Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Закономерности сорбции железоорганических соединений подзолистыми почвами

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Закономерности сорбции железоорганических соединений подзолистыми почвами"

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

На правах рукописи ШУВАЕВА Людмила Витальевна

УДК 631.417(470.11)

ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОРБЦИИ Ж Е Л Е 3 О О Р Г А Н И Ч Е С К И X С О Е Д И Н Е Н И Й ПОДЗОЛИСТЫМИ ПОЧВАМИ

Специальность 03.00.27 — почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1992

Работа выполнена на кафедре почвоведения Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Научные руководители: доктор сельскохозяйственных наук, профессор И. С. Кауричев, доктор биологических наук, профессор А. И. Карпухин.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, старший научный сотрудник Л. О. Карпачевский, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент А. Л\. Гасанов.

Ведущее предприятие — Санкт-Петербургский государственный аграрный университет.

Защита диссертации состоится » . . . .

1992 г. в «/£-*» часов на заседании специализированного совета К. 120.35.01 в Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

Адрес: 127550, Москва, И-550, Тимирязевская ул., 49. Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просьба направлять в двух экземплярах.

Автореферат разослан « № » . . 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета — кандидат биологических наук, с. н. с.

В' Вильямс

ОБЩАЯ ШШТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Отличительной чертой подзолообразования в таежно-лесной зоне является формирование почв о элггвиально-иллпви-альньтм профилем. Существенная роль в генезисе и. эволюции почв элювиального ряда принадлежит водной миграции, которая представляет собой сложный сорбционно-десорбционный процесс при направленном движении фаз. Главными компонентами веществ, образующихся при подзолообразовании, являются органо-минеральные соединения, среди которых немаловажная роль принадлея:ит воднорастворикым комплексным т.елезооргани-ческим соединениям. Данные соединения являются активными продуктами подзолообразовательного процесса и могут, служить диагностическими показателями его интенсивности и масштабов. Однако, закономерности и условия негсфазного распределения водкорастворимых железоорганичес-ких соединений исследованы недостаточно. Изучение этих закономерностей позволяет определить максимальную сорбционнуп

ёмкость поглощения, скорость взаимодействия сорбента и сорбтива, равновесное распределение веществ, оценить механизм взаимодействия :ке-лезоорганических .соединений с подзолистыми почвами, а тгкг:е даёт возможность прогнозировать поведение вещества в почве.

Цель.и задачи исслеяов'аний.-'Цель» настоящих исследований было изучение основных параметров сорбции железсоргйшчееких соединении подзолистыми почвами неоднородного механического состава и разной стёпени гидроморфности.

.Программа. исследований-предусматривала: I) изучение кинетики сорбпии и усыновление механизма погдо.ценля воднораствориных."юлезсорганических соединений подзолист!.';;.! почва:.!".;; .2) исследование' статики, сорбции и расчет максимальной сорбипонной ёмкости генетических горизонтов подзолистых шив; 3) изучение динамики сорбции водаораствора&пх 7.в::озоорран;!чос:<их со-

единений с различными молекулярными массами в изучаемых почвах; 4) определение масштабов миграции железоорганических соединений в ис следуемых объектах;

5) изучение доступности воднорас.творимых железоорганических соединений для корневого, питания растений и влияния данных соединений на поступление фосфора растениям. •

Научная новизна. Впервые проведено системное изучение сорбции железоорганических комплексов подзолистыми почвами, различающихся пс механическому составу и степени гидроморфности. Определены основные параметры кинетики сорбции я механизм взаимодействия сорбтива с компонентами различных генетических горизонтов исследуемых почв. Полученные изотермы сорбции железоорганических соединений позволили установить условия межфазного распределения и ёмкость поглощения сорбента. Натурные исследования динамики сорбции позволили определить масштабы миграции воднорастворимых железоорганических комплексов. В естественных условиях исследовано пространственно-временное распред ление воднорастворимых железоорганических соединений с различными молекулярными массами.

В радиовегетационных опытах изучена доступность воднораствори мых железоорганических комплексов для корневого питания и выявлено их. влияние на доступность фосфора и фотосинтетичесую активность.рас тений пшеницы. у : ..

Практическая значимость. Полученные результаты;оттеняют особе ности генезиса подзолистых почв разной степени увлажнения и неоднородного механического состава, а также могут быть использованы для уточнения диагностических показателей полугидроморфных почв. Расчи танные параметры сорбции железоорганических соединений представляют интерес при оценке' заохривания дрен, при разработке мелиоративнь систем.

Результаты определения доступности железоорганических комплею

-г-.

сов могут быть использованы при изучении минерального питания растений, в борьбе с хлорозом, а также при создании новых органо-минераль-ных удобрений с заданным составом и свойствами.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на научных конференциях молодых ученых и специалистов ТСХА (июнь 1985), Университета Дружбы народов (декабрь 1986) и Пе£*%Ькогй. сельскохозяйственного института ( март 1988). ' ■

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в б печатных работах.

