Почвенно-химические основы экологической устойчивости почв природных и техногенных ландшафтовНИР

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2011 г.-31 декабря 2011 г. Природа и факторы формирования щелочности и солонцеватости почв сухостепной зоны России в процессе их естественного развития и при освоении
Результаты этапа: Разрабатывается учение об экологической устойчивости почв природных зон РФ. Исследованы механизмы формирования щелочности и солонцеватости почв сухостепной зоны РФ. На примере почв Аршань-Зельменьского стационара Почвенного Института им. В.В.Докучаева (Северная Калмыкия) доказано, что при всей сложности условий почвообразования и разнообразии почв стационара автоморфные, гидроморфные и полугидроморфные солонцы стационара относятся к одной группе нейтрально засоленных почв с повышенной щелочностью солонцовых и подсолонцовых горизонтов. Щелочность солонцовых горизонтов контролируется процессами осаждения-растворения карбонатов кальция; подсолонцовых горизонтов- карбонатно-кальциевыми равновесиями в сочетании с влиянием соды, образование которой обусловлено реакциями ионного обмена. Выявлены специфические признаки ограниченной устойчивости щелочных свойств солонцов стационара к антропогенному влиянию. Под влиянием 50-ти летнего воздействия (вспашка, лесонасаждения) в солонцах глубина залегания горизонтов максимального проявления щелочности опустилась ниже, при этом их мощность и щелочность увеличились. Выполнены методические работы по оценке информативности разных методов выявления и оценки интенсивности осолонцевания засоленных почв (по электропроводности вытяжек из почв, по кинетике набухания почв). Исследованы почвы с разным типом засоления.
2 1 января 2012 г.-31 декабря 2012 г. Роль минеральных компонентов почв южно-таежной подзоны в формировании устойчивости почв к воздействию кислот и оснований: профильный и ландшафтный подходы
Результаты этапа: Проведена работа по оценке устойчивости почв южной тайги к воздействию кислот и оснований. Для основных генетических горизонтов подзолистой и торфянисто-подзолисто-глеевой почв плакорных позиций и перегнойно-глеевой почвы, занимающей транс-аккумулятивную позицию в геохимическом ландшафте, и для выделенных из минеральных горизонтов фракций < 1 мкм, 1-5 мкм и > 5 мкм методом непрерывного потенциометрического титрования определена общая буферность к кислоте от рН начальной точки титрования (НТТ) до рН 3 и к основанию от рН НТТ до рН 10. По результатам титрования рассчитано распределение буферности к кислоте и к основанию по интервалам значений рН, равным 0,25 единиц рН. Буферность и к кислоте, и к основанию во всех почвах и горизонтах закономерно увеличивается при уменьшении размера частиц от фракции > 5 мкм к фракции ила от десятков до сотен ммоль экв/кг. В гумусово-аккумулятивных горизонтах повышенную буферность крупных фракций можно объяснить наличием прочных агрегатов, содержащих тонкодисперсный материал. Дана количественная оценка вклада отдельных гранулометрических фракций в формировании кислотно-основной буферности исследованных почв. Изучены закономерности профильного распределения подвижных соединений Al, Fe, Si в исследованных почвах и в различных гранулометрических фракциях, выделенных из минеральных горизонтов этих почв. Установлено, что в перегнойно-глеевой почве по сравнению с почвами плакорных позиций наблюдается накопление подвижных соединений Si, Al и Fe во всех фракциях и в почве в целом за счет дополнительного поступления соединений этих элементов, мобилизованных в почвах плакорных территорий, с боковым током почвенных растворов. Можно предполагать, что аккумуляция подвижных Al и Si осуществляется в форме аморфных алюмосиликатов, а накопление Al – также в форме Al-органических комплексов. Аккумуляция Fe происходит в форме Fe-органических комплексов, гетита и, вероятно, ферригидрита и фероксигита. Обработка образцов почв и фракций реактивами Тамма и Мера и Джексона вызывает снижение буферности к основанию в несколько раз. Выявлена высокая прямая линейная корреляция между величиной буферности к основанию почв и фракций и содержанием в них оксалатно-растворимых Al и Fe. Из основных генетических горизонтов подзолистых почв плакорных позиций, торфянисто-подзолисто-глееватых почв и аллювиальных дерново-глеевых почв методом вакуумной фильтрации были выделены почвенные растворы. Растворы доводили до рН 3 и титровали основанием с последующей обработкой результатов по Грану. Установлено, что растворы из ТПГ почвы содержат компоненты, проявляющие как основные, так и кислотные свойства, а в растворах из П почв преобладают компоненты, проявляющие основные свойства. Наиболее высокими величинами буферности к кислоте обладают растворы из горизонтов подстилки и органоминеральных горизонтов и составляют (1 – 1.4 ммоль/л и 1.8 – 2.8 ммоль/л в ТПГ почах в П почвах соответственно). Буферность почвенных растворов по