Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы 9
1.2 Способы выражения состава почвенного раствора 14
1.3 Состав почвенных растворов и поверхностных вод 17
1.4 Изменение состава природных вод и почвенных растворов во времени и в пространстве 23
1.5 Типы миграции веществ 27
1.6 Описание миграции элементов в агроэкосистемах 35
1.7 Критерии допустимых концентраций в почвенных растоврах и поверхностных водах 38
1.8 Взаимосвязь состава почвенных растворов и поверхностных вод 41
1.9 Отличие состава почвенных растворов и водных вытяжек из почв 42
1.10 Новые методы оценки состава почвенных растворов и поверхностных вод 43
1.11 Теоретические закономерности изучения состава почвенных растворов от влажности и температуры 50
Глава 2 Объекты и методы исследования 53
2.1 Объекты исследования 53
2.2 Методы исследования 64
Глава 3 Экспериментальная часть 70
3.1 Характеристика почвенных растворов по трансформации, миграции, аккумуляции вещества, энергии и информации 70
3.1.1 Состав почвенных растворов и поверхностных вод 70
3.1.2 Информационная оценка состава почвенных растворов 75
3.1.3 Энергетическая оценка почвенных растворов 82
3.2 Процессы, протекающие в почвенных растворах и поверхностных водах 94
3.2.1 Изменение состава почвенных растворов при их разбавлении 94
3.2.2 Изменение состава почвенных растворов и поверхностных вод в зависимости от продолжительности избыточного увлажнения почв 95
3.2.3 Влияние на состав почвенных растворов комплексообразования поливалентных катионов с органическими лигандами разлагающихся растительных остатков 98
3.2.4 Изменение состава почвенных растворов при разном уровне окультуренности и удобренности 100
3.2.5 Связь содержания ионов в почвенных растворах и в поверхностных и грунтовых водах 103
3.2.6 Влияние состава почвенных растворов и поверхностных вод на компоненты ландшафта 105
3.3 Режимы, протекающие в почвенных растворах и поверхностных водах 113
3.3.1 Изменение состава почвенных растворов и поверхностных вод в сезонной динамике 113
3.3.2 Изменение состава почвенных растворов и поверхностных вод при промораживании почв 115
3.3.3 Миграция веществ в почвенном профиле во времени и в пространстве 117
3.3.4 Изменение состава почвенных растворов и поверхностных вод при развитии почвообразовательных процессов 122
3.3.5 Изменение состава почвенных растворов и поверхностных вод при антропогенном воздействии 124
3.3.6 Изменение состава вод на разном расстоянии от ложа водоема 125
3.3.7 Прогноз изменения качества почвенных растворов и поверхностных вод130
3.4 Оптимизация состава почвенных растворов и поверхностных вод 133
Заключение 143
Список используемой литературы 146
Приложения 173
- Состав почвенных растворов и поверхностных вод
- Теоретические закономерности изучения состава почвенных растворов от влажности и температуры
- Изменение состава почвенных растворов и поверхностных вод в зависимости от продолжительности избыточного увлажнения почв
- Оптимизация состава почвенных растворов и поверхностных вод
Состав почвенных растворов и поверхностных вод
Состав почвенных растворов существенно изменяется для разных почвенно-климатических зон. Так, по данным Най П.Х. и Тинкер П.Б.(1980) в кислых, нейтральных и засоленных почвах состав почвенных растворов в мг-экв/л характеризуется соответственно следующими показателями: рН – 4,2; 7,2 и 8,3; Са2+ - 1,0, 21,0 и 43,5; Mg2+ - 1,4, 1,2 и 48,0; К+ - 0,4, 0,7 и 9,6; Na+ - 0,4, 1,8 и 21,7; NO3- - 3,8, 15,6 и 31,2; Cl- - 0,2, 2,2 и 20,1; НСО3- - 0, 1,1 и 7,2; SO42- - 0,8, 7,6 и 56,3 при общем количестве анионов в мг-экв/л – 4,8; 25,9 и 114,8 [124].
Существенные отличия состава почвенных растворов и поверхностных вод отмечаются и для почв России [52, 53].
Как установлено Глуховой Т.В. (1990), выше со стоком углерода и ионов из лесных болот Западно-двинского физико-географического района состоял в их миграции за счет эватранспирации, паводкового стока, почвенно-грунтового стока, инфильтрации. Он отличался для верховых и низинных болот.