Объем работы. Диссертация изложена на ^¡^стр. машинописного текста, включает таблицы, рисунков, 23 уравнений. Состоит из введения, & глав, выводов и приложений. Список использованной литературы включает -¿^наименований, из них на иностранных языках.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве объектов исследований были выбраны почвы: сильноподзолистая тяжелосуглинистая на покровных суглинках ( стационар кафедры почвоведения ТСХА "Белый Рас?*) и сла<5оподзо листая супесчаная на древнеаллювиальных отложениях ( стационар - "Вербилки") - автоморф-ные и полугидроморфные.

Воднорастворимые органические вещества природных поверхностных вод, препараты фульвокислот; в эксперименте использовали такие вод-нораствормые органические вещества, полученные при компостировании органических остатков ячменя, тотально меченьк ^С. Природные воды отбирали из естественных микрозападин стационарных площадок, характеризующихся сочетанием подзолистых и болотно-подзолистых почв.

Анализ химического состава поверхностных вод проводили общепринятыми методами. Содержание металлов - на атомно-адсорбционнсм спектрофотометре, качественный состав - по методике М.В.Новишого (1973).

Для получения препаратов фульвокислоты извлекали из гор. АоАт

-3" • -V

почвы стационара "Белый Раст" путем экстракции 0,1н //аОН. Гуминовые кислоты осаждали■путем подкисления вытяжки 0,1н Н^О^ до рН I.-Очистку раствора фульвокислот проводили по методике М Рог-з^Рч (1947). Тотально меченые органические вещества получены по методике А.Д.Фокина \I97o). Молекулярно-массовое фракционирование фульвокислот и воднорастворимых органических веществ проводили при помощи систематизированной гелевой хроматографии с использованием гелей 5 -10 и б- -50 фирмы "Кеапа!" (Венгрия).

Основные исследования выполнены с искуственно приготовленными железоорганическими комплексами, где С:Ге составляло 1:0,3. Для их : приготовления использовали {^(й 0^).

Разнозаряженные железофульватные комплексы получали путем электрофореза и гелей марок АЕ-2о (анионит) , £'М-50 (катионит).

При изучении кинетики и статики сорбции.воднорастворимых.железо-органических соединений сорбентами служили образцы из горизонтов ав-томорфных и полугидроморфных подзолистых почв обоих стационаров и минералы: монтмориллонит, каолинит и мусковит.

Кинетику, статику и динамику сорбции исследовали по методике, разработанной на кафедре применения.изотопов и радиации в сельском хозяйстве (В.В.Рачинский, 1964). ■ V

Доступность железоорганических" соединений с различными молекулярными массами и зарядами растениям пшеницы (сорт "Московская 35") ,■ влияние данных соединений на поступление фосфора растениям изучали постановкой микровегетациооных опытов с использованием радиоактивных изотопов '( 14С, 32Р). . ,

Действие различных железофульвагных соединений на фотосинтетическую активность растений изучали по методике А.СЛкешкова и Б.А.Ягодина' (1982). ' ;

-ч-

'ОСНОВНЫЕ РАЗУЛЬТАТЫ 'ИССЛЕДОВАНИЙ I. Состав и свойства воднорастворимых железоорганических соединений подзолистых почв.

Природные поверхностные воды имели кислую реакцию среды ¡рН 4,31 -4,73). Содержание углерода.составляло 100мг/л (стационар "Белый Раст") и 150 мг/а (стационар "Вербилки"). Насыщенность катионами была достаточно высока: на 1г углерода органических веществ поверхностных вод приходилось от 1085,9 мг до 1316,8мг металлов.

Поверхностные воды обоих стационаров представлены веществами как специфической, так и индивидуальной природа. Основное количество угле рода приходилось на долю фульфокислот - 42,05 (стационар "Белый Раст"1 и 34,45 (стационар "Вербилки") от общего содержания. Tamte в составе природных вод обнаружены низкомолекулярные кислоты, сахара, аминокислоты и фенольные соединения.

Результаты фракционирования воднорастворимых органических веществ с помощью систематизированной гелевой хроматографии приведены в таблице I. Полученные данные свидетельствуют, что в составе препаратов фульвокислот и органических веществ поверхностных вод обоих стационаров обнаружено до *5 различных молекулярно-массовых фракций. Основная масса фульвокислот представлена относительно высокомолекулярными фракциями ( ММ >700),/ содержание которых достигает 71,65. Значительная часть органических веществ природных поверхностных еод состоит из относительно низкомолекуляркнх соединений ( УМ <-700), на дшга которых приходится от 50,Гл (стационар "Вербилки") до 54,23 (стационар "Белый Раст"). Высокомолекулярные фракции поверхностных вод, очевидно, представлены веществами фульватной природы.

