. Рыдалевская, 1961; К. В. Дьяконова, 1964; О. А. Найденова, 1966) п гель-хроматографин (В. Н. Дубин и В. А. Фнль-ков, 1968; Н. Ф. Гаижара, 1968; А. И. Карпухин, 1970; ВаШу М., 1967; Schnitzer M., 1968). Дана оценка вышеуказанным хроматографнческим .методам. При рассмотрении хроматогра-фнческих методов отмечено, что деление на фракции водорастворимых органических веществ чисто условное; при этом реагенты п сами сорбенты способны воздействовать на компоненты разделяемой смеси, частично изменяя структуру п свойства выделенных фракций.

Во второй главе представлена характеристика метода лизиметрических хроматографнческнх колонок; автором дано его теоретическое обоснование (на основании экспериментов по сорбции—десорбции); рассмотрены физико-химические свойства некоторых сорбентов, используемых для сорбции водорастворимых веществ из почвенных растворов н природных вод.

Глава 3. Объекты и методика исследовании

Исследования проводились в лабораторных и полевых условиях 1969—1973 гг. Для полевых наблюдений выбирались стационарные площадки, расположенные на типичных почвах. Исследования осуществляли в течение сезона, вегетационного периода, одного года.

В подзоне средней тайги наблюдения проводились в Коп-допожском районе Карельской АССР (заповедник «Кивач»)

о

на двух площадках, представленных торфянистым песчаным иллювналыю-гумусово-железистым подзолом на безвалупном песке и поверхностао-глееватой слабооподзоленной почвой на ленточных глинах; площадки расположены в сосновом бору и спелом еловом лесу.

В подзоне южной тайги исследования проводили в Дмитровском районе Московской области на 3-х стационарных площадках, представленных сильноподзолистой, торфяно-подзоли--сто-глеевой и болотной торфяно-глеевой почвами, сформировавшимися на покровных суглинках. Почвы площадок приурочены к ельнику мертвопокровному, осоково-сфагновому и сфагновому болотам.

В Средне-Русской провинции лесостепной зоны наблюдения проводили в Мичуринском районе Тамбовской области на 2-х площадках, расположенных на дерново-подзолистой почве и выщелоченном черноземе. Площадки расположены в бекма-пнево-кнпрейной западине и в березово-дубовой лесополосе.

В диссертации представлена подробная морфологическая и физико-химическая характеристика почв площадок. Для оценки органического вещества почв стационарных площадок методом адсорбционной хроматографии на угле изучался состав водорастворимого органического вещества почвепно-грунтовых и лизиметрических вод, природных вод открытых бассейнов (ручьи, реки), а также водных вытяжек из опада лесных подстилок. При изучении состава и миграции водорастворимого органического вещества в рассматриваемых почвах применяли метод лизиметрических хроматографических колонок. В качестве сорбента использовали животный активированный уголь марки «карболен» и основную окись алюминия (Ыа+-форма), которые являются энергичными поглотителями водорастворимых форм органического вещества с кислотными свойствами (Ф. М. Шемякин с сотр., 1955; В. В. Рачннский, 1953). Опад лесных подстилок отбирали дважды: весной и осенью. Лизиметрические хроматографнческие колонки были установлены на 3 весенне-летних месяца и на год в двух повторностях (УЕ/1971—^/1972). Почвенно-грунтовые воды и воды открытых бассейнов отбирали в августе 1971 г. и в октябре 1972 г.

Раздел II. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Глава 4. Сравнительное изучение сорбции и десорбции водорастворимых органических веществ почвы

активированным углем и «безводной» окисью алюминии

(Ыа+-форма)

Сорбент, используемый в лизиметрической хроматографн-ческой установке для сорбции органических веществ, должен удовлетворять ряду основных требовании: иметь высокую

сорбционпую емкость по отношению к извлекаемому веществу почвенного раствора, обратимый характер сорбции и отсутствие химического взаимодействия с сорбируемым веществом.

Анализ литературы по хроматографии, а также эксперименты, проведенные нами, показали, что указанным требованиям в наибольшей мере отвечают активированный уголь и окись алюминия. Ниже рассмотрены результаты опытов но кинетике, статике и динамике сорбции органических веществ почвенных растворов, а также их десорбция с окиси алюминия п угля в динамических условиях. Названные вопросы не нашли должного отражения в литературе.