По данным автора, общее количество минеральных веществ, вымываемых из торфяных почв верховых болот за вегетационный период невелико (9-27 кг га-1), значительнее выносы органических веществ (90-155 кг га-1) [47].
Со стоковыми водами из торфяных почв низинных болот отчуждается в 12-15 раз больше минеральных веществ, чем из почв верховых болот. Вынос органических веществ из торфяных почв верховых и низинных болот различаются незначительно и их потери компенсируются увеличивающимся приростом фитомассы после осушения и соответствующим увеличением массы опада.
Содержание основных количеств минеральных компонентов в стоковых водах опытных водосборов далеко не достигает значений предельно допустимых концентраций (ПДК), на пределе допустимого или несколько превосходят его содержания NH4+ и Fe3+, как и в воде реки – водоприемника. Концентрация органических веществ в стоковых водах превышает ПДК в 4-10 раз (в воде реки в 5 раз). По этим показателям вода реки почти не отличается от стоковых вод с осушаемых лесных водосборов. Объемы водного стока с объектов опытной мелиорации составляют 2% в суммарном стоке реки-водоприемника, что вероятно, не способствует увеличению минерализации и содержания органических веществ в ее водах.
На лесном верховом болоте выявлен положительный баланс минеральных веществ (47 кг га-1) и отрицательный – органических (256 кг га-1). Накопление минеральных веществ указывает на повышение эвтрофикации верховых болот в связи с запыленностью атмосферы в современных условиях.
На низинном болоте баланс как минеральных (734 кг га-1), так и органических (191 кг га-1) веществ отрицательный.
Согласно полученным материалам вынос веществ за счет паводкового стока органических и минеральных веществ (кг га-1 в год) составлял из верхового болота, соответственно, 139 и 35, из низинного болота – 27 и 31; за счет почвенно-грунтового стока – из верхового болота 176 и 52; из низинного болота – 123 и 544.
Согласно данным Евсеева Р.П. (1968), в составе почвенных растворов подзолистых и дерново-подзолистых почв таежной зоны (южной тайги) присутствуют водорастворимые соединения алюминия. Основной формой алюминия в почвенных растворах являются органо-минеральные соединения, из которых алюминий определяется только после разрушения органического вещества [63].
В условиях избыточного увлажнения и развитие восстановительных процессов приводит к увеличению содержания органического вещества и водорастворимых соединений алюминия в почвенном растворе [57, 80, 88, 93, 98].
Почвы с сезонным избыточным увлажнением (подзол глееватый, дерново-подзолисто-глеевые и торфянисто-подзолисто-глеевые) характеризуются более высоким содержанием алюминия в почвенных растворах, по сравнению с почвами нормального увлажнения [126, 129].
Отмечается прямая зависимость между содержанием обменных (1н КСl), подвижных (0,1н Н2SO4, аммонийно-ацетатный буферный раствор рН 4,8) алюминия в почвах и его водорастворимых соединений в почвенных растворах.
Водорастворимые алюмоорганические соединения могут образовываться в почвах в результате взаимодействия ионов алюминия с фульвокислотами, а также с органическими веществами неспецифической природы, обладающими кислотными свойствами [52] .
Основной формой устойчивых водорастворимых соединений алюминия в почвах являются комплексные алюмоорганические соединения, что подтверждается данными фильтрации растворов, содержащих алюминий через ионообменные смолы, и данными гельфильтрации. Водорастворимые алюмоорганические комплексы устойчивы в широком интервале рН от сильнокислых значений до щелочных.
Источниками алюминия в почвенных растворах являются органические и минеральные части почв. Алюминий алюмосиликатов активно взаимодействует с компонентами водорастворимого органического вещества природных вод и почвенных растворов.
Алюминий мигрирует в профиле почв в виде прочносвязанных алюмоорганических соединений [52, 53].
Такие соединения играют большую роль в миграции алюминия при глеевых процессах и подзолообразовании.
