Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ: Природа и функции ВОВ 11
1.1. Современное состояние изученности природы ВОВ в таёжных ландшафтах 11
1.2. Функциональная роль групп ВОВ в таёжных экосистемах 17
1.3. Методология исследования экологических функций ВОВ . 32
Глава II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 40
2.1. Объекты: почвы лесных, лесопарковых и агроландшафтов нижнего течения р. Сев. Двины (стационары «Холмогорский», «Малые Корелы» и «Приморский») 40
2.2. Методы исследований 59
2.2.1. Методы изучения состава и абиогенной миграции компонентов ВОВ 67
2.2.2. Конструкции сорбционных лизиметров 68
2.2.3. Модифицированный вариант метода сорбционных лизиметров, используемый при оценке продуктов трансформации СаСОз(МСОз) и иных веществ в почвах 53
Глава III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА, МИГРАЦИИ ФУНКЦИЙ ВОВ 71
3.1. Фульвокислоты — химический артефакт или экологический феномен таёжных экосистем 71
3.2. Динамика и масштаб абиогенной (водной) миграции ВОВ в почвах нижнего течения р. Сев. Двины 82
3.3. Трансформация препаратов гидрогелей гуминовых кислот в почвах северной тайги 90
3.4. Особенности процесса трансформации известковых мелиорантов в глее-подзолистых и аллювиальных (пойменных) дерновых почвах 94
3.5. Формы и масштаб миграции соединений Fe и Si при преобразовании в почвах северной тайги 109
3.6. Экологические функции водорастворимых органических веществ таёжных ландшафто 123
ГЛАВА IV. МЕТОДОЛОГИЯ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТАЕЖНЫХ ЭКОСИСТЕМ 131
4.1. Принципы оценки экологической ситуации 131
4.2. Прогноз поведения ряда тяжелых металлов в геохимических ландшафтах северной тайги
Выводы 140
Научно-производственные рекомендации 143
- Современное состояние изученности природы ВОВ в таёжных ландшафтах
- Объекты: почвы лесных, лесопарковых и агроландшафтов нижнего течения р. Сев. Двины (стационары «Холмогорский», «Малые Корелы» и «Приморский»)
- Фульвокислоты — химический артефакт или экологический феномен таёжных экосистем
Введение к работе
Многообразие состава и форм органических веществ в системе биогеохимического круговорота живое вещество (биота) — биологические остатки — почва — геохимический ландшафт определяет целесообразность системного изучения функций органического вещества почвы (А.Д. Фокин, 1975; А.И. Карпухин, 1986). Подобный подход предусматривает накопление фактической информации и ее анализ на основе исследования ведущих процессов трансформации растительного опада, поступающего в почву. К ним относятся: минерализация (биохимическое окисление компонентов ВОВ), гумификация (формирование новообразованных органических веществ в форме кислот и различных солей), консервация опада в виде органогенных генетических горизонтов почв, и, наконец, мобилизация в растворимое состояние ВОВ из живых вегетативных органов растений, растительного опада, лесных подстилок, корневых остатков и педогенных гумусовых соединений (И.М. Яшин, 1993).
В неразрывной цепи процессов трансформации растительных остатков в гумусовые соединения основное внимание специалистов сосредотачивалось на познании явления гумификации и химической диагностике образующихся продуктов. В меньшей мере затрагивалась проблема ВОВ, хотя их роль в почвообразовании отмечалась такими учеными, как В.Р. Вильяме, М.Н. Сибирцев и др. Об этом, в частности, писал И.В. Тюрин: «... предположение о большом значении водорастворимых органических соединений в образовании гумусовых веществ, высказанное Леваковским, затем Слезки-ным и особенно развитое СП. Кравковым, имеет под собой несомненно веские основания (1944, с. 40). Однако лишь в последнее время благодаря внедрению в почвенные исследования хроматографии, лизиметрического метода и изотопных индикаторов были установлены важные специфические функциональные особенности ВОВ в таежных ландшафтах. Несмотря на доминирование в изучении гумусовых веществ химического подхода, постепенно складывались представления, основывающиеся на генетических принципах почвоведения. Известно, что это мировоззрение лежало в основе исследований В.Р. Вильямса. В дальнейшем данное научное направление было успешно развито и экспериментально обосновано И.В. Тюриным (1937,1944, 1956,1961).
