Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современные представления о влиянии сельскохозяйственного освоения на органическое вещество серых лесных почв
1.1. Дднамика органического вещества в пахотных серых лесных почвах. Связь органического вещества с плодородием почвы 6
1.2. Механизмы трансформации органического вещества серых лесных почв при их сельскохозяйственном освоении 12
ГЛАВА 2. Метод электронного парамагнитного резонанса в изучении почв и гумусовых веществ
2.1. Основы теории спектроскопии электронного парамагнитного резонанса 20
2.2. Природа парамагнетизма гумусовых веществ 25
2.3. Роль парамагнитных центров в органическом веществе почвы 43
2.4. Влияние органо-шнераяьных взаимодействий на парамагнитную активность гумусовых соединений 46
2.5- О возможности изучения парамагнитных центров органического вещества непосредственно в почве 56
ГЛАВА 3. Характеристика объектов исследования 60
ГЛАВА 4. Методические аспекты применения метода электронного парамагнитного резонанса к изучению гумусовых кислот почвы
4.1. Методика получения спектров электронного парамагнитного резонанса и их математической обработки 71
4.1.2. Влияние различных методов очистки препаратов гушновых кислот на их парамагнитную актив ность 78
ГЛАВА 5. Применение метода электронного парашгнитного резонанса дія изучения органического вещества серых лесных почв
5.1. Исследование методом электронного парамагнитного резонанса процесса взаимодействия Тумановых кислот с катионами 87
5.2. Использование метода электронного парамагнитного резонанса при изучении степени гумификации органического вещества серых лесных почв 110
5.3. Изучение парамагнитной активности органического вещества непосредственно в почве вывода 150
Рекомендации 154
Список литературы
- Механизмы трансформации органического вещества серых лесных почв при их сельскохозяйственном освоении
- Роль парамагнитных центров в органическом веществе почвы
- Влияние различных методов очистки препаратов гушновых кислот на их парамагнитную актив ность
- Использование метода электронного парамагнитного резонанса при изучении степени гумификации органического вещества серых лесных почв
Введение к работе
Продовольственная программа СССР определяет в качестве основной задачи земледелия неуклонное повышение плодородия почв и на его основе дальнейший рост урожайности и валовых сборов сельскохозяйственных культур. В связи с этим возрастает роль почвоведения как науки,изучающей закономерности протекания естественного и культурного почвообразовательных процессов,развития и повышения почвенного плодородия, которое в значительной мере определяется составом почвенного органического вещества.
Значение органического вещества и его специфической части -гумуса в жизни любой почвы,в ее генезисе и плодородии трудно переоценить. В связи с этим изучению, почвенного органического вещества уделяется много внимания, совершенствуются старые методы исследования и разрабатываются новые с целью более глубокого познания природы почвенного гумуса, получения более объективных аналитических данных,а также для ускорения самого процесса исследования и уменьшения затрат на аналитическую работу.
В предлагаемой диссертационной работе в качестве основного метода исследования был использован электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Этот метод, определяя парамагнитную активность,позволяет получать важную информацию о качественных и количественных характеристиках высокоактивных парамагнитных центров (ПВД) в молекулах органического вещества.
В ходе экспериментальной работы был сделан ряд методических усовершенствований, касающихся применения метода ЭПР в изучении органического вещества почв, и создана мягкая, но достаточно эффективная стандартная методика экстракции и очистки препаратов гумусовых кислот, а также предложены экспериментально обоснованные параметры подготовки образцов и регистрации спектров ЭПР.
Анализ литературных и полученных нами данных показал, что парамагнитная активность гумусовых кислот обратно пропорциональна биотермодинамической устойчивости и глубине гумификации последних. Выявлено, что при распашке, вызывающей изменение биогидротерми-ческих условий гумусообразования, происходит трансформация качественного состава органического вещества, заключающаяся в относительном накоплении биотермодинамически высокоустойчивых глубоко гумифицированных соединений и в изменении состава ПМЦ гумусовых кислот.
