Динамика показателей химических свойств твердых фаз некоторых южноуральских почв в условиях модельного лабораторного эксперимента

Для проведения модельного эксперимента в лабораторных условиях с площадки размером 20×20 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 20×20см и в ненарушенном состоянии помещали в колонки такого же размера. Один из двух образцов поливали раствором смеси килот как и в предыдущем случае HNO3: HSO4 в соотношени 3:1 с рН=3.0 в количестве 1200 л на 1 м². Другой образец поливали питьевой водой г. Магнитогорска, на которой готовили растворы смеси кислот, и считая его контрольным. Контрольный образец поливали также в количестве 1200л на 1 м².

Полив кислотой исследованных почв Южного Урала в условиях модельного эксперимента привел к изменению практически всех показателей их кислотно-основного состояния. В качестве общих закономерностей следует назвать увеличение актуальной и обменной форм почвенной кислотности, и в двух случаях — уменьшения гидролитической, что подтверждает результаты, полученные в ходе модельного эксперимента с почвами Центрального Лесного Государственного Биосферного Заповедника (ЦЛГБЗ). Полив контрольных образцов во всех случаях вызвал увеличение значений рН-Н2О и рН-КС1, что объясняется щелочной реакций (рН=8.5−9.0) и повышенными значениями общей жесткости питьевой воды г. Магнитогорска.

В верхнем горизонте горной серой лесной почвы полив кислотой вызвал снижение рН-Н2О и рН-КС1 на 1.4 и 1.1 единицы рН соответственно, в верхнем горизонте горной каштановой — 0.5−1.9 и 0.3−0.9, что в 2 раза больше изменения рН в ходе модельного полевого эксперимента с подзолистыми почвами ЦЛГБЗ.

Значения рСа во всех случаях (и при поливе кислотой, и в контрольном опыте) снизились на 1.1−1.3 единицы, то есть активность ионов водоастворимого Са2+ увеличилась. Наибольшее увеличение водорастворимого кальция наблюдается в образцах, обработанных кислотой, что, возможно, объясняется переходом ионов Са2+ из необменной формы в водорастворимую форму в результате подкисления почвы. Уменьшение значений рСа в контрольном опыте объясняется привносом ионов Са2+ с поливной водой, так как питьевая вода г. Магнитогорска характеризуется высокими значениями общей жесткости. Кроме того, поскольку растительный покров на поверхности опытных почвенных образцов был сохранен до окончания эксперимента, можно предположить, что увеличению содержания водорастворимого Са способствует характер сезонной динамики этого показателя.

Сезонная динамика водорастворимого Са в подзолистых почвах ЦЛГБЗ характеризуется минимальным значением показателя весной и летом и увеличение осенью, что объясняется следствием весенне-летнего возрастания величины почвенной кислотности, когда органические кислоты, выделяемые растительностью в результате их взаимодействия с почвенными минералами вызывают частичное разрушение последних, тем самым, переход кальция (а также магния и алюминия) из необменного состояния в обменное. Очевидно, благодаря сохраненному растительному покрову в опытных образцах могли развиться аналогичные процессы, а подкисление почв с помощью HNO3 и H2SO4, возможно, усилило их. Учитывая, что питьевая вода г. Магнитогорска, которой производили полив контрольных образцов и на которой готовили смесь HNO3 и H2SO4 кислот, содержала повышенные количества кальция, не исключен еще один механизм увеличения содержания в опытных образцах водорастворимого кальция.

Механизм заключается в следующем. Подкисление почв вызвало (по разным причинам) разблокировку обменных позиций, ранее занятых другими ионами. В результате такой разблокировки (например, в результате процессов ионного обмена) обменные позиции, ранее занятые другими ионами, оказались насыщенными ионами Са2+, что, в свою очередь, способствовало увеличению содержания водорастворимого кальция.

Такой вывод подтверждается увеличением содержания водорастворимого кальция в образцах горной каштановой почвы, характеризующихся высокими значениями ЕКО6,5. Напротив, в образцах горной серой лесной почвы, характеризующихся по сравнению с образцами горной каштановой почвы меньшими значениями ЕКО6.5, такого увеличения количества обменного кальция не наблюдается.