В современный период с ним связаны крупные достижения отечественных и зарубежных исследователей в решении сложной и актуальной проблемы почвенного гумуса (М.М. Кононова, 1951, 1963; Л.Н. Александрова, 1951, 1980; В.В. Пономарева, 1964; И.С. Кауричев, 1965; Д.С. Орлов, 1974; А.Д. Фокин, 1975; Б.А. Скопинцев, 1950, 1983; С.А. Алиев, 1966, 1978, 1988; И.Д. Комиссаров, 1975; Л.А. Гришина, 1983; В.А. Черников, 1984; А.И. Карпухин, 1986; И.М. Яшин (1973,1933); С. Ваксман, 1937; В. Форсит, 1947, 1949; В. Фляйг, 1962, 1975; М. Шнитцер, 1962, 1966; Ф. Стевенсон, 1982; К. Кумада, 1988; Р. Тейт, 1991; Г.В. Мотузова (1999-2004, Т.Т. Горбачева, 2001-2004) и другие исследователи.
Особое место в разработке рассматриваемой проблемы занимает изучение процессов превращения растительных остатков и образование специфической группы органических веществ (почвенного гумуса), установление природы фульвокислот (ФК) и их роли в подзолообразовании.
По мнению Л.Н. Александрова, «интерес к фульвокислотам был восстановлен классическими работами И.В. Тюрина, в которых даны новые методы их выделения, исследован состав, описаны существенные свойства и показана роль в почвообразовании» (1951, с.85). Полученная информация была весьма важной, поскольку в литературе существовала и другая точка зрения, согласно которой ФК рассматривались как искусственные компоненты, выделяемые в раствор при воздействии на почву в лабораторных условиях щелочных растворов. И.В. Тюрин обосновал генезис почв таежной зоны и раскрыл особенности формирования органических продуктов с позиции динамики почвенных процессов. Он, например, обращал внимание на явный недостаток конкретного материала, полученного в полевых стационарных опытах, с помощью которого можно было бы охарактеризовать пути образования: специфику трансформации водорастворимых органических веществ (ВОВ) и оценить их участие в процессе почвообразования. В настоящее время накоплен фактический материал, на основании которого можно заключить, что ВОВ выполняют важнейшие экологические функции, участвуя в глобальном круговороте веществ, в частности, в процессах почвообразования. Обобщение литературных данных и анализ собственных результатов исследований позволяют выделить следующие экологические функции ВОВ, которые отражают существующие связи на разных уровнях круговорота веществ в природе (биосферном, ландшафтном, почвенном); гидрохимические, биогеохимические и педогенные. Гидрохимические функции проявляются на самом высоком уровне — в геохимических ландшафтах в биосфере, с одной стороны, влияя на состав и свойства поверхностных вод, а с другой — активно участвуя в транспорте различных продуктов выветривания и почвообразования в географическом пространстве. Биогеохимические функции наиболее масштабно и своеобразно реализуются на уровне геохимические ландшафты — почвенный покров (почвы), характеризуя процессы мобилизации, трансформации и миграции разнообразных химических элементов, как типоморфных (Fe, А1, Mn, Si), так и макро- и микроэлементов питания. Педогенные функции ВОВ изучены наиболее полно. Они проявляются в почвенном пространстве — времени сопряжено с различными группами живых организмов, в гуму-сообразовании и обновлении гумусовых соединений: формировании генетического профиля почв подзолистого типа (как следствие трансформации почвенных минералов, миграционном перераспределении новообразованных продуктов, растворении минералов-солей); мобилизации в раствор химических элементов из труднорастворимых соединений в результате сорб 6
ции ВОВ и последующего комплексообразования; оглеении почвенных горизонтов, сегрегации соединений Fe и Мп; внутрипрофильном переносе тонкодисперсных суспензий без их разрушения (лессиваже). Информация об указанных процессах неоднозначна. Качественные и количественные параметры, отражающие педогенные функции ВОВ, зависят от биоклиматических условий и специфики лесных биогеоценозов (варьирования видового состава растительности, величины биомассы, ежегодного опада, запасов лесной подстилки, типа гумуса — фульватный, гуматный), а также особенности структуры почвенного покрова, дренированности территории стационаров и других показателей (И.М. Яшин, B.C. Кащенко, 1984,1986...).