Для опытов мы использовали растворы индивидуальных органических веществ (ташшна, щавелевой и галактуроновой кислот), приготовленные из химических препаратов, квалификации (ч. д. а.). Эти соединения были выбраны потому, что они являются главными компонентами с кислотными свойствами в индивидуальной группе водорастворимых органических веществ, для которых имеются достаточно эффективные методы количественного анализа. Фульвокислоты выделены из горизонта Ai дерново-нодзолнстой почвы (Лесная опытная станция ТСХА) по общепринятой схеме (М. М. Кононова, 1963) с последующей сорбцией на угле.

1. Кинетика сорбции водорастворимых органических веществ

Опыты по кинетике сорбции, проведенные в статических условиях, показали, что ход кинетических кривых для использованных компонентов водорастворимого органического вещества (щавелевой и галактуроновой кислот, таинина и фульво-кпслот) неодинаков. Можно выделить следующие основные особенности сорбции органических веществ во времени:

1. На активированном угле начальная стадия сорбции протекает сравнительно быстро (1—3 часа), а сорбционнос равновесие устанавливается за 3—10 часов. Ннзкомолекуляр-ные соединения — щавелевая и уроновая кислоты поглощаются углем весьма активно, а равновесие устанавливается за 3—6 часов (при этом соответственно поглощается 85,0% и 92,0% указанных кислот). Более высокомолекулярные вещества (таппин и фульвокислоты) поглощаются углем в количестве ~80% и —90%, а сорбцношюе равновесие устанавливается за б—10 часов.

2. На окиси алюминия сорбция водорастворимых органических веществ характеризуется сравнительно быстрым начальным периодом сорбции (диффузией ионов и молекул сорбируемых соединений к частицам сорбента), протекающим ~3 часа; окончательное установление сорбционного равновесия наблюдается в течение 1 —1,5 и более суток. Окись алюминия активно сорбирует исследуемые водорастворимые органические вещества почвы: щавелевая кислота поглощается

в количестве 80% (от исходного содержания в растворе), галактуроиовая ~ 8 0 %, таншш ~92%, а фульвокислоты — 75-84%.

2. Статика сорбции водорастворимых органических веществ

Результаты опытов но определению емкости поглощения окиси алюминия и активированного угля для основных компонентов водорастворимого органического вещества почвы позволяют правильно рассчитать навеску сорбента в лизиметрической хроматографической колонне.

Емкость поглощения исследовали методом переменных концентрации, в статических условиях с начальной концентрацией вещества в растворе Со = 0,02—0,16 М/л. Важно изучить сорбцию вещества в возможно более широком интервале концентраций. Сорбционное равновесие устанавливалось 2-е суток.

Полученные данные позволяют констатировать следующее:

1. Иа активированном угле в выбранном интервале концентраций предельного насыщения сорбента водорастворимыми органическими веществами не достигается. Кривые сорбции водорастворимых органических веществ па угле характеризуются линейным типом, что свидетельствует о наличии большого числа свободных сорбционных мест на поверхности сорбента, которые не могут быть насыщены небольшим количеством молекул веществ, находящихся в растворе.

2. Па окиси алюминия кривые сорбции водорастворимых органических веществ имеют выпуклую форму (лэпгмюров-ский тип); величина полной обменной емкости (ПОЕ) сорбента по отношению к щавелевой и галактуроиовой кислотам, таппину п фульвокислотам соответственно оказалась равна: 0,42 М/г; 0,53 М/г; 87,6 мг/г и 65,8 мг/г. Таким образом, результаты эксперимента свидетельствуют о сорбцнонном преимуществе угля в сравнении с окисью алюминия.

3. Динамика сорбции водорастворимых органических веществ

активированным углем и основной окисью алюминия

При выполнении опытов по динамике сорбции проводили фильтрацию компонентов водорастворимого органического вещества из равновесного раствора с концентрацией вещества 0,2 М/л, а для фульвокнелот — 22,08 мг/л (но «С») с последующим изучением характера их распределения по слою сорбента. Кривые распределения веществ по слою сорбента представляют важную предварительную информацию о пове-.дении органических веществ при их сорбции из почвенных растворов сорбентом в лизиметрической хроматографической

установке. Лктуалыюсть подобных исследований состоит в-том, что па их основании определяют оптимальную величину слоя сорбента в лизиметрической хроматографическон установке. Динамический метод изучения сорбционных параметров сорбента в сущности является хроматографпческим методом, так как при фильтрации через слон тонкоднснсрсно-го сорбента смеси водорастворимых веществ наблюдается образование отдельных зон веществ в силу неодинаковой сорбции компонентов аналшифуемой смеси поглотителем. Основные теоретические положения динамики сорбции изложены в трудах О. М. Тодеса (1945); В. В. Рачинского (1964) и других авторов.

