Введение к работе
Актуальность темы. Одной из главных задаяагропромышленного комплекса является внедрение научно обоснованных систем земледелия в зависимости от зональных природно-эко-номических особенностей сельскохозяйственного производства.
Для выполнения Продовольственной программы пеобхо-' димо интенсивное использование почв с одновременным повышением их плодородия на фоне комплексной химизации сельского, хозяйства. Практика химизации требует детального изучения характеристик особенно малоплодородных почв.' В настоящее время разработана система показателей химического состояния почв нашей страны. Особое внимание'в повышении плодородия почв уделяется гумусовому состоянию: почв. Все важнейшие звенья превращений, переноса и био-; логического круговорота веществ в почвах прямо или.кос-" венио связаны с превращением и переносом органического' вещества и, в свою очередь, его самых лабильных водорастворимых компонентов. Значительное влияние органических" соединений на почвообразовательные процессы, трансформацию и миграцию компонентов минеральной части почвы, осо-" бенно в гумидных областях, объясняется высоким содержанием органических веществ в природных водах и почвенных' растворах, а также высокой химической и биологической активностью этой группы соединений.
Органические вещества почв и других сопряженных с ними по ландшафту природных объектов содержат функциональные группы, способные к образованию комплексных и внутрикомплексных соединений с ионами металлов. Этот класс соединений широко распространен в природе и играет, существенную роль в генезисе почв и питании растений. По- -этому исследование состава іі свойств органо-минеральных" соединений является весьма актуальным для понимания вопросов генезиса, эволюции н плодородия многих типов почв: С другой стороны, развитие химической технологии позволяет ставить волрос об использовании комплексных соедине- *
Л-2В. 7SB . *
(
Центральная Нлучггла Евївявтека
' ний органических веществ с нонами металлов при возделывании сельскохозяйственных культур.
' Высокая эффективность их действия, небольшие дозы, малая токсичность этих препаратов позволяют решать разнообразные задачи Продовольственной программы с учетом местных условий и особенностей .сельскохозяйственных культур. Значительно менее изучены комплексообразующие способности органических веществ почв. Отсутствуют фундаментальные разработки и обобщения по масштабам образования, составу и свойствам этой группы соединений в почвах. Разработка этой проблемы требует также и решения методических ее аспектов.
Рассмотренные положения показывают высокую актуальность и острую необходимость изучения органо-минеральиых соединений в почвах и особенно их мобильных форм.
Цель и задачи исследований. Основной целью диссертационной работы явилось изучение природы, состава и свойств комплексных соединений для определения их многогранной роли в генезисе и плодородии почв, охране окружающей среды и повышении эффективности некоторых мелиоративных приемов. Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи;
-
на основании экспериментальных сравнительных исследований дать характеристику методов и обосновать научно-методические подходы к изучению природы, состава и свойств: комплексных соединений почв и других сопряженных сними по ландшафту объектов;
-
установить природу взаимодействия органических веществ с ионами металлов;
-
на примере подзолистых почв определить состав и устойчивость комплексов Fe, Мп и Са;
-
исследовать закономерности сорбции комплексных соединений органических веществ с ионами металлов;
-
изучить трансформацию и миграцию органо-минераль-ных комплексов;
-
оценить доступность металлов из состава комплексов для растений;
-
определить влияние комплексов на рост и развитие некоторых культур;
-
установить особенности поведения комплексных соединений на мелиорируемых землях и в условиях загрязнения почв.
Объекты н методы исследований. Основными объектами служили подзолистые почвы разной степени гидроморфности (Дмитровского района Московской области), тяжелого механического состава (стационар «Белый Раст»), легкого меха-
нического состава (стационар «Вербилкн»), а также некоторые подзолистые почвы в Калининской и Архангельской об* ластях.
Кроме этого, в качестве объектов использовали водорастворимые органические вещества почвенных растворов и поверхностных природных вод стационарных площадок кафедры почвоведения ТСХА.
Почвенные объекты (типичные подзолистые почвы стационаров) всесторонне охарактеризованы и хорошо известны по многолетним стационарным наблюдениям кафедры почвоведения ТСХА (Кауричев И, С, Ноздрунова Е. М, Фокин А. Д., Савич В. И. и др.).