При оценке роли ВОВ в таежных биоценозах некоторые авторы исходят из так называемого масштабного эффекта, когда путем соотношения масс гумусовых веществ и ВОВ делается не совсем обоснованный вывод о второстепенной роли ВОВ в почвенно-геохимических процессах. Имеющиеся фактические сведения указывают на то, что нативные гумусовые соединения и ВОВ хотя и взаимосвязаны генетически, но выполняют в таежных биоценозах принципиально разные почвенно-экологические функции: в гумусовых веществах на какой-то промежуток времени затормаживается круговорот углерода и других химических элементов путем аккумуляции в почве относительно устойчивых органических и органно-минеральных продуктов (аккумулятивная функция), а с помощью ВОВ, напротив, интенсифицируется почвенно-геохимический круговорот веществ. ВОВ, богатые энергией и содержащие разные группы органических веществ (включая индивидуальные и специфические органические кислоты — ФК), а также устойчивые органо-минеральные соединения, активизируют почвенные реакции, нарушая периодические стационарные равновесные состояния почвы, способствуют непрерывному развитию почвенного пространства и обусловливают динамичность химических свойств подзолистых почв. В условиях таежно-лесной зоны компоненты ВОВ воздействуют на почву при периодическом сезонном переувлажнении верхних генетических горизонтов, что чрезвычайно важно как для мобилизации ВОВ, так и для последующих реакций превращения почвенных минералов и гумусовых веществ. Вода и находящиеся в ней компоненты ВОВ являются главной движущей силой развития почвенной материи на различных уровнях ее организации — от ионно-молекулярного до современной эволюции почвенного профиля (динамическая функция).
ВОВ играют своеобразную роль в функционировании таёжных биогеоценозов1, отражая не только специфику взаимосвязи живых организмов с почвами путем «биогенного кислотообразования (И.М. Яшин, И.С. Кау-ричев, 1989), но и являясь фактором, воздействующим на эволюционное развитие почв и геохимический перенос продуктов почвообразования. Эти особенности определяются, с одной стороны, интенсивной мобилизацией ВОВ в растворимое состояние, постоянным их присутствием в почвенных растворах и природных водах, активной миграцией в подзолистых почвах и легкой доступностью почвенной биоте, а с другой — коллоидно-химической природной ВОВ, неоднородным молекулярно-массовым составом, высокой реакционной и универсальной комплексообразующей активностью из-за присутствия в молекулярных структурах ВОВ разнообразных полярных - фракциональных групп (-ОН, -СООН, —SO3H, —NH2 — СО и т.д.), а также компонентов, обладающих свойствами поверхностно-активных веществ, склонностью к образованию ассоциатов с приобретением ими новых химических свойств (агрегативной неустойчивости в водных растворах, высокой сорбционной способности по отношению к ионам металлов, слабой миграционной активности в почве).
Современное состояние изученности природы ВОВ в таёжных ландшафтах
Процессы трансформации органических веществ растительных остатков (неразложившихся — «свежих» и гумифицированных) издавна привлекают внимание специалистов различных научных дисциплин: почвоведов, земле-делов, экологов и других. Наиболее значимые исследования были выполнены М.М. Кононовой (1951,1963), Д.Ф. Соколовым (1962), И.С. Кауричевым (1965), В.Я. Частухиным и М.А. Николаевской (1969), Л.С. Козловской, В.М. Медведевой и Н.И. Пьявченко (1978), Л.Н. Александровой (1980), Р. Уиттекером (1980), А.Д. Фокиным (1986), Л.А. Гришиной (1986), И.М. Яшиным (1993, 1998), Н.В. Туевым (1989), М.Е. Беккером (1990), Р. Тейтом (1991).