По полученным автором данным, содержание водорастворимых соединений железа и алюминия в дерново-подзолистых почвах тяжелого гранулометрического состава резко увеличивалось при избыточном увлажнении почв. Для слоя А1 – 5-10 см при 60% ПВ и 120%ПВ содержание водорастворимого углерода составляло 6,3 и 309,2 мг/кг почв, алюминия – 0,54 и 5,8 мг/кг, в том числе, связанного с органическим веществом, - 0,5 и 1,3 мг/кг; железа – 0,6 и 49,0 мг/кг, связанного с органическим веществом – 0,4 и 10,0 мг/кг [19, 31, 32, 59, 94, 99, 100, 130].
Костенко А.В. (1985) при оценке биогеохимических циклов серы, кальция, магния в дерново-подзолистых почвах установила, что в целом для исследуемых незагрязненных дерново-слабоподзолистых почв характерно примерное равновесие между поступлением кальция и магния с атмосферными осадками и выносом с внутрипочвенным стоком за пределы корнеобитаемого слоя 0-20 см. Баланс серы при этом положительный. При атмосферном загрязнении малой интенсивности баланс серы, кальция и магния положительный. При аэрозагрязнении средней интенсивности – положительный по сере и отрицательный по кальцию и магнию. При сильном загрязнении наблюдается преобладание выноса серы, кальция и магния из слоя 0-20 см по сравнению с их поступлением с атмосферными осадками [95].
В то же время по данным ряда авторов, поверхностные воды, речные и озерные в пределах подзолистой зоны относятся к гидрокарбонатному классу [18, 21, 41, 45].
Рыскова Е.А., Моргун Е.Г. (1998) отмечают, что в почвенных растворах степных почв Центрального Предкавказья отмечается пересыщенность их по отношению к СаСО3. В большей степени это было характерно для верхних горизонтов [168].
По данным Скрынниковой И.Н. (1950) величина рН отпресованных растворов из образцов лесной сильноподзолистой почвы колебалась от 4,3 до 7,6, а в образцах этой же почвы, взятой под травами, от 4,5 до 8,5. Щелочность растворов из подстилки ельника достигала 3 мг-экв/л, а из подстилки дубового леса – 5-6 мг-экв/л [188, 189].
Высокую щелочность имели пробы почвенно-грунтовых вод, полученные с помощью пьезометров. Величина рН колебалась от 7,5 на глубине 40 см до 8,0-8,4 на глубине 100-300см.
Подробные исследования карбонатно-кальциевого равновесия проведены Агузеевым А.Г. (1983) под руководством Минкина М.Б. Автор указывает, что новые возможности для познания и управления процессами в почве открываются при исследовании ККСР - одного из важнейших и широко распространенных в природных растворах физико-химических равновесий [13].
Теоретические закономерности изучения состава почвенных растворов от влажности и температуры
Изменение состава почвенных растворов и поверхностных вод во времени и в пространстве частично подчиняется теоретическим закономерностям физикохимии.
Так, Смагин А.В. отмечает следующие причины изменения газового состава почв, влияющего на состав почвенных растворов: 1) биологические и биохимические источники (стоки газообразных веществ); 2) распределение и транспорт как самих газообразных веществ, так и их источников; 3) абиотические источники и стоки физической, химической и физико-химической природы. Абиотические источники газообразных веществ обусловлены химическими реакциями и межфазными взаимодействиями. Согласно взглядам автора, это прежде всего транспирация СО2 с образованием и растворением карбонатов. По расчетам Смагина А.В. при рН 8,0 эффективная растворимость СО2 при температуре почвенного раствора 15превышает табличную величину в 40раз [191, 192].
Шутор Ю. отмечает, что в настоящее время движение воды в ненасыщенной зоне изучается различными научными дисциплинами – в поверхностном слое гидрологией, в почвенном профиле – физикой почв, под уровнем грунтовых вод – гидравликой грунтовых вод. При этом применяются разные методы исследования [222].
При изучении гидрофизических характеристик почв необходимо избегать нарушения структуры и исследовать определенный объем репрезентативного почвенного образца, который по данным Шутора Ю. (1981) составляет для легких оструктуренных почв несколько десятков кубических сантиметров, для тяжелых глинистых почв – несколько кубических метров [222].
Новак В.отмечает, что движение воды в почве при перемещении является неизотермическим процессом, что должно учитываться в математических моделях явления. Автор указывает на необходимость учета гистерезисных явлений, перенос водяного пара в области относительно малых влажностей. К сожалению, не учитывается и транспирация воды растениями [131].