В составе' препаратов воднорастворимых органических веществ, меченых Ц},. преобладали ниэкоиолекулярные фракции, их содержание достигало 69,95. СреднеэфФективная.молекулярная касса колебалась в пределах

Таблица I

Молекулярно-массовый состав водорастворимых органических веществ

Органический Номер Содержание углерода, Молекулярная Среднеэф-лиганд фракции % от .Собщ. масса (ММ) фективная Ш

Фульвокислоты, I П,9 240

стационар 2 16,5 562

"Белый Раст" 3 13,7 1995 4629

4 30,5 4898

5 27,4 >10000

Поверхностные I 24,7 316

воды, стационар 2 29,5 501

"Белый Раст" 3 22,8 2238 . 2055

4 14,2 3715 .

5 8,8 >10000

Поверхностные I 17,1 ' . 282

вода, стационар 2 33,0 437

"Вербилки" 3 • 28,3 1698 1498

4 15,8 2818

5 5,8 >10000

Органические I /5,9 200

вещества, 2 53,7 354

меченные ^С 3 7,4 1122 1458

4 23,0 5011

14

от 1458 (органические вещества, меченые С ) до 4629 в случае с < фуЛЬЕОКИСЛОТЬМИ.

- &■

Для изучаемых чолезоорганических комплексов константы устойчивости ( рК ) находились в пределах 13-26. Наименьшей термодинамической устойчивостью обладали чселеэофульватные соединения, образованные органическими веществами фульвокислотно!'. природы с ¡.3,1~240. Устойчивость чселезоорганических соединений увеличивалась с возрастанием ¡«J исходных органических веществ и достигала значений. рК=26 в комплексе, образованном фракцией фульвокислоты с IHi у 10000.

Использование ИК-спектроскопии воднорастворнмых органических веществ поверхностных вод показало наличие ряда полос поглощения , вызванных колебаниями: карбоксильных диссоциированных групп С00 ~ (полоса поглощения 1400 см-^), ароматических группировок С=С и С=4/ (полосг-

т т

поглощения 1590-1660 см ). Поглощение в области 1700-1725 см вызвано колебаниями карбоксилов С=0 в -С00Н. Отмечена полоса поглощения 3000-3500 , которую возбуждают валентные колебания ОН-групп, связанных ме^молекулярными водородными связями. При образовании комплексного соединения железа с органическими веществами поверхностных вод в ЙК-спектрах появляется характерная' полоса поглощения 1390 см~*, ука-

К-ссгаинаи^ОЧНОЙ

зывагегая.на участие ' связи между ионами железа и органичес-

ким веществом прл формировании комплексов.

2. Химически!'; и минералогический состав подзолиста почв.

. Изучаемые почв:;.характер изовались•кислой реакцией среди (№„„„=4,&-4,9)v ненасищенноотью основаниями. Сумма обменных катионов

ВО дн

составляла 0,6-6,7 иг-окв/ЮОг сухо/ почвы. 'Содерчанне углерода в органогенных горизонтах изменялось от 1,4 до 52,г*-' н резке додало с глубино". Содержание Si в гор.Ао •гячслосуглинистой почвы составляло 83,2"', ГзоО^ -'2,6'!, А1?03 - 11,2''. В шгтне:; .чести илжгегадмюго горизонта'Происходило накопление FvpO^ -я AI0O3. В слабого«золистой почве цнреренциаш'л кзнее четкая.

. В::ве?£иейкие кпнйрэлов наиболее пктасно проявлялось п сильногоз-Е0ЛЛСТ01? т/гхслосугл:11мстои ,ючро. l:Mn,e¥'!v]!;:i кгг^'-.з ifAO'.CLvjrj s

' -У'

гор.С происходило таким образом, что до 80,Г'5 его содержалось во фракции крупного , песка , а в гор.А., снижалось до' 22,ой. Илистая фракция (а/^- 0,001мм) гор.С состояла в основном и^лабильных силикатов. Интенсивное протекание подзолообразовательного процесса обусловило разрушение глинистых минералов и накопление в илистой фракции гор.А2 тонкодисперсного кварца. Илистая фракция гор.С"слабоподзолистой почвы представлена гидрослюдами, сиешаннослойным^монтмориллонит-гидрослюдистым материалом. В гор^ происходило разрушение лабильных гидрослюдистых и хлоритовых минералов и относительное накопление каолинита,

3. Изучение кинетики,'статики и динамики сорбции.

При изучении кинетики сорбции молекулярно-массовых фракций желе-зофульватных соединений образцами генетических горизонтов подзолистых почв получены сложные кривые кинетики сорбции, напоминающие экспоненту. Это позволило применить графико-математический приём разложения экспериментальных кинетических экспонент. Образцы, почв всех изучаемых генетических горизонтов характеризовались наличием нескольких сорбционно-кинетических групп (/ь , с"1), на основании чего можно сделать вывод о сложном механизме взаимодействия железоорганических соединений , с сорбентами (табдицы 2 и 3). ,

Наибольшее количество сорбциснных групп ( до 4-х) обнаружено в -образцах гор.АоА2 подзолистых почв и вторичных минерала?, порядок' констант, кинетики сорбции ( , колеблется от 10~^..с"^(относк-

/ " П г • '

тельно "быстрая" сорбция) до 10~& Относительно "медленная" сорб.ция); в подзолистых горизонтах - только до. 2-х сорбционно-кинетических ■ групп с порядком констант р * Ю-2 ^ Ю-5 с"1. Для подзолистых почв тяжелого механического состава наблюдается увеличение сорбционных мест и порядка кинетических констант. Так при сорбции железофульват- ° ного соединения ( Ш~5000) горизонтом Ъц почвы легкого механического состава обнаружены 2 сорбционныо группы |3 =10"^ ^ 10"^ с-*, а ,

.