Можно выделить три направления в изучении трансформации растительного опада: первое — исследование своеобразия процесса гумификации растительных остатков и установлением состава новообразованных органических веществ индивидуальной и специфической природы (М.М. Кононова, 1963; Б. Мурзаков, 1972; А.Д. Фокин, 1975; Л.А. Гришина, 1986; И.С. Кауричев и И.М. Яшин, 1989; Н.В. Туев, 1989); второе — изучение свойств и морфологии разлагающегося опада лесных подстилок. В хвойных лесах та ёжных биогеоценозов вследствие медленного разложения компонентов опа-да со временем формируются различные слои лесных подстилок, имеющие неоднозначные состав и свойства. Это и позволило выделить три типа лесного гумуса — мор — грубый, кислый, слабо трансформирующийся; муль — аморфный, связанный с минеральной частью почвы и сравнительно активно разлагающийся и модер — переходный тип (Mtiller Р.Е., 1887 и Ramann Е., 1906; цит. по Л. Гришиной, 1986, с. 42). Данное направление впоследствии развивали: Г.Ф. Морозов (1931), НЛ. Ремезов (1959), СВ. Зонн (1954), Д.Ф. Соколов (1962), Ф. Дюшофур (1970); третье направление — может быть диагностировано как экологическое, основанное на изучении сукцессией микроорганизмов, трансформирующих растительные остатки и гумусовые вещества. В качестве примера можно привести работы Е.З. Теппер (1949, 1976), И.Л. Работновой (1957), В.Я. Частухина и М.А. Николаевской (1969), Б.Р. Строгановой (1968) и Т.В. Аристовской (1980).
Накопленный фактический материал свидетельствует о том, что изменение органических веществ растительного опада в процессе его трансформации (в условиях таёжных ландшафтов) может происходить путем минерализации, гумификации, консервации не полностью разложившихся остатков и, наконец, мобилизации в раствор компонентов ВОВ (включая новообразованные органические продукты с кислотными свойствами) — В.П. Пономарева (1964), И.С. Кауричев (1965), Ф. Дюшофур (1970), Д.С. Орлов (1974, 1988), А.Д. Фокин (1975, 1986), И.М. Яшин (1974), И.Б. Арче-гова (1985); Г.В. Мотузова (2004), В.В. Никонов и Н.В. Лукина (1996,1998); Т.Т. Горбачева (2001).
Наиболее полно изучена минерализация органических веществ растительных остатков в различных типах почв таежной зоны.
Данный процесс обеспечивает освобождение химических элементов, находящихся в тканях высших растений, и обусловливает возможность непрерывного биологического круговорота веществ в конкретной экосистеме. Наряду с этим освобождается солнечная энергия, аккумулированная в химических связях фотосинтезированных органических веществ, в виде тепла и химической работы (Р. Тейт, 1991).
Соотношение скоростей поступления опада (Vi) и его разложения (V2) указывает на накопление лесной подстилки (Vi V2) или ее утилизацию (Vi V2). По сведениям Л.Е. Родина и Н.И. Базилевич (1965) отношение масс подстилки к поступающему в почву опаду закономерно изменяется в зонально-географическом аспекте: кустарничковые тундры — 92, в ельниках северной, средней и южной тайги соответственно 17, 15 и 10, в широколиственных лесах — 3-4, в степях — 1-1,5, в тропических лесах — 0,1. Эти фактические данные находятся в соответствии с концепцией Е.Н. Мишустина (1972, 1980), а также положений Д.С. Орлова (1990) о возрастании биологической активности почв и усилении интенсивности минерализационно-го процесса в направлении с севера на юг в пределах ETC.
