Агроэкологические особенности трансформации фосфатов в

На правах рукописи
Тесфайе Дерссех Ешету
Агроэкологические особенности трансформации
фосфатов в дерново-подзолистой почве при загрязнении её тяжёлыми металлами
Специальности: 06.01.04 - Агрохимия
03.00.16 – Экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата биологических наук
Москва 2009
Диссертационная работа выполнена на кафедре почвоведения Российского государственного аграрного университета - МСХА им. К.А. Тимирязева
Научные руководители: доктор биологических наук, профессор
Карпухин Анатолий Иванович
доктор сельскохозяйственных наук, членкорреспондент РАСХН
Еськов Анатолий Иванович
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор
Карпачевский Лев Оскарович
доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Сушеница Борис Алексеевич
Ведущая организация: Российский университет Дружбы народов
Защита диссертации состоится «23» апреля 2009 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 006.029.01 при ГНУ Всероссийский научно
- исследовательский институт агрохимии им. Д. Н. Прянишникова
Адрес: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 31а, ВНИИА
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ Всероссийский
научно-исследовательский институт агрохимии им. Д.Н. Прянишникова
Автореферат разослан «______» ________________ 2009 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, можно присылать по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 31 а.
Учёный секретарь
Диссертационного совета
Л.В.Никитина
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Экологические последствия интенсивного применения в качестве органических удобрений отходов крупных животноводческих
комплексов привлекает всё большее внимание исследователей. В частности,
недостаточно изучены механизмы превращения соединений фосфора при утилизации органических отходов. Имеет место негативное влияние больших доз
органических отходов животноводства на водно-физические свойства почвы,
накопление аномально высоких количеств фосфора, изменение соотношения
между питательными элементами и нарушение баланса питательных веществ.
Длительное применение высоких доз бесподстилочного навоза вызывает
накопление в почве и растительной продукции нитратов, фосфатов, тяжёлых
металлов, отрицательно влияющих на качество продукции растениеводства,
здоровье человека и животных.
Исследование кинетики сорбции и межфазного распределения фосфатов
позволяет установить механизм поглощения и время насыщения почвой фосфат-ионами, а также определить максимальное количество фосфатов, которое
почва может удерживать в равновесном состоянии и определить степень сродства сорбента и сорбтива в агроэкосистеме. Изучение агроэкологических особенностей поведения фосфора в агроэкосистеме позволяет оценить влияние органических веществ на содержание, формы и доступность этого элемента для
растений. Определение действия фосфатов на состояние тяжёлых металлов
уточняет наши представления о поведении загрязнителей в системе почварастение. Эти вопросы являются актуальными для современного земледелия.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является изучение
агроэкологических особенностей фосфатного режима дерново-подзолистых
почв в зоне влияния предприятий промышленного свиноводства.
Для её достижения были поставлены следующие задачи:
- изучить кинетику и статику сорбции ионов фосфора дерновоподзолистыми и серыми лесными почвами;
- определить групповой и фракционный состав фосфатов в почве;
- исследовать влияние суперфосфата на содержание тяжёлых металлов в
почве;
- применить гель-хроматографический метод исследования некоторых
особенностей фосфатного режима;
- определить влияние органических веществ и тяжёлых металлов на поступление фосфора в растения.
Научная новизна. Исследование кинетики сорбции фосфатов позволило
установить, что сложный процесс перераспределения этого элемента между фазами агроэкосистемы обусловлен химическим поглощением и диффузией фос-
3
фатов внутрь почвенных частиц. При этом сорбция фосфора происходит в благоприятных условиях с большой энергией связи. Максимальная емкость сравниваемых серых лесных и дерново-подзолистых почв по отношению к фосфатам значительно превышает предельные концентрации фосфатов, поступающих
с отходами предприятий, что обусловливает защитные свойства почв по отношению к этому элементу.
Поступающий в почву при антропогенном загрязнении фосфор преимущественно обнаруживается в форме железо- и алюмофосфатов, что обусловливает защитные функции почв при возможном зафосфачивании. В модельных
опытах установлено, что внесение суперфосфата вызывает увеличение в два раза фосфатов кальция разной степени окристаллизованности. При длительном
взаимодействии (больше года) убывает содержание фосфора в составе гуминовых кислот, что приводят к снижению концентрации всех изучаемых ТМ.
Впервые с помощью систематизированной гелевой фильтрации установлен сложный состав органо-минеральных соединений в изучаемой агроэкосистеме. По данным гелевой хроматографии гумусовые вещества образуют термодинамически устойчивые органо-минеральные комплексы с фосфором и тяжелыми металлами. При этом тяжелые металлы неравномерно распределены по
молекулярно-массовым (ММ) фракциям органо-минеральных соединений и соотношения С:ТМ, С:Р зависят от молекулярной массы фракций изучаемых соединений.
В радиовегетационных опытах с использованием 32Р установлено достоверное влияние ТМ и ГК, также их совместное действие на поступление фосфора в растения. Использование гуминовых кислот в концентрации 0,001% в
два раза снижает поступление фосфора в молодые растения пшеницы при внесении 50 ПДК ТМ; минимальные его количества обнаружены от применениия
гуминовых кислот на фоне ПДК ТМ.
В микровегетационных опытах показано, что внесение суперфосфата в
1,5 раза снижает отрицательное действие дозы в 50 ПДК ТМ. Для пшеницы
угнетающее действие этой дозы еще сильнее, чем для злаково-пастбищной
культуры (ТЭФФ). Внесение суперфосфата повышало энергию прорастания
семян с 46% до 68%.