отношению к ОН-ионам максимальна в горизонтах подстилки и в органоминеральных горизонтах Eih и АЕ и составляет 0.80 – 1.35 и 0.29 – 0.62 для ТПГ и П почв соответственно. Наблюдается тенденция к снижению общего количества кислотных функциональных групп в растворах из подзолистой почвы, по сравнению с растворами из ТПГ почвы. При переходе от растворов из подстилок к органоминеральным горизонтам Eih и АЕ ТПГ и подзолистых почв соответственно концентрация сильнокислотных карбоксильных групп увеличивается, а слабокислотных снижается, что можно объяснить увеличением степени гумификации органического вещества в органоминеральных горизонтах по сравнению с подстилками. Количественно охарактеризована буферная роль соединений алюминия в отношении Н+ и ОН- в растворах из ТПГ почвы. Установлено, что от 5 до 25 % протона и от 8 до 40 % ОН- , при титрование кислотой и щелочью соответственно, расходуется на реакции с участием алюминия Общее количество функциональных групп органического вещества растворов из перегнойно-глеевой почвы варьировало по разрезам и горизонтам от 0,52 до 0, 22 ммоль/л, в целом снижаясь вниз по профилю. В одном из разрезов выявлено присутствие двух типов функциональных групп. Значения рКа функциональных групп 1-ого типа снижаются с глубиной от 6,4 до 5,7. Более слабокислотные компоненты имеют значения рКа, возрастающие от 7,0 до 7,7, причем содержание этих слабокислотных компонентов выше, чем содержание компонентов первой группы. Во втором разрезе в растворе выявлен только один тип функциопнальных групп с рКа 6,7-6,9.
3 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. Фракционный состав соединений тяжелых металлов в почвах – фактор экологической устойчивости почв к загрязнению тяжелыми металлами
Результаты этапа: Проведено исследование применимости различных методов выделения из почвы форм соединений тяжелых металлов (ТМ) – методов последовательного фракционирования – для изучения техногенного загрязнения почв ТМ. Впервые научно обоснован выбор экстрагирующих растворов и последовательность выделения фракций ТМ для снижения перераспределения ТМ между почвенными компонентами вследствие вторичного поглощения. Предложенные методические подходы обеспечивают получение объективной информации о перераспределении ионов МТ, поступивших в почву при техногенном загрязнении, между почвенными компонентами и их реакционными центрами. Впервые показано, что любой метод фракционирования соединений ТМ в почве – это компромисс между степенью извлечения ионов металлов в раствор и селективностью воздействия на определённые почвенные компоненты. Впервые в условиях модельных экспериментов и на примере реальных техногенно-загрязнённых почв проведена сравнительная оценка использования методов последовательного фракционирования и традиционных методов определения кислоторастворимых и подвижных форм соединений ТМ. Впервые предложен способ определения содержания в почве нетрансформированных техногенных соединений ТМ и оценки степени их трансформации в почве. Выделение из почвы форм соединений ТМ, прочно связанных с органическим веществом или с железистыми минералами связана с селективным химическим воздействием на данные почвенные компоненты. При этом в раствор переходят ионы ТМ, которые были с ними связаны. Использование щелочного раствора пирофосфата калия для извлечения из почвы фракции ТМ, связанных с органическим веществом, предпочтительнее полного окисления органического вещества перекисью водорода, так как в первом случае металлы переходят в раствор в виде устойчивых растворимых пирофосфатных комплексов, что удерживает их от вторичного поглощения оставшимися в системе твёрдофазными почвенными компонентами. При окислении органического вещества перекисью водорода в кислой среде, выход фракции ТМ, связанной с органическим веществом, всегда ниже выхода этой фракции, полученной при обработке почвы пирофосфатом, не смотря на гораздо более сильное воздействие сильного окислителя на почвенный гумус. Удаление гумусовых плёнок с поверхности минеральных почвенных частиц открывает ранее не задействованные реакционные центры на их поверхности и делает возможным поглощение из раствора большого количества тяжелых металлов, которых от этого поглощения нечем удержать, так как добавление эффективных по отношению к ТМ комплексообразующих агентов в систему, содержащую сильный окислитель, неэффективно. Аналогичные результаты, показывающие различную степень искажения фракционного состава ТМ в почве вследствие вторичного поглощения, получены и для различных методов определения фракции ТМ, связанной с железистыми минералами. Таким образом, вторичное поглощение ТМ, происходящее в ходе фракционирования, искажает реальное распределение ТМ по фракциям и может приводить к неправильной интерпретации роли почвенных компонентов в трансформации техногенных соединений ТМ, поступивших в почву при загрязнении. Модельный эксперимент по