Матричная организация почв и ее экологическое значение

Актуальность. Одно из новых направлений в почвоведении — учение об экологических функциях почвы (Добровольский, Никитин, 1986; Карпачевский, 1993). Многие экологические функции почв, обусловленные такими её свойствами, как кислотность, обменная способность, влагоёмкость и пр., определяются гранулометрическим составом почв. При этом не вся почвенная масса играет одинаковую роль в проявлении экологических функций. Экологические проблемы, связанные с почвой, требуют от почвоведов новых подходов и оценки почв. Есть подходы к почве как геохимическому барьеру (Глазовская, 1988), как вновь возникающим почвоподобным телам — городские почвы (Строганова, 1998), как к мелиоративной толще (Зайдельман, 1987). Все эти подходы опираются на способность почвы взаимодействовать с растворами, растениями, с водой. Большинство почвенных процессов, связанных с указанными взаимодействиями происходят на поверхности почвенных частиц, или, точнее, на почвенной матрице. Поверхностные явления в почвенных и почвообразовательных процессах играют ведущую роль, поскольку с ними связаны основные свойства почв и взаимодействие твердых фаз с почвенными растворами и воздухом. Поверхность почвенных частиц обеспечивает питание растений, нейтрализацию токсичных веществ. Именно через поверхностные явления и процессы можно направленно изменять экологические свойства почв. При исследовании поверхностных явлений в почвах основное внимание уделялось свойствам одной из контактирующих сред — почвенным растворам (Полынов, 1956; Гедройц, 1955; Вигнер, 1941: Чернов, 1954; Минкин и др., 1982, Орлов, 1992 и др.).

Свойства поверхности твёрдой фазы почвы, её молекулярно-ионные особенности и их функции в почвообразовании оставались малоизученными. Работы А. Д. Воронина (1981;1986) открыли новый этап исследований в этой области. Они показали, что основная гидрофизическая кривая отражает самые разные свойства почвы. Особое внимание уделялось площади поверхности почвы (Бондарев, Купман, 1972; Манучаров и др., 1992, 1997, 1998; Витязев и др., 1980, 2000; Кауричев и др., 1983; Сапожников, 1982 и др.). Информация о твёрдой фазе почвы выражалась в усреднённых по поверхности и энергетическому распределению характеристиках: поверхностная энергия, заряд поверхности, электрокинетический потенциал, изотермы адсорбции, теплота смачивания, удельная поверхность. Однако эти характеристики не могут объяснить, как при одной и той же удельной поверхности и близком минералогическом составе может быть разная структура почвы: зернистые агрегаты выщелоченных черноземов и слитой чернозем, ореховатые агрегаты серых лесных почв и зернистые черноземных и т. д.

Поверхность почвы можно рассматривать как состоящую из конечного числа элементарных участков, или активных центров. Активные центры 7 твёрдой фазы почвы, как форма взаимодействия почвенной поверхности с другими соединениями, представляют элементы молекулярно-ионного уровня организации почвы и определяют такие процессы, как адсорбционные, включая и химическую адсорбцию, каталитические, обменные, снабжение растений питательными элементами, движение воды и пр. Особую роль они выполняют в формировании структурных связей и образовании почвенных агрегатов. Активные центры представляют собой основу многих молекулярных процессов в почве, что можно считать особой областью почвенных исследований.

Данная работа посвящена изучению свойств твёрдой минеральной фазы почвы, характеризующих её на молекулярно-ионном структурном уровне и механизмов связи этих свойств с макроскопическими параметрами почвы и проявление этих свойств в экологических функциях почвы.

Цели работы. Разработка концепции матричной организации почвы, раскрывающей роль молекулярных свойств почвы в структурной организации почвы. Изучение активных центров минеральной матрицы, их роли в почвообразовании. Характеристика абиотической каталитической системы почвы, а также каталитических процессов, зависящих от почвенных минеральных катализаторов. Выявление механизмов передачи информации о молекулярных взаимодействиях в почве на более высокий структурный уровень (агрегатный, горизонтный).

Задачи исследования включают:

Формулирование понятия почвенной минеральной матрицы.

Выявление активных центров минеральной матрицы, их роли в формировании почв.

Характеристика почвенной абиотической каталитической системы.

Выявление и анализ основных пространственных закономерностей расположения минеральных катализаторов в почвах.

Выявление закономерностей формирования почвенной органоминеральной матрицы на минеральной матрице.

Изучение прочностных свойств почвенных агрегатов.

Выявление связи молекулярных свойств почвы со свойствами агрегатов.

Обоснование концепции матричной организации почвы и её экологического значения.

Выявление роли матрицы в экологических функциях почв.

Защищаемые положения:

1. Концепция матричной организации почвы определяет, что в основе структурной организации почвы лежит матрица, которая определяет ряд её макросвойств (морфологические и физико-механические свойства агрегатов, горизонта). Структурные параметры почвы определяют направленность 8 передачи матричных взаимодействий с молекулярного уровня на макроуровень. Почвенная матрица может включать в себя 3 индивидуальные матрицы: минеральную, органическую, органоминеральную. Минеральная матрица лежит в основе органоминеральной матрицы и определяет её особенности. Взаимодействие матриц осуществляется на активных центрах. Среди активных центров минеральной матрицы преобладают кислотные центры. Спектр активных центров минеральной матрицы по силе связан с генетическим типом почвы. Почвенная матрица определяет такие группы экологических функций почв, как регуляция, трансформация химического состава поступающих в почву веществ, движение различных веществ в почве и экосистеме.