Различный характер динамики обменного кальция в почвах Урал-Тау и Якты-Куля, возможно, объясняется не только разными значениями их ЕКО6.5, но и различной природой обменных позиций. Вопрос нуждается в дальнейшем исследовании.

Однако очевидным является тот факт, что характер динамики обменного Са в верхних горизонтах подзолистых почв ЦЛГБЗ и в верхних горизонтах почв Урал-Тау, единый и отличный от характера динамики этих показателей в верхних горизонтах горных каштановых почв Якты-Куля, что связано с разным характером генезиса подзолистых почв и горных каштановых .

Содержание водорастворимых Мg2+, K+, NH4+ при поливе кислотой во всех случаях уменьшились до <10−5 моль/л, что объясняется выщелачивающим действием кислых растворов, усиленного поливного режима (в природных условиях такой объем осадков соответствует двух-, трехгодичной норме осадков) и растительности, потребляющей ионы Мg2+, K+, NH4+ в качестве элементов питания.

За ведущую роль растительности в выщелачивании элементов говорит факт поглощения ионов Мg2+ почвенными образцами из растворов кислот, используемых в модельном эксперименте. Если исходный раствор характеризовался рМg = 1.0 -2.0, то соответствующий фильтрат — рМg = 5.0. Поглощение ионов Мg2+ продолжалось до тех пор пока их количества в исходных растворах и соответствующих фильтратах не выравнивались между собой. Спустя некоторое время процесс повторялся. Последние порции фильтрата содержали ионы Мg2+ в количестве 10−1 — 10−2 моль/л. В таком случае следовало ожидать увеличения количеств обменного и водорастворимого магния в опытных образцах. Из таблицы 1 видно, что такого увеличения нет. В тоже время содержание обменного Мg2+ в образцах 2−98 с наиболее скудной растительностью за время проведения модельного эксперимента практически не изменилось.

Из всего вышесказанного было сделано предположение об активном участии растительности в перераспределении по почвенному профилю выщелачиваемых из верхних горизонтов почв катионов. Активно развивающаяся растительность поглощает часть выщелачивающихся катионов, и, таким образом, способствует их удерживанию в пределах зоны действия биологических циклов элементов, в пределах корнеобитаемого слоя.

Содержание водорастворимого аммония в ходе модельного эксперимента во всех образцах уменьшилось более, чем на порядок, и составило, в конечном итоге, 10−5моль/л и менее. Сохранению небольших количеств NH4+ в опытных образцах, очевидно, способствовало присутствие этого иона в поливных растворах в небольших количествах (рNH4+ = 4−5).

Во всех опытных образцах наблюдается увеличение общей обменной кислотности и обменного алюминия (исключение составляет контрольный образец 1−98). Однако увеличение этих двух показателей в результате полива образцов кислотой в несколько раз превышает увеличение этих же показателей в контрольном опыте.

Таблица 1 Динамика показателей кислотно-основного состояния твердых фаз верхнего горизонта некоторых горных почв Южного Урала.

подзолистый почва урал кальций обменный.

• 1−98-горизонт Аd горной серой лесной супесчаной почвы почвы Урал-Тау.
• 2−98- горизонт Аd горной каштановой суглинистой почвы Якты-Куля (лиственничная парцелла).
• 3−98- горизонт Аd горной каштановой суглинистой почвы Якты-Куля (березовая парцелла).
• 1 — исходная почва,
• 2 — контрольный образец, поливаемый питьевой водой г. Магнитогорска,
• 3 — образец, поливаемый кислотой.

Так как растительность была сохранена на поверхности опытных образцов, мы предположили, что увеличение обменной кислотности и обменного алюминия за время проведения эксперимента обусловлено сезонной динамикой этих показателей, усиленной, в ряде случаев, действием минеральных кислот HNO3 и H2SO4.

Процессы, ведущие к сезонному увеличению содержания обменных катионов, представляют собой кислотный гидролиз минералов. В природе кислотный гидролиз происходит под действием угольной и органических кислот. В условиях модельного эксперимента этот процесс усиливается минеральными кислотами, присутствующими в модельных кислых осадках.

