Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Гумусовые вещества в почвах 18
1.1 Гумусовые вещества и условия их формирования 18
1.2 Методы исследования гумусовых веществ 29
1.3 Концепции гумусообразования 45
1.4 Сорбционные свойства гумусовых веществ 51
ГЛАВА 2. Объекты, методология и методы исследования 55
2.1 Природно-климатические условия почвообразования 55
2.1.1 Южная тайга 55
2.1.2 Средняя тайга 57
2.1.3 Северная тайга 59
2.1.4 Южная тундра 61
2.2 Объекты исследования 63
2.2.1 Почвы южной тайги 66
2.2.2 Почвы средней тайги 70
2.2.3 Почвы северной тайги 81
2.2.3 Почвы южной тундры 90
2.3 Методологические подходы и методы исследований 102
ГЛАВА 3. Строение гумусовых веществ 106
3.1 Элементный состав 106
3.2 Структурно-групповой состав гумусовых кислот (по данным 13С-ЯМР-спектроскопии) 120
3.3 Кислотно-основные свойства фульвокислот 141
ГЛАВА 4. Молекулярно-массовое распределение 163
4.1 Градуировка колонки для гель-хроматографирования 163
4.2 Характеристика молекулярно-массового распределения
гумусовых веществ 169
ГЛАВА 5. Парамагнитные свойства гумусовых веществ 177
ГЛАВА 6. Протекторные свойства гуминовых кислот 187
6.1 Сорбция ионов меди и цинка гуминовыми кислотами 189
6.1.1 Кинетика сорбции 189
6.1.2 Определение термодинамических параметров сорбции 192
6.2 Содержание меди и цинка в почвах 205
Заключение 216
Выводы 219
Список сокращений и условных обозначений 222
Список литературы 223
- Методы исследования гумусовых веществ
- Средняя тайга
- Структурно-групповой состав гумусовых кислот (по данным 13С-ЯМР-спектроскопии)
- Определение термодинамических параметров сорбции
Методы исследования гумусовых веществ
Использование современных физико-химических методов анализа, дающих обширную информацию о химической природе гумусовых веществ, значительно расширяет наше понимание молекулярного состава ГВ и процессах их трансформации в различных экосистемах. В настоящее время, большая часть информации о составе и структуре ГВ поступает от неразрушающих спектроскопических методов (Preston, 1996; Степанов и др., 1997; Перминова, 2000; Smernik, Oades, 2000, 2003; Dai et al., 2001, 2002; Abbt-Braun et al., 2004; Perez et al., 2004; Simpson, Simpson, 2009; Чуков и др., 2010, 2015; Холодов и др., 2009, 2011; Pedersen et al., 2011; Абакумов, Фаттахова, 2015).
ЯМР спектроскопия. С середины 60-х годов ЯМР спектроскопия становится одним из наиболее часто используемым методом изучения молекулярной структуры органических веществ, что связано, в первую очередь, с их высокой информативностью и относительной простотой получения результатов (Кольцов, Ершов, 1968; Эмсли и др., 1968; Jarman, Sternhell, 1969; Nahod, Zuckerman, 1973; Ионин и др., 1983; Conte et al., 1997; Kogel-Knabner, 1997; Peuravuori et al., 2001; Francioso et al., 2001). ЯМР спектры высокого разрешения, зачастую, состоят из узких, хорошо разрешенных линий, которые соответствуют магнитным ядрам в различном химическом окружении (Хеберлен, Меринг, 1980). Интенсивности сигналов при съемке спектров в отдельных случаях пропорциональны числу магнитных ядер в каждой структуре, что позволяет проводить качественный и количественный анализ различных смесей (стереоизомеры, таутомеры, продукты химических реакции и др.) без предварительной градуировки. Кроме того, из сверхтонкой структуры спектральных линий можно получить дополнительную информацию о структуре и стереохимии молекул. Способность выявления всех линий спектра позволяет идентифицировать промежуточные продукты химических реакций (радикалы, ионы, ион-радикалы и пр.), в том числе короткоживущие, чьё образование в ходе химических реакций ранее лишь постулировалось. Данный метод позволяет проводить исследования не только кинетики, но и механизмов химических реакций по расходованию и накоплению начальных, конечных и промежуточных продуктов (Эмсли и др., 1968). Уникальность метода ЯМР заключается в возможности исследования обменных процессов (обмен электронов, атомов, групп атомов, валентная изомеризация, конформационные