Введение к работе
Актуальность проблемы-. Среда актуальных почвенно=экологичес-ких проблем особое место отводится вопросам, связанным с трансформацией и миграцией веществ в агроландшафтах (Фокин А.Д.,1975, 1994). данное научное направление позволяет углубить сложившиеся представления не только, например о процессах почвообразования и превращении средств химизации, но и уточнить особенности поведения ксенобиотиков. Известно, что в современный период ландшафты Земли испытывают все более возрастающие техногенные нагрузки, а сведения о процессах трансформации и миграции поллютантов заметно отстают от реальных масштабов загрязнения почв и экосистем (Ягодин Б. А. с соавт., 1996).
Информация о трансформации, переносе и аккумуляции веществ на барьерах может быть использована при локальном и фоновом мониторинга* компонентов агроландшафтов, агроэкологической оценке качества почв сельскохозяйственных угодий..., а также при разработке адаптивно-ландшафтных систем земледелия (Каштанов А.Н., 1992; Кирппин В.И., 1993 и другие).
Цель исследований. Основная цель настоящей диссертационной работы состояла, во=первых, в изучении процессов трансформации ряда кальций-содержащих мелиорантов в почвах агроландшафтов Подмосковья, и, во-вторых, в исследовании абиогенной (внутрипрофиль-ной) миграции водорастворимых органических веществ (ВСВ) с кислотными и комплексообразуюшими свойствами о помощью метода сорбци-онных лизиметров (МСЛ).
Задачи изысканий; .....*.-
1). Изучение структуры почвенного покрова (СПП) мелиоративного .
массива на стационаре "Няндомский" Архангельской области. 2). Исследование внутрипрофильной миграции ВОВ в элементарных почвенных ареалах на основе материало'в детальной почвенной съемки мелиоративного массива. » -3). Изучение абиогенной миграции ВОВ в почвах стационарных опытов учхоза "михайловское" МСХА. 4). Натурное исследование процессов трансформации ряда иэвеот-ковых мелиорантов (доломита, фосфорита, фосфогипса и др.) в почвах Полевой опытной станции и учхоза "Михайловское"MWA о помощью модифицированного варианта МСЛ. а также ионов 0d^+ мелиорантами.
ЦЕНТРАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ С ,ЗЯ ІОТЕКА Моск. садьс .ox-jo. академии им. К. А. \*.,,^імра > у
Икв.№^1гЬШ"
5). Изучение в лабораторных опытах интенсивности десорбции ионов кальция водой и зодными растворами 0,1 н. н^со^вов из хвои ели и галловой кислоты из гор. А1 и Ск дернсво-подзолистой остаточно-карСонатной почвы стационара "Каргопольская сушь" Архангельской области.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые изучены абиогенные потоки ВОВ в сопряженных элементарных почвенных ареалах (ЭПА) на мелиоративном массиве. Охарактеризованы масштаб миграции BOB и их компонентный состав в стационарном отыте . 7 учхоза "Михайловское" в летний и осенке-весенний периоды. Уточнены особенности сорбции фульвокислот, выделенных препаративно из гор. AqA, подзолистой почвы стационара "Белый Раст" Длитровско-го р-на Московской области, образцами порошка доломита в статике.
Проведено сравнеьле десорбирующей способности ряда природных элюентов (дистиллированной воды, ВОВ из хвои ели и водного раствора галловой кислоты) с водным раствором 0,1 н. H^so4 , способной поступать в компоненты экосистем и ландшафтов с аэральными выпадами (в частност-, в форме "кислотных дождей" - А. Смит,1967), в отношении Са + из гор. А1 и Ск дерново-подзолистой остаточно-карбонатной почвы стационара "Каргопольский". Выявлены некоторые особенности трансформации известковых мелиорантов под влиянием естественных (нативных) компонентов ВОВ в почвах агроландшафтов Подмосковья. Показано, что данный процесс протекает стадийно, и на 1-м этапе сопровождается колич ственной сорбцией органических лигандов тонкодисперсными частицами мелиорантов.
Затем происходят различные химические взаимодействия, обусловленные, с одной стороны, компонентным составом и свойствами ВОВ, а с другой - генезисом почв, своеобразием водного режима и особенностями функционирования растительности и микрофлоры - источников ВОВ. Подобные реакции сопровождаются, в частности, мобилизацией в раствог из твердой фазы мелиорантов ионов Са (и иных сопутствующих ионов тяжелых металлов, и, очевидно, Sr *). При этом формируются различные по устойчивости и миграционной способности соли кальция в том числе и о водорастворимыми органическими лигандами (Варшал Г.М. с соавт., 1972; Панов Н.П. и Савич В.И., 1981; Шильников И.А. и Лебедева Л.А., 1937; Япия И.М.,1993; Карпухин А.И. и Платонов И.Г., 1994;Schnitzer м. and Skinner s., 1967; Piccolo A. and Stevenson F.J., 1982).
