Динамика показателей химических свойств фильтратов некоторых разновидностей южноуральских почв в условиях модельного эксперимента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Магнитогорский Государственный технический университет им. Г.И. Носова

Динамика показателей химических свойств фильтратов некоторых разновидностей южноуральских почв в условиях модельного эксперимента

Коробова Н.Л.

Неотъемлемым следствием развития промышленности служит химическое загрязнение биосферы. Среди различных видов последствий воздействия химического загрязнения на экосистемы особо следует отметить кислые осадки [1], формирование которых определяется процессами взаимодействия метеорных вод с поступающими в атмосферу промышленными выбросами кислотной природы [2]. Источниками таких выбросов являются самые различные области промышленности, к наиболее мощным среди которых относятся горно-металлургические комплексы и ТЭЦ. Такие комплексы, как правило, служат основными градообразующими предприятиями, основную долю газовых выбросов которых составляют кислотообразующие газы: СО2, SO2, SO3, NO2 и т.д.

Кислые осадки оказывают активное воздействие на все компоненты городских экосистем: водоемы, почвы, наземную растительность, строительные конструкции. Весьма неоднозначное воздействие кислые осадки оказывают на важнейший компонент городских экосистем - почвы. С одной стороны, почвы при взаимодействии с кислотными выпадениями, образующимися в результате взаимодействия атмосферной влаги с СО2, SO3, NO2, обогащаются сульфатами и нитратами, что оказывает стимулирующее действие на городские фитоценозы и их реабилитирующую способность. С другой стороны, результатом влияния кислых метеорных вод на почвы может служить подкисление последних, что, в свою очередь, служит причиной ряда нежелательных явлений. К таким явлениям относится процесс перехода соединений тяжелых и переходных металлов, а также радиоактивных элементов в подвижные формы и распространение их по звеньям трофической цепи, а также процесс выщелачивания элементов минерального питания за пределы корнеобитаемого слоя. Подобные формы деградации почвенного покрова крайне негативно могут отразиться на процессах развития городских фитоценозов и на их реабилитирующей способности. химический кислотный почва силикатный

Однако подавляющее количество литературных данных по этому вопросу представляет собой результаты экспериментов по влиянию кислых осадков на подзолистые почвы и их разновидности, пробы которых в большинстве случаев, берутся с фоновых территорий, то есть в пределах заповедных зон и заказников [3-5]. В то же время практически отсутствуют данные по воздействию кислых осадков на почвы степной и лесостепной зон, а механизмы влияния кислотных выпадений на горные почвы Южного Урала остаются мало изученными.

Для проведения модельного эксперимента в лабораторных услових с площадки размером 20х20 м горной серой лесной почвы Урал-Тау и с двух площадок такого же размера горной каштановой почвы Якты-Куля были отобраны образцы верхних органогенных горизонтов в двадцатикратной повторности. Образцы анализировались и по результатам этих анализов судили об исходном состоянии почв. С этих же площадок их верхнего горизонта Аd вырезали по два образца размером 20х20см и в ненарушенном состоянии помещали в колонки такого же размера. Один из двух образцов поливали раствором смеси киcлот HNO3 : HSO4 в соотношени 3:1 с рН=3.0 в пересчёте 1200 л на 1м2 . Другой образец поливали питьевой водой г. Магнитогорска, на которой готовили растворы смеси кислот, и считали его контрольным. Контрольный образец поливали также в количестве 1200л на 1 м2. В фильтратах потенциометрически измеряли концентрацию ионов Н+, Са2+, Мg2+, К+ и NH4+.