превращения и др.), в том числе между одинаковыми молекулами. Дополнительное использование специальных методов (двухмерная спектроскопия, мультиплетные резонансы) позволяет однозначно устанавливать механизмы вышеуказанных процессов (Smernik, 2005). В настоящее время, ЯМР спектроскопию успешно используют при исследовании межмолекулярных взаимодействий – комплексообразования, водородных связей, структуры мицеллярных и жидкокристаллических систем (Simpson et al., 2001). Первые успехи применения метода в химии гумусовых веществ связаны с развитием 1Н-ЯМР спектроскопии, так как ядра атомов водорода (протоны) входят в состав большинства органических веществ, имеют высокое (99,98 %) природное содержание и, кроме того, их сигналы наиболее интенсивны по сравнению с сигналами других магнитных ядер (Lentz et al., 1973; Wilson, 1981; Wilson et al., 1983).
Конец XX века характеризуется широким практическим применением ЯМР спектроскопии основного элемента органической химии – углерода (13С) (Abraham, Loftus, 1978). Естественное содержание ядер 13С очень невелико. Поэтому, при регистрации 13С-ЯМР спектров практикуется увеличение мощности радиочастотного излучения, что, как правило, приводит к насыщению сигнала. Второй способ – многократная съемка спектра одного и того же объекта при низкой мощности и запись полученной информации на ЭВМ. Поскольку шум имеет хаотический характер и сокращается, а интенсивность сигнала с каждой разверткой увеличивается, то многократная записи образует ЯМР спектр. Этот процесс требует гораздо большего времени. Однако импульсная техника имеет в таком случае значительные преимущества.
Для получения хорошо разрешенных спектров твердых препаратов используют твердофазный метод CP/MAS ЯМР-спектроскопию – технику с вращением образца под «магическим» углом (Wilson, 1987; Frund, Ludemann, 1989; Krosshavn et al., 1992; Wershaw et al., 1996, 2004; Mendham et al., 2002; Smernik, Oades, 2001, 2003; Kavdir et al., 2005; Forte et al., 2006; Keeler et al., 2006).
Достоверность получаемых спектров в импульсных спектрометрах достаточно высокая, так как получаемые ЯМР спектры, являются суммой из нескольких тысяч индивидуальных импульсных спектров. Для интерпретации и количественной оценки получаемых спектров используется метод компьютерной Фурье-трансформации спектров, который позволяет, не только рассчитывать интегральную интенсивность сигналов с высокой степенью точности, но и разделять сигналы, наложенные в спектре друг на друга (Baldock, Preston, 1995).
Средняя тайга
В растительном покрове господствуют еловые и елово-пихтовые кислично-зеленомошные и кислично-папоротниковые леса, на плакорах в подлеске встречается липа. В травянисто-кустарничковом ярусе на дренированных местообитаниях значительна примесь трав – сныть обыкновенная (Aegopodium podagraria L.), копытень европейский (Asarum europaeum L.). Древесный ярус развит хорошо, имеет III, II бонитет. Зональные признаки составляют примесь липы сердцевидной (Tilia cordata Mill.), которая имеет форму небольшого деревца и наличие суходольных лугов, зарастающих кустарниками и мхами, и являющихся достаточно устойчивыми (Юдин, 1954). Благодаря интенсивной хозяйственной деятельности юг республики занимают значительные площади смешанных мелколиственных и хвойно мелколиственных лесов. Площади сосняков в южной тайге незначительны. Болот немного. Луговые сообщества в долинах чередуются с зарослями кустарничковых и древовидных ив (Salix L.) и перелесками. В смешанных лесах часто формируется пестрый по видовому составу кустарничковый ярус из шиповника (Rosa L.), калины обыкновенной (Viburnum opulus L.), жимолости лесной (Lonicera xylosteum L.) (Мартыненко, 1999). 2
Район исследований находится в среднетаежной подзоне на Вычегодско-Мезенской равнине. Существующий рельеф территории формировался под влиянием четвертичных оледенений, трансгрессий и речной эрозии. В его геологическом строении участвуют четвертичные и подстилающие их триасовые отложения (Варламов, 1953).
В северной части территории параллельно широтному отрезку поймы р. Вычегды, расположена плосковолнистая равнина с абсолютными высотами 120-140 м. Почвообразующие породы - маломощные флювиогляциальные пески, подстилаемыми глинами и моренными суглинками. К югу и юго-западу от г. Сыктывкара простирается холмисто-увалистая моренная равнина с узкими волнистыми водоразделами притоков рр. Вычегды и Сысолы. Преобладающие абсолютные высоты составляют 160-190 м, иногда достигая 230 м. Почвообразующие породы здесь представлены крупнопылеватыми покровными суглинками. Моренные суглинки залегают под покровными и обнажаются только на крутых эродированных склонах рек Вычегды, Сысолы и их притоков. На правобережье р. Сысолы рельеф моренной равнины волнисто-увалистый, среди почвообразующих пород преобладают пески и моренные суглинки (Чернов, 1953).
Климат умеренно-континентальный, умеренно-холодный (Кононенко, 1986; Атлас по климату..., 1997). Преобладают континентальные воздушные массы, часты вторжения атлантических, которые обуславливают выпадение осадков. Первые заморозки фиксируются в начале сентября, последние - в конце мая. Устойчивый снежный покров формируется в конце октября - начале ноября.
По данным метеостанции «Сыктывкар», основные многолетние показатели климата (высота 116 м над ур. моря, координаты: 61 41 с.ш., 50 47 в.д.) нижеследующие (Климат…, 1986; Научно-прикладной..., климату..., 1997). Среднегодовая температура воздуха Средняя температура воздуха: самого теплого месяца (июль) самого холодного месяца (январь) Продолжительность периода со среднесуточной температурой: выше 0 С выше 5 С выше 10 С Глубина промерзания почвы Мощность снежного покрова Годовая сумма осадков в том числе в летний период 1989; Атлас по +0,5 С +16,7 С -15,3 С 190 дней 140 дней 100 дней 90 см 60 см 560 мм 195 мм За зиму почва промерзает в среднем до 90 см, однако глубина сезонного промерзания в разные годы может варьироваться в широком диапазоне (20-150 см) (Кононенко, 1986; Атлас по климату..., 1997).
В растительном покрове на плакорах преобладают леса III и IV бонитета. Полнота древостоев в среднем 0,6-0,7. Типичными растительными сообществами, которые развиваются на подзолистых почвах в подзоне средней тайги, служат ельники зеленомошной группы (Piceeta hylocomiosum) (Юдин, 1954). При уменьшении дренированности суглинистых почв ельник зеленомошный меняется на Piceeta polytrichosa, из этой группы наиболее часто встречаются чернично-долгомошные растительные сообщества. 2.1.3 Северная тайга
В районе исследований располагаются две основные орографические области (Зеккель, 1963): юго-восточная часть Тиманского кряжа и южная часть Печорской низменности. Тиманский кряж представлен полосой сглаженных холмистых возвышенностей. Печорская низменность находится между Тиманом и Уралом и представляет собой большую территорию опускания земной коры, заполненную мощными четвертичными отложениями. Рельеф этой депрессии формировался благодаря ледниковой аккумуляции с последующей водной эрозией. Район имеет уклон к северу с отметками поверхности водоразделов 150-180 м. Преобладание заболоченных плоских водораздельных массивов характерно для рельефа Печорской низменности.