Практическая значимость результатов исследований состоит в следующем: 1-е - в уточнений масштаба мобилизации ионов Са + и Zn + из мелиорантов.в летний сезон и сорбции ими ненов кадмия, 2-е - установлении форм миграции Са в окультуренной дерново-подзолистой, 3-е - уточнении специфики химического загрязнения почв ландшафтов по содержанию в препаратах ФК (выделенных по методу Forsyth w. ) тяжелых металлов, 4-е - оценке миграционных потоков веществ (в частности, ВОВ) в сопряженных элементарных почвенных ареалах.
Полученные данные позволяют рассматривать важный процесс химической мелиорации почв подзолистого типа не однонаправленно (с позиции только регулирования кислотности), а и более широко -с биогеохимических позиций.
Объекты и методы исследований.
Объектами исследований были как пахотные и лесные дерново-подзолистые почвы Подмосковья (Полевой опытной станции и учхоза "Михайловское" Тимирязевской с/х академии), так и мелиорированные массивы почв в Архангельской области - стационар "Няндомский".
Почвы стационаров обстоятельно изучены Кауричевым И.С, Сави-чем В.И., Яшиным И.М., Сафоновым А.Ф., Платоновым И.Г., Варфоло-меевым Л.А. и другими.
В частности в опыте J* 7 профессора А.И. Пупонива (МСХА) изучаются 9 овстем обработки почвы: 1) отвальная, принятая в Подмооковь без удобрений (контроль); 2) отвальная интенсивная с внесением 2 (бОябОРбОк) кг д.в. ва і га, 3) отвальная интенсивная с внесением 2 (бфтбОРбОк) кг д.в. +14,4 т навоза ва 1 га; 4) минимальная фрезерная без удобрений; 5) то же, о внесением 2 . (бОкгбОрбОк) кг д.в. ва 1 га; 6) то же с внесением 2 (бОнбОрбОк кг д.в. + 14,4 т вавоаа ва 1 га; 7) сочетание трехъяруоной и отвальной обработок о фрезерной (трехъярусная обработка ва 38-40 ом в занятом пару и под картофель; в остальные годы - без оо-воввой обработки: предпосевное фрезерование под зерновые ва 8-10 ом, под картофель - ва 14-16 ом), без удобрений; 8) то же о вне-' оением 2 (бОтбОрбОк) кг д.в. на 1 га; 9) то же о внеоенивм 2 (бОябОРбОк) кг д.в. 14,4 т навова ва і га. Использовали . удобреная: ян4но3. Са(Н^Р04)2, КСІ. Под картофель - к2зо4 . Азотные туки внооили под предпосевную, а фоофорно-халжйные - под основную обработки почвы. Иэвеотковавже проводил доломитивирован-
ным известняком-Са, Mg( схэ^^-дозой по полной гидролитической кислотности в августе лосле уборки зерновых, в 1969, 1978 и I9S7 и 1996 гг.
После закладки опыта № 7 в 1969 г. в результате активного окультуривания дерново=подзолистых почв заметно улучшились их пищевой режим и реакция среды, увеличилась степень насыщенности почвенно=поглощающего комплекса основаниями.Однако в почвенном покрове участка (по данным детальной съемки) еще сохранились "микрозоны", которые по своим морфологическим признакам и физико-химическим свойствам весьма близки к целинным (лесным) аналогам (Ялин И.М., 1993; Платонов И.Г., 1993).
Территория почвенного стационара "Няндомский" площадью 0,7 га приурочена к типичному почвенно-геоморфологическому району европейского Севера. В геоморфологическом отношении она представляет собой сложный, динамично развивающийся моренный грядово-западанный ландшафт.
