Замедленная флуоресценция почв Оренбургской области

Люминесцентный анализ используют в экологических целях для определения качества продуктов, питьевой воды, содержания вредных веществ в воздухе и т. д.

Целью данной работы является исследование кинетики замедленной флуоресценции почв Оренбургской области при изменении органо-минерального состава.

По реакции на фотоиндуцированное воздействие почвы следует отнести к сложным атомно-молекулярным системам. В почвах присутствует органическая компонента и минеральная компонента (кристаллические и аморфные атомно-молекулярные системы). Известно, что оптические спектры излучения молекулярных систем имеют полосовую энергетическую структуру: присутствует электронно-колебательно-вращательные уровни. Электронные оптические спектры многоэлектронных атомов имеют мультиплетную тонкую структуру (синглеты, дуплеты, триплеты). При воздействии на почву световым импульсом атомно-молекулярные системы приходят в возбужденное состояние. Возникает эффект флуоресценции (вторичное свечение — быстрозатухающее холодное послесвечение). Кроме оптических излучательных переходов возможно включение неоптических переходов в результате увеличения межмолекулярного взаимодействия, что вызывает тушение флуоресценции. Опыт показывает, что в инфракрасной области излучения молекул (вращательные переходы) люминесценция практически не наблюдается (сильное тушение люминесценции). Следовательно, можно предположить, что флуоресценция почв преимущественно обусловлена электронно-колебательными энергетическими переходами, и почвы, как сложные системы, в оптическом смысле можно рассматривать состоящими из двух подсистем — быстрой и медленной: быстрая — колебательные степени свободы, медленная — электронные переходы.

Важнейшая характеристика люминесценции — кинетика процесса, которая сильно зависит от типа элементарного процесса. Законы затухания и разгорания люминесценции зависят от свойств люминесцирующей системы и в общем случае могут быть достаточно сложными.

Методика экспериментальных исследований. Для исследования замедленной флюоресценции отобраны следующие типы почв: черноземы (типичный и выщелоченный, южный, обыкновенный) и темно-каштановая почва. Отбор проб почв осуществлялся методом конверта по профилю (горизонта) А — 0−20; АВ — 20−40; ВС — 40−90 см. Из проб удаляются растительные остатки, производится механическое разрыхление, тщательное перемешивание и доведение до воздушно-сухого состояния. Пробы разделялись на контрольные и опытные группы. Опытные пробы почв подвергались термической обработке при температурах 200 °C, 400 °C, 600 °C и 800 °C с выдержкой при каждой температуре в течение 30 мин. Исследование контрольных и опытных групп проб производилось на установке для регистрации замедленной флуоресценции (Патент 2 220 413 (13) С1 2003 г, авторы: Ефремов И. В., Межуева Л. В., Быкова Л. А., ОГУ). Образец почвы помещали в светонепроницаемую камеру установки, выдерживали в темноте 5 мин, облучали световым импульсом 19 Вт длительностью 10 мс и регистрировали с помощью фотоэлектронного умножителя число импульсов замедленной флуоресценции. Экспериментально установлено, что для всех исследованных типов почв независимо от режимов температурного воздействия на них выполняется экспоненциальный закон затухания флуоресценции. Экспериментальные данные описывались уравнением регрессии экспоненциального вида (метод Левенберга-Макгравта), погрешность аппроксимации не превышала 3%. Характер изменения флуоресценции описывался экспоненциальной зависимостью вида люминесцентный кинетика флуоресценция почва.

.

где лпоказатель экспоненты, характеризующий скорость затухания флуоресценции; N0- начальная интенсивность свечения.

Контрольные и опытные группы почвы подвергались химическому анализу на содержание основных агрохимических показателей: определение лабильного органического вещества, гумуса, подвижных форм фосфора и калия, рН, плотного остатка.