Таблица 2

Кинетические параметры• сорбции "елезофульватных соединений (Ш^700)

/

зонт )>:.<> к разн. > .-I 2,ч- Ь2равн. ■равн.

Слабоподзолистая : супесчаная почва

Яг ¿1т I ? ¿6 • 10"6 38, 09сут. 44'10"° 15, 30ч . .4,48'ГО"4 2,5 1оч

6,64- ю-7 80, 22сут. -» 29»Ю~° ■ 4, :зсут. 4,63-Ю"4 О ^ К. щ • оч

Яр г^-4 Л8ч Г" 81-Ю"2 0, ,07ч

7,¿4» 1С"'1 Т — 1 ,59ч - т ,66'Ю"й 0, ,07ч

От 6,33 - :о~° 1и, 36ч' 33-Ю-3 0, 93ч 9,99-'10"3 0,1 —и

* 7,бо' ;о~° 16, ,76ч ,21-10"* 3, ,03ч о.ОЭ-Ю"13 0,25ч

П 1С"4 7, ,71ч т ,48-Ю"3 0,

" п, -, од. 9, ,20 ч I, ,30-10"^ 0, ,58ч

Сильпоцзолистая т.тхелс суглинистая почва

(5-А- 1,17- 43. ,40сут. т ,04-10"° и, ,12сут. 7,93-10""° 16, 04ч

и ч. г г,-'О 46. ,08сут. б, ,об'10~° 8,20сут. 1,о4-10"* 8, 31ч

¿¿60 • -Л—^ 0 29 ч 0.

л2 ю-1 ✓ , , Збч X . ,22-10"^ 0, ,12ч

1,69- • 1С"1 7 , о7ч О. ,70 Ю"3 0, 0, 01ч

1, о2 * •10"* 8: ,42ч 6. ,11'Ю"4 2. ,09ч о,о!с10 0, ,02ч

я 10 * 8,Ь9ч т ,13-Ю"3 I. ,08ч

•г Г О - , Ч^см; ,!телъ 9 , 044 О гвтокоронР ,ЗЬ'1С'-* 1 .я, знамена? , ¿¿'А ■ель - пзчза

?

1,53-10~~ 0,60- :0"°

1,ои-10'

0, 08 ч-0,22ч

-2

0,06ч

,33-10"° 0,96ч

Таблица 3

Кинетические параметры сорбции железофульватных соединений (г.Ы> 10000)

Горизонт р 1'с_1 ¿1равн. •£ ^.равн. Рз'*-1 1 ' Зравн..

Слабоподзолистая супесчаная почва

VI 1,26-Ю"6 \ 6,84'Ю-6 .. 44,4сут." 6,06сут. 2±57' ТО"5 .6,97.10"& 1,93сут. 18,36ч 2,96-10~3 1,54-Ю"3 0,43ч . 0,63ч

. А2 - не сорб. не сорб не сорб. не сорб

* и . В1 . не сорб. не сорб. не сорб. не сорб.

' 4,07.10"° 27,40ч 1,03'Ю-3 1,25ч

с не сорб. 1,13-КГ4 не сорб. . 11,30ч не .сорб. 3,00'Ю"3 не_со£б. 0,43ч

Минералы: монтмориллонит мусковит 1,09'Ю"6 не 45,80сут. сорбируется 1,31-Ю"5 ' 4,07сут. 3,29-Ю-3 0,38ч

каолинит 5,29'Ю"6' 9,04сут. 7,91-10"° 16,84ч 6,67-Ю"4 1,91ч

Числитель - автоморфная, знаменатель - полугидроморфная почва.

в горизонте В^ тялелосуглинистой почвы во взаимодействие вовлекается дополнительная группа с ^Ъ =10-£) с"^. Подобная закономерность отмечается при переходе от автоморфных к полугидроморфным почвам. На долю участия в■сорбционных процессах "медленной" кинетики сорбции приходилось 4-72:5. Именно эта группа лимитировала время установления сорбционного равновесия, которое варьировало от 1,70ч (сорбция гор.А2 супесчаной почвы низкомолекулярного железофульватного комплекса) до 93,8 сут. (сорбция гор.АдАт супесчаной почвы :келезофульватного■■ соединения с 2000).

