Введение к работе
Актуальность, темы. Катионообменпые процессы, протекавшие между почвенным поглощающим комплексом (ПТК) и почвенным раствором, являются универсачьннми механизмами, регулігруїоіииш состпв и свойства этих двух ватаениих составляющих почвы. Характеризуя ионообменную поглотительную способность почв, К.К.Гедроиц писал: "Этот вид поглотительном способности почвы играет особенно существенную роль во всех почвенных процессах...". Вместе с тем, несмотря на почти 150-летнюю историю систематических исследовании ионообменных процессов в почвах,, количественное закономерности л механизмы их протекания изучены недостаточно. В частности, крайне слабо изучены закономерности и механизмы катионного обмена во многих зональных почвах нагаей страны. Очень мало работ посвячено исследованию кинетики ионного обмена в почвах, а полученные результаты имеют противоречивый характер и вносят элементы дискуссионное при использовании понятий и методов равновесной термодинамики для их описания. Не установлены взаимосвязи постоянных, характеризующих конкретные катионообменные равновесия в почвах,с основными показателями состава и свойств почв, что сникает практическую значимость получаемых данных. При количественном описании катионооб-менных равновесий в почвах практически полностью игнорируется полифункциональная энергетически неоднородная природа обменных центров ГПК. Это приводит к противоречиям і.:е;кду экспериментальными результатами и основными положения;. классических теорий ионного обмена и адсорбции, разработанных для однородных обмеїшиков и накоплению данных, не имеющих удовлетворительной качественной и количественной интерпретации. Чрезвычайно слабо исследованы ионообменные процессы с участием катионов тяжелых металлов (Ті!) в почвах
различных генетических типов.
Все сказанное выше ограничивает возмогагости пршенения данных по ионному обмену в почвах для решения научных и практических за-дачь почвоведения, агрохимии и охраны почв, а также использования методов математического моделіфования в почвенных исследованиях и определяет актуальность выбранной темы.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование влияния полнфункциональности и энергетической неоднородности обменных центров ПТК, состава и свойств почв, равновесных растворов, сопутствующих процессов и условии протекания на обмен с участием катионов щелочных, Г1елочн9земольн,1Х и тяжелых металлов и разработка методов адекватного их описания с учетом этих Факторов. Для.выполнения работы необходимо решить следующие задачи:
обобщить и систематизировать данные по составу и свойствам ПГК, механизмам образования и распределения зарядов на поверхности почвенных' частиц, природе неоднородности обменных центров и механизмам взаимодействия катионов с поверхностными функциональными группами в процессах ионного обмена;
систематизировать экспериментальные методы исследования ионообменных равновесий в почвах и дать их сравнительную оценку, разработать методическую основу для сравнительного изучения ионообменных процессов в почвах разных генетических типов с участием ка-тионов различной химической природы;
изучить кинетику ионообменных процессов в почвах в зависимое'
ТИ ОТ УСЛОВИЙ Эксперимента И ОЦеНИТЬ Правомерность Применения КОН
цепции равновесности к почвенным ионообменным системам;
разработать методы описания катионообменных равновесий в поч' вах с учетом полифункциональности и энергетической неоднородности обменных центров ПІН;
изучить общие и специфические особенности обмена катионов ще-лочных, щелочноземельных и тяжелых металлов в почвах разных генетических типов на единой методической основе, оценить влияние полифункциональности и энергетической неоднородности обменных центров ІЇЇЖ, состава и свойств почв и растворов, условий эксперимента на изотермы обмена;
оценить влияние формы изотермы и способа ее описания на качество прогноза сложных явлений в почвах, включающих ионный обмен с помощью комплексных математических моделей;
изучить влияние температуры на катионообменные равновесия в почвах и оценить термодинамические характеристики обмена;
на основании полученных экспериментальных данных рассмотреть механизмы катионообменных процессов в почвах в целом.
Научная новизна работы. Впервые на единой методической и теоре-тической основе экспериментально изучено влияние полифункциональности и энергетической неоднородности обменных центров ППК на обмен катионов щелочных, щелочноземельных и тяжелых металлов почвами. Показан непрерывный характер распределения ионогенных групп на поверхности почвенных частиц по кислотно-основным свойствам в диапозоне от сильнокислотных до сильноосновных. Вскрыты механизмы переменных значений важнейших показателей катионообменных свойств почв (ЕКО и констант обмена) и разработаны методы адекватного описания изотерм обмена с учетом этих факторов. Показана правомерное использования концепции равновесности для описания катионообменньг
процессов в почвах. Установлена взаимосвязь коэффициентов селективности обмена и максимальных адсорбции с важнейшими показателя! состава и свойств исследуемых почв. Предложена схема диссоциативного механизма обмена аммония почвами, приводящая к потере аммонийного азота и вскрыты условия усиливающие этот процесс. Рассмотрены механизмы ионообменной адсорбции катионов ТТ.! почвами, в результате которых происходит поднисление равновесных растворов и поглощение ТМ сверх величин ЕКО.
Практігческая значимость работы. Разработанные унифицированные методы исследования катионообменных равновесий в почвах, учитывающие полифункциональную энергетически неоднородную природу обменных центров ППК и методы адекватного описания экспериментальных результатов с учетом этих факторов, используются в лабораториях ИІЇЇС и ряда других научных учреждений при изучении ионообменных процессов в почвах. Установленные взаимосвязи между постоянными параметрами в уравнениях изотерм и основными показателями состава и свойств почв позволяют существенно расширить возможности использования данных по ионному обмену при решении разнообразных практических задач с помощью методов математического моделирования. Учет диссоциативного механизма ионообменной адсорбции аммония почвами и факторов усиливающих этот процесс позволяет уменьшить общие потери азота почвами. Разработана, защищена авторским свидетельством и внедрена методика рентгенофазового анализа высокодисперсных фракций почв. Результаты исследований использованы при разработке ГОСТа "Почвы. Термины и определения." написании учебного пособия, используемых в учебном процессе, а также в лекционном курсе, читаемом автором на факультете почвоведения МГУ, факультете повышения квалификации и на курсах ЮНЕП по проекту "Земельные ресурсы мира".
Аппробация. Материалы диссертации доложены на Всесоюзном съезде почвоведов (Минск, 1977), представлены на съездах в Тбилиси (1981), Ташкенте(1985) и Новосибирске (1989). Доложены на II Всесоюзном симпозиуме по термодинамике ионного обмена (Ыинск, 1975), Всесоюзной конференции по применению математического моделирования в физико-химическом анализе (Киев, 1979), Всесоюзных конференциях по миграции загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах (Обнинск, 1981,1983,1987), Всесоюзных совещаниях по применению химической термодинамики в почвоведении (Алма-Ата, 1988; Ташкент, 1989; Пуиино, 1991}, Всесоюзном совещании по нормированию
- б -
антропогенных нагрузок на ландшафты (Москва,1989), международных симпозиумах по методологически.! вопросам оценки состояния окружающей среды МНР (Пущино,1990), охраны почв и окружающей среды (ЧСаР,1989), биогеохикии окружающей среды (Москва,IS89; СШЛ,1991) продуктивности агроэкосистем (ЧСФР,1990) и других. Всего около 25 международных, всесоюзных съездов, конференций и совещаний. В целом диссертация доложена на открыток заседании отдела почвоведения Института почвоведения и фотосинтеза РАН, а также совместном заседании II комиссии ВОП "Химия почв" и кафедры химии почв факультета почвоведения МГУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 65 работ. Из них I учебное пособие, 4 монографии (3 коллективные), в том числе одна за рубежом. Ряд статей опубликован в зарубежных изданиях.
Объем и структура работы. Работа состоит из введения, 7 глав и выводов. Материал изложен на 436 страницах машинописного текста и включает 77 рисунков и 45 таблиц. Библиография содержит 504 источника, из которых 266 на иностранных языках.