Стационар был заложен на относительно выровненном водоразделе моренной гряды с абсолютными отметками около 248 м над ур. м. Детальную почвенную съемку (Mi :200) проводили путем закладки полнопрофильных разрезов в сети квадратов іОхіО м, "привязанных" на местности к нескольким постоянным ориентирам, а также к системе провешенных параллельных ходов с реперами. Каждый квадрат отрабатывали 2-3 разрезами и уточняющими прикопками в зависимости от микрорельефа и залегания почвообг'зугощих пород. Дополнительную информацию о морфологии почв и их топографии получали с помощью трансекты - профиля магистрального мелиоративного канала протяженностью около 50 м. Всего на участке 0,7 га исследовали 1Q7 разрезов глубиной 1,2-1,7 м. Подобная сеть разрезов в условиях динамичного рельефа Коношско-Няндомокой моренной гряды позволила выявить особенности генезиса и географии почв на низшем таксономическом уровне их пространственной организации. Масштаб полевого картирования стал притерием выявления элементарных почвенных ареалов (ЭПА), оценки их однородности и возможности выделения в пространстве специфичных почвенных объектов - предельных (минимальных по объему) структурных элементов (ПСЭ).
По компонентному составу мезоструктуры стационарного мелиорированного участка "Егрома" 2-го года освоения представлены главным образом сочетаниями-мозаиками. Среди них диагностированы ав-
томорфно-полугидроморфные эрозионные микропятнистости-микромозаики, состоящие из осваиваемых слабо-, средне- и сильноподзолистых почв разного механического состава с поверхностно- и грунтово-глееватыми (редко глеевыми) аналогами на двучленных, флювиогля-циальных и моренных отложениях, а также полугидроморфные микромозаики, включающие осушаемые болотно-подзолистые, дерново-перегнойные глеевые и болотные низинные почвы, развитые главным образом на красно-бурой бескарбонатной суглинистой морене.
Методы. Трансформацию кальцийсодержащих мелиорантов и сорбцию ими ионов Cd + изучали с помощью модификации МСЛ (Кауричев И.С., Яшин И.М., 1989) в почвах агроландшафтов Подмосковья - учхоз "Ми-хайловское" и Полевая опытная станция МСХА (близ опыта акад. Д.Н. Прянишникова). Для этого в колонки с сорбентами (катионит КУ-2 в Н+ форме, активированный уголь...), которыз располагали снизу вверх над дренажом, вносили точную массу порошка мелиоранта (по 15-20 г). Сорбенты, кварцевый песок, мелиоранты обильно увлажняли, затем вносили по 10 мг CdCl2 в растворе на самый верхний слой песка и вместе с приемниками вод устанавливали под гор. Aq или Апах (на известный интервал времени - период вегетации культурных растений, год) в профиле дерново-подзолистой почвы.
В лабораторных опытах исследовали особенности сорбции фульво-кислот (ФК), препаративно выделенных из гор. AQA1 подзолистой почвы, образцами.доломитизированного известняка (ГОСТ 14050-78) с использованием метода переменных концентраций. Частицы ca.MgCcOj] имели размер менее 0,25 мм.
Внутрипрофильную миграцию мобильных органических соединений изучали с помощью метода сорбционных лизиметров. В качестве сорбентов использовали оксид алюминия для хроматографии, который обычно располагали слоем 1,5-2,5 см в нижней части колонок (над дренажом из песка), а в верхней - низкозольный активированный уголь "карболен" (частицы менее 0,5 мм). Сорбенты разделяли 3-сантиметровым слоем отмытого от железа кварцевого песка. Контакт колонок с почвой осуществляли через 2-3-сантиметровый увлажнен- -ный олой песка, который хорошо предохранял активированный уголь от заиливания. Попользовали методические рекомендации из книги Кауричева И.С, Яшина И.М.,и Черникова В.А. (1996).
Абиогенные потоки веществ изучали в сопряженных ЗЛА на "Няндомском" стационаре (мелиоративный массив) и в учхозе "Михайлове-
кое" в смешанном лесу (контроль; по парцеллам - в пределах так называемого "поля миграции" конкретного биогеоценоза) и на пашне - в длительном стационарном опыте К 7 проф. Пупонина А.И. также с помощью МСЛ.
В подзоне средней тайги контролем (при оценке масштаба миграции БОВ в агроландшафтах) служила нативная подзолистая почва лесного биогеоценоза, расположенного в 200 м от мелиоративного массива.
Автор непосредственно участвовал как в полевых опытах в Подмосковье, так и в аналитических исследованиях по стационару "Няндомский" (определение Сорг> ВОВ из сорбентов), а также в обобщении результатов детального картографирования почвеьного покрова.