Опыты по комплексообразованию гуминовых кислот с катионами позволили выявить гетерогенность ПМЦ в гуминовых кислотах. С помощью использования плоского капилляра было изучено влияние рН на парамагнитную активность гуминовых кислот в растворе и выявлен неоднозначный характер этой зависимости. На примере взаимодействия гуминовых кислот различных почв с катионами железа в растворе показано, что двум типам ПМЦ гуминовых кислот соответствуют различные молекулярные механизмы реакции с катионами.
Исследования парамагнитной активности органического вещества непосредственно в почвенных образцах позволили обнаружить присутствие в почве двух неизвестных ранее типов ПМЦ, принадлежащих прочно связанным с минеральной частью инертным фракциям органического вещества. Результаты этих исследований позволили предложить быстрый и объективный способ оценки качественного состава органического вещества почв путём определения соотношения фракций активного и пассивного органического вещества непосредственно в почвенном образце по спектру ЭПР. По материалам об этом способе, оформленным в виде заявки на изобретение Госкомитетом по делам изобретений и открытий принято решение о выдаче Авторского свидетельства.
Механизмы трансформации органического вещества серых лесных почв при их сельскохозяйственном освоении
Подавляющее большинство работ, рассмотренных ниже, посвящено исследованию трансформации органического вещества на уровне изучения его общего содержания (определяемого по методу Тюрина), запасов в пахотном горизонте, мощности гумусового горизонта и т.п. Изменения в качественном составе органического вещества значительно реже привлекают внимание исследователей. Однако в настоящее время уже имеется ряд данных, свидетельствующих о необходимости учитывать не только количественные, но и качественные характеристики органического вещества. Так, например, в работе В.Н.Перевер-зева и Н.С.Алексеевой (1977) показано, что внесение большого количества органических удобрений, а также сравнительно невысокая интенсивность мирерализационных процессов в освоенных подзолах приводят к накоплению слаборазложенного органического материала, который, вследствие его большой инертности, принимает незначительное участие в процессах трансформации органического вещества в освоенных почвах и представляет собой "органический балласт".
Исследования качественного состава гумуса на уровне определения его группового состава позволяют выявить закономерность, заключающуюся в относительном накоплении в гумусовых горизонтах освоенных серых лесных почв гушновых кислот относительно фуль-вокислот (Ахтырцев, Щетижна, 1969; Алифанов, 1979; Лукъянчикова, 1980). Однако для эродированных черноземов и серых лесных почв наблюдалась обратная закономерность - содержание ГК уменьшалось, а фульвокислот (далее $К) увеличивалось, причем возрастают, главным образом, фракции кислот, связанные с глинистыми частицами и устойчивыми полуторными окислами (Опенлендер, 1978).
Исследование качественного состава гумуса на уровне опреде ления фракционного состава гуминовых и фульвокислот также не дает устойчивых результатов. Так, в монографии Б.П.Ахтырцева и А.С. Щетининой (1969), посвященной исследованию изменений свойств серых лесных почв при их освоении, приводятся данные о некотором увеличении содержания фракции гуминовых кислот, связанной с Са, но в целом данные по состоянию гумуса в освоенных серых лесных почвах характеризуются авторами как "противоречивые" (с.13).