Практическая значимость. Кинетические и статические константы
сорбции могут использоваться для прогностических расчетов поведения фосфатов в почвах и разработки рекомендаций для рационального использования
удобрений и отходов животноводства.
Данные по влиянию суперфосфата, гуминовых кислот, параметры содержания и форм тяжелых металлов можно использовать при оценке доступности
4
фосфора и ТМ, а также для разработки приемов регулирования содержания
фосфора и ТМ в целях санитарии и гигиены почв.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на конференции
молодых ученых и специалистов РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева (декабрь
1999 г.), расширенном заседании кафедр экологии и почвоведения.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы две статьи в
журналах, включённых в перечень изданий ВАК.
Объем работы. Диссертация изложена на 156 страницах машинописного
текста, содержит 30 таблиц, 21 рисунок. Работа состоит из введения, обзора литературы, 5 глав экспериментальной части, выводов и списка использованной
литературы, который включает 207 наименований, в том числе 66 иностранных.
Объекты и методы проведения исследований.
ОАО «Ильиногорское» является базовым хозяйством Нижегородской области для проведения мониторинговых исследований агроэкологического состояния почв, анализа динамики химического состава подземных и поверхностных вод, контроля качества очистки животноводческих стоков. Соблюдение нормативов предельно допустимых выбросов осуществляется отделом физико-химического контроля Управления по экологическому мониторингу Нижегородской области. Агроэкологический мониторинг почв проводится по заказу хозяйства ФГУ «Центр агрохимической службы Нижегородский» и кафедрой агрохимии и агроэкологии НГСХА на основании договора о творческом
сотрудничестве [Титова В.И., Караксин В.Б., Гейгер В.Ю., 2003].
В ОАО «Ильиногорское» применяется гидравлическая система удаления
навоза, который в дальнейшем поступает на очистные сооружения. В хозяйстве
используются очистные сооружения технологии Джи и Джи, схема глубокого
разделения стока на фракции с использованием в качестве аэраторов акционных аэротенков-отстойников. Существующие очистные сооружения работают
по двухступенчатой схеме полной биологической очистки производственных
сточных вод промкомбинатов, племфермы и хозяйственно бытовые сточные
воды поселка Ильиногорское [Караксин В.Б., 2003].
Для проведения исследований были отобраны образцы дерновоподзолистых и серых лесных почв в зоне влияния промышленного предприятия
свиноводства хозяйства ОАО «Ильиногорское» и с опытных участков длительных опытов по изучению фосфатного режима почв и влиянию тяжёлых металлов на состояние их в изучаемых почвах (табл. 1). Отбор проб почвы для анализов проводился в соответствии с требованиями к отбору почв при общих и локальных загрязнениях, изложенными в ГОСТ 17.4.3.01.–83, ГОСТ 17.4.4.02-84,
ГОСТ 28168-89, а также в «Методических указаниях комплексного агрохими-
5
ческого обследования почв сельскохозяйственных угодий» и «Методических
указаниях по проведению полевых и лабораторных исследований при контроле
загрязнения окружающей среды металлами».
Таблица 1
Агрохимическая характеристика почв
Почва
рНKCl Hг
S
T
V, Р2О5 К2О
%
мг-экв/100 г
мг/кг
Дерново-подзолистая песчаная
4,7
2,3 9,4 11,7 80,3 38,5 51,0
Дерново-подзолистая среднесу- 4,9
2,9 12,9 15,8 81,6 43,4 75,0
глинистая
Серая лесная легкосуглинистая
5,8
2,8 12,1 14,9 82,0 210,0 93,0
Фосфор определяли колориметрическим методом, фракционный состав
минеральных фосфатов по Чангу-Джексону (Агрохимические методы исследования почв, 1975). Содержание подвижных форм ТМ определяли в 1н HCl и
ацетатно-аммонийном буферном растворе (рН=4,8), валовых - в 6н HCl. Определение тяжелых металлов проводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре AAS-30. Исследование молекулярно-массового распределения углерода и
фосфора проводили методом систематизированной гелевой хроматографии
(Карпухин А.И., 1967, 1984). Для построения графиков применялась программа
Microsoft Excel. Результаты исследований обработаны по статистической программе STRAZ.
Результаты исследований.
Среди агроэкологических аспектов фосфатного режима при использовании органических отходов животноводства первое место занимает последействие удобрений, накопление подвижных форм фосфора и его миграция по
профилю почвы.
Длительная утилизация органических отходов промышленного свиноводства на территории ОАО «Ильиногорское» Нижегородской области привела к
аномально высокому количеству подвижных фосфатов в дерново-подзолистой
почве. При анализе агрохимических результатов обследования, выявлена очень
высокая обеспеченность подвижными формами фосфора, которая превышает
исходную обеспеченность почв этим элементом в 5-10 раз. При этом содержание доступных для растений форм фосфора относительно валовых запасов изменяется в пределах 33-50% и превышает аналогичный показатель для дерновоподзолистых почв Нижегородской области до 15% у суглинистых и 4-12% у
супесчаных. Вариабельность этого показателя составляет на легкосуглинистых
25-27%; на супесчаных приближается к 50%. С одной стороны, это может быть
основанием для очень высокого накопления фосфатов, а с другой – определяет
предрасположенность миграции фосфора в нижележащие горизонты, особенно
на супесчаных почвах с хорошим дренажом [Караксин В.Б., 2003; Караксин
6
В.Б., Титова В.И., 2002; Титова В.И., Караксин В.Б., 2003; Титова В.И., Караксин В.Б., Гейгер В.Ю., 2003].
Кинетика и статика сорбции фосфатов.