Исследования проводили путем лабораторного моделирования и наблюдения в натурных условиях с широким привлечением, наряду с традиционными методами почвенных и агрохимических исследований, хроматографии н метода радиоактивных индикаторов.
Вклад автора. Диссертационная работа обобщает исследования, проведенные лично автором и при участии руководимых им сотрудников, аспирантов и студентов, а также включает работы, выполненные в творческом сотрудничестве с представителями других научных учреждений и учебных заведений. В совместных работах автор являлся руководителем или соруководптелем и одним из основных исполнителей на всех этапах исследований: при сборе материалов, проведении опытов, обработке экспериментальных данных и оформлении для печати. Основные идеи, методические, разработки н фактический материал принадлежат автору и ранее были им опубликованы (лично или в соавторстве).
Научная новизна. Настоящая работа является первым фундаментальным и систематическим исследованием в области химии комплексных соединений органических веществ почв с нонами металлов.
Разработаны подходы и дана характеристика методов изучения природы, свойств, превращений и миграции органо-ми-неральных соединений почв и других природных объектов. Для этих целей рекомендуется метод моделирования в лабо-' раторных и природно-стацнонарных условиях с использованием меченых атомов в сочетании с хроматографическими методами (гель-фильтрация, ионный обмен и др.), а также система других физико-химических методов для исследования природных и искусственно созданных органо-мннсральных соединений почв.
Дано теоретическое и практическое обоснование использования в почвенных исследованиях систематизированной ге-левой фильтрации. Система гелей позволяет проводить хро-
матографлю, в оптимальных условиях для проявления молекули рно-ситового механизма разделения. Применение системы гелей с взаимно перекрывающими пределами разделении дает возможность за счет снижения сорбционного эффекта и эксклюзии повысить селективность хроматографического процесса и эффективность использования колонки. Наиболее эффективно применение гелевой фильтрации в сочетании с методом радиоактивных индикаторов {радио-гель-хроматография). .
С помощью лазерной техники определены флуоресцентные параметры молекулярно-массовых фракций и комплексных соединений гумусовых кислот с ионами металлов. Установлено, что комплексообразование уменьшает интенсивность флуоресценции, которая, в свою очередь, зависит от состава образующихся комплексов. Это открывает большие возможности использования лазерной флуометрин для изучения оптических свойств гумусовых веществ "и их комплексных соединений.
На примере подзолистых почв проведено систематизированное изучение природы, состава и свойств водорастворимых комплексов, гумусовых веществ с ионами железа, марганца и кальция. Показано, что состав и свойства комплексных соединений гумуса определяются химическими свойствами металла и природой органического лиганда.
Изучена кинетика, и статика сорбции водорастворимых; комплексов подзолистыми почвами. Установлено, что при длительном времени взаимодействия сорбция обусловлена диффузией сорбтива внутрь почвенных частиц.
Определены основные параметры трансформации и миграция Fe, Мп, Са—органических соединений в подзолистых почвах разного механического состава и неодинаковой сте--пени гидроморфностн. Для Мп-органических соединений впервые такого рода исследования выполнены с использованием двойной метки по углероду и металлу, что расширяет возможности использования радиоактивных изотопов в почвенных исследованиях.
Применение метода радиоактивных индикаторов позволило установить, что наибольшей миграционной способностью, в модельных лабораторных и натурных условиях обладают комплексные формы металлов со средними параметрами молекулярных масс, констант устойчивости, степени насыщенности металлами.
Определено влияние водорастворимых комплексов гумусовых веществ с некоторыми металлами на рост и развитие культурных растений. В вегетационных опытах с испольэо^ ванием изотопов железо-59, марганец-54, кальций-45 и,
цинк-65 показано, что доступность комплексов для растений определяется как химической'природой металла, так и свойствами органического лаганда. С использованием двойной метки 54Мп и НС установлено, что отдельные комплексы могут поступать в растения, тогда как другие разрушаются на первом физиологическом барьере. Показано физиологическое влияние комплексов на растения. Эти положения уточняют наши сведения о значении комплексных соединений в доступности элементов питания.