Гораздо более продуктивным (по литературным данным) является подход, основанный на изучении степени подвижности органического вещества в почвенном профяле. Такой подход методологически более объективен, так как предусматривает изучение почвы как целостной органо-минеральной системы с помощью воздействия на нее экстрагентов, встречающихся и в природных условиях. Изменение степени подвижности органического вещества при освоении почв отмечается всеми исследователями, работавшими в этой области. Б.П. Ахтырцев и А.С.Щетинина (1969) показали, что при распашке серых лесных почв, наряду со снижением общего содержания органического вещества, происходит также уменьшение содержания его водорастворимой фракции и легкогидролизуемого азота. В.Д.Муха (1979) указывает, что при распашке во всех подтипах серых лесных почв в начальной стадии освоения увеличивается содержание активного (по Соколовскому) коллоидного органического вещества, что происходит, по мнению автора, из-за усиления процессов минерализации органических веществ в пахотном горизонте. В этой работе приводятся также аналогичные данные по черноземам и дерново-подзолистым почвам. На основании проведенных исследований автор делает вывод, что отсутствие постоянного поступления или недостаток энергетического материала (свежих органических остатков) компенсируется мобилизацией ресурсов почвенного органического вещества, что приводит к истощению почв и резкому снижению их плодородия в любой природной зоне (Муха, 1979, с.27). В работе З.И.Лукьянчи-ковой (1980) отмечается отрицательная роль минеральных удобрений, ускоряющих минерализацию органического вещества: "... наряду с уменьшением содержания гумуса в результате применения... высоких доз физиологически кислых азотных удобрений в темно-серой лесной почве произошло преобразование его в наиболее мобильные формы. Отмечено также резкое сокращение мощности гумусового горизонта, что возможно объясняется усилением выщелачивания мобильного гумуса" (с.89). В работе Л.М.Пономаревой и И.А.Шеларь (1983), посвященной изучению влияния равных систем удобрения на подвижность органического вещества темно-серой лесной почвы, также показано, что больше всего его подвижность увеличивалась на фонах с внесением минеральных удобрений. Данные об увеличении минерализации и степени подвижности органического вещества под влиянием минеральных удобрений (особенно азотных) на серых лесных почвах приводятся и другими авторами (Городний, 1961; Копытко, Геркиял, 1983). Аналогичные результаты о влиянии минеральных удобрений приводятся в некоторых работах по дерново-подзолистым почвам (Хлыстовский, Корнеенко, 1981; Дьяконова и др., 1981).
Роль парамагнитных центров в органическом веществе почвы
Большинство исследователей, работающих в области изучения структуры гумусовых веществ, отмечают, что главной особенностью их макромолекул является наличие протяженной системы полисопряженных связей, в которой пяти- шестичленные циклы соединены мостиками, также содержащими двойные связи, благодаря чему в молекулах наблюдается делокализация свободных электронов в молекулярных -орбиталях (Орлов, 1979; Комиссаров, Логинов,198I и др.). Свободные электроны, представляющие собой суть единичные парамагяитные центры (ПОД), обусловливают парамагнитную активность гумусовых соединений, наличие которой также признается многими исследователями важнейшей и неотъемлемой характеристикой последних (Н Х worth ,1971; Schnitzer ,1982 и др.). Присутствие свободных электронов в органических молекулах является важнейшим показателем их способности к химическим взаимодействиям и образованию химической связи (Ингрэм, 1972; Елин и др.,1981 и др.), что и обусловливает большую роль ПЩ в гумусовых соединениях. Так,например, в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в гумусовых кислотах (их наличие было показано при исследовании реакции гумата К с НАДФ и цитохромом-С в работе Л.Ф.Бобыря и Л.А.Епишиной (1976)), ведущую роль при обмене электронов играет свободно-радикальная система типа гидрохинон-семихинон-хинон (Логинов,1976). При исследовании окислительно-восстановительных реакций фульвокислот (Sene-sijSehnLtzer, 1978) было показано, что эти реакции осуществляются в две одноэлектронные стадии через промежуточные семихиноидные свободные радикалы, причем ФК выступают как доноры или как акцепторы электронов. Предположение Д.Славиньской с соавторами (S6a-vlnska,e.a.,I975) о том, что обнаруженные ими в ГК фотоиндуциро-ванные ПЩ могут участвовать в сорбции и детоксикации гербицидов, подтверждено серией работ (Senesl ,I98I;SenesL,Testlnl ,1982, 1983), в которых была показана способность ПЩ семихиноидного типа молекул гуминовых кислот образовывать стабильные комплексы с переносом заряда с S -триазиновыми и другими гербицидами,что заметно влияет на токсичность последних. ПЩ гумусовых кислот игра-гот также большую роль в реакциях с катионами металлов (как это будет показано в разделе обзора, посвященном этому вопросу).