Для оценки агроэкологических аспектов фосфатного режима было проведено сравнительное исследование закономерностей сорбции фосфора дерново-подзолистой и серой лесной почвами хозяйства ОАО «Ильиногорское».
Скорость сорбции фосфатов в почве обусловлена внешнедиффузными,
внутридиффузными процессами и химической кинетикой (рис. 1 - 4). Для установления механизма поглощения проведено сравнительное исследование кинетики сорбции фосфатов почвой в статических условиях в широком интервале
времени (рис.1). Кинетическим методом показано, что сложный сорбционный
процесс, в котором принимают участие различные сорбирующие фосфаты компоненты почв, может быть описан в виде суммы экспоненциальных уравнений
(рис. 2, 4). Графико-математический приём обработки экспериментальных кинетических кривых показал, что в сорбции фосфатов почвами участвуют несколько сорбционных групп, различающихся по скорости поглощения. Все
изучаемые горизонты почв характеризуются двумя кинетическими константами: 1 10-3 с-1 (относительно «быстрая») и 2 от 10-5 до 10-6 с-1 (более «медленная») сорбция. На первой стадии сорбции поглощение фосфатов носит химический характер и идёт по мономолекулярному типу. Время установления сорбционного равновесия изменяется от 0,19 до 0,53 ч в зависимости от генетического горизонта. Начиная с 30 минут, кинетика сорбции обусловлена диффузией фосфата внутрь почвенных частиц (рис. 3). Коэффициент внутренней диффузии изменяется в пределах от 10-9 для пахотного горизонта до 10-12 – 10-13
см2/сек в нижележащих горизонтах. Сравнительное рассмотрение кинетических
констант сорбции ( β, Т1/2, tравн ) показало, что для дерново-подзолистой и серой
лесной почвы они имеют близкие значения, изменяются по генетическим горизонтам в пределах одного и того же порядка и могут использоваться для прогностических расчётов поведения фосфатов в почвах и разработки рекомендаций для рационального использования фосфорных удобрений.
7
Рис.1. Кинетика сорбции фосфатов дерново-подзолистой почвой Рис.2. –ln(1-F)= f(t) для дерново-подзолистой почвы
Рис.3. Проверка применимости уравнения Бойда
Anax
B1
Рис.4. Lg St = f(t) для дерново-подзолистой почвы
C
А1A2
8
Изучение межфазного распределения фосфатов методом переменных
концентраций показало, что все полученные экспериментальные изотермы
имеют выпуклый и слабовыпуклый характер. Это указывает на то, что сорбция
фосфатов генетическими горизонтами изучаемых почв происходит в благоприятных условиях с большой энергией связи (рис. 5). Графико-математические
приёмы обработки позволили установить, что экспериментальные изотермы
удовлетворительно подчиняются уравнениями Френдлиха и Ленгмюра (рис. 68), что позволяет рассчитывать эмпирические константы сорбции (К, S∞). В
изучаемых почвах максимальная емкость поглощения (S∞) изменяется в широких пределах от 12,5 мг Р2О5 на 1 г почв в горизонте А1А2 серой лесной почвы
до 51,3 мг на 1 г почв в горизонте В1 дерново-подзолистой почвы. Распределение этого показателя по профилю исследуемых почв носит элювиальноиллювиальный характер, что обусловлено интенсивностью проявления подзолистого процесса и в первую очередь распределением полуторных оксидов по
профилю как дерново-подзолистой, так и серой лесной почвы. Генетические
горизонты серой лесной почвы поглощают (соответственно 24,9; 12,5; 37,9; 15,6
мг Р2О5 на 1 г почвы) меньше по сравнению с горизонтами дерновоподзолистой почвы (соответственно 28,6; 19,9; 51,3; 23,7 мг Р2О5 на 1 г почвы).
Максимальная емкость сорбции фосфатов исследуемых почв значительно
превышает те концентрации фосфатов, которые могут поступать в почву при
утилизации органических отходов как в дерново-подзолистых, так и в серых
лесных почвах. Длительная утилизация органических отходов предприятия
промышленного свиноводства ОАО «Ильиногорское» приводит к накоплению
до 1000 мг/кг почвы подвижного фосфора, что уступает количеству фосфора,
сорбируемого почвой. Применение очистных сооружений и схемы глубокого
разделения стока на фракции с использованием полной биологической очистки
практически полностью снимает возможность критического загрязнения используемых почв подвижными формами фосфатов.
Исследование закономерностей сорбции позволило установить существенные защитные свойства изучаемых почв по отношению к зафосфачиванию. Медленная диффузия фосфатов внутрь почвенных частичек, установленная на основании изучения кинетики сорбции, позволяет предположить возможность прочного закрепления этого элемента в составе твёрдой фазы дерново-подзолистой почвы. Для выявления форм поглощенных фосфатов проведено
определение фракционного состава минеральных форм и некоторых органических фосфатов, в первую очередь в составе гумусовых веществ специфической
природы. Изучение группового и фракционного состава минеральных форм
фосфора показало, что его максимальное количество содержится
9
Рис.5. Изотермы сорбции фосфатов дерново-подзолистой почвой Рис.6. ln S = f(ln C) для дерново-подзолистой почвы
Рис.7. 1оg S = f(1оg С) для дерново-подзолистой почвы
Anax
B1
Рис. 8. 1/S = f(1/C) для дерново-подзолистой почвы
А1A2
10
C
в пахотном горизонте и достигает 107,3 мг/100 г. При сравнительном рассмотрении наблюдается бимодальное распределение этого элемента с двумя максимумами в пахотном и иллювиальном горизонтах. Результаты проведенного
анализа по фракционированию фосфатов показали, что на долю железофосфатов приходится 51%, алюмофосфатов – 27% и это составляет 78% от общего
содержания минеральных форм этого элемента. В исследуемой почве максимальное количество фосфора, связанное с органической частью почвы, содержится в пахотном горизонте и уменьшается вниз по горизонту. Фосфор фульвокислот составляет 35 % от общего органического фосфора в пахотном горизонте. С глубиной доля фосфора, связанного с фульвокислотами, возрастает. В
горизонте В содержание фосфора достигает 50 % от общего органического
фосфора в этом горизонте.