Псследовапиями установлено: .

1. На активированном угле падение концентраций изучаемых водорастворимых органических веществ от исходной до нулевой отмечено в слое 7,15 см.

2. На окиси алюминия сорбция водорастворимых органических веществ протекает также довольно активно, при этом отсутствие органических веществ отмечено в слое 10,5 см. Следовательно, защитное действие угля более эффективно, чем окиси алюминия.

4. Десорбция водорастворимых органических веществ

Исследованиями установлено следующее:

1. Сорбированные углем водорастворимые органические вещества индивидуальной природы (щавелевая и галактуроновая кислоты, таннин) количественно могут быть вытеснены 90%-ным раствором водного ацетона и водой (до 80—100%), фульвокислоты вытесняются слабым раствором щелочн (па 60—100%). Раствор минеральной кислоты вытесняет очень малое количество водорастворимых органических веществ с угля; при этом обнаружено гидролитическое воздействие 0,1 и. НО на сорбированные фульвокислоты.

2. Сорбированные основной окисью алюминия галактуроновая кислота, таннин и часть фульвокислот вытесняются раствором 1 и. H2S04 (процент десорбции соответственно равен 83, 90, 40—60); пнзкомолекулярные органические кислоты наиболее полно десорбируются 75%-ным раствором водного этанола (~85%) н 1%-ным водным аммиаком (~60%). При этом полного вытеснения этих веществ (так же, как и гу-миповых кислот) не происходит, так как некоторое количество органических соединений поглощается необмеппо.

Из опытов,следует, что уголь может быть использован для изучения миграции и состава водорастворимых органических веществ почвы; окнсь алюминия — лишь для учета миграции органических' продуктов и установления их качественного состава.

6.

Глава 5. ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОСТАТКОВ МЕТОДОМ АДСОРБЦИОННОЙ ХРОМАТОГРАФИИ НА УГЛЕ

1. Состав водорастворимых органических веществ, мобилизирующихся в раствор при компостировании растительных остатков в условиях избыточного увлажнения

Результаты модельного лабораторного эксперимента по компостированию растительного опада в условиях избыточного увлажнения представлены в таблицах 1 и 2. Фракционирование водорастворимых органических веществ проводили по известной схеме В. Форсита (1947), частично видоизменив ее. Общий водорастворимый углерод в растворе определяли

Т аб л н ц а 1

Фракционирование водорастворимого органического вещества иэ листьев дуба (в числителе) и хвои ели (в знаменателе) методом адсорбционной хроматографии на активированном угле

_У глерод, мг/л_

вытесненный с угля

Сроки определения (дни) Общий водо-растворимый углерод (мг/л) 0,1 и. НС1 *, водой и 907о-ным ацетоном (сумма) (1-я фракция) 1% N11,011 (гумусовые вещества) (2-я фракция) (Н-2) фракции Индивидуальные ор-ганнч. вещества (7о) Собщ

410.5 396.5 12,0 408,5 96,5

1 684,1 326,8 .48,0 374,8 47,7

10 840.0 31 Со 171,0 487,5 58.0

565,7 219,3 145,0 301,3 38,7

30 1100,6 539,8 398.0 937,8 •19.0

1119,9 565,0 199,5 764,5 50,1

90 385,7 274,0 101.0 375,0 71,0

1440,0 755,0 101,0 856,0 52,4

210 1599.9 779.0 333,0 1112.0 48.7

1199,9 532,0 533,0 1065,0 44,3

270 111,4 57,0 32.5 89,5 51.1

300,0 138,0 128,0 266,0 46,0

330 102,0 36,5 61.5 98,0 • 35.8

273,7 38,4 171,2 209,6 14,0

* В холостом определении после обработки раствора 0,1 и. НС1 1 к. AgN03 иона хлора обнаружено не было.

по Тюрину. Количественное определение некоторых компонентов водорастворимых органических соединений проводили по следующим методам: танннды — с фосфоромолибденовой кислотой (по Розенблату и Пельюозо, 1941), уроповые кислоты — с карбазолом (по П. М. Филиппову, 1970), низко .молекулярные органические кислоты — по .методике, описанной И. С. Каурнчевым, Т. И. Циановой и Е. М. Ноздруновой (1963), аминокислоты — методом бумажной распределительной хроматографии (Б. П. Плешкез, 1968).

Данные таблицы 1 позволяют заключить, что общее содержание водорастворгшых органических веществ в растворе прогрессивно увеличивается до 210 дня опыта, затем наблюдается резкое уменьшение их концентрации. Содержание органических веществ в водо-ацетонопон и аммиачной фракциях колеблется примерно в равных соотношениях, за исключением 1-го и 4-го сроков определения.

Таблица 2

Состао индивидуальных органических веществ (в числителе — нз листьев луба; 18 знаменателе — нз л пои ели)

Срок определения (дни) «С» вытесненный с угля 0,1 и. НС1. 90% ацетоном и водой 3* — <5 Э »-£--V* С А саіі О о J 2 7 о £ ~ СІ А. — око — ё = * = • _ ол КЗ — д . л 7 ° ° '§ Уроповые кнслогы, (мг/л) 5°"" . д-н 8 л о ' | * 5 о *» X К II Су.мма иидя-видуальк. орган, вещества (мг/л)

396,5 66,0 » , 19.0 0,8 12С0 12.6 2,5 207,5

I 10 326,8 316.5 52,0 197,0 15,8 33.3 38,0 80,0 0 <> 1 8,1 2,7 •і.1 8,3 3,3 1 8 78,0 93,0 10,3 12,7 0,85 3,4 168,9 373,4

219,3 539.8 151,0 223.0 37,8 22,1 98,0 78,0 61,0 102,0 12,0 8,1 0,65 2.20 310,7 403.2

90 210 565,0 274,0 168,0 268.0 15,7 52,4 12,4 13,7 122,0 120,0 81,0 174,0 6,2 27,4 0,70 2,10 1,50 1,6 371,7 564,1

755,0 779.0 175,0 199.0 131,0 76,0 85,0 120,0 . 4,8 6.6 392.5 390.6

270 532,0 57,0 145,0 44.0 14,6 41,2 110,0 53,0 3,9 17,7 39,0 42,0 3,3 34,5 0,4 0.4 1.1 294,4 139,4

330 138,0 36.5 106,0 12,0 41,0 17,8 101,0 3,6 13,8 1,9 54,0 24,0 16,9 28,2 263,5 . 40.7

38,4 21,0 54,7 11,6 5,6 18,0 20,0 0,7 51,3

Динамика определения основных индивидуальных компонентов в водных экстрактах нз растительного опада евнде-

тельствует о том, что условия анаэробнознса способствуют активному образованию и накоплению в растворе соединении с кислотными свойствами, среди которых преобладают во всё сроки опыта танниды и уроновые кислоты; низкомолекулярные органические кислоты присутствуют в растворе в меньших количествах (таблица 2). В качественном составе органических карбоновых кислот преобладают щавелевая, фумаровая и янтарная кислоты. Среди аминокислот наиболее часто определены — аспарагиновая, валин и лейцин.

2. Особенности сорбции некоторыми сорбентами продуктов взаимодействия водорастворимых органических веществ лесной подстилки с породой

В данном модельном лабораторном опыте были исследованы состав водорастворимых органических веществ, образующихся при анаэробном компостировании опала лесной подстилки с породой (покровным суглинком), десорбция из огле-енной породы некоторых химических элементов (Fe, Al, Si, Са и а также сорбция органических и минеральных сое-

динений сорбентами. Моделирование указанных процессов проводили путем компостирования растительных остатков и породы в стеклянных колоннах (3,2X51 см). Для учета сорбции из раствора водорастворимых соединений использовали сорбенты: окись алюминия, активированный уголь, силпка-гель, катионит КУ-2 (Н+-форма) и аниоиит ЛВ-17 (ОН~-форма). Контролем служили растительные остатки и порода, компостированные без сорбента. Органические вещества определяли до спуска вод и в фильтрате, а минеральные соеднне-йт — только после фильтрации через сорбенты. 80-дневнос компостирование подстилки из сфагнового мха и хвои ели в условиях анаэробнознса привело к образованию в растворе большого количества органических соединений кислотной природы — таннидов и ннзкомолекулярных органических кислот (соответственно — 498,0 мг/л и 50,1 мг/л).