искусственному загрязнению почв легкорастворимыми и труднорастворимыми соединениями ТМ, показал, что любой из наиболее распространённых в настоящее время методов последовательного фракционирования не позволяет выделить из почвы фракцию нетрансформированных техногенных соединений (оксидов или сульфидов) ТМ. В данном случае можно говорить лишь о выделении из почвы ТМ, связанных с теми или иными почвенными компонентами вследствие процессов их трансформации. Совместное использование метода последовательного фракционирования и определения кислоторастворимых соединений ТМ позволяет достоверно выделить из почвы техногенную фракцию ТМ и оценить степень трансформации техногенных соединений по отношению количества кислоторастворимых форм соединений и суммы фракций ТМ при последовательном фракционировании. Использование многоэлементных методов измерения концентрации ТМ позволило сравнить между собой различия во фракционном составе большого набора тяжелых металлов и сделать вывод о том, что на фракционную картину прежде всего влияет сродство металла к тем или иным почвенным компонентам. Совершенно к другому выводу мы приходим, сравнивая извлечение из почвы ТМ так называемыми «слабыми» вытяжками, используемыми, например, для определения количества подвижных форм соединений ТМ в почве. Проведённые исследования показали, извлечение из почвы подвижных форм соединений ТМ определяется не столько особенностями закрепления ионов металла в почве, сколько реакционной способностью экстрагирующего раствора, которая может быть различной по отношению к разным элементам, что затрудняет сравнение поведения разных ТМ друг с другом и нормирование ТМ в почве по легкоизвлекаемым формам соединений.
4 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Структура и функционирование системы соединений тяжелых металлов жидкой фазы почв и ее значение в формировании экологической устойчивости почв
Результаты этапа: На основе обобщения теоретических положений и экспериментальных данных (в том числе полученных при выполнении настоящих исследований) разработаны основные положения концепции об экологической устойчивости почв в условиях внешнего воздействия тяжелых металлов и об информативности показателей подвижности металлов в почве (в том числе в составе жидких фаз почв). Выполнены полевые и лабораторные работы, свидетельствующие о состоянии тяжелых металлов в почвах природных и техногенно-нарушенных ландшафтов, о механизмах их экологической устойчивости, о роли сорбционных процессов в регулировании процессов миграции металлов в почвах. В качестве объектов исследования, максимально техногено нарушенных, представлены городские почвы. Исследованы почвы ЮВАО г.Москвы, относящиеся к числу наиболее загрязненных металлами. Отмечен высокий уровень их загрязнения Cu, Pb и особенно Zn. Опасность представляют подвижные соединения металлов в почвах, которые могут быть извлечены из почв водной и ацетатно -аммонийной вытяжками. Экстрагируемые ими соединения характеризуют жидкую фазу почвы и находящиеся с ними во взаимодействии подвижные формы металлов. Содержание подвижных форм ТМ в загрязненных почвах превышает ПДК в 1,5 раза. Повышено содержание подвижных соединений Сu Zn V в городской пыли. Эти показатели свидетельствуют о снижении устойчивости экосистемы города к загрязнению металлами. Повышение устойчивости загрязненных металлами почв может быть достигнуто путем ограничения миграционной способности металлов, за счет повышения сорбционной способности почв. Изучена роль глинистых минералов в сорбции тяжелых металлов. Выполнены работы, направленные на разработку методов детоксикации загрязненных металлами почв. В модельном лабораторном опыте искусственно-загрязненная Zn, Cu, Pb дерново-подзолистая почва была инкубирована с палыгорскитовой глиной, обладающей высокой сорбционной способностью. Внесение глины в дозах, эквивалентных 10 и 20 тонн/га и на суглинистых, и на супесчаных дерново-подзолистых почвах обеспечивает повышение рН, увеличение содержания обменного Са и снижение обменной и гидролитической кислотности. В результате снижается подвижность Cu, Zn и Pb в исследуемых почвах. Это связано с влиянием двух факторов: 1) повышения рН, что способствует осаждению тяжелых металлов в форме труднорастворимых соединений и закреплению их в форме органо-минеральных соединений; 2) созданию дополнительных сорбционных центров, на которых закрепляются ионы тяжелых металлов. Исследована роль физико-химических процессов в формировании состава жидкой фазы. Установлено различие состава жидкой фазы почв, присутствующей в почвенных порах разного размера и удерживаемых с разной прочностью. Органические вещества, содержащиеся в растворах мелких пор более гумифицированы, Они характеризуются более высокими коэффициентами экстинкции и флуоресценции. Они соответствуют характеру трансформации органических веществ, осуществляемой преимущественно анаэробными