Из таблицы 1 видно, что в течение полива первыми 300 литрами кислых модельных осадков (1/2 годовой нормы) образца горной серой лесной почвы Урал-Тау (1-98) профильтрованные через него растворы характеризуются значениями рН, свойственными для силикатной буферной зоны по [6] (рН=6.5-5.0). Основными буферными механизмами в этой зоне являются реакции растворения силикатов. В течение полива почвы Урал-Тау следующими порциями модельных кислых осадков в количестве 1/6 годовой нормы кислотные фильтраты 1-98 имели рН=5.4-4.2, что соответствует ионообменной и частично силикатной буферным зонам. Динамика значений активности ионов калия в кислых фильтратах 1-98 на протяжении полива первыми 2/3 годовой нормы характеризуется постоянным их уменьшением, а динамика значений активности ионов кальция и магния - увеличением. Снижение активности ионов калия в кислых фильтратах 1-98 до 10-5 моль/л наблюдается при переходе значений рН исследуемых растворов из ионообменной буферной зоны в алюминиевую и соответствует первым 2/3 нормы годовых осадков. В то же время в контрольном опыте уменьшение значений активности ионов калия в фильтрате до 10-5 моль/л наблюдается уже после полива в размере 1/4 годовой нормы. Подобное отличие кислых фильтратов от контрольных по мнению отечественных авторов [11-12], возможно, объясняется переходом некоторой части необменного калия в обменную форму под действием повышенной кислотной нагрузки, что, в конечном итоге, ведет к увеличению концентрации тонов Н+ в почвенном растворе. Присутствие ионов К+ в кислых фильтратах может быть также следствием процессов растворения калийсодержащих минералов под действием кислых модельных осадков. Одна из стадий разрушения минералов под действием повышенных концентраций ионов Н+, возможно, заключается в увеличении содержания обменного калия почвенно-поглощающим комплексом, предположение о ведущей роли процессов растворения калийсодержащих минералов в фильтратах говорит тот факт, что во всех контрольных фильтратах, характеризующихся нейтральной и слабощелочной реакцией, ион калия присутствует в концентрациях на порядок меньших по сравнению с концентрациями К+ в кислых фильтратах. Кроме того, в нейтральных и слабощелочных контрольных фильтратах ион К+ присутствует только в их первых порциях, соответствующих 1/ 4 годовой норме полива. В то же время кислые фильтраты, соответствующие 1/2 - 2/3 годовой нормы полива, содержат ион К+ в количестве 10-4 - 10-5 моль/л (табл.1).

Если ион калия присутствует только в первых порциях фильтратов, то ионы Са2+ и Мg2+ присутствуют практически во всех фильтратах на протяжении всего модельного эксперимента. Значения рСа и рМg кислых фильтратов 1-98 на протяжении силикатной и ионообменной буферных зон были практически постоянными, а затем, по мере уменьшения значений рН до величин, соответствующих алюминиевой буферной зоне по Ульриху, стали уменьшаться.