С помощью систематизированной гелевой хроматографии установлен сложный молекулярно-массовый состав некоторых питательных смесей для проведения вегетационных опытов. Выявлено активное влияние фульвокислот на молеку-лярно-мзесовое распределение макро- и микроэлементов в питательных растворах, что позволяет более глубоко оценить роль гумусовых веществ в питании растений.
На примере подзолистых почв определено влияние мелиорации на состав и свойства" комплексных соединений органических веществ с нонами металлов. Показано, что при разработке приемов повышения эффективности мелиорации необходимо учитывать состав и свойства органических лнган-дов. Изучены особенности поведения комплексов при известковании и осушении почв.
Впервые разработана система единиц группового подразделения комплексов (класс, семейство, ряд, тип, подтип, категория, группа, вид, разряд) в их взаимном подчинении для систематики и классификации координационных соединении органических веществ почв.
Соискателем показано, что состав и свойства комплексных соединений зависят от генетических особенностей почвообразования и могут служить важным диагностическим признаком условий формирования и интенсивности сельскохозяйственного использования почв.
Совокупность ' сформулированных и обоснованных выводов и научных положений можно квалифицировать как но-вое научное направление — химия комплексных соединений почв.
Практическое значение работы. Результаты проведенных исследований используются на кафедре почвоведения ТСХА при выполнении научных работ по усовершенствованию научных основ и способов повышения плодородия почв в условиях интенсивного земледелия и для решения проблем регулирования гумусового состояния почв.
Теоретические и методические разработки по гелевой фильтрации применяются с 1978 г. в лаборатории почвенных исследований ТСХА, ЦИНАО, МГМИ и ряде других сельскохозяйственных вузов.
Апробирована и рекомендуется система физико-химических методов для изучения природы, состава, свойств и поведения органо-минеральных соединений в почвах и сопряженных по ландшафту объектах. Результаты научных разработок по этому разделу диссертации используются в МГУ на кафедре квантовой радиофизики для изучения механизмов фотофизических процессов в натурных органических комплексах и для разработки лазерного метода диагностики соединений в природных и технологических водных средах и в лаборатории охраны геологической среды для оценки загрязнений почв отходами гернодобывающей промышленности. *
В Институте ядерных исследований АН Узб. ССР применяются результаты научных разработок соискателя для изучения содержания, состава и форм химических элементов в природных водах, в МГМИ — для исследования действия осушения на состав и свойства почв, Гипроводхозе — для оценки состава и свойств почв избыточного увлажнения, в ЦИНАО — для изучения влияния возрастающих доз жидкого навоза на фосфатный режим почв, а также в лаборатории , экологии засоленных почв Целиноградского отделения Института почвоведения АН Каз. ССР для разработки методов регулирования устойчивости полимер но-коллоидного комплекса солонцовых почв различного генезиса.
Результаты исследований автора используются в курсах лекций, читаемых для студентов факультета агрохимии и почвоведения ТСХА и для слушателей ФПК.
Публикации и апробация работы. По результатам исследований опубликовано более 100 работ, в том числе учебно-методическое пособие и учебно-методические указания.
Основные положения диссертации отражены в 92 публикациях.
Результаты исследований ежегодно докладывались на академических {1974—1985 гг.), региональных (1980 г., Днепропетровск; 1982 г., Горький; 1982 г., Уфа; 1983 г., Ленинград; 1985 г., Архангельск) и Всесоюзных {1979 г., Москва; 1981 г., Харьков; 1983 г., Москва) совещаниях и конференциях, два доклада на секции «Химия почвы» ВОП, на VIII Международном конгрессе по минеральным удобрениям (1976 г., Москва), на V и VI делегатских съездах Всесоюзного общества почвоведов (1977 г., Минск; 1981 г., Тбилиси).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и шести глав, изложена на 443 страницах машинописного текста, включает 79 таблиц, иллюстрирована 26 рисунками. Список использованной литературы состоит из 478 наименований.