Для минеральных горизонтов медленное течение сорбционных процессов наблюдалось для соединений ;келеза, образованных органическими веществами поверхностных вод или смесью исходных фульвокислот.

Время установления сорбционного равновесия возрастает с увеличением молекулярных масс келезофульватных комплексов и степени гид-роморфности почв.

Расчитанньге константы позворлили оценить механизм взаимодействия сорбтивов с сорбентами. На первых стадиях сорбции ( Ьразл^.014-1,82^ происходило химическое взаимодействие сорбента и сорбтива. Его участие в сорбционном процессе мояет достигать 65^. .

С увеличением времени взаимодействия сорбента и сорбтива скорость химических реакций замедлялась и начинали преобладать диффузионные процессы. Расчитанные коэффициенты диффузии ( -¿л, см свидетельствуют о том, что первоначально происходит внешнедиффузионное взаимодействие железофульватных комплексов.с сорбентами, где

= Ю-®- Ю-7 см^/с. Е сорбентах, как правило, присутствовало несколько сорбционных групп, участвующих в этом взаимодействии. Время установления внешнедиффузионного равновесия зависит от ЬЫ исходных фракций органического вещества и свойств сорбентов. На данной, стадии для минеральных горизонтов супесчаной почвы и мусковита процесс сорбции заканчивался. Дш взаимодействии воднорастворлмчх *елезоо-.гани~

-и-

ческих соединений с остальными сорбентами процесс продолжался и определялся уж внутренней диффузией, гдеУ'= Ю-®- см2/с. -Э.то говорит о том, что изучаемые комплексные соединения келеза способны проникать-внутрь зерен сорбентов, за исключением высокомолекулярных комплексов, образованных фракцией фульвокнслоты.с 10000, которые способны.к внутридиффузионному взаимодействию только в случае с минералами с расширяющейся решёткой (монтмориллонит, каолинит) и погло-ющим комплексом горизонтов АдА^- подзолистых почв.

Полученные экспериментальные изотермы исследуемых комплексных воднорастворимих соединений железа имели выпуклую, слабовыпуклую, ьог нутуы и прямоллнейгую форму. На основании общих представлений о статике сорбции можно предположить, что в случае с выпуклыми изотермами взаимодействие железоорганических веществ с компонентами генетических горизонтов подзолистых почв протекало при благоприятных условиях, с большой энергией связи.' Вогнутые изотермы сорбции копдексных соединен характерны для гумусово-аккумулятивных горизонтов (АдА^-) и свиделель-ствовали о том, что происходила конкуренция за сорбциооные места различных компонентов сорбтива. Линейная форма изотермы характерна для элювиальных горизонтов.

Эмпирические изотермы удовлетворительно описывались уравнением Ленгмшра. Функции имели линейный характер во всем интервале исходных концентраций. Значение максимальной сорбционной ёмкости почв изменялось 01 0,06 до ,4 мг комплекса на I г сорбента. Поглотительная'спс собность зависит от свойств сорбента и природы органического веществ£ ¿ёмкость сорбции воднорастворимых железоорганических соединений была выше у гумусово-аккумулятиЕНых горизонтов и горизонта С тяжелосуглинистой подзолистой почвы (таблица 4). Изучение статики сорбции пока-« зало, что наибольшей способностью к сорбции обладали коплексные соединения железа, образованные органическим веществом поверхностных вод. С$р ционн&я способность железофульватных соединений уменьшалась

■■ -М-

Таблица 4

Некоторые эмпирические константы сорбции яелезоорганическлх комплексов сильноподзолистой тяжелосуглинистой почвой и минералами.

Генетичес- . кие гори- • 0 р г а н и. чес кие лига н д к

зонты : Органич. поверхн. в-ва вод : Смесь фульвокис-: : лот * : ' 2К, 1ь 700 : <Ж, Ш •> 10000 :

1 мгС : )со |г К 1 МГо л мгС Ьор -ц; К м?С ' п мгС т мгС : 0 мгС ¿со 1Г л мгС

А0АХ 1,68 1,80 0,13 0,04 1,58 1,60 0,03 0,08 1,70' 2,50 СиШ 0,02 1,15 1,20 0,09 0,10

Ап 1,50 2,31 1,38 0,63 0.70 0,98 0,36 0,48 0,83 1,00 0,21 0,09 0,37 0,45 0,59 0,36

Б . 2,70 0,18 2,21 0,14 2,65 0,02 1,20 0,01

3,75 0,76 2,33 0,12 3,13 0,16 1,50 0,03 ■

С 3,20 0,44 3,00 0,08 3,36 Г\ л о 1,23 0,17

3,50 0,53 3,02 0,46 4,00 0,01 1,50 0,15

Минералы:

монтмориллонит - - - ' - - 23,0 0,20

каолинит- - - - - - не со рб не сор

мусковит - - - - ' Хл^ , О 0,6о

Числитель - автоморфные, знаменатель - полуг :е по че;„.