Шилова Е.И. установила, что лизиметрические воды из кислых подзолистых почв относились к гидрокарбонатному классу. В их солевом составе основное место занимала гидролитически щелочная соль Са(НСО3)2. Величина рН лизиметрических вод всегда была выше рН суспензии. По данным автора, химический состав почвенных вод определяло равновесие:
2СО2 + 2Н2О 2НСО3 + СаППК Са(НСО3)2 + 2Н2О Са(ОН)2 + 2Н2СО3 [218, 219].
Най П.Х. и Тинкер П.Б., рассматривая движение влаги в почве, выделяют в качестве факторов, обусловливающих миграцию разноса потенциалов влаги, влияния распределения пор по размеру, инфильтрацию, перенос паровой фазы, движение влаги под действием градиентов температуры и растворенных веществ, за счет использования влаги растениями [126].
Авторы указывают, что при прогнозировании состава почвенных растворов необходимо учитывать закономерность сорбции твердой фазы катионов и анионов от плотности их заряда, размера и плотности заряда сорбционных мест ППК, влажности, температуры, рН, Eh, ионной силы раствора. Авторы указывают на важное значение скорости протекающих процессов [126].
Таким образом, как следует из анализа литературных источников, исследованию состава почвенных растворов и поверхностных вод посвящено значительное количество фундаментальных работ.
Их состав существенно изменяется во времени и в пространстве и определяет агрономическое состояние компонентов ландшафта. В то же время, методы исследования этих растворов имеют определенные условности и неточности; физико-химическая оценка протекающих процессов пока не исследована.
В проведенных нами исследованиях поставлена цель выяснения некоторых закономерностей взаимосвязей почвенных растворов и поверхностных вод, применения новых методов их оценки – использование ионитовых мембран, определения положительно и отрицательно заряженных аэроионов в испарениях из почв, использование информационной и энергетической оценки почвенных растворов и поверхностных вод.
Таким образом, учеными проведено значительное количество фундаментальных исследований по оценке состава почвенных растворов различных почвенно-климатических зон. Для оценки состава почвенных растворов применены различные методы их отделения от твердой фазы почв. Однако в литературе нет данных по оценке состава почвенных растворов с использованием ионитовых мембран, химической автографии на основе электролиза, по содержанию продуктов испарений из почв, по составу положительно и отрицательно заряженных аэроионов, с учетом антирадикальной активности, с использованием метода газоразрядной визуализации. Использование литературных данных и планируемых модельных опытов позволяет предложить информационную и энергетическую оценку почвенных растворов, оценку их свойств, протекающих процессов и режимов, что важно для более обоснованной агроэкологической оценки почв.
Изменение состава почвенных растворов и поверхностных вод в зависимости от продолжительности избыточного увлажнения почв
Состав почвенных растворов и водных вытяжек из почв существенно изменяется при компостировании почв в условиях избыточного увлажнения, что иллюстрируют данные таблицы 29.
Почвенные растворы и воды на разной глубине характеризуются неодинаковым химическим составом.
Взаимосвязи между свойствами вод отличаются в разных интервалах этих показателей [127, 128].
Содержание катионов в почвенных растворах зависит от продолжительности развития анаэробиозиса и поэтому изменяется в разных интервалах рН и Eh, что иллюстрируется данными таблицы 30.
Как видно из представленных данных, коэффициенты корреляции содержания кальция и железа в почвенных растворах от рН и Еh зависят как от интервалов рН и Eh, так и от времени компостирования. Низкие коэффициенты корреляции свидетельствуют о наличии в почвенных растворах более сложных зависимостей изменения содержания водорастворимых кальция, магния, железа не только от рН и Eh, но и от комплексообразования (эффектов протонирования и гидратообразования комплексов), изменения эффективной емкости поглощения почв от рН и Eh.
Содержание водорастворимых соединений Fe, Mn, Al в почвах зависит от содержания гумуса, условий увлажнения. Это иллюстрируют данные таблицы 31.
Как видно из данных, представленных в таблице 31, в водной вытяжке из черноземов, по сравнению с дерново-подзолистыми почвами, шире отношение Са/Fe, уже – Са/К. При загрязнении черноземов свинцом в них изменялось содержание водорастворимого железа, увеличивалось содержание водорастворимого калия. При избыточном увлажнении почв и развитии оглеения в почвах резко возрастает содержание водорастворимого железа и сужается отношение Са : Fe.