Высокие значения АСа2+ и АMg2+ в кислых и контрольных фильтратах объясняется повышенной жесткостью воды, используемой для полива образцов. А одновременное увеличение значений АСа2+ и АMg2+ , с одной стороны, и АК+ - , с другой стороны, объясняется насыщением этими ионами опытных почвенных образцов. В ряде случаев отмечен факт поглощения почвой некоторых количеств ионов Са2+ и Mg2+ из исходных модельных осадков, приготовленных из воды с повышенной жесткостью. О количествах поглощаемых почвой ионов Са2+ и Мg2+ можно судить по разнице между значениями АСа2+ и АMg2+ в исходных поливных растворах и в фильтратах. Если значения рСа и рМg исходного раствора составили 1-2, то значения рСа фильтратов составили 1-3, а значения рМg в некоторых случаях >5.0. Таким образом, содержание ионов Са2+ в кислых растворах в результате фильтрования уменьшилось на порядок, а содержание ионов Мg2+ - на 1-4 порядка. Возможно, насыщением опытных образцов ионами Са2+ объясняется увеличение количеств водорастворимого и обменного кальция в опытных образцах горной серой лесной почвы Урал-Тау в результате их полива кислыми модельными осадками, содержащими повышенное количество ионов Са2+ (повышенной жесткостью). Учитывая, что количество поглощенного из исходных растворов иона Мg2+ превышает количество поглощенного иона Са2+, следует ожидать увеличения содержания водорастворимого и обменного магния в опытных образцах почвы Урал-Тау в результате их полива кислыми модельными осадками с повышенной жесткостью. Из таблицы 1 следует, что такого увеличения количеств водорастворимого и обменного магния в опытных образцах, поливаемых кислыми осадками, не наблюдается, что, по нашему мнению, связано с селективным поглощением ионов магния растительностью, присутствующей на поверхности опытных образцов на протяжении всего опыта. Такие предположения подтверждаются следующими соображениями. Согласно литературным данным [7-8] ион Са2+ обладает большей энергией поглощения по сравнению с ионом Мg2+и, следовательно, должен предпочительнее поглощаться почвой. Кроме того, [8] указывает, что рост значений рН почв от 4 до 7 вызывает увеличение поглощения почвой ионов магния. Однако, в нашем случае у трех образцов исследуемых почв актуальная форма кислотности в ходе модельного эксперимента возрастает и сопровождается существенным уменьшением количества обменного магния, следовательно задерживаемые почвой ионы магния должны поглощаться растительностью. При этом рН - Н2О контрольных образцов до рН = 7 - 7,4 практически во всех случаях сопровождается увеличением количеств водорастворимого магния, что согласуется с результатами и выводами [8]. Увеличение в контрольных образцах количества водорастворимых кальция и магния сопровождается в двух случаях значительным уменьшением водорастворимого калия, что связано с подщелачивающим действием контрольных растворов. Подщелачивание (известкование почв) по мнению [10-11] способствует переходу обменного калия в необменную форму. Очевидно, этим объясняется не только уменьшение водорастворимого калия в опытных образцах, но и меньшее содержание ионов К+ в слабощелочных контрольных фильтратах по сравнению с кислыми фильтратами. И, наоборот, повышенное количество ионов К+ в кислых фильтратах по сравнению со слабощелочными контрольными фильтратами объясняется переходом калия из необменного состояния в обменное. Очевидно, запас в почвенных образцах необменного калия недостаточен для того, чтобы обеспечить поступление этого элемента в почвенный раствор (в фильтрат) при переходе почвы из катионнообменной буферной зоны в алюминиевую. Таким образом, наблюдаемое подкисление и подщелачивание опытных образцов почв ведет к уменьшению количества водорастворимого калия, либо в результате его вымывания кислыми растворами модельных осадков, либо в результате необменного закрепления при подщелачивании почв до 7 - 7.4. Уменьшение количества водорастворимого калия в почве ведет к ухудшению калийного питания растений, что, безусловно является негативным фактором развития природных и городских экосистем при воздействии на них кислых и щелочных осадков.

Таблица 1 Уровень содержания катионов в кислых фильтратах

1-98 - горная серая лесная слабооподзоленная супесчаная почва Урал-Тау

2-98 - горная каштановая почвы Якты-Куля (лиственничная парцелла)

3-98 - горная каштановая почва Якты-Куля (березовая парцелла)

В результате полива кислыми модельными осадками опытных образцов (2-98) и (3-98) горной каштановой почвы Якты-Куля были получены фильтраты со значениями рН = 5.7 - 4.0. Из таблицы 2 видно, что кислые фильтраты характеризуются значениями рН силикатной и ионообменной буферных зон по Ульриху. Переход из силикатной буферной зоны в катионнообменную у 2-98 происходит после его полива модельными осадками в размере 1 годовой нормы, а у образца 3-98 - после его полива модельными осадками в размере 3/4 годовых норм. Обращает на себя внимание факт одновременного снижения значений активности ионов калия в кислых фильтратах образцов горной каштановой почвы Якты-Куля и горной серой лесной почвы Урал-Тау, что, очевидно, объясняется схожими механизмами взаимодействия твердых фаз образцов с кислыми осадками и использованием в модельном эксперименте образцов органогенных горизонтов. При использовании в модельном эксперименте образцов минеральных горизонтов результаты могут быть другими.