Интенсивный процесс кислотного гидролиза минералов ведет к выщелачиванию питательных веществ из корнеобитаемого слоя и ухудшению режима питания растений. Кроме того, низкие значения рН почвенного раствора способствуют увеличению в нем концентрации алюминия до уровня, токсичного для растений. В подзолистых почвах, характеризующихся наличием элювиального горизонта А2, прогрессивное подкисление может вызвать усиление подзолистого процесса.

В целом, полив кислыми модельными осадками привел к увеличению актуальной кислотности и переходу образцов 1−98 и 2−98 из силикатной буферной зоны по Ульриху в ионообменную, что для растений представляет собой относительно благополучную ситуацию.

Контрольный полив привел к переходу почвенных образцов из силикатной буферной зоны в карбонатную, что явилось следствием использования воды с повышенной жесткостью и щелочностью.

Все использованные показатели оказались достаточно чувствительными к действию протонных нагрузок и могут быть рекомендованы в целях экологического мониторинга почв.

Выводы

При взаимодействии твердых фаз исследуемых почв с модельными кислыми осадками с рН = 3 в количестве две годовые нормы за один вегетационный сезон в условиях модельного эксперимента набор буферных реакций и количество участвующих в них протонов существенно изменяется по мере прохождения потока кислоты через разные генетические горизонты с связи со специфическими особенностями состава и сорбционных характеристик каждого горизонта.

• 2. Полив кислотой в лабораторных условиях образцов некоторых разновидностей горных почв Южного Урала вызвало увеличение всех форм почвенной кислотности и содержания водорастворимого Са и обменного А1. Наименьшее изменение этих показателей характерно для образцов горной каштановой почвы Якты-Куля, наибольшие для — горной серой слабооподзоленной почвы Урал-Тау. Увеличение содержания обменного алюминия при поливе образцов кислыми модельными осадками может быть связано с особенностями сезонной динамики этого показателя, усиленной влиянием растворов минеральных солей. Уменьшение содержания обменного магния уменьшилось как в образцах, поливаемых кислотой, так и в контрольных образцах, поливаемых жесткой питьевой водой г. Магнитогорска, это может быть связано с потреблением этого элемента растительностью, присутствующей на поверхности образцов на протяжении всего модельного эксперимента.
• 3. Полив кислыми модельными осадками привел к увеличению актуальной кислотности и переходу образцов каштановой почвы Якты-Куля и горной серой слабооподзоленной почвы Урал-Тау из силикатной буферной зоны по Ульриху в ионообменную, что для растений представляет собой относительно благополучную ситуацию.
• 4. Полив образцов контрольной водой с повышенными величинами жесткости и щелочности вызвал увеличение содержания обменного Са и рН-Н2О. Значения последнего показателя достигли величин, соответствующих карбонатной буферной зоне, что вызвало снижение содержания водорастворимых форм калия и аммония предположительно по причине их перехода в необменное состояние.
• 5. Все исследуемые показатели кислотно-основного состояния почв оказались чувствительными к действию кислотной нагрузки и могут быть использованы в целях экологического мониторинга почв.

Соколова Т. А. Высокодисперсные минералы в почвах и их роль в почвенном плодородии. — М.: МГУ, 1985.

Соколова Т. А. Глинистые минералы в почвах гумидных областей СССР. — Новосибирск: Наука, 1985.

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

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

Соколова Т.А., Коробова Н. Л. и др. Полевое моделирование первых стадий взаимодействия кислых осадков с лесными подзолистыми почвами// Вестник МГУ, сер. Почвоведения, 1996, № 1//.

Соколова Т. А. Дронова Т.Я., Коробова Н. Л. и др. Полевое моделирование первых стадий взаимодействия кислых осадков с лесными подзолистыми почвами // Почвоведение, 1996//.

Соколова Т. А. Химические основы мелиорации кислых почв. — М.: МГУ, 1993.

Соколова Т.А., Дронова Т. Я. и др. Изменение кислотно-основной буферности подзолистых лесных почв под влиянием модельных кислых осадков // Почвоведение, 2000, № 5//.

Соколова Т.А., Дронова. Т. Я. Изменение почв под влиянием кислотных выпадений. — М.: МГУ, 1993.