Действие различных доз и форм тяжёлых металлов на содержание и
формы фосфора.
Для определения влияния тяжёлых металлов на агроэкологические особенности фосфатного состояния почв и выявление действия фосфатов на поведение тяжёлых металлов в лабораторных условиях проведен модельный опыт с
дерново-подзолистой почвой. В модельном опыте по изучению влияния возрастающих доз ТМ максимальное количество фосфора обнаружено в варианте с
внесением 50 ПДК ТМ и суперфосфата. При длительном компостировании
произошло уменьшение рыхлосвязанных фосфатов на 5,5 мг на 100 г почвы. За
счёт влияния суперфосфата увеличилось на одну треть содержание железо- и
алюмофосфатов и в 2 раза – фосфатов кальция разной степени окристаллизованности.
Применение метода моделирования в сочетании с определением группового состава гумуса экспресс-методом Кононовой-Бельчиковой показало, что
тяжелые металлы при длительном взаимодействии (1год) проявляют тенденцию уменьшения содержания общего углерода с преимущественным образованием группы органических веществ фульвокислотной природы. Внесение тяжелых металлов в дозе 50 ПДК вызывает значительное повышение фосфора в
составе фульвокислот, что можно объяснить повышением интенсивности минерализации органических веществ и образованием органо-минеральных соединений сложного состава и возможно комплексной природы.
В наших исследованиях при внесении из расчета 60 кг Р2О5 рассмотрено
действие фосфорных удобрений на содержание тяжелых металлов.
Сумма
тяжелых металлов в варианте с внесением суперфосфата меньше в сравнении с
третьим вариантом, где были внесены ТМ в дозе 50 ПДК. При этом в варианте
без дополнительного внесения тяжелых металлов их содержание в составе гуминовых кислот (табл. 2) изменяется от 0,14 х 10-2 для кадмия до 0,97 мг/кг для
11
марганца и составляет следующий ряд: Mn >> Cu > Ni > Co > Cd. При этом их
содержание в фульвокислотах значительно выше, чем в гуминовых кислотах и
изменяется от 0,83 х 10-2 для кадмия до 0,8 мг/кг марганца и составляет такой
же ряд как для органического вещества, без разделения на группы гумусовых
соединений.
При внесении ТМ в дозе 5 ПДК незначительно изменяется их содержание
в гуминовых кислотах, но в 2 раза возрастает в составе фульвокислот, что согласуется с литературными данными [Карпухин А.И., 1987; Карпухин А.И.,
Шестаков Е.И., 1995]. На начальных этапах взаимодействия фульвокислоты,
как наиболее агрессивные природные реагенты, активно связывают ионы металлов с образованием координационных соединений.
При внесении значительных доз ТМ происходит несущественное их возрастание в составе гуминовых кислот. Основное количество ТМ сосредотачивается в основном в фульвокислотах и изменяется от 3,45 х 10-2 для Cd до 2,53 мг/кг для марганца, что в 4
раза выше, чем в контрольных вариантах. Действие суперфосфата выражается в
снижении содержания тяжелых металлов в гуминовых кислотах, в основном за
счет уменьшения их содержания в фульвокислотах. При этом количество ТМ в
этой группе органических веществ изменяется от 2,41 х 10-2 для кадмия до 1,98
мг/кг для марганца и составляет на 1/3 меньше по сравнению с вариантами, где
были внесены дозы 50 ПДК, но без фосфорных удобрений.
Таблица 2
Содержание тяжелых металлов в гумусовых кислотах по вариантам
модельного опыта
Варианты опыта
Содержание ТМ, 1 х 10-2 мг/кг
Ni
Сo
Cu
Cd
Mn
1. Контроль
9,0*
1,8
9,8
0,14
97,0
5,9
3,7
10,4
0,83
80,1
2. 5 ПДК ТМ
9,8
2,1
10,1
0,17
101,5
12,1
7,2
21,3
1,65
172,0
3. 50 ПДК ТМ
10,2
3,2
12,7
0,21
198,0
27,1
14,4
41,5
3,45
253,7
4. 50 ПДК ТМ + су10,5
3,1
11,3
0,25
109,8
перфосфат
15,9
12,4
31,2
2,41
198,1
* В числителе – содержание ТМ в гуминовых кислотах, в знаменателе – в
фульвокислотах.
При длительном взаимодействии в течение года (табл. 3) общее содержание тяжелых металлов в составе гумусовых кислот не изменилось. При этом
сохранилось влияние доз ТМ и совместного применения суперфосфата с ТМ в
дозе 5 ПДК. Содержание ТМ в гуминовых кислотах изменяется от 1,62 х 10 -2
для кадмия - до 2,59 мг/кг, марганца, в фульвокислотах – от 0,19 х 10-2 для Cd
до 0,99 мг/кг для Mn. Больше всего содержание ТМ выявлено при внесении их
12
в дозе 50 ПДК и составляет от 3,49 х 10-2 для Cd до 2,59 мг/кг для Mn в составе
гуминовых кислот, тогда как в фульвокислотах эти количества соответственно
составляют 0,19 х 10-2 и 1,90 мг/кг.