Опыты показали, что наиболее активно водорастворимые органические вещества поглощаются углем и окисью алюминия, а силикагель количественно сорбировал лишь органические карбоновые кислоты. Отмечено, что растворы, пройдя через поглотители, претерпевают изменение реакции среды. Водорастворимые органические вещества активно извлекают (десорбируют в раствор) Fe, Л1, Са и другие элементы из минералов оглеенной породы.

3. Состав водорастворимых органических веществ I водных вытяжек из опада лесных подстилок и-

Данные таблицы 3 свидетельствуют о переходе в раствор из растительного опада подстилки (AQ") больших количеств

водорастворимых органических соединении, причем индивидуальная и специфическая группы органических веществ определены примерно в равных соотношениях. Компонентный состав органических продуктов верховодки иной: ц нем больше соединений индивидуальной природы. Последнее положение, очевидно, связано с длительным выщелач1шанием из опа-да лесной подстилки органических веществ ТГеще сравнительно невысокой деятельностью микроорганизмов.

_Т а б л и ц а 3

Фракционирование водорастворимых органических веществ водных вытяжек из опала лесных подстилок и верховодки методой адсорбционной хроматографии на угле

Углерод, мг (%) к исходному

"ЧОбьекгы

исслед!

О К с о к: ъ

вд

U

III 1111

а

3 "

V й ег/

а 3

и о

т

в а в

Б1

Москопская область, с. Белый Раст

я о

1о <п о с

Водная вытяжка из лес-нон подстилки Л" (V— 1072): " — СЛОВО!!..... •1,95 517,1 51.7 1,8 23.7 24,4 1,8

100 3,5 45,8 47,2 3,5

— сфлгпопон •1,75 100,0 21,8 0,0 8.8 11,8 1,2

100 40,3 54,1 2,6

Верховодка из лесных подстилок (IV—1973): — слопой ..... 5,20 72,0 144.0 0,0 86,9 36,0 21.1

100 60,4 25,0 М,6

— осокоио-сфапювои . 5,85 •405 91,0 0,0 53,8 28,5 8,7

100 58,6 31,3 9,5

— смешанной (березо-во-елопой) .... 5,70 124,5 124,1 0,0 90.0 3115 2.6

100 _ 72,5 25,2 2,1

-Водные вытяжки из опада лесных подстилок (А0 ), как

правило, содержат больше веществ специфической природы и имеют более низкую коицентрашпо общего водорастворимого органического углерода. . ......

ю

Таблица 4

Состав водорастворимых органических веществ некоторых природных объектов (фракционирование проведено по методу Форсита)

Углерод — мг

•% к исходному

Объекты исследования Область, район рН исходных растворов Общин водорастворимый «С» (мг/л) но Тюрину введен в колонку с углем II и вытеснен 90%-ним ацет. л водой (сумма) ш= остаток на угле (разность)

Воды (IX—1972)

— реки Супа Карельская 6,85 15,1 28,1 1,4 11,8 12,8 2,1

АССР, Кои- 100 4,9 42,0 45,5 7,6

— «Чечкина» ручья 5,10 30,2 41,7 6,2 15,8 17,2 2,5

100 14,8 37,9 41,2 6,0

— низинного болота р-н, заповед- 5,80 55,2 72,3 22,6 22,2 22,9 4,6

ник «Кивач» 100 31,2 30,7 31,6 6,5

— лесного (замкнутого) зара- 6,60 23.7 29,2 0,0 7,4 16,6 5,2

стающего озера 100 25,4 56,9 17,7

4. Состав органического вещества природных почвешю-грунтовых вод и вод открытых бассейнов (ручьев, рек и озер)

В органическом веществе реки Суна, ручье и в дренажных водах низинного болота (взятых в X—1972 г. в районе заповедника «Кивач» Карельскон'ЛССР) содержится примерно равное количество органических;,соединений индивидуальной и специфической природы. Лишь в водах замкнутого лесного (зарастающего) озера отмечено преобладание соединений специфической природы (таблица 4). Среди 'индивидуальных органических соединений преобладают, полнуроновые кислоты, количество углерода которых колеблется от 8% до 10%, углерода тлннидов — от 2% до-23%, а углерода низ-комолеку-лярных органических кислот— 1,6 до 9%.

Фракционирование на угле органического вещества из дренажных вод подзолистых, почв подзоны южной тайги (отобранных в мае) выявило его фульвокислотный состав (80 % • органического углерода перешло с угля в аммиачный элюат). В водо-ацетоновом алюате (после десорбции с угля) идентифицированы и количественно определены следующие органические соединения: танниды—16,00 мг/л; уроновые кислоты— 11,00 мг/л; низкомолекулярные органические кислоты (в пересчете на Н2С2О4)—7,00 мг/л и' аминокислоты—0,82 мг/л. Установлено, что органические вещества дренажных вод (и индивидуальной,-и специфической природы) но насыщены Бе и Л1. Так, в группу веществ индивидуальной природы Бе и Л1 входят соответственно в соотношении 0,001 и 0,0001 мг на 1 мг органического вещества, а в группу веществ специфнче-' ской природы—0,0076 мг (для Бе) и 0,011 мг (для Л1) на 1 мг органического вещества. Указанное явление, по-видимому, объясняется одновременным присутствием в «свежих» весенних водах свободных фульвокислот и индивидуальных веществ, а также некоторой доли их органо-минеральных соединений. Отметим, что и Бе, и А1 в растворе были полностью связаны с органическим веществом.

РАЗДЕЛ 3. ПОЛЕВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ

ИЗУЧЕНИЕ МИГРАЦИИ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ВЕЩЕСТВ_В_НЕ1<аТлРЫлИПАХ~ПОЧВ V

Глава 6. а) Состав и миграция водорастворимых органических веществ в некоторых типах почв

Сравнивая миграцию и состав водорастворимого оргашГче-ского вещества в почвах различных почвенно-климатических зон, можно указать на следующие оссЛ£ннр.сти „проявления этих процессов (таблица 5):

Таблиц а

Состав и миграция водорастворимых органических веществ >у в профиле почвы -Л \

(сорбент — акгнв1)рш>анныйО'Голь; экспозиция 1 год: IX—197Ц-IX-* \J972 ггЛУ. л

\

Почва, угодье, .N6 разреза

Генетпч. горизонт л глубина (см) закладки колонок

Углерод, мг/л

§ £ о н та э* х ° Та

О О I-

0 0 А 3 С й эд® У

уІА

о5 О = *-т-.УО

о

Подзона южной тайги (Московская обл.. Белый Раст)

СплыюпОдзолнстан тяжелосуглн-лпстэя на покровном суглинке. Разрез 5. Лес — ельник мертво-покровный

Торфяпнсто-подзолнстоглсеван на покровном суглинке, разрез 10; (заболоченная низина) _

Ло- 3 Л2—14

ЛгВ—32

1481,2 195,8 132,6 75,8

21,0 0,6

Л./-6 Л1Л2—

15

603.3 12,6 492,0 107,4

328.4 278,0

8,0 7,4 0,7

Подзона средней танги (Карелия, заповедник «Книач»)

Торфянистый подзол маломощный песчаный нллювиалыш-гумусово -железнстып на безвалунном песке, разрез 18 (лес сосняк брусничный)

Поверхностно-глееватая слабо-оподзоленная почва на ленточных глинах; разрез 16 (лес — ельник чершгшнк-зеленомошннк)

Л,,1— 8 Л, -14 Б |, —33

Ло- 2 Л,Л:<1— Л.В<1-29

10

Среднс.Русская провинция лесостепной зоны (Тамбовская область, учхоз им. Л1. И. Калинина)

11,0 36,3

281,2 164,2 11,2 57,7

2,0 17,9 4-5,8

207,0 37,6 45,2 380,1 368.9 425,3 5,10 3,54 4,09 01,7 90,7 90,1

75,3 139,3 52,7 733,5 225,8 492,0 7,03 3,10 4,74 90,0 62,0 90,3

Л2п—35

Дерново-ередненодзолнстан на темно-бурой глине; разрез 14; (блюдцеобразная западина)

Чернозем выщелоченный на лессовидном суглинке; разрез 11 (березово-дубовая лесополоса)

Л.,т— 6 А,Ч-2* Л-Bq—3 8 347,3 150,0 62,2 157,9 95,7 62,2 6,50 3,13 1,40 31,2 38,8 50,0

Л„- 2 Л,— 8 Л,—3 0 55,3 18,9 15,8 44,2 9,5 31,7 1,30 0,37 0,61 44,4 33,3 66,6

* Сорбцнониыс колонны находились в почве с УІІІ—1971 по V-1972 гг.

1. В подзолистых почвах подзоны южной тайги наблюдается значительное содержание, (в-водах из подстилки — Л0) индивидуальных органических веществ (таннидов, урановых и низкомолекулярных органических кислот); в почвенных растворах переходного Л2В (разрез; 5) и элювиально--оглеенного горизонтов (разрез 10) отмечено увеличение соединений специфической природы — фульвокислот. В процессе миграции происходит почти полное поглощение таннидов минеральными горизонтами почвы, уроновые и низкомолекулярные органические кислоты способны к заметному передвижению в профиле почвы. Глеевый процесс ухудшает поглощение органических соединений, продуцируемых; из подстилки в раствор и благоприятствует их выносу за пределы почвенного профиля (см. разрез 10).

2. Состав органического вещества лизиметрических вод подзолистых почв подзоны средней тайги характеризуется преобладанием специфических водорастворимых органических веществ. Установлено, что количество индивидуальных органических веществ в растворах невелико и лишь в водах из'подстилки (разрез 18) и из горизонта А1Л2 (разрез 16) достигает 30%' or общего водорастворимого углерода. Это явление объясняется, вероятно, особенностями биохимического превращения органических веществ растительного опада лесных подстилок, зависящего от бедности опада азотом н щелочноземельными основаниями, а также от характерных гидротермических условий его разложения и ярко выраженного промывного типа водного режима,

3. В оподзоленных почвах западин Средне-Русской провинции лесостепной зоны состав органического вещества лизиметрических вод характеризуется наличием больших количеств индивидуальных органических веществ, что связано с периодическими анаэробными процессами разложения растительных остатков и контрастным проявлением окислительно-восстановительных условий.

В выщелоченных черноземах отмечен незначительный вынос органических веществ (из подстилки А0—1,30 г/м2), при этом с глубины 30 см в лизиметрических водах содержатся преимущественно водорастворимые гумусовые вещества; также отмечено полное отсутствие в растворах органических кар-боновых кислот.

4. В качественном составе индивидуальной группы водорастворимых органических веществ (в почвах стационарных площадок) преобладают танниды и уроновые кислоты. В меньших количествах определены низкомолекулярные органические кислоты.

П) Форма и масштаб миграции железа и алюминия в некоторых типах почв

Наблюдения за формой и масштабом миграции Fe и Л1 в исследуемых почвах проводили с помощью метода лизиметрических хроматографнческих колонок. Сорбент — активированный уголь. Указанные химические элементы определяли после десорбции с угля органических .веществ 90%-иым подлым ацетоном и водой, а также 1%-ным NH4OH соответствующими аналитическими методами: алюминий — с алюминоном (Е, М. Ыоздрунова, 1969); железо — титанометрически — с роданистым калием.

Исследователями установлено:,

1. Основной формой миграции железа и алюминия являются устойчивые водорастворимые органо-минеральные соединения; причем миграция железа происходит как в составе индивидуальной, так и специфической групп водорастворимого органического вещества. Алюминий же в большей мере выносится со специфическими соединениями.

2. Масштаб миграции железа и алюминия (характеризующий интенсивность их мобилизации в почвенный раствор) различен для рассматриваемых объектов; в подзолистых почвах подзоны южной тайги и Средне-Русской провинции лесостепи более интенсивно выражен вынос железа, нежели алюминия; в почвах подзоны средней тайги, наоборо!, миграция алюминия проявляется более активно, чем"железа.

Общие выводы

1. Сравнительное изучение процессов сорбции — десорбции основных компонентов водорастворимого органического ве-щесгаа почвы на активированном угле и основной окиси алюминия позволило установить, что активированный уголь в отличие от окиси алюминия характеризуется более быстрым периодом установления сорбционного равновесия, более высокой сорбционной емкостью, при этом сорбинонныс процессы на угле носят почти обратимый характер.

2. Сорбционно-десорбционные особенности активированного угля позволяют применять данный сорбент для фракционирования водорастворимого органического вещества на две группы соединений (1-я группа — индивидуальной, а 2-я — специфической природы) как при анализе водных вытяжек из растительного материала, опада лесных подстилок и вод открытых бассейнов (ручьи, реки и озера), так и при изучении количественного соотношения указанных выше групп органических соединений при их миграции в профиле почвы.

3. Анаэробные -условия разложения растительного материала — по данным лабораторного эксперимента — благоприятны для образования и накопления в растворе значительных количеств индивидуальных органических веществ, среди которых преобладают соединения типа таннидов и уроновые кислоты. Количество низкомолекулярных органических кислот п растворе невелико, причем доля углерода данной группы веществ не превышает 18% от общего водорастворимого углерода. К концу опыта (330 дней) отмечено-заметное возрастание в растворе специфической группы водорастворимого органического вещества.

4. Воды, дренирующие районы распространения подзолистых почв с сезонным поверхностным переувлажнением в подзоне южной тайги, характеризуются преобладанием в нх составе соединений типа фульвокисл'от, доля углерода которых составляет 80% от общего/водорастворимого углерода. Среди индивидуальных органических ..соединений преобладают танннды и уроновые кислоты, но концентрация этих компонентов не превышает 16,0 и 11,0 мг/л.

Воды открытых водных бассейнов подзоны средней тайги (реки и озера) содержат примерно равное количество индивидуальных и специфических продуктов. В водах болотных почв заметно возрастает доля специфических органических веществ.

5. При миграции водорастворимых органических веществ в подзолистых почвах подзоны южной тайги и Средне-Русской провинции лесостепи отмечается заметное увеличение доли специфических органических компонентов (фульвокнслот) в нижних горизонтах почвы и в почвенно-грунтовых (дренажных водах).

6. Миграционная способность основных-компонентов водорастворимого органического вещества различна. Наибольшей способностью к миграции отличаются вещества специфической природы: в группе веществ индивидуальной природы наиболее миграционны уроновы'е и низкомолекулярные органические кислоты. Танниды крайно слабо мигрируют в исследуемых типах почв. Увеличени10_подвижности водорастворимого органического вещества способствуют процессы оглеепия

^огаЫ. -" - _ — —

7. Водорастворимые органические вещества индивидуальной и специфической природы представляют србщ\_весьма дн; намнчный комплекссоединений, различных.по строению и молекулярному весу. На наш взгляд, деление данной группы веществ в значительной мере условно и определяется схемой хроматографического фракционирования, причем на характер разделения влияют как сами сорбенты, так и химические растворители. • . **, . "

8. Миграция железа к алюминия в исследуемых почвах происходит в форме устойчивых водорастворимых органо-мн-неральных соединений как в составе индивидуальной, так и специфической групп органических веществ. В почвах подзолистого типа подзоны южной тайги и Средне-Русской провинции лесостепи вынос железа значительно превалирует над выносом алюминия; в подзоне средней тайги, наоборот, интенсивнее выражена миграция алюминия преимущественно в составе специфических органических соединении.

1. Сорбция и десорбция органических веществ почвы активированным углем и «безводной» окисью алюминия. Известия ТСХЛ, вып. 6, 1972.

2. Фракционирование водорастворимых органических веществ растительных остатков методом адсорбционной хроматографии на угле. Известия ТСХЛ, вып. 1, 1973 (в соавт. с И. С. Кауричевым).

3. Адсорбция некоторых соединений почвы различными сорбентами. Доклады ТСХЛ, вып. 183, 1972 (в соавт. с И. С. Кауричевым).

4. Состав органического вещества, состояние Я,Оа и фосфатов в водах, дренирующих подзолистые почвы. Известия ТСХЛ, вып. 2, 1973 (в соавт. с Л. Д. Фокиным, В. Л. Аргуновой и И. С. Кауричевым).

5. Теоретическое обоснование метода лизиметрических хроматографических колонок. Известия ТСХЛ, вып. 3, 1973 (в соавт. с И. С. Кауричевым).

Сделан доклад на совещании по вопросам применения лизиметрических методов исследования в почвоведении, агрохимии, бпогеохимии. (Ленинград, март, 1972).

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

Объем 1'Л л. л. Заказ 364. Тираж 150

Типография Московской с.-х. академии им. К. Л. Тимирязева 125008, Москва А-8, Тимирязевская ул., 44