I

Таблица о

' Параметры миграционной способности ••'елезсорганических соединений в подзолистых почвах

»

К.

Показатели, Супесчаная почва : Тяжело суглинис тая по ч 32.

размерность Ы о л е к у л Я Р н а я м г. с с а фрак ц и к

200 354 1122 ¿011 200 354 1122 5011

Глубина проникновения метки, см 9,5 13,5 10,0 11,5 9,0 10,5 9,0 ?;о 9,0 7.0 9,5 8,0 8,5 6,0 7,5

Площадь "саспростране- 80 42 56 50 39 52 28 39

нпл комплекса по поверхности, см2 Обьем распространения в почве, сы 108 512 550 80 249 498 65 4-72. 554 70 388 454 68 170 334 59 188 295 49 170 235 64 138 224

Гл/бкна максимального счзта,' см 3,5 4,5 2,0 2,0 3.0 1,0 2,0 . 2,0 3,0 2,0 2,5 1,0 2,0 1,5 ~2,0

Боковое смещение, см _ 1,0 _ _ _ _ _ _

- - - 3,0 2,0 - 1,0 -

Зона насыщения, см 4,5 8,0 4,5 4,5 5,0 4,5 3,0 3,0 2,5 4,0 3,0 4,5 3,5 4,0 3,0 3,5

Зона размытия, см 5.0 5.5 4.0 6,0 4,5 4,0 4,5 3,0

5,5 7,0 6,0 6,0 5,0 5,0 5,0 3,5

11>>л тт. . — аеФАМЛГ-Т'.иР, СТ . ЛНР.МйНР.ТР.ЛЬ - полутипвоморшная почва

с ростом молекулярной массы фульвокислот. 'Гак, top.AqAj полугидро-морфной- тяжелосуглинистой почвы способен сорбировать 2,5 мг/Хг к^ли-лекского соединения с Ш<700 и только 1,20 мг/1г - с ¿24 7 10000.

Исследование динамики сорбции келезоорганических соединений неоднородного молекулярно-массового состава (меченых ^С) проводили в натурных условиях на всех изучаемых почвенных разностях. Экспериментальные площадки закладывали на различных элементах рельефа, охватывающие разнообразные биогеохимические условия миграции.

Для получения сравнительной характеристики параметров миграционной способности в подзолистых почвах органо-минеральных комплексов закладывали ряд экспериментов с использованием марганецорганичеекого соединения (меченого и фульватных комплексов и ^СS неод-

нородного молекулярно-массового состава.

Результаты исследования миграции яелезоорганических соединений показали, что их подвижность уменьшалась с ростом молекулярной массы фракции исходного органического вещества (таблица 5). Уменьшалась также и площадь распространения комплексов по поверхности и объем, занижаемой ими почвы. На глубину проникновения комплексных соединений в почву оказали влияние также её механический состав.и степень гидро-морфности. Что подтвердили и полученные параметры миграционной способности фульватных комплексов, образованных ^S2- и ^Сз .

Наибольшей подвижностью среди железоорганических соединений обладали соединения, образованные исходной фракцией с ММ ~ 200. Глубина миграции в полугидроморфной почве легкого механического состава достигала 13,5 см в год (максимальная скорость счета нь глубине 4,5см), в автоморфной - только 9,5 (3,0) см; для тя>;селосуглинистой почвы-9,0 и 7,0 см. Объем почвы, занимаемый комплексом, уменьшался соответственно с 650 до 512 и с 334 до. 170 см3. С увеличением ММ соединения площадь его растекания по поверхности почвы легкого механи-

-/¿г-

Рис-Л Пространственно-временное распределение

14С

лэ состава

железоррганического соединения I :лл-~200) в слабоподзолистой атоморфной супесчаной почее (I -вертикальное рас пределение; II - горизонтальное распределение, сечение сделано через слой почвы в I см; III - относительная су

маркая ьктиенссть слоев по горизонтам; 1У - относительная актиЕНОсть с горг.зонтс.льн-::.! сечением).

с.2 Пространственно-временное распределение . С из состава железоорганического соединения (ЕМ—5000 ) в сильноподзолистой автоморфной тяжелосуглинистой почве.

ческого состава уменызалась с 80-108 см3 (Ш ~200) до 50-70 см3 (Ш-^оООО). Некоторые результаты пространственно-временного распределения х'.елезоорганнческих соединений в почвах представлены на рис.1 и2. Максимальное количество комплексов закреплялось в верхнем 3-х сантиметровом слое почвы.

'¡еньией подвижностью в подзолистых почвах обладали марганецорга-нлческяе соединения, способные мигрировать на глубину 9,0 (супесчаная почва) - 7,0 см (тяжелосуглинистая почва) в год.