Почвообразующие породы представленны надморенными послеледниковыми образованиями. По левому берегу р. Печоры на Тиманском кряже распространены пылеватые средние суглинки, которые перекрывают флювиогляциальные отложения. Правый берег р. Печоры покрывают водноледниковые и древнеаллювиальные наносы в виде слабогалечниковых песков, а также двучленные наносы, сформировавшиеся покрытием и перемыванием моренных суглинков ледниковыми водами с накоплением песков и супесей мощностью до 60 см.
Территория исследований располагается на границе атлантико континентальной и атлантико-арктической климатических областей (Алисов, 1947). Климат умеренно континентальный с прохладным и коротким летом и холодной и продолжительно зимой, снежный покров устойчив. Атлантические циклоны и частые вторжения масс арктического воздуха с территории Северного Ледовитого океана придают погоде неустойчивость весь год. Зимой циклоны являются причиной пасмурной погоды с многочисленными метелями и снегопадами, лето прохладное, пасмурное с частыми дождями. Вторжение зимой масс арктического воздуха приводит к морозной ясной погоде и понижению температуры до -55 С.
Структурно-групповой состав гумусовых кислот (по данным 13С-ЯМР-спектроскопии)
Разрез заложен в 74 м от разреза подзолистой почвы (рисунок 2.4). Координаты разреза: 61 39 42,4" с.ш., 50 4 Г 08,4" в.д. Микролощина между низкими плоскими повышениями. Абсолютная высота над уровнем моря около 160 м. Березово-еловый долгомошно-сфагновый лес. АО 0-8 см. Слаборазложившийся сфагновый торф светло-коричневого цвета с включением листьев, хвои, коры и веток, корней много, свежий, переход постепенный. АО" 8-12 см. Среднеразложившийся коричневый до темно-коричневого внизу торф, обильно переплетен корнями, в основании углистые остатки, влажный, переход резкий по цвету. А2hg 12-20 см. Светло-коричневый с сизым оттенком, легкосуглинистый крупнопылеватый, тиксотропный, слоеватый, влажный, слабоуплотнен, встречаются ортштейны диаметром до 3 мм, есть вертикальные трещины с темной гумусовой пропиткой стенок и пленками, много корней диаметром до 0,5 см, переход резкий. А2 g 20-28(30) см. Мозаичный: ржавые и ржаво-охристые пятна на сизовато-сером фоне, среднесуглинистый крупнопылеватый, плотный, бесструктурный, тиксотропный, влажный, пронизан вертикальными трещинами с коричневой гумусовой пропиткой стенок, есть конкреции диаметром до 3 мм, много тонких корней, переход постепенный по цвету. А2 g 28-37 см. Серо-коричневый с ржавыми и сизыми прожилками, легкий пылеватый суглинок, плотный, бесструктурный, большое количество тонких внутриагрегатных пор и темно-коричневых конкреций, много корней, переход постепенный по цвету и плотности. А2Вg 37-50 см. Мозаичный: состоит из бурых и сизых фрагментов с светло-ржавыми пятнами, среднесуглинистый, пористость заметно меньше, чем в вышележащем горизонте, комковато-мелкоореховатый, влажный, много мелких корней и конкреций. Переход постепенный.
В1g 50-78 см. Светло-бурый с охристыми, сизыми и ржавыми пятнами, тяжелый крупнопылеватый суглинок, плотный, призматически-плитчатый, внутрипедная масса светло-бурая, на гранях педов бледно-желтая пылеватая присыпка, корней мало, переход постепенный по цвету. В2 78-98 см. Несколько светлее вышележащего горизонта, среднесуглинистый, плотный, среднеореховатый с плитчатостью, присыпки встречаются лишь по крупным вертикальным трещинам, пленки почти не выражены, много светло-коричневых примазок, переход плохо выражен.