2. Почвенная матрица — поликаталитическая система почвы и участвует в гумусообразовании, трансформации загрязняющих веществ. Активные центры минеральной матрицы — реакционная основа абиотических катализаторов в почве.

Научная новизна работы. Сформулирована концепция матричной организации почвы, в основе которой лежит минеральная матрица. Показано, что взаимодействие органической и минеральной матриц приводит к образованию новой органоминеральной матрицы и определяет основные макросвойства почвы. Предложено оценивать активность минеральной и органоминеральной матрицы активными центрами.

Дана характеристика почвенной каталитической абиотической системы. Изучены пространственные особенности распределения катализаторов в почвенном профиле. Каталитические свойства почвы в окислительно-восстановительных реакциях могут определяться почвенными новообразованиями (Ре-Мп конкреции, манганы), оксидами, гидроксидами марганца, солями железа. Абиотические каталитические системы почв могут участвовать в разложении ксенобиотиков.

Каталитические свойства минеральной матрицы по кислотно-основному механизму реакций оцениваются спектром активных центров по энергии их связи с молекулой-тестом. Общее число активных центров определяется размерами матрицы, а также почвенными свойствами (гранулометрический, минералогический состав, рН, емкостью катионного обмена, механической прочностью агрегатов). Минеральные матрицы чернозёмных, дерново-подзолистых, дерново-глеевых, бурых лесных почв различаются по силе кислотных центров.

Механическая прочность агрегатов в широком масштабе естественных и пахотных почв (дерново-подзолистые, серые лесные, чернозёмы обыкновенные, типичные, выщелоченные, слитые, солонцы, каштановые, слитые) зависит от формы агрегатов, их размеров, влажности и является функцией минеральной матрицы почвы, а также может служить диагностическим показателем устойчивости почвенных агрегатов. 9.

Механическая прочность агрегатов впервые использована в почвенных исследованиях, как характеристика, которая отражает информацию о структурных связях почвенных частиц (сила индивидуального контакта) и структурных параметрах (удельная поверхность, гранулометрический состав, порозность), для установления взаимодействий между свойствами молекулярного уровня почвы с макроуровнем.

Показана экологическая роль матричной организации почвы в проявлении таких экологических функций почвы, как регулирование и изменение состава поступающих в почву природных и загрязняющих веществ, изменение характера их миграции в почве и экосистеме в целом.

— В работе применены новые методологические и методические подходы:

• Выбор объекта исследований -— почвенной минеральной матрицы.

• Оценка абиотической каталитической активности почвы.

• Оценка активных центров почвенной минеральной матрицы.

• Оценка механической прочности почвенных агрегатов как отражение внутриагрегатных связей.

Практическое значение. Разработанная концепция матричной организации почвы позволяет вычленить молекулярные свойства почвы, которые непосредственно отражаются в макросвойствах, разрабатывать механизмы трансляции молекулярных взаимодействий на макроуровень, и в перспективе позволяет подойти к синтезу агрегатов с заданными параметрами. Развитие молекулярного почвоведения позволит создавать новые искусственные почвы и восстанавливать нарушенные.

Разработан новый количественный показатель почвенной минеральной матрицы (спектр активных центров), который во многом определяет свойства почвы, характеризует «активность» минеральной матрицы и может использоваться в прогнозных моделях.

Установлены закономерности трансляции свойств почвы с молекулярного уровня на макроуровень. На основании оценки структурных параметров почвы (удельная поверхность, пористость, число контактов) дана характеристика межчастичного контактирования в почвах. Это позволило разделить почвы на группы риска по отношению к антропогенному воздействию.

Разработан методический подход к количественной оценке некоторых экологических функций почвы, оценке роли молекулярного уровня организации почв в их экологических функциях. Показано влияние матрицы на такие функции почвы, как снабжение растений питательными элементами, геохимический барьер, формирование норового пространства в почвах и пр.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на VI, VIII делегатских съездах Всесоюзного общества почвоведов (Тбилиси, 1981;

Новосибирск, 1989), на Всесоюзных совещаниях «Fe-конкреции в почвах. Состав, генезис, строение» (Тбилиси, 1990), на II съезде Общества почвоведов при РАН (Санкт-Петербург, 1996), на И съезде Европейского общества по охране почв (Фрайзинг, 1995), на Международной конференции «Экология городов» (родос, 1998), на 1-ой Всероссийской конференции по лизиметрическим исследованиям почв (Москва, 1998), 1-ой Международной научной конференции «Слитые почвы: генезис, свойства, социальное значение» (Майкоп, 1998), на Международном совещании «Железо в почвах» (Ярославль, 1999), на VII, VIII, IX Всероссийских школах «Экология и почвы» (Пущино, 1997, 1998, 1999), на совещании рабочей группы по минералогии немецкого общества почвоведов (Гиссен, 15−18 февраля 2001).

Основные направления исследований были поддержаны Государственной программой Экологическая безопасность России (1993;1994 г. г.), Российским фондом фундаментальных исследований (проекты 96−04−48 579- 99−04−48 579).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и выводов, изложена на страницах, включает список литературы из 526 наименований.