Изменение геохимических условий оказывает значительное влияние на подбитшость в подзолистых' почвах органо-минеральных соединений, что подтвердили экспериментальные исследования с искуственно созданными : геохимическими барьерами путём локального внесения в почву СаСОд, iííípFO,, или глюкозы (В.Т.Емцев, О.Д.Сидоренко, 1968; В.И.Савич и др., 1984). Из используемых химических добавок увеличению подвижности органо-минеральных соединений в подзолистых почвах способствовала глюкоза. Действие СаСОд и КН^ГО,- обратно действию глюкозы.

4. Доступность комплексных соединений железа для растений. В проведенных опытах установлено, что максимальной доступностью растениям пшеницы обладали положительно заряженные комплексы (поглощалось 100.1 С и 941 Fe). Поглощение растениями молекулярно-массовых фракций происходило слабее заряженных, При увеличении молекулярной массы фракции количество гселезь и углерода , поступивших в растения, ушнылалось. Так, если из низкомолекулярной фракции (I вариант) растения использовали 64,61 углерода и 67,91 хелез?., то из высокомолекулярной (4 вариант) - соответственно 43,9 и 6I,of» (таблица 6). Отмеченс достоверное влияние различных форм железа на увеличение фотосинтетической активности растений. Наибольшей эйреят получен при использован! данной формы :;'.е.:еза. Изменение светоиогло^йния хлоропластом под его ряияндем состарите 2,0'■ С в контроле - 0,7b;'). ha дотосинтез такле

-Л"

1аОл;ща о

____ Поглощение растения™ пшеницы жёлезофулььатни.с конолексои

Варианты

Формы железа

Исходное содержание углерода в растворе, мг/мл

Исходное содержание железа, в растворе, мг/мл

Поглощено ;.ас?еникки,

от исходное

с

Желеэофульватные комплексы сразличными молекулярными массам л

I ¡Ш ^ 700 0,165 0,057 64,8 67; ,3

22 1.Ш ~ 2000 0,167 0,060 61,1 63 , ,'а

3 Ш ~ 5000 0,175 0,062 64,3 ' ыз, 11

4 Ш4 >10000 0,180 0,065 43,9 Ы, ,3

о смесь 0,170 0,066 40,0 39,

Заряженные .желеэофульватные комплексы

6 отрицательно 0,200 0,072 88,0 88, ,9

7 положительно 0,204 0,072 100,0 94. ,0

8 нейтральные 0,200 0,070 73,0 73, ,8

9 ионное железо. 0,070 66,

НСР 0,05 4,05= 2'2 : РФ =49'° 17,0

активно влияли положительно и отрицательно заряженные железошульватнив

комплексы, причем, первые в большей степени, чем вторые. Использование

молекулярно-массовых фракций аелёзофульватных соединений уменьшало фо-

то'синтетическую активность растений.

Желеэофульватные соединения значительно влияли на доступность ,'дао-

фора растениям пшеницы, особенно отрицательно заряженные. Среди кимп-

■зо

лексов с различными молекулярными массами лучшему поступлению г в растения способствовала фракция с ЫЫ 7700. До 8а,оэ поглощенного Р^О^ закреплялось в корнях растений (таблица 7).

Таблица 7

Влияние комплексных соединений железа на поглощение фосфора растениями пшеницы

.рианты : Препарат : Ор Активность ^Р, имп/Ю0с/мл : Содержание фосфора в : растворе к концу опыт!

:32Р205,мг/мл Йот исх.

Исходная активность 1681 13,0-Ю"2 100,0

I Фосфат-анион 558 4,4-Ю-2 33,1

2 Ионное железо 537 4,1-Ю"2 31,9

Заряженные железофульватные соединения

3 Отрицательно 303 3,9-Ю-2 29,9

4 ■ Положительно 693 5,3-Ю"2 41,2

5 Нейтральные 799 6,2-Ю-2 47,5

6 Смесь 1270 9,8-Ю-2 75,7

Железоорганические соединения, меченые С

7 Ш > 700 915 7,1-Ю-2 53,7

8 Ш 700 1141 8,7'19-2 67,8

НСР0,05 57 12,6

т0,05

2,2 Рф .38,9

Выводы

1. Применение систематизированной гелевой хроматографии показало наличие в составе препаратов фульвокислот как относительно низкомолеку-лярнух (Ш - 240), так и высокомолекулярных фракций (МЮ10000). Устойчивость ¡рК) Еоднорастворимых нелезоорганических комплексов изменялась от 13 до 26. Наименьшей устойчивостью обладали ниэкомолеку-лярные комплекснь-е соединения (::К =13), с ростом молекулярной, массы органического вещества величина рК увеличивалась.

2. Органические веществп приходных поверхностных вод представлены сое-

-го-

динениями как специфической \42vi стационар "Белый Раст" и 34,4?> С стационар "Вербилки"), так и индивидуальной природы (фенолы, низкомолекулярные кислоты, сахара, аминокислоты).

3. Изучение кинетики сорбции выявило для всех генетических горизонтов изучаемых почв наличие нескольких сорбционно-кинетических групп

( рн , с"1), что указывает на сложный механизм взаимодействия желе-зорганических комплексов с сорбентами.-Наибольшее количество сорбцион-

ных групп (до 4-х) обнаружено в горизонтах А,^ с константами кине-

—2 -7 -Т.