Продолжительность развития избыточного увлажнения почв сопровождается изменением рН и Eh и, как следствие, изменением содержания водорастворимых соединений в почвенных растворах (Таблица 32).
Как видно из представленных данных, с увеличением времени компостирования почв в условиях избыточного увлажнения происходит подщелачивание среды и снижение Eh почв. При этом увеличивается содержание в почвенном растворе железа, марганца и снижается содержание калия. Даная тенденция наблюдается как для черноземов, так и для дерново-подзолистых почв.
Очевидно, что скорость изменения рН, Eh, содержания водорастворимых железа, марганца при затоплении должна учитываться при прогнозе пригодности почв для выращивания отдельных культур при развитии анаэробиозиса.
Оптимизация состава почвенных растворов и поверхностных вод
С нашей точки зрения модели оптимального состояния почвенных растворов и поверхностных вод, оросительных вод должны отличаться для разных геофизических условий, отдельных геохимических и гидрохимических провинций, для почвенных зон, подзон, фаций, биохимических провинций, климатических условий, характера и степени деградации и загрязнения почв, реального антропогенного воздействия, для планируемого сельскохозяйственного использования, а при орошении – от планируемых способов орошения, выращивания сельскохозяйственных культур и получаемого урожая. Мелиорация поливных вод проводится с составлением купажа вод из разных источников (рек, моря, грунтовых вод, дождевых вод и др.).
При внесении в воды CaSO4 для оптимизации SAR в сухостепных районах при аэрации вод для осаждения Fe, Mn, Cr, Cu, при анодном обогащении вод поливалентными металлами, микроэлементами, при очистке вод сорбентами, при внесении в воды синтезированных комплексонов или растворении лигандов водорастворимых органических веществ разлагающихся растительных остатков. Эти направления подробно рассмотрены нами совместно Н.Н. Дубенком.
Ряд авторов предлагает дополнительные оценки водно-физических свойств почв, важные для оптимизации орошения почв.
Параметры количественной агрофизической оценки водно-воздушного режима Первая классификация водных режимов почв была предложена Г.Н. Высоцким (1934) и в дальнейшем дополнена и развита А.А. Роде (1956), В.А. Ковдой (1973) и др. [89,166].
Роде А.А. построил свою классификацию на основе предлагаемых Г.Н. Высоцким признаков (охват влагооборотом почвенно-грунтовой толщи, характер передвижения влаги в почвенной толще), дополнив ее такими признаками, как источник увлажнения и степень увлажнения. Степень увлажнения характеризовалась качественно по наличию гидрологических горизонтов с определенной категорией и формой влаги. Анализ режима строился на основе использования гидрологических констант [166].
В дальнейшем концепция гидрологических горизонтов при классификации типов водного режима получила свое развитие в работах Ф.Р. Зайдельмана (1985), И.И. Судницына (1979, 1986) А.Г. Бондарева (1985), Д.Ф. Ефремова, Л.О. Карпачевского и др. (1986) [25, 68, 133, 162, 201].
В исследованиях Н.Н. Пологовой (1985), Т.А. Романовой и Ж.А. Капилевич (1981), И.Н. Соловьева (1988, 1989) и др. было предложено для анализа водного режима использовать аппарат вероятностной оценки [113, 154, 195, 196].
Так, И.И. Пологова (1985), анализируя водный режим почв, выделяет несколько фаз (периодов) состояния увлажнения. Количественный анализ режима строится на расчете вероятности встречаемости фаз в разные годы [154].
Для количественной оценки водного режима почв в работе Т.А. Романовой, Ж.А. Капилевич (1981) предлагается временной показатель – «увлажненность», который рассчитывается по числу дней в году, в течение которых в верхнем 20 см слое наблюдается недостаток влаги (влажность меньше ВРК) и избыток влаги (влажность больше НВ) [113,193, 194].
В работах И.Н. Соловьева (1988, 1989) анализ динамики влажности в почве проводится с помощью метода квантилей. Режим влажности характеризуется двумя параметрами – увлажненностью (квантиль влажности -0,75) и иссушенностью (квантиль влажности - 0,25). Данная методика позволяет выделить почвенные слои с разной интенсивностью влагооборота [195,196].