Результаты и обсуждение. В таблицах 1, 2, 3 приведены результаты исследования основных типов и подтипов почв Оренбургской области. По данным термического анализа почв в интервале 200−400 ?С происходит обезвоживание образца. Одновременно начинается частичное обугливание органических веществ почвы. В результате возрастает доля поглощенной световой энергии. При нагревании до 400? С изменяется степень окисленности образца и частично разрушается органическое вещество. Одновременно происходит процесс окисления почвенного пигмента — соединений железа. Прокаливание при 600−800 ?С сопровождается разрушением кристаллических решеток таких минералов, как каолинит и монтмориллонит, при этом увеличивается интенсивность свечения флуоресценции. Для всех типов и подтипов почв выявляется общая закономерность изменения коэффициента затухания л от температуры прокаливания (таблица 1). Исследуемые почвы отличаются по показателям замедленной флуоресценции, так контрольные образцы (20єС) по профилю характеризуются различными параметрами флуоресценции. Выявляется общая закономерность изменения замедленной флуоресценции в интервале температур прокаливания 400−6000С, выраженная в увеличении интенсивности свечения черноземов обыкновенного и южного, темно-каштановой почвы по профилю 20−40 см. Отмечено уменьшение интенсивности флуоресценции в интервале 400−8000С чернозема типичного и выщелоченного по профилю 20−40, 40−90 см. Для черноземов южного и обыкновенного и темно-каштановой почвы происходит увеличение интенсивности свечения в температурном интервале 400−8000С по профилю 40−90 см. Выявляется общая закономерность изменения коэффициента затухания л исследуемых почв, выдержанных при различных температурах прокаливания: л уменьшается после прокаливания при 800 єС по сравнению с исходным состоянием образцов почвы (увеличивается длительность свечения); в интервале температур прокаливания 200−600 єС коэффициент затухания л, как правило, возрастает по сравнению с исходным состоянием образцов почв (длительность свечения уменьшается — происходит тушение флуоресценции).

По агрохимическим показателям установлена линейная корреляция интенсивности свечения N0 от солевого рН для контрольных и опытных образцов (таблицы 1,2); из таблицы 2 видно, что показатель рН солевого увеличивается в зависимости от температур термической обработки почв; в интервале температур прокаливания 400−6000С повышается содержание подвижных форм фосфора в прокаленных образцах в 3−6 раз, калия в 2−5 раз (таблица 3). Повышение содержания подвижных форм калия и фосфора позволяет использовать термическую обработку для получения почв с повышенным содержанием подвижных форм калия и фосфора.

Заключение

Экспериментально установлено, что для всех исследованных типов почв в исходном состоянии и после температурного воздействия выполняется экспоненциальный закон затухания флуоресценции. Отмечается, что все типы и подтипы почв различны по показателям замедленной флуоресценции интенсивности свечения (N0) и коэффициенту затухания (л), что может использоваться при мониторинге почв и в качестве дополнительного к термографическому методу анализа почв.

Экспериментальные данные показали, что данный метод замедленной флуоресценции позволяет оценить динамику изменения органо-минерального состава почв при различных температурах обработки почв. Предложить методику диагностики агрохимических показателей почв.

При обработки почв различными температурами в диапазоне 400−6000С обнаружено увеличение подвижных форм фосфора и калия. По данной методике можно предложить технологию использования термической обработки почв для получения калийно-фосфорных удобрений.

Разработанный метод регистрации замедленной флуоресценции позволяет провести ранжирование почв Оренбургской области по показателям замедленной флуоресценции — интенсивности свечения (N0) и коэффициенту затухания (л) (на основе кластерного анализа).

Таблица 1. Изменение интенсивности свечения (N0) и коэффициента затухания (л) флуоресценции почв от температуры прокаливания.

Таблица 2. Изменение рН солевого различных типов почв от температуры прокаливания.

Таблица 3. Изменение подвижных форм фосфора и калия от температур обработки почв.

Примечание: температура 200С является температурой контрольных образцов почв без прокаливания.

• 1. Блохин Е. В. Экология почв Оренбургской области. — Екатеринбург: УрО РАН, 1997. — 228 с.
• 2. Возбуцкая А. Е. Химия почв: Учебное пособие.- М.: Высшая школа, 1968. — 125 с.
• 3. Степанов Б. И. Грибковский В.П.

  Введение

  в теорию люминесценции. — Минск: Изд-во АН БССР, 1963. — 444 с.