При длительном взаимодействии внесение суперфосфата вызывает снижение содержания фосфора в составе гуминовых кислот с 30 % до 23 % и резко
возрастает его содержание в фульвокислотах в варианте модельного опыта с 50
ПДК ТМ и суперфосфата, соответственно с 37 % до 53 % и с 49 % до 66 %. При
этом действие суперфосфата выражается в снижении содержания всех изучаемых металлов в составе гумусовых кислот. Исследование группового состава
гумуса экспресс-методом Кононовой-Бельчиковой выявило, что это особенно
проявляется на содержании ТМ в группе веществ фульвокислотной природы,
где их количество уменьшается на одну треть по сравнению с контролем.
Таблица 3
Содержание тяжелых металлов в гумусовых кислотах через год взаимодействия
Варианты опыта
1. Контроль
2. 5 ПДК ТМ
3. 50 ПДК ТМ
4. 50 ПДК ТМ + суперфосфат
Ni
9,1*
6,0
12,0
9,9
27,5
10,7
16,0
10,3
Содержание ТМ, 1 х 10-2 мг/кг
Сo
Cu
Cd
1,9
9,8
1,5
3,9
10,5
0,82
7,5
21,5
1,62
2,2
10,9
0,19
14,7
41,7
3,49
3,5
12,5
0,19
12,2
30,1
2,45
2,9
11,0
0,27
Mn
99,1
72,0
179,2
99,5
259,3
190,7
201,1
107,5
* В числителе – содержание ТМ в гуминовых кислотах, в знаменателе – в фульвокислотах.
При внесении суперфосфата количество ТМ в составе фульвокислот
практически не изменяется и в основном они сосредоточены в группе гуминовых кислот.В результате взаимодействия в течение года идет перераспределение тяжелых металлов между группами гумусовых кислот согласно их комплексообразующей емкости и термодинамической устойчивости координационных соединений с органическими лигандами. Фульвокислоты как наиболее
агрессивные органические кислоты гумусовой природы, на первом этапе взаимодействия в большей степени поглощают тяжелые металлы и могут взаимодействовать с суперфосфатом. При длительном взаимодействии общее содержание тяжелых металлов в гумусовых соединениях не изменилось, а происходит перераспределение между группами гумусовых веществ согласно комплексообразующей способности. При этом вначале происходит выравнивание их
содержания, а затем возрастание в составе гуминовых кислот. Уменьшение содержания тяжелых металлов по всем вариантам опыта, связанных с гумусовыми кислотами можно объяснить образованием сложных фосфоросодержащих
13
органо-минеральных соединений с ионами тяжелых металлов, в том числе комплексной природы, которые могут выпадать в осадок и идентифицироваться
как негидролизуемый остаток.
Гель-фильтрационное исследование соединений гумусовых кислот,
содержащих фосфор с ионами тяжёлых металлов. С помощью системы гелей
с взаимноперекрывающими пределами разделений проведена попытка выделения сложных органо-минеральных соединений органических веществ, содержащих фосфор, с некоторыми тяжелыми металлами. Для этих целей использованы образцы из пахотного горизонта дерново-подзолистой почвы. В данное
случае обнаружено неравномерное распределение Cd, Ni, Mn, Cu и Co по группам гумусовых веществ (табл. 4).
Таблица 4
Распределение тяжелых металлов по группам гумусовых веществ
Общее содержаРаспределение по группам
ТМ
ние в гумусе
Гуминовые Фульвокис- Негидролизуемг/кг почвы
кислоты
лоты
мый остаток
-2
-2
-2
Cd
9,2 х 10
0,14 х 10 *
0,83 х 10
8,2 х 10-2
1,61
9,02
89,37
Ni
1,08
0,090
0,059
0,931
8,38
5,43
86,20
Mn
25,81
0,970
0,800
24,04
3,76
3,10
93,4
Cu
1,17
0,098
0,104
0,968
8,41
8,91
82,68
Co
0,51
0,018
0,037
0,455
3,44
7,08
89,59
* В числителе – в мг на кг почвы, в знаменателе – в % от их общего содержания.
Общее содержание тяжелых металлов в органическом веществе изменяется от 9,2х10-2 в пересчете на кг почвы для кадмия до 25,8 мг для марганца и
составляет ряд: Mn >> Cu  Ni > Co >> Cd.
Как видно из рис. 9-11 и таблицы 5 применение систематизированной гелевой фильтрации позволило установить сложный молекулярно-массовый состав щелочной вытяжки из пахотного горизонта дерново-подзолистой почвы.
При фракционировании щелочной вытяжки на системе гелей тяжелые металлы и фосфор выходили вместе с органическим веществом (рис. 12). Определение содержания тяжелых металлов во фракциях гумусовых веществ, позволило установить особенности их молекулярно массового распределения.
14
Рис. 9. Гель-хроматограмма на сефадексе марки G-10
Рис.10. Гель-хроматограмма на сефадексе марки G-50
Рис. 11. Гель-хроматограмма на сефадексе марки G-75
Mn
коэфф. опт. плотности Е
Ni
Co
Рис. 12. Молекулярно-массовое распределение тяжелых
металлов на сефадексе марки G-50
Cu
Cd
15
Таблица 5
Молекулярно массовое распределение углерода по фракциям гумусовых
веществ
ММЭлюционный Коэффициент
lg Молекулярная Содержание
фракции объем Ve, мл распределения ММ
масса
углерода в
Кd
%
1.
29,0
>50000
12,61
2.
50,9
0,410
3,620
4209
17,20
3.