Кроме биоклиматического фактора скорость минерализации растительного опада в таежных биогеоценозах лимитирует биополимеры, широко распространенные в растительных тканях древесных пород (лигнин, целлюлоза, гемицеллюлоза, танниды, воска и смолы..,).
Хвоинки, например, имеют толстую восковую кутикулу, содержат 20% лигнина (совместно с таннидами), антибиотические вещества и обогащены полифенолами, образующими с белками устойчивые комплексы. Поэтому минерализация хвойного опада — это крайне медленный, стадийный процесс; в нем участвуют различные группы микроорганизмов (Е.З. Теппер, Л.Г. Комаревцева и И.С. Симакова, 1975; Е.З. Теппер, 1976; Т.В. Аристовская, 1980).
Объекты: почвы лесных, лесопарковых и агроландшафтов нижнего течения р. Сев. Двины (стационары «Холмогорский», «Малые Корелы» и «Приморский»)
Современная долина р. Сев. Двины в нижнем течении имеет четко выраженные материковую и островную поймы разновысокого уровня (1,5-7 м над у. м.). В настоящее время данные территории сильно закустарены и залесены. Несмотря на это, они широко используются в качестве выпо-копродуктивных сенокосов. Северодвинская долина пролегает по Приморской (Беломорской) низменности, образованной зандровыми и озерно-ледниковыми террасированными равнинами разного генезиса и сложения с абсолютными отметками 5-25 м, редко более 40 м над у. м. Поверхность надпойменных террас р. Сев. Двины заметно осложнена сильно выположенными озами и камами в виде невысоких (относительные отметки 2-9 м и более) холмов и увалов, сложенных тонкозернистыми песками и глинами лимног-ляциального генезиса. Они ориентированы обычно вдоль русла р. Сев. Двины. На левом коренном берегу реки более широко распространены, флюви-огляциальные камы и озы, состоящие главным образом из косо-слоистых крупнозернистых (не сортированных) песков с прослоями гравия, гальки и валунов. В осадочных толщах юго-западной части Беломорско-Кулойского плато на глубине -100 м в 90 км от г. Архангельска (в 80-х годах прошлого столетия) было разведано крупное месторождение алмазов (трубки2 им. М. В. Ломоносова, Пионерская...). Их промышленная добыча открытым способом начата летом 2003 г. В то же время геологи установили, что в кимберлитовых породах Беломорья находится много тяжелых металлов (ТМ), мг/кг валовых
Рабочая (самая верхняя) поверхность трубок взрыва варьирует в пределах 400-1000 м2 и более. форм: хрома — 430-2554; никеля — 471-1800; ванадия — 21-760. Наряду с ними также выявлены высокие концентрации Sr и Ва, соответственно: 363-2400 и 285-1025 мг/кг (исходя из возраста пород). Источником указанных химических элементов могут быть продукты кимберлитового магматизма. Причем допускается, что при формировании речных палеодолин часть кимберлито-вых трубок была разрушена, а их материал переотложился в четвертичные почвообразующие и подстилающие породы по периферии залегания трубок взрыва — в ареолах рассеивания. Затем при гипергенезе часть массы ТМ перешла в мобильные формы и была поглощена минералами донных отложений и палеопочв.3 Последние полевые изыскания специалистов Института экологических проблем Севера показали, что с разломами в осадочных толщах земной коры связана их повышенная радиоактивность (Ф. Н. Юдахин, 2002; Г. П. Киселев с соавт., 2002).
Таким образом, изучаемый регион нижнего течения р. Сев. Двины уникален как в почвенно-геохимическом, так и в оро-литогенном отношении. Поэтому он и был выбран нами для фонового почвенного мониторинга, оценки эколого-геохимического состояния почвенного покрова и уточнения движущих сил, обусловливающих активную абиогенную (водную) миграцию ТМ в ландшафтах и почвах.