По данным многих авторов из путей гумусообразования в почве может быть окислительная конденсация полифенолов, которая проходит через образование ПЩ семи-хиноидного типа. Ступенчатое окисление полифенолов через еемихино-ны делает возможным радикально-цепной механизм полимеризации - одной из возможных стадий формирования молекул гумусовых веществ, доказательством участия ПЩ в таких реакциях могут служить исследования парамагнитной активности модельных гуминоподобных веществ, которые были рассмотрены выше в разделе "Природа парамагнетизма гумусовых веществ".
Весьма интересны данные о взаимосвязи концентрации ПЩ с физиологической активностью ГК. А.А.Климова и И.Д.Комиссаров (1971) показали, что гуминовые кислоты с более высоким содержанием ПЩ сильнее стимулируют ростовые процессы растений. При этом в опытах резко увеличивалось содержание ПЩ в стеблях и листьях проростков кукурузы. Этот факт авторы объясняют проникновением молекул ГК в ткани растений. Аналогичные данные были получены и другими исследователями (Schnltzer,Khan , 1972; Алиев, 1979). Физиологический эффект ПЩ, по-видимому, также обусловлен большой энергией, которой обладают свободные электроны, в сравнении с другими частями молекулы.
Таким образом, даже краткий обзор литературных данных о роли ПЩ в формировании гумусовых кислот и их дальнейших взаимодействиях показывает, что ПЩ - важнейшие структуры, принимающие участие почти во всех реакциях органического вещества почв. Количество ПЩ и их свойства влияют на такие важнейшие процессы как полимеризация и деполимеризация гумусовых соединений (включая, возможно, и фрагментарное обновление по А.Д.Фокину (1974)), реакции с катионами (в том числе и с катионами тяжелых металлов) гербицидами и другими неспецифическими соединениями, поступающими в почву в результате деятельности человека. Физиологическое воздействие на растения, оказываемое гумусовыми соединениями,также обусловливается количеством ПЩ в структуре последних. Все изложенное выше доказывает необходимость изучения качественных и количественных характеристик ПЩ органического вещества почв и выдвигает этот вопрос в число важнейших на современном этапе изучения химии гумусовых веществ.
Влияние различных методов очистки препаратов гушновых кислот на их парамагнитную актив ность
Занимаясь исследованиями одной из сложнейших почвенных субстанций - органического вещества, необходимо отдавать себе отчет в том, что чем тщательнее и чем более жесткими методами мы очищаем наши препараты, тем больше мы изменяем структуру гуминовых кислот (ГК) и получаем более искаженную информацию о их состоянии в почве. Таким образом, для повышения достоверности получаемых результатов возникла необходимость исследования влияния различных методов очистки выделенных из почвы ГК на их парамагнитную активность с целью подбора наиболее мягких и эффективных способов для компоновки унифицированной методики очистки препаратов. Известно, что высокая зольность неочищенных препаратов ГК (свыше 5%) затрудняет применение большинства физико-химических методов, используемых для их изучения (.Александрова, 1980). По нашему мнению, здесь необходаю применение мягких методов очистки, таких как высокоскоростное центрифугирование и фильтрация через бактериальные фильтры с размером пор 0,7-1,2 мк, так как они позволяют избавиться от примеси минеральных коллоидов, не воздействуя на молекулярную структуру ГК. Значительно увеличивает эффективность действия этих методов предварительная коагуляция минеральных коллоидов насыщенным раствором сульфата натрия. Безусловно, при этом теряется часть ГК, прочно связанных с минеральными коллоидами, но эта высокозольная фракция требует, очевидно, специального изучения. Химические же методы очистки (например, обработка свежеосаждеиных ГК смесью галогеноводородных кислот) слишком жестко воздействуют на молекулы ГК, "вырывая" из их структуры зольные