Схе"а уодельного лабораторного опыта по изучению десорбции ионов Са2+ в динамике из горизонтов А1 и Ск дерново-подзолистой остаточно-карбонатной почвы стационара "Каргопольская сушь" Архангельской области включала следующие варианты: 1-й - контроль (дистиллированная вода, рН 6,72), 2-й - водный раствор галловой кислоты (концентрация - 500 мг/л, рН 4,5), 3-й - ВОВ из "свежей" хвои ели (настаивание 50 г массы опада о 500 мл воды в течение 3 сут. - рН 3,25, концентрация Сорг. ВОВ - 375-415 мг/л), 4-й -водный раствор 0,і н. H^so.^ (рН 1,0). При десорбции использовался только один элюент: или вода, или 0,1 н. H^so^ ... 5 порций по 50 мл. Скорость элтрования регулировалась зажимом на выходной трубке и составляла ~ 60 мл»час-1. В серийных опытах десорбцию Са проводили в стеклянных колонках ( h = 8,5 см и d = 5,9 см) как без сорбента, так и с сорбентом (катионит КУ-2 в Н1" форме), который располагали над дренажом в нижней части колонок. Са определяли в аликвотах элюатов после сжигания BOB (аликвоты выпаривали досуха на водяной бане, сухой остаток растворяли в 0,1 н. HCI). Воспроизводимость - 1-2SS. Предел обнаружения 0,0i3 мкг/мл Са2+. Результаты опытов оценены с помощью метода вариационной статистики для однородной выборки. Определена достоверность средних значений (х) по рассеиванию (флюктуации) величин о в связи с механизмами мобилизации Са2+ в растворимое состояние. Бели значения опытных данных (по отдельным элюентам) были Зс > х, то их считали недостоверными, поскольку действовали разные механизмы десорбции Са2+ (ионообменное вытеснение, растворение осадков СаСОя...), которые вызывали разные масштабы элюирования.
..-9-
Общее содержание Са, са. + и Zn + в растворах определяли после сжигания в аликвитах ФК (20# Н^)2') на атомно-адсорбционных спектрофотометрах Perkin-Elmer-503 и ААС-3 (Германия). В водных., растворах - на иономере ЭВ-74 с помощью ионо-селективного электрода марки ЭМ-Ca-OI. Углерод - по Тюрину; препараты ФК выделены по Forsyth, w. (1947) .Фракции фульвокислот получены на системе гелей - декстрана Сефадекс G- Ю и G- 50 с автоматическим коллектором отбора проб, используя рекомендации Карпухина А.И. (1986). Полифенолы в составе ВОВ (элюаты из сорбентов) определяли с фос-форомолибденовой кислотой (по Розенблату и Пельюозо, 1941), низкомолекулярные органические кислоты -методом бумажной распределительной хроматографии (Кауричев И.С. с соавт., 1963).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Оценка внутрипрофильной миграции ВОВ в элементарных . структурах почвенного покрова мелиорированного массива "Няндомский" Архангельской области.
-
Особенности абиогенной миграции ВОВ в почвах длительного стационарного опыта * 7 учхоза "Михайловское" Московской области.
-
Роль ВОВ в превращении известковых мелиорантов в дерново-подзолистых почвах агроландшафтов Подмосковья.
-
Сравнительная оценка десорбирующей способности природных (вода, ВОВ из хвои ели и водный раствор галловой кислоты) и антропогенных (представитель аэральных кислотных выпадов) элюентов -водный раствор 0,1 н. H^so4 - на вытеснение ионов Са2+ (простых
и сложных в форме комплексов) из образцов гор. А, и Ск почвы "Кар-гопольской суши". _:'
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Российской научно-практической (г. Саратов, 1997) и Межведомственной (п. Немчиновка, ВНШТИХИМ, мір г 2000) конференциях, на кафедре экологии и безопасности жизнедеятельности МСХА (1997-1999 гг.)..
Птбликадии. По материалам исследований опубликовано 2 научные работы. Одна находится в печати.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 177 страницах машинописного текста; состоит из введения, пяти глав, выводов, рекомендаций производству и библиографии. Включает 32 таблицы, 11 рисунков г 2 фотографии. Библиография содержит 184 наименования, в том числе 16 иноотранных источников.
Автор благодарен своєму научному руководителю профессору, доктору биологических наук Шину Ивану Михайловичу за всестороннюю помощь, консультации и поддержку при выполнении диссертационной работы.
Автор признателен также профессорам Кауричеву И.С, Черникову В.А., доцентам Мамонтову В.Г., Платонову И.Г. и старшим научным сотрудникам Фролову В.П. и Маймусову В.Н. за методическую помощь и критические замечания.