69,1
0,750
3,530
3419
35,29
4.
19,5
0,257
2,685
480
18,52
5.
22,5
0,494
2,520
330
16,35
Тяжелые металлы неравномерно распределяются по молекулярномассовым фракциям гумусовых кислот. Если их общее количество, введенное в
колонку, составляет 3,81 мг в пересчете на кг почвы, то максимальное содержание (1,91) обнаружено в 1 фракции с ММ >50000, а минимальное – 0,22 в 5
фракции с ММ 570 и составляет убывающий ряд в порядке уменьшения молекулярных масс: 50000 >> 4200  3300> 480  330. От 82 % меди до 93 % цинка
не переходят в щелочную вытяжку, что позволяет предположить, что это количество находится в негидролизуемом остатке, хотя и не исключено взаимодействие с оксидами и гидроксидами железа и алюминия. По способности переходить в этот растворитель тяжелые металлы составляют ряд: Cu >> Ni > Co  Cd
> Mn. Этот ряд позволяет судить о прочности связи изучаемых ионов металлов
с почвой в составе негидролизуемого остатка.
Общий характер распределения отдельных тяжёлых металлов (табл. 6)
соответствует распределению их количества, введенного для гелевой хроматографии, хотя имеются отдельные отклонения и составляют убывающие ряды:
для Cd 7,3 > 3,1 > 2,7 > 1,2 > 1,0 x 10-3 мг
для Mn 0,97 > 0,212 > 0,443 > 0,116 > 0,105 мг
для Ni 0,490 > 0,187 > 0,137 > 0,041 > 0,036 мг
для Cu 0,361 > 0,203 > 0,201 > 0,066 > 0,068 мг
для Co 9,10 > 4,20 > 0,92 > 1,40 > 1,30 x 10-2 мг
Для научно-практического использования результатов гель-фильтрации
проанализированы образцы почв с длительных полевых опытов. В образцах
почв с опытного участка выделены органо-минеральные соединения, содержащие фосфор и тяжелые металлы. При этом определяли содержание Cd, как
приоритетного представителя группы тяжелых металлов и Cu, как тяжелый металл и один из главных микроэлементов. Проведено сравнительное изучение
влияния минеральных, органических удобрений и извести на дерновоподзолистой и серой лесной почвах.
16
Таблица 6
Распределение тяжелых металлов по молекулярно-массовым фракциям
гумусовых веществ
№№
ММ
Содержание
Тяжелые металлы в мг на кг почвы
фракции
углерода, %
Cd
Mn
Ni
Cu
Co
1.
> 50000
12,61
0,0073 0,970 0,490 0,361 0,0910
2.
4200
17,20
0,0031 0,212 0,187 0,2030 0,0420
3.
3410
35,29
0,0027 0,443 0,137 0,2010 0,0092
4.
480
18,52
0,0010 0,116 0,041 0,066 0,014
5.
330
16,38
0,0012 0,105 0,036 0,068 0,013
Фракционирование и определение молекулярных масс при помощи гельфильтрации щелочной вытяжки из пахотного горизонта дерново-подзолистой
почвы показало, что внесение удобрений и извести не влияет на количество
фракций и незначительно изменяется среднеэффективная молекулярная масса
фракций <700 в сторону увеличения при внесении удобрений и мелиоранта, как
на дерново-подзолистой, так и серой лесной почве, хотя и в меньшей степени.
При этом высокомолекулярная фракция, выделенная из дерново-подзолистой
почвы, составляет от 52,5 % до 67,9 % от общего углерода, введенного в хроматографическую колонку. Внесение минеральных соединений незначительно
снижает, а навоз повышает содержание углерода, за счет относительно низкомолекулярных фракций. Высокомолекулярная фракция, выделенная из серой
лесной почвы, изменяется от 73,4 % для контрольного варианта до 54 % при
внесении минеральных удобрений и вариант с внесением NPK и мелиоранта
занимает промежуточное положение. Изменение ММ в серых лесных почвах
повторяют закономерности выявленных для дерново-подзолистой почвы.
Сравнительное рассмотрение молекулярно-массового распределения
кадмия показало, что его количество в щелочной вытяжке возрастает от 3,1 х
10-2 мг до 14,8 х 10-2 мг в следующем ряду:
Контроль < NPK < Навоз < NPK + навоз + известь.
При этом увеличение составляет соответственно 1,3; 1,5; 2 раза по сравнению с контролем. Как свидетельствуют данные гелевой хроматографии, высокомолекулярная фракция связывает в абсолютном отношении в 4-6 раз больше меди по сравнению с кадмием, но значительно меньше от общего содержания введенного в хроматографическую колонку. При этом 1 фракция с ММ >
700 связывает от 74,0 % до 79,7 % кадмия и от 52,6 % до 57,9 % меди, образуя
ряд:
NPK + навоз + известь < Навоз < Контроль < NPK.
Фракционирование и определение молекулярных масс фракций при помощи гелевой хроматографии из пахотного горизонта серой лесной почвы показало, что внесение органических и минеральных удобрений не влияет на ко-
17
личество фракций. При этом сохраняется тенденция уменьшения значения молекулярных масс относительно низкомолекулярных фракций при внесении
NPK и их возрастание в варианте опыта, где вносили минеральные удобрения
вместе с навозом. Высокомолекулярная фракция, выделенная из серой лесной
почвы, составляет от 54,2 % до 73,4 % от углерода, введенного в гелевую колонку, и образует ряд:
NPK < NPK + навоз < Контроль. При этом внесение минеральных удобрений почти на 20 % снижает содержание углерода этой
фракции, а вариант NPK + навоз занимает промежуточное положение.