элементы присутствующие там конституционно а не в виде примеси. Такие воздействия, безусловно, вызывают резкое увеличение количества ПЩ (Комиссаров, Логинов, 1971). Следовательно, для того, чтобы получить более достоверную информацию о качественных и количественных характеристиках ПЩ, "конституционно" находящихся в ГК, необходимо применять методы, очищающие препараты от механических примесей, попадающих в них в ходе экстракции, а не конституционно присутствующих в них зольных элементов для проведения экспериментальных исследований и выбора методики очистки был использован образец горизонта Aj темно-серой лесной почвы (разрез В 821). Общая схема эксперимента приведена на рисунке 9. Для контроля за зольностью по ходу очистки получаемых ГК и определения ряда физико-химических характеристик последовательно отбирались пробы щелочной вытяжки. Гумусовые кислоты после декальцирования почвенного образца выделяли общепринятым реагентом (0,1 н раствор едкого натра, соотношение почва--раствор 1:10, две порции в течение 24 часов) (проба 1Ь I). После добавления коагулятора (насыщенный раствор сульфата натрия по 200 мл на I л щелочной вытяжки) раствор над осадком коллои (проба Ш 2) центрифугировали при 25 тыс.об/мин (проба № 3) и пропускали через керамический фильтр с диаметром пор 1,1 мк после чего осаждали ГК I, Он раствором серной кислоты при рН=1,0--1,2 и оставляли на ночь. Далее осадок ГК разделяли на три части и первые две из них центрифугировали при 3 тыс.об/мин, промывали в центрифужных стаканах сначала водой слегка подкисленной серной кислотой, затем чистой водоі о начала диспергирования ГК, после чего одну часть диализовали и высушивали под феном (препарат № 4а), а другую растворяли в теплом 0,02Н растворе едкого натра и после пропускания через катионит КУ-2 высушивали под феном (препарат № 46). Третью часть осадка ГК помещали на бумажный фільтр (слегка подсушивали, чтобы избежать сильного диспергирования при последующей обработке) и промывали чистой водой до отсутствия реакции промывных вод на сульфат-ион, затем растворяли ГК в теплом 0,02н растворе едкого натра, пропускали через катионит КУ-2 и высушивали под феном (препарат № 4в). ГК из проб №№ 1-3 осаждали 1,0 Н раствором серной кислоты и далке выделяли также, как и препарат № 4а. Все препараты сушили в вакууме при 40С над пятиокисыо фосфора, после чего в них определяли содержание золы прокаливанием навески ГК при 500С в течение двух часов. Далее золу растворяли в 10% соляной кислоте и определяли содержание железа сульфосалициловым методом. В препаратах ГК было также определено количество кислых функциональных групп с помощью метода потенциометрического титрования в модификации Т.А. Плотниковой и Н.Е.Орловой (Плотникова, Орлова, 1984) и коэффициент цветности Еч: Еб при концентрации ГК 136 мг углерода в мл. Элементный состав анализировали при сжигании навески ГК в токе кислорода. Спектры ЭПР получали в трехкратной повторности по описанной выше методике в навесках препаратов ГК, величина которых находилась в пределах 30-32 мг.
Использование метода электронного парамагнитного резонанса при изучении степени гумификации органического вещества серых лесных почв
Степень или глубина гумификации органического вещества является важным диагностическим признаком, часто служащим для отнесения почвы к тому или иному типу. Считается, что наиболее высокой степенью гумификации характеризуется органическое вещество чернозёмов. Степень гумификации и качественный состав органического вещества является также одной из существенных характеристик почвенного плодородия, о чём упоминалось выше в разделе I.I. Поэтому разработка объективных методов характеристики качественного состава гумусовых соединений и контроля за ходом трансформации органического вещества при воздействии человека на почву является одной из актуальнейших задач химии почв на современном этапе.