ВС 98-120 см. Мозаичный: на сером фоне имеются охристые и ржавые пятна, пылеватый средний суглинок, оструктурен слабо с признаками плитчатости и ореховатости, на поверхности плиток множество примазок, корней практическ нет, переход нерезкий. Светло-серый, среднесуглинистый, не оструктурен, плотный, гранулометрический состав неоднороден: на глубине отмечена супесчаная линза, сырой,.
Почва: торфянисто-подзолистая поверхностно-оглееная на крупнопылеватом бескарбонатном покровном суглинке. Указанная почва относится к типу болотно-подзолистых поверхностно оглеенных. Морфологически она отличается от подзолистых значительно большей мощностью торфянистой подстилки и ее двуслойным строением, увеличением мощности потечно-гумусового горизонта, значительным возрастанием оглеения, высокой плотностью подзолистого горизонта. Указанные отличия почвы обусловлены усилением гидроморфизма за счет внутрипочвенного, поверхностного и латерального притока влаги с микроповышений, занимаемых подзолистыми почвами, а также вследствии застаивания атмосферной влаги. профиль почвы (Б) Данные условия благоприятствуют застойно-промывному водному режиму со значительным увлажнением всего профиля. Почвообразующая порода – бескарбонатный покровный средний суглинок.
Переизбыток влаги обусловливает сложную комбинацию процессов глее-, торфо- и подзолообразования. Интенсивность элювиально-глеевого и подзолистого процессов заметно варьирует. При значительном латеральном увлажнении (мезосклоны, ложбины) эти процессы и дифференциация профилей сильно выражены.
Накопление торфянистой подстилки и оглеением всего профиля обусловлено застойным водным режимм. В ней аккумулируется до 90 % всего запаса корней и питательных веществ. При переходе к минеральной части профиля микробиологическая активность и количество корней резко падают (Хабибуллина, 2001). Кислые органические вещества, которые образуются при разложении торфа вымываются вниз, обусловливая высокую кислотностьс профиля (таблица 2.7) (Слобода, 1968). Однако, в условиях большой плотности элювиальной толщи и затрудненного стока интенсивность выноса соединений зависит, в основном, от их дисперсности. В результате прямо под подстилкой образуется специфичный для этих почв горизонт А2hg, в который вымываются коллоидные темноокрашенные гумусовые вещества. В нижележащем белесом подзолистом горизонте насыщенность почвенного поглощающего комплекса возрастает и далее изменяется постепенно. В элювиальных горизонтах торфянисто-подзолистых поверхностно оглеенных почв доля конкреций диаметром более 3 мм и содержание конкреций возрастает с глубиной. Несмотря на значительную оглеенность торфянисто-подзолистых поверхностно-оглеенных почв, концентрация марганца в конкрециях практически уменьшается, а соотношение Fe:Mn несколько увеличивается.
Определение термодинамических параметров сорбции
Расчет средней степени окисления углерода (степени окисленности) показал, что практически все исследованные ГК слабо восстановлены (от –0,91 до –0,02). Исключение составили ГК дерново-подзолистых почв, средняя степень окисления углерода которых достигает +0,17. ФК представляют собой более окисленные соединения, и их средняя степень окисления углерода варьирует от +0,24 до +2,09. Результаты исследований показали, что наиболее окисленными являются ГВ минеральных горизонтов изучаемых почв, что обусловливает высокую миграцию окисленных и, как следствие, более водорастворимых ФК вниз по профилю. Высокая восстановленность препаратов ГК и ФК органогенных горизонтов определяется постоянным поступлением свежих органических остатков и их низкой гумификацией в специфических биоклиматических условиях Севера.