Рассчитанные соотношения С:Р и С:ТМ органо-минеральных соединений,
выделенных с применением гелевой фильтрации, зависят от молекулярной массы этих образований гумусовых кислот, содержащих фосфор с тяжёлыми металлами. При этом соотношение меньше для высокомолекулярных фракций по
сравнению с относительно низкомолекулярными соединениями.
Влияние гуминовых кислот и ТМ на поступление фосфора в растения.
Проведенные исследования в радиовегетационных опытах с 32Р позволили установить достоверное влияние ТМ, ГК и совместное действие ТМ и ГК на
поступление фосфора в проростки пшеницы (Fф=38,9; Fт0,05=2,2). Содержание
фосфора в питательном растворе к завершению опыта изменяется от 3,9 в варианте 5 ПДК ТМ + ГК до 9,8 <10-2 мг/мл в варианте 50 ПДК ТМ, что соответствует 29,9 и 75,7% его исходного содержания при НСР0,05=12,6%.
Активно
поглощался фосфор растениями в первом варианте (66,9%), где использовали
КН232РО4 без добавления ТМ и ГК (табл. 7).
Таблица 7
Влияние ТМ и ГК на поглощение фосфора проростками пшеницы
№
Варианты
Активноcть
Содержание фосфора в
п/п
раствора
растворе
-2
имп/мл за
10 мг/мл
% от ис100 сек.
ходного
32
1.
Фосфат ионы КН2 РО4*
558
4,4
33,1
2.
5 ПДК ТМ
693
5,3
41,2
3.
50 ПДК ТМ
1270
9,8
75,7
4.
ГК
1141
8,7
67,8
5.
5 ПДК ТМ + ГК
503
3,9
29,9
6.
50 ПДК ТМ + ГК
537
4,1
41,9
-2
Исходная активность раствора
1681
130х10
100%
НСР0,05
57
Fф=38,9
Fт0,05=2,2
Применение ТМ в дозе, составляющей 5 ПДК, оказали существенное влияние на поступление фосфора в молодые растения, хотя и проявили тенденцию к
снижению накопления на 12% по сравнению с первым вариантом. Значительно
18
снизилось поступление до 24,3% при 50 ПДК ТМ. Внесение гуминовых кислот
достоверно снижает в 2 раза поступление этого элемента. Применение гуминовых кислот совместно с тяжелыми металлами в дозе 5 ПДК проявляет тенденцию к повышению содержания фосфора в молодых растениях. Использование
гуминовых кислот достоверно снимает отрицательное действие ТМ в дозе 50
ПДК. В этом варианте в растениях обнаружено 58,1% фосфора от исходного
содержания в растворе. При этом обнаружено, что в растения поступило от 0,98
до 0,76 мг фосфора. Изучаемый элемент неравномерно распределяется между
надземной частью и корнями. В корнях обнаружено больше фосфора, чем в
надземной части. Так, содержание в корнях изменяется от 44,0% в варианте, где
использовались гуминовые кислоты на фоне 5 ПДК ТМ до 76,0%, где гумусовые кислоты применяли на фоне 50 ПДК ТМ. Большому поступлению фосфатионов в надземную часть (56,0) способствовали гуминовые кислоты на фоне 5
ПДК ТМ. Минимальное содержание фосфора (24,0%) обнаружено в надземной
массе молодых растений в вариантах опыта с применением гуминовых кислот
на фоне 50 ПДК ТМ. Накоплению фосфора в корнях (76,0) способствовали гуминовые кислоты на фоне применения тяжелых металлов в дозе 50 ПДК.
В микровегетационных опытах изучали влияние суперфосфата и ТМ по
вариантам модельного опыта (табл. 8). В качестве «индикаторов» взяты
Таблица 8
Сравнительная оценка влияния разных доз тяжелых металлов
и суперфосфата на всхожесть растений
Всхожесть
Длина корешков Длина ростков Число
коВарианты
Коли% от
см
% от консм
% от
решопыта
чество
контроля
конков
семян
троля
троля
Для культуры ТЭФФ
Контроль
225
100,06 0,63
100,0
1,10
100
5
5 ПДК ТМ
248
111,87 0,69
109,5
1,20
111,8
6
50 ПДК ТМ
115
51,11
0,30
47,61
0,58
52,72
2
50 ПДК ТМ +
175
77,77
0,50
79,36
0,88
80,0
3
суперфосфат
Для озимой пшеницы
Контроль
28
100
4,31
100
4,90
100
2
5 ПДК ТМ
25
91,28
3,82
88,73
4,51
91,83
1
50 ПДК ТМ
13
46,42
1,80
41,86
2,25
44,89
1
50 ПДК ТМ +
19
67,85
2,82
66,12
3,40
69,38
2
суперфосфат
две культуры: пшеница и злаково-пастбищная культура ТЭФФ.
Наибольшее угнетение роста при прорастании проявилось в третьем варианте с 50 ПДК тяжелых металлов в сравнении с контролем. Проросло около
51% семян ТЭФФа и 46% – пшеницы. Здесь же наблюдалось угнетение корней
19
у ТЭФФа (48%) и пшеницы (около 42%), и длины ростков 53% и 45% соответственно в сравнении с незагрязненной почвой. Всхожесть у ТЭФФа увеличилась на 12% в сравнении с контролем, причем данная закономерность прослеживалась как для корешков, так и для ростков (на 10% и 12% соответственно
больше в сравнении с первым вариантом). У пшеницы всхожесть тоже была
высокой, но меньше, чем в контроле на 9%, что можно объяснить более низкой
энергией прорастания в сравнении с культурой ТЭФФ. Можно отметить, что
доза в 5 ПДК тяжелых металлов в этом варианте проявила стимулирующий эффект, действуя подобно микроэлементам, которые в соответствующих количествах благоприятно сказываются на росте растений, заменяя недостающие элементы питания. В данном случае это в большей степени сказалось на проростках ТЭФФ, чем на пшенице.