В разделе "Природа парамагнетизма гумусовых соединений" мы на основе анализа литературных данных предложили использовать парамагнитную активность как показатель обратно пропорциональный биотермодинамической устойчивости, которая, в свою очередь, может служить критерием степени или глубины гумификации органического вещества почвы. Поскольку метод ЭПР позволяет вести прямое определение парамагнитной активности через количество ПМЦ, которое является мерой свободной энергии системы гумусовых кислот, то мы можем в конечном итоге значительно повысить объективность и достоверность определения степени гумификации по сравнению с традиционными способами (например, по величине оптической плотности).
С целью экспериментальной проверки нашей гипотезы мы исследовали методом ЭЕР препараты различных фракций гумусовых кислот, выделенных из образцов серых лесных почв и чернозема, по методике изложенной в разделе 4.2 с той разницей, что вторую фракцию гумусовых кислот выделяли с предварительным декальцироваиием после выделения 1-й фракции. Были использованы образцы горизонтов Aj и Bj целинной темно-серой лесной почвы (разрез В 821), а также образцы гумусовых горизонтов пахотной и погребенной серой лесной почвы (разрезы № 822 и 823 соответственно). В качестве образца сравнения с гумусовыми кислотами высокой степени гумификации и биотермодинамической устойчивости был взят образец гумусового горизонта целинного типичного чернозема (разрез № 820).
Анализируя групповой и фракционный состав гумуса указанных образцов серых лесных почв, представленный в таблице 2 в разделе "Характеристика объектов исследования", можно сделать вывод, что гумусовые горизонты целинной и пахотной серой лесной почвы существенно различаются по фракционному составу гумуса. Уменьшение содержания в пахотной почве первой фракции как ГК, так и ФК сопровождается некоторым относительным увеличением (особенно заметным у ГК) второй фракции, более прочно связанной с минеральной частью, чем первая. Аналогичные изменения в фракционном составе можно наблюдать в горизонте Bj целинной почвы и в гумусовом горизонте погребенной серой лесной почвы, где первая фракция ГК практически отсутствует, а вторая фракция ГК содержится в максимальном количестве. По высокому соотношению ГК к ФК эти образцы также заметно отличаются от гумусового горизонта целинной почвы, что связано с особыми биогидротермическиж условиями гумусообра-зования, в которых происходит преимущественное накопление био-термодинамичесм более устойчивых ГК относительно ФК. В гумусовом горизонте пахотной серой лесной почвы содержание ГК также относительно повышается по сравнению с целинным состоянием, однако, по сравнению с погребенной почвой, проявление деструктивных процессов, по-видимому, несколько сдерживается относительно более заметным поступлением органических остатков.
Результаты определения оптической плотности растворов ГК, представленные в таблице 10, дают очень близкие величины экстин-кции у препаратов ГК горизонта Щ целинной темно-серой лесной почвы и гумусового горизонта погребенной серой лесной почвы, причем по своим достаточно высоким значениям они приближаются к эк-стинкции ГК чернозема, что может свидетельствовать о их близкой химической природе. Промежуточным значением этого показателя оптических свойств обладает образец ГК пахотной серой лесной почвы, а минимальное значение имеют ГК гумусового горизонта целинной темно-серой лесной почвы.
Таким образом, по результатам исследования оптических свойств растворов ГК, употребляя традиционную терминологию, можно говорить о большей "зрелости" и "сформированное" ГК горизонта By целинной темно-серой лесной почвы, гумусового горизонта погребенной серой лесной почвы, а также ГК гумусового горизонта пахотной серой лесной почвы по сравнению с ГК гумусового горизонта целинной темно-серой лесной почвы.