микроорганизмами. Исследована роль микробиологической деятельности в мобилизации соединений тяжелых металлов в подзолах и подзолистых почвах северной и южной тайги. Установлено существенное влияние биоты (растения и микроорганизмы) на содержание фенольных соединений в почвенных лизиметрических водах при внесении в почву переменных доз металлов. Доказана возможность совместной миграции металлов в связи с фенольными соединениями. В результате проведения серии полевых и лабораторных исследований установлено влияние на поглощение и миграцию Zn в почвах состава почв, их структурной организации, типа биогеоценоза, состава раствора, с которым поступает в почву металл. Лизиметрические исследования почв прибрежной полосы Иваньковского водохранилища с искусственным поливом их Zn содержащими растворами показали, что загрязнение почв цинком сопровождается повышением доли его в составе непрочно связанных соединений. Лизиметров, заложенных на глубине 30 см, достигает не более 3% от внесенного цинка. Особенно мало это количество в дерновых аллювиальных почвах с нейтральной реакцией, что особенно важно в обеспечении защиты от загрязнения металлом грунтовых вод прибрежной полосы Иваньковского водохранилища и вод самого водохранилища. В толще почв опытных площадок подзолистой почвы аккумулируется 30-37%, дерновой 50-65 % от нагрузки, остальная часть металла включается в горизонтальную миграцию, усваивается растениями. В результате выполненных исследований разработаны основные положения концепции о роли жидкой фазы почв в формировании их экологической устойчивости. Под экологической устойчивостью почв в целом понимается их способность защищать экосистему от негативного антропогенного воздействия. Анализ механизмов формирования экологической устойчивости почв по отношению к загрязняющим веществам базируется на анализе процессов формирования состава соединений загрязняющих веществ в жидкой фазе почв, являющейся центральным звеном в элементарной системе соединений химических элементов в почве, осуществляющих взаимосвязь между биотическими и абиотическими компонентами почв. Информативными количественными показателями процессов на границе компонентов многофазной почвенной системы являются показатели содержания в почве подвижных (непрочно связанных) соединений химических элементов и их взаимосвязь с прочно связанными формами.
5 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Взаимосвязь процессов взаимодействия тяжелых металлов с почвенными компонентами и химических свойств почв – основа устойчивости почв по отношению к тяжелым металлам
Результаты этапа: Выполнена серия полевых и лабораторных исследований механизмов устойчивости почв различных природных зон к разнообразным видам внешнего воздействия природного и техногенного характера. На основании обобщения теоретических положений и экспериментальных данных сформулированы основные положения концепции об экологической устойчивости почв к химическому воздействию. Эта важнейшая уникальная способность почв обусловлена структурой и функционированием гетерогенной биокосной системы соединений химических элементов, обеспечивающей разнообразные механизмы поглотительной способности почв, ограничивающей миграцию в ландшафте различных химических веществ, в том числе загрязняющих веществ. Исследованы механизмы формирования экологической устойчивости почв природных и техногенных ландшафтов, проявляющихся при различных видах внешнего воздействия. В лабораторных динамических и статических условиях определены параметры миграционной способности металлов (на примере меди) в дерново-подзолистой легкосуглинистой почве Тверской области, а именно сорбционные и гидрофизические характеристики процесса аккумуляции в почве ионов меди, которые привлечены для использования физико-математической модели HYDRUS и построения модели переноса в почве меди. Установлено влияние физического состояния почвенного образца (монолит или измельченная почва) на скорость миграции раствора через почву, на показатели поглощения и миграции металла. Замедление скорости протекания раствора через колонку с почвой не значительно отражается на выходе Сl-, Ca2+ , но существенно снижает концентрацию меди в элюате, что свидетельствует о значительной доли необменного поглощения меди за счет медленно протекающих реакций. Выявлено различие показателей поглощения металла в статических и в динамических условиях. Полученные результаты информативны для оценки барьерной роли почв в условиях техногенного воздействия на них. Исследованы свойства почвенных фенольных соединений, их влияние на химическое состояние почв. Выполнена серия опытов с дерново-подзолистыми почвами, загрязненными металлами при контроле содержание фенольных веществ в лизиметрических водах. Установлено влияние дозы металлов, участие растений и микробиоты на присутствие фенолов в почвенных растворах. Отмечено негативное влияние высоких доз металлов на выход фенолