CC BY
19
ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ
УДК 631.41
ФРАКЦИОННЫЙ СОСТАВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВАХ И ЧЕРНОЗЕМАХ
В.И. Савич, д.с.-х.н., Д.Н. Никиточкин, к.с.-х.н., В.Н. Гукалов, к.с.-х.н., П.Ю. Карауш
РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, e-mail: [email protected]
В работе предлагается информационно-энергетическая оценка состояния тяжелых металлов в почвах. Показано отличие их фракционного состава в дерново-подзолистых почва и черноземах, определенного на основе конкурирующего комплексообразования.
Ключевые слова: почва, плодородие, фракционный состав, тяжелые металлы.
FRACTIONAL CONTENT OF HEAVY METALS IN SOD-PODZOLIC SOIL AND CHERNOZEM SOIL
V.I. Savich, D.N. Nikitochkin, V.N. Gukalov, P.Yu. Karaush
There is being suggested the information-energetic assessment of heavy metals condition in soil. There is shown the difference between their fractional content in sod-podzolic soils and that in chernozem soil, which was assessed with the help of competitive complex formation.
Keywords: soil, fertility, fractional content, heavy metals.
Состояние тяжелых металлов (ТМ) в почвах в значительной степени определяет генезис и плодородие почв, так как они находятся в почве в виде комплексонов с органическими и неорганическими лигандами, поглощены твердой фазой почв по типу ионного обмена, но также находятся в растворе в составе ионов, взвесей, коллоидов [1]. В то же время ТМ находятся в почве в виде положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений, что существенно определяет их влияние на плодородие почв [2]. С нашей точки зрения перспективна информационно-энергетическая оценка состояния ТМ в почвах. Она обусловлена математическими структурными взаимосвязями состояния поливалентных катионов и свойств почв, состояния биоты, растений, вод и приземного слоя воздуха. Деградация почв характеризуется отличием структурных взаимосвязей по вектору и скалярной величине от таких взаимосвязей в модели плодородия изучаемой почвы. Поэтому информационная оценка обусловлена также последовательным изменением свойств, процессов и режимов почв при загрязнении их ТМ, взаимосвязями причины и следствия, единством и борьбой противоположностей.
Загрязнение почв ТМ приводит к последовательному изменению течения всех реакций в почве, биоте, в растениях. Изменение биохимических процессов в растениях и биоте влияет на их воздействие на почву. В конечном итоге изменения ДG, АН, ДS во всех компонентах системы взаимосвязаны. Поэтому необходима термодинамическая трактовка этих процессов с точки зрения возрастания энтропии, изменения пирамид масс, энергии, информации в компонентах экосистемы и КПД их использования. Частично предлагаемые теоретические подходы изложены в работах [3-5]. В определенной степени информационно-энергетическая оценка состояния ТМ в почвах может быть проведена и по данным фракционного состава их соединений, определенного с использованием метода конкурирующего комплексообразования [6].
Объектом исследования выбраны дерново -подзолистая среднесуглинистая почва и чернозем выще-
лоченный тяжелосуглинистый. Методика исследования состояла в вытеснении ТМ в раствор десорбентов при разных значениях рН и Eh среды и комплексообразую-щей способности растворов [1, 6].
Данные таблицы 1 показывают, что при нейтрализации кислотности десорбента вытеснение из почв цинка, меди, железа, марганца уменьшалось как при применении, в качестве десорбента KCl, так и ЭДТА и спирта. Однако в черноземе это было выражено в значительно меньшей степени, чем в дерново-подзолистой почве. Подкисление среды в значительно большей степени повлияло на вытеснение катионов из почв KCl по сравнению с раствором KCl + ЭДТА.
Спиртовые растворы, вытесняющие из почв гидрофобные продукты, вытесняли из почв меньше поливалентных катионов, чем десорбент KCl + ЭДТА и раствор фонового электролита KCl. При этом доля соединений поливалентных катионов, связанных в гидрофобные продукты, была в черноземе несколько выше, чем в дерново-подзолистой почве.
По полученным данным, рН равновесного раствора не равно рН раствора десорбента: в кислой области значения рН более нейтральные, а в щелочной - менее щелочные. В то же время не всегда при более кислых значениях рН исходного раствора рН равновесного раствора меньше. Очевидно при подкислении в реакции обмена вступают новые сорбционные центры, и происходит дополнительное растворение менее растворимых осадков.
При одной и той же концентрации фонового электролита 0,1н повышение концентрации комплексона ЭДТА с 0,01 до 0,1М увеличивало вытеснение катионов. Например, содержание подвижного кальция в дерново-подзолистой почве при его десорбции 0,1н №ОН + 0,01М ЭДТА составляло при рН 2,7; 8,6; 9,0 и 9,1 соответственно 0,5; 0,6; 0,7 и 0,8 мг/100 г, а при аналогичных значениях рНкс1 при десорбции 0,1н №ОН + 0,1М ЭДТА - 0,9; 1,2; 1,5; 1,6 мг/100 г.
На подвижность в почве ТМ значительно влияют и восстановительные условия. В опыте № 1 при кислой
1. Вытеснение ТМ из почв в зависимости от комплексообразующей способности десорбента и рН среды, мг/л (n = 4-8)
Десорбент рН Zn Cu Fe Mn
Чернозем выщелоченный
0,1н КС1 4,9 0,03 0,05 2,7 0,9
6,6 0,05 0,05 1,4 0,7
0,1н КС1 + 0,01м ЭДТА 3,9 0,04 0,21 44,2 5,4
7,0 0,04 0,20 30,0 4,8
0,1н сульфосалициловая кислота 0,14 0,19 104,0 1,2
R-OH 4,1 0,08 0,03 0,9 0,5
Дерново-подзолистая почва
0,1н КС1 4,9 0,57 0,23 10,9 5,3
6,6 0,08 0,06 2,4 1,3
0,1н КС1 + 0,01м ЭДТА 3,7 0,34 0,23 183,8 10,7
5,8 0,30 0,13 78,0 4,6
R-OH 3,5 0,10 0,03 12,0 1,3
P = 0,95
2. Восстановлено-растворимые формы К, Fe, Mn
реакции среды величина Eh мВ по ХСЭ составляла 300-500 мВ, а при щелочной среде - 100-200 мВ. В опыте № 2 оценивалось влияние избыточного увлажнения почв и анаэро-биозиса (создаваемого пропусканием через суспензию N2).
Как видно из данных таблицы 2, пропускание тока азота через суспензию почв значительно повысило вытеснение из почв калия, железа, марганца. Избыточное увлажнение почв повысило подвижность железа и марганца.
Почвы более тяжелого гранулометрического состава с большей гумусированностью обладают большей депонирующей способностью и большей буферной емкостью по отношению к рассматриваемым соединениям. При одном и том же содержании в подвижной форме свинца в глине и в
песке в твердой фазе глины его находится значительно больше. Это обусловлено тем, что концентрация ионов в растворе десорбента определяется эффективной растворимостью их осадков, эффективными константами ионного обмена, эффективными константами нестойкости существующих в данных условиях комплексов. Эта величина не обусловлена полностью содержанием ионов в твердой фазе.
Для более полной характеристики состояния ТМ в почвах следует определять и буферность трансформации. Попадающие в почву ТМ превращаются в те их формы, которые характерны для исходной почвы в соответствии с термодинамическим равновесием свойств почв и факторов почвообразования. Важное значение для оценки влияния ТМ на плодородие и почвообразование имеет очередность их воздействия на свойства почв и последовательное протекание ряда реакций. Угнетение микробиологической и ферментативной активности приводит к изменению характера разложения растительных остатков (увеличивается доля грибной микрофлоры). Это, в свою очередь, приводит к изменению гумусового состояния почв, рН, Еh среды и т.д. При этом изменяются взаимосвязи между свойствами почв, энергетика процессов, скорость и степень адаптации почв и растений к экстремальным ситуациям. Поэтому нами предлагается информационно-энергетическая оценка состояния ТМ в почвах и моделей плодородия почв при загрязнении ТМ. Это определяет и целесообразность поднятия плодородия почв с использованием информационно -энергетических регуляторов.
Таким образом, в черноземах, по сравнению с дерново-подзолистыми почвами, не только больше буферная емкость и депонирующая способность по отношению к тяжелым металлам, меньше скорость перехода ТМ из твердой фазы в раствор, больше прочность связи с минералами группы монтмориллонита, но значительно отличается фракционный состав соединений ТМ, определяемый на основе конкурирующего комплексообразования. В черноземе, по сравнению с дерново-подзолистой почвой больше зависимость вытеснения ТМ от комплексообразующей способности десорбента, меньше зависимость от рН, больше доля гидрофобных продуктов, связывающих ТМ, больше доля вос-становлено-растворимых железа и марганца.
в почвах, % к оптимальному увлажнению
Вариант К Fе Mn
1 2 1 2
Чернозем
Избыточная влажность 102,3 90,9 254,3 109,7 436,4
Избыточная влажность + N2 168,7 268,4 638,9 170,2 709,1
Дерново-подзолистая почва
Избыточная влажность 77,3 32,9 300,0 114,0 650,0
Избыточная влажность + N2 111,6 47,5 485,5 141,0 1142,0
Примечание. 1 - вытяжка 0,1н H2S04; 2 - вытяжка 0,1 н
ЫаОН.
Литература
1. Савич В.И., Седых В.А., Никиточкин Д.Н., Сердюкова А.В., Шестаков Е.И., Саидов А.К. Агроэкологическая оценка состояния свинца в системе почва-растение. - М.: ВНИИА, 2012. - 356 с.
2. Савич В.И., Трубицина Е.В., Докучаев В.С. Оценка состояния системы почва-растение по содержанию и соотношению положительно и отрицательно заряженных соединений // Почвоведение, 1990, № 9. - С. 61-73.
3. Духанин Ю.А., Савич В.И., Батанов Б.Н., Савич К.В. Информационная оценка плодородия почв. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2006. - 474 с.
4. Никиточкин Д.Н., Савич В.И., Байбеков Р.Ф., Селиванова А.Г. Состояние соединений железа и марганца в дерново-подзолистых оглеенных почвах, как фактор, определяющий развитие плодовых культур // Плодородие, 2013, № 4. - С. 31-33.
5. Савич В.И., Сычев В.Г., Замараев А.Г., Сюняев Н.К. Энергетическая оценка плодородия почв. - М.: ВНИИА, 2007. - 498 с.
6. Савич В.И. Теоретические основы определения фракционного состава соединений ионов в почве с применением комплексонов // Известия ТСХА, 1980, № 6. - С. 83-94.