тики сорбции от КГ* ( относительно "быстрая сорбция") до 10" соотносительно "медленная сорбция").

4. Применение графико-математического приема разложения экспериментальных кинетических экспонент позволило установить три механизма взаимодействия комплексных железоорганических соединений с компонентами генетических горизонтов почв: химическое, внешняя и внутренняя диффузия.

о. Количество сорбционных мест возрастало при переходе от почв легкого механического состава к почвам тяжелого механического состава, с увеличением степени гидроморфности почв и молекулярных масс изучаемых железоорганических комплексов. На долю "медленной" кинетики сорбции ' приходилось 4-72$. Эта группа лимитировала время установления сорбционного равновесия, которое варьировало от 1,7 часа до 93,8 суток.

6. На первых стадиях сорбции (£равн =0,014-1,82ч) происходило химическое взаимодействие ( до 65/2) сорбента и сорбтива. В дальнейшем скорость реакции замедлялась и начинала преобладать внешняя диффузия (Я)к =КГ6 г Ю"7 см2/с),. at равн_ достигало 27,4 чао а. В тяжелосуглинистой почве дальнейшее протекание сорбции обусловлено внутренней диффузией ( "Й = Ю-8 f Ю~12см?/с).

7. Изучение статики сорбции позволило показать, что максимальная сорбционная ёмкость почв изменялась от 0,Об до4 мг углерода комплексов на I г сорбента, наибольших значений она дистигал:С С ю>. С ' Пн^ЬПИСТы ТЯКеАМ ЬичСы.

Поглотительная способность увеличивалась с возрастанием степени гидроморфности почв и с переходом к почвам тяжелого механического состава.

8. Исследование динамики сорбции железоорганичесикх соединений в натурных условиях с применением метода меченых атомов показало, что их миграционная способность уменьшается с увеличением ММ с органического лиганда. Относительно низкомолекулярные соединения

( LLM ~ 200) способны мигрировать в почвах легкого механического состава на глубину 13,5 см, а в почвах тяжелего механического состава - до 9,0 см в год.

9. В ^ихровегетационных опытах установлены достоверные различия в поглощении растениями яровой пшеницы железофульватных комплексов. Большей доступностью для растений обладали положительно заряженные комплексные соединения, из которых поглощалось 100^ углерода и 945о железа. При этом обнаружено положительное влияние на фотосинтетическую активность растений положительно и отрицательно заряженных железофульватных соединений, причем, первых сильнёе, чем вторых.

ор

10. Увеличению доступности фосфора ( Р) растениям пшеницы способствовали отрицательно заряженные железофульватные комплексы (поглощалось 70,ЕЙ фосфора исходного содержания). При использовании смеси железофульватных комплексов поглощалось растениями 24,Зй -Pr,0g. В корнях закреплялось до 85,фосфора.

Научно- практические рекомендации

1. Результаты исследований рекомендуется использовать при прогностических расчетах влияния органических лигандов на поведение железа, марганца и .других металлов в подзолистых почвах.

2. Оценка доступности железоорганических комплексов и их влияние^, на поступление макроэлементов позволит более точно оценивать поведение фосфора в системе почЕа-растение.

Слисок работ, опубликованных по материалам диссертации Шуваевой Л.В.

1. Карпухин А.И., Шуваева Л.В. Влияние геохимических барьеров на миграцию в подзолистых почвах марганца-54, поступающего из органических остатков. - В сб.¡Актуальные вопросы почвоведения. М., ТСХА, 1987, с.18-26.

2. Шуваева Л.В. Влияние разнозаряженных железофульватных соединений на доступность фосфора растениям. - Тезисы докладов' научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Пути повышения эффективности сельскохозяйственного производства в системе АПК". Пермь, 1988, с.8-9. .

3. Карпухин А.И., Шуваева Л.В., Вадкерти К. Поглощение яровой пшеницей различных комплексных соединений железа. - Известия ТСХА, 1989, вып.6, с.47-51.

4. Карпухин А.И., Шуваева Л.В., Вадкерти К. Влияние разнозаряженных железофульватных соединений на доступность фосвора растениям. - В сб.: Состав, свойства и плодородие почв. М., ТСХА, 1990,

с.115-120.

5. Шуваева Л.В., Карпухин А.И. Поглощение различных железофульватных комплексов растениями пшеницы. - Тезисы докладов к научно-производственной конференции Одинцовского района Московской .области (январь, 1989 г.) "Молодые ученые - сельскому хозяйству Нечерноземной зоны". М., ВНИПГИХИМ,' 1990, с.ЗО.

6. Карпухин А.И., Шуваева Л.В., Корягина И.В. Минералогический состав подзолистых почв разного механического состава. - В сб.: Управление плодородием почв в условиях интенсивного их использования. М., ТСХА, 1991, с; 74-83. \

-гь-