В работе С.В. Махновецкой (1993), выполненной под руководством Е.В. Шеина, агрофизическая оценка водно-воздушного режима основывается на расчете вероятности появления определенных критических значений, соответствующих пределам диапазона оптимальной водо- и воздухообеспеченности растений [193, 194, 217].
Анализ режима осуществляется на основе массива данных о влажности и давлении почвенной влаги с равным шагом по времени и по глубине в пределах корнеобитаемого слоя. При оценке режима давления почвенной влаги в качестве параметров оптимальности используются: критическое давление почвенной влаги, указывающего на ухудшение минерального питания растений и давление барботирования, которое определяет условия недостатка воздуха в почве [46, 190, 201, 202, 216].
В качестве критических величин при анализе режима влажности используются такие, как 70% НВ, ВЗ и влажность, соответствующая 5%-ному воздухосодержанию, указывающая на недостаток воздуха в почве [193, 194].
Для учета вклада корневой системы в водо- и влагообеспеченность растений, величины вероятностей появления таких критических величин, как Рб (давление барботирования), ВЗ, 70% НВ, уменьшаются на соответствующую концентрацию корней в почвенном слое. Величина критического давления почвенной влаги (Ркр) на концентрацию корней не уменьшается. Расчет вероятности появления критических величин проводился с использованием пакета программ NCSS [194, 201].
Водно-физические свойства почв наиболее полно характеризуются основной гидрофизической характеристикой (ОГХ) и зависимостью коэффициента влагопроводности от давления и влажности («функция влагопроводности»). Они являются функциональными (базовыми) структурно-гидрофизическими свойствами. В этих зависимостях отражена информация о гранулометрическом, микроагрегатном, минералогическом и других составах почвы. Кроме того, каждая почва обладает, определенным ее свойствами, диапазоном активной влаги. Плодородие ее будет зависеть от того, насколько осадки и поливы, увеличивающие влажность почв до значений, близких к этому диапазону, будут удовлетворять потребности растений в почвенной влаге и воздухе [38, 46].
Задавая нормы полива и испаряемость, рассчитанные с учетом диапазона активной влаги, свойственной данной почве, имея математическую модель водно-воздушного режима почв с экспериментально определенными ОГХ и функциями влагопроводности, можно рассчитать прогнозный водно-воздушный режим почв за конкретный период.
В.В. Медведев (1991) для агорофизической оценки почв предложил использовать обобщающий показатель физических свойств – «индекс физического состояния» (ИФС), который позволяет в числовом выражении характеризовать не отдельное свойство почвы, а агрофизическое состояние в целом. В качестве параметров, определяющих это состояние, автор предложил использовать: содержание агрегатов 10-0,25 мм; водоустойчивость почвенной структуры; НВ; диапазон активной влаги; запас продуктивной влаги; водопрочность; пористость аэрации; плотность почвы. Автором предлагаются реальные значения этих показателей относить к оптимальным и находить среднее геометрическое. Чем ближе ИФК к единице, тем лучше свойства почвы [112].
С.В. Махновецкой (1993) был рассчитан этот показатель для орошаемых черноземов (слой 0-40см). Наивысший ИФС имели черноземы южные Оренбургской области (0,90), ниже ИФС был у черноземов южных Одесской области (0,73) и наименьшая величина ИФС отмечалась у черноземов типичных Воронежской области (0,69), что автор связывает с пониженным коэффициентом фильтрации и критерием водоустойчивости структуры из последней почвы [194, 217].
С.В. Махновецкой(1993) для оценки водно-воздушного режима черноземов при орошении предлагается вычисление индекса оптимальности водно-воздушного режима, который определяется двумя параметрами – вероятностью W 70% НВ и W WB. Относя данные параметры к оптимальным (100%) и найдя их среднее геометрическое, получают индекс оптимальности водно-воздушного режима (ИОР). По данным автора наиболее благоприятными агрофизическими свойствами черноземы типичные Воронежской области обладали при ИОР = 0,96; черноземы южные Оренбургской области при ИОР = 0,94 и черноземы южные Одесской области при ИОР = 0,77 [194, 217].