Особого внимания заслуживают данные по четвертому варианту, в котором сочеталось внесение суперфосфата вместе с дозой в 50 ПДК тяжелых металлов. В этом варианте у индикаторных культур уже не наблюдалось такого
сильного токсического действия на прорастание, как в третьем варианте, хотя
он тоже содержал такую же дозу тяжелых металлов. Фосфор суперфосфата,
связывая тяжелые металлы в прочные труднорастворимые комплексы, фиксировал их в состоянии, недоступном для поглощения у растений, что благоприятно сказалось на их росте. Суперфосфат частично нейтрализовал токсичное
действие 50 ПДК металлов. Всхожесть увеличилась до 78% у ТЭФФА в сравнении с контролем (корни до 79% и проростки до 80%). Для пшеницы это составило 68% от первого варианта для общей активности прорастания и по 66%
и 69% для корней и ростков соответственно.
Выводы
1. Исследование кинетики сорбции фосфатов показало, что на первой
стадии поглощение фосфатов носит химический характер, а, начиная с 30 минут, скорость поглощения обусловлена диффузией фосфатов внутрь почвенных
частиц. Изучение межфазного распределения фосфатов позволило установить,
что экспериментальные изотермы имеют выпуклый характер, подчиняются
уравнениям Френдлиха и Ленгмюра, и их сорбция происходит в благоприятных
условиях с большой энергией связи. При этом максимальная емкость поглощения (S) изменяется в широких пределах и ее распределение по профилю почв
носит аккумулятивно-элювиально-иллювиальный характер.
2. В модельном опыте по влиянию возрастающих доз ТМ максимальное
количество фосфора обнаружено в варианте с внесением 50 ПДК ТМ и суперфосфата. При длительном компостировании произошло уменьшение рыхлосвязанных фосфатов. За счет внесения суперфосфата увеличилось на одну треть
20
содержание железо- и алюмофосфатов и в два раза – фосфатов кальция разной
степени окристаллизованности.
3. Применение метода моделирования с определением группового состава
гумуса показало, что внесение ТМ при длительном взаимодействии с почвой
проявляет тенденцию уменьшения содержания общего углерода с преимущественным образованием группы органических веществ фульвокислотной природы. Внесение тяжелых металлов в дозе 50 ПДК сопровождается значительным повышением содержания фосфора в составе фульвокислот, что можно
объяснить повышением интенсивности минерализации и образованием органоминеральных соединений сложного состава.
4. При длительном взаимодействии в течение года с внесением суперфосфата убывает содержание фосфора в составе гумусовых кислот с 30% до
23% и резко возрастает его содержание в варианте модельного опыта с внесением 50 ПДК ТМ и суперфосфата, соответственно с 37% до 53% и с 49% до
66%. При этом действие суперфосфата выражается в снижении содержания
всех изучаемых ТМ в составе гумусовых кислот.
5. Использование системы гелей с взаимно перекрывающими друг друга
пределами разделений позволило установить сложный молекулярно-массовый
состав органических веществ гумусовой природы, содержащих фосфор и тяжёлые металлы. Систематизированной гелевой фильтрацией с применением марок
гелей G-10; G-50 и G-75 выделено 5 фракций органо-минеральных соединений
с молекулярными массами >50000; 4200; 3410, 480 и 380. По результатам гельхроматографии углерод, фосфор и ТМ выходят вместе с одним и тем же элювиальным объёмом, что подтверждает образование сложных и устойчивых органо-минеральных соединений, возможно комплексной природы.
6. Тяжёлые металлы неравномерно распределены по молекулярномассовым (ММ) фракциям органо-минеральных соединений и соотношения
С:ТМ, С:Р зависят от молекулярной массы фракций изучаемых соединений.
7. В радиовегетационных опытах с использованием 32Р установлено достоверное влияние ТМ, ГК и их совместное действие на поступление фосфора в
проростки пшеницы. При этом использование гуминовых кислот в концентрации 0,001% в два раза снижает поступление фосфора в молодые растения пшеницы при внесении 50 ПДК ТМ.
8. В микровегетационных опытах установлено, что всхожесть семян
культуры ТЭФФ в два раза уменьшалась при внесении ТМ в дозе 50 ПДК. При
внесении суперфосфата отрицательное действие этой дозы ТМ снижалось в 1,5
раза в сравнении с вариантом без фосфорных удобрений. Для пшеницы
наибольшее угнетающее воздействие оказала также доза 50 ПДК ТМ, но это
проявилось сильнее, чем для вариантов с ТЭФФ. Внесение суперфосфата по-
21
вышало энергию прорастания семян с 46% до 68%, но его нейтрализующее
действие проявлялось слабее, чем у ТЭФФ.
Список опубликованных работ по теме диссертации:
1. Карпухин А.И., Титова В.И., Родионова Л.П., Тесфайе Д.Е. Сравнительная оценка кинетических параметров сорбции фосфатов дерновоподзолистой и серой лесной почвами Нижегородской области // Агрохимия,
1999, № 7. – С. 34-39.
2. Тесфайе Д.Е., Карпухин А.И. Влияние гуминовых кислот и ТМ на поступление фосфора в проростки пшеницы //Плодородие, 2007, № 22. – С. 4-5.
22