После перехода значений рН кислых фильтратов образцов горной каштановой и горной серой лесной почв из силикатной буферной зоны в ионообменную, динамика значений активности ионов калия этих фильтратов различна. В кислых фильтратах 1-98 горной серой лесной почвы после полива образца кислыми модельными осадками в размере 1 годовой нормы значения рН снижаются до диапазона алюминиевой буферной зоны, а в кислых фильтратах каштановых почв остаются в пределах ионообменной буферной зоны, что объясняется большей буферной емкостью органогенных горизонтов исследуемых горных каштановых почв, и подтверждается также большими значениями ЕКО6.5 по сравнению со значениями ЕКО6.5 верхнего органогенного горизонта горной серой лесной почвы Урал-Тау. Все исследуемые показатели кислотно-основного состояния почв оказались чувствительными к действию кислотной нагрузки и могут быть использованы в программах экологического мониторинга почв, аналогичных программам специалистов Скандинавских стран [3; 12-14].

Выводы

Кислые фильтраты, получаемые в результате полива опытных образцов южноуральских почв кислыми модельными осадками, характеризуются значениями рН силикатной и ионообменной буферных зон по Ульриху, что не представляет опасности для развития городских фитоценозов. Фильтраты, получаемые при поливе образцов контрольными растворами со слабощелочной реакцией и повышенной жесткостью, характеризуются рН-Н2О, соответствующими карбонатной зоне.

Все исследуемые показатели кислотно-основного состояния почв оказались чувствительными к действию кислотной нагрузки и могут быть использованы в целях экологического мониторинга почв.

Литература

1. Гиббсон национальная программа по атмосферным осадкам - М., 1980.

2. Самарина В.С. Гидрогеохимия. - Л.: ЛГУ, 1977.

3. Hargrove W.L., Thomas G.W. Extraction of aluminium from aluminium-organic matter in relation to titratable acidity|| Soil Sci.Soc. Am.J.,1984,v.48

4. Соколова Т.А., Дронова Т.Я., Коробова Н.Л. и др. Полевое моделирование первых стадий взаимодействия кислых осадков с лесными подзолистыми почвами

5. // Вестник МГУ, сер. Почвоведения, 1996, №1//

6. Терехин В.Г., Иванова С.Е., Соколова Т.А. Изменение некоторых свойств иллювиально-железистых подзолов под влиянием обработки водой и кислотой // Почвоведение, 1995, №1//

7. Ulrich B. Natural and anthropogenic components of soil asidificftion. - Z. Pflanzenern, Bodenkunde,1986,v/149.

8. Ремезов Н.П. Почвенные коллоиды и поглотительная способность почв. - М.: Наука, 1978.

9. Ремезов Н.П. Химия и генезис почв . - М.: Наука, 1989/

10. Орлов Д.С. Химия почв. - М.: МГУ, 1992.

11. Соколова Т.А., Куйбышева И.П. Факторы, определяющие формы соединений и валовые содержание К+ в серых лесных почвах // Почвоведение, 1986, №3//

12. Соколова Т.А. Калий и его различные формы содержания в почвах. - М.: МГУ,1987.

13. Field and laboratory manual International co-operative programme on integrated monitoring/ prepared by the Programme Nat. Board of Centre EDC Waters and Environment. - Findland,1989.

14. David M.D. et al Spodosol variability and assesment of irsponse to acidic deposition. ||- Soil Sci.Soc. Am.J.,1990,v.54,N 2/

15. Skillberg U. Seasonal variation of pH-H2O and pH-CaC12 in centimeter - layers of mor humus in pieca abies -||- Soil Sci.Soc. Am.J.,1991,v.6

Размещено на Allbest.ru