В Архангельской области глее-подзолистые почвы исследовали Е.Н. Руднева и В.Д. Тонконогов (1962, 1966, 1988, 1972), позже - И.М. Яшин и B.C. Кащенко (1984,1986), И.М. Яшин (1993,2006). Эти почвы отличаются заметным оглеением всего профиля, кислой и очень кислой реакцией (рН 4,1-4,4), сильно ненасыщенны основаниями и имеют фульватный и редко гуматно-фульватный состав гумуса. По бонитету — это наименее плодородные, длительно промерзающие почвы.
Фульвокислоты — химический артефакт или экологический феномен таёжных экосистем
Ранее (в объектах исследования) мы кратко рассмотрели общую ландшафтную ситуацию и морфологию северо-таёжных глее-подзолистых почв. Было отмечено ярко выраженное сезонное прокрашивание гор. Eg (A2g) (под подстилкой) «потёчным гумусом», который, как показали дальнейшие полевые наблюдения, практически исчезает к предзимнему периоду (см. фото). В этот сезон почти нет транспирации и биогенного потока, а вектор миграции резко меняет направленность в сторону элюиирования продуктов почвообразования. Какие же компоненты ВОВ «ложного» гумусово-аккумулятивного горизонта в профиле холодных,, длительно промерзающих глее-подзолистых почв? В принципе, эти вопросы слабо экспериментально обоснованы. Выполненные нами исследования показали следующее (табл. 2). Концентрации ВОВ и их компонентый состав зависят от ряда почвенных и ландшафтных факторов. Важную роль играют характер органогенного субстрата, из которого мобилизуются ВОВ, и сроки отбора проб. Показано, например, что из вегетативных органов брусники в раствор мобилизуется наибольшее количество ВОВ, а в их составе преобладают индивидуальные органические соединения (40,1% от сорбированной массы Сорг ВОВ). При этом более 50% массы ВОВ не вытеснилось с угля водными растворами ацетона и NH4ON. Отбор проб в июне выявил невысокую мобилизацию ВОВ (93,6 мг/л Сорг); в то же время в составе ВОВ преобладали фульватные компоненты, что связано, по-видимому, с активизацией микрофлоры. На их долю приходилось 78,3% от сорбированной углем массы ВОВ.
В водных экстрактах из лесной подстилки (горизонт От (Ао) Холмогорского стационара достоверно больше содержится неспецифических органических веществ, а из гор. Ао, напротив, больше мобилизуется компонентов, переходящих с угля в аммиачный элюат — 53,1% Из эпифитных лишайников в раствор мобилизуются преимущественно неспецифические соединения в количестве 89,3% от С0бЩ в растворе7 Из гор7 А0та больше мобилизуется ВОВ6 содержащих полифенолы. На их долю приходится 32-34% СобщВОВ.
Несмотря на условность используемой и видоизмененной нами схемы W.Forsyth (1947), она отражает известное динамическое равновесие в почвенных растворах и лизиметрических водах двух групп соединений индивидуальных (неспецифических) и специфических (фульватных) органических продуктов почвообразования таёжных (лесных) экосистем. Эти компоненты и формируют состав ГС.
По сведениям И.М. Яшина и B.C. Кащенко (1986, 1988) гумус глеепод-золистых почв — по составу — фульватный (и реже гуматно-фульватный). Он образуется из указанных ВОВ в условиях кислой реакции среды, яркого дефицита Са, Mg и азота при промывном водном режиме и периодическом переувлаждении поверхностных горизонтов почв.
Кислотные компоненты ВОВ в почвах подзолистого типа, на наш взгляд, отражают механизм адаптации таёжной биоты к суровым условиям существования. На этой основе И.М. Яшин и соавт. (2000, 2004) ввёл понятие «экологической кислотности» как функции таёжной биоты. Таким образом, в таёжных ландшафтах можно выделить химическую (кислотность твёрдой фазы почв), техногенную «кислотные дожди» и экологическую кислотности. Аддитивный (суммарный) параметр характеризует общую кислотность реальной фации тайги. Здесь необходимы дальнейшие изыскания.