Один из наиболее широко распространенных подходов, применяющихся для численного описания строения гумусовых кислот с целью выявления закономерностей их образования и трансформации, является построение диаграмм Д. ван Кревелена. Способ основывается на графическом представлении данных в координатах H/Cисп – O/C и служит удобным приемом для демонстрации вклада процессов окисления и конденсации в изменение элементного состава препаратов (Kleinhempel, 1970). На основании диаграммы Д. ван Кревелена (рисунок 3.2) было установлено, что процесс гумификации растительных остатков вызывает снижение как соотношения H/Cисп, так O/C, т.е. сопровождается увеличением доли ароматических структур в молекулах гумусовых кислот.
Графико-статистический анализ демонстрирует более высокую окисленность и низкую обуглероженность ФК по сравнению с ГК, что указывает на значительную замещенность ароматических колец и развитие боковых алифатических цепей. Полученные нами результаты, в целом, хорошо согласуются с известными данными как для тундровых почв Аляски (Dai et al, 2001), так и для таежных почв (Орлов, 1974; Кононова, 1984; Simpson et al, 1997).
Наименее обуглероженными являются препараты ФК тундровых почв, что косвенно свидетельствует о большом вкладе алифатических фрагментов в формирование тундровых гумусовых веществ и низком содержании конденсированных ароматических структур.
Изменение атомных соотношений Н/С и О/С в препаратах ФК по профилю исследованных почв имеет ярко выражанный нарастающий характер, обусловленный миграцией ФК обогащенных алифатическими кислородсодержащими фрагментами. Молекулы ГК практически нерастворимы в слабокислых почвенных растворах, поэтому не происходит их перераспреления в почвенном профиле, как это наблюдается для ФК.
Анализ элементного состава препаратов гуминовых кислот показал, что ГК дерново-подзолистой почвы наиболее гумифицированы – об этом свидетельствуют их низкие значения атомных соотношений (Н/С)исп и высокие О/С. Для ГК из почв средней и северной тайги характерно сначала увеличение значения (Н/С)исп при переходе от органогенных горизонтов к минеральным, что обусловлено поступлением в эти горизонты миграционноспособных ГК с высоким содержанием кислородсодержащих функциональных групп. Далее, при рассмотрении элементного состава ГК из более глубоких горизонтов, наблюдается их дальнейшая гумификация, сопровождающаяся декарбоксилированием и уменьшением доли углеводных и аминокислотных и метоксильных фрагментов в структуре ГК, что приводит к уменьшению величин соотношения (Н/С)исп. Увеличение гидроморфизма в таежных почвах сопровождается увеличением значений (Н/С)исп, что обусловлено более низкой микробиологической активностью болотно-подзолистых почв (Хабибуллина и др., 2014) которая способствует лучшей сохранности углеводных и аминокислотных фрагментов в структуре ГК. Анализ элементного состава ГК тундровых почв выявил уменьшение по профилю значений (Н/С)исп во всех почвах, что свидетельствует об увеличении доли ароматических фрагментов в структуре ГК минеральных горизонтов. Статистически достоверных различий в значениях (Н/С)исп ГК тундровых почв различного гидроморфизма не установлено.
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения – один из самых активно развиваемых физических методов изучения почвенного органического вещества. Достижения последних лет в развитии технологии метода ЯМР позволили его применение и для исследования гумусовых кислот почв. Использование сверхпроводящих магнитов (с частотой до 1000 MHz для 1H) и преобразования Фурье позволило не только разделять сигналы при высоком уровне шумов или при их наложении, но и выполнять расчет интегральной интенсивности сигналов (Lentz et al., 1973; Preston, 1991, 1992, 1996; Simpson et al., 2001; Cooke et al., 2003; Schilling, Cooper, 2004).
Для изучения особенностей структурно-функциональных параметров органического вещества таежных и тундровых почв нами были сняты 13С-ЯМР-спектры (техника CP-MAS) препаратов ГК и ФК. Все полученные спектры гумусовых кислот характеризуются широкими полосами поглощения, обусловленными перекрыванием нескольких сигналов (рисунок 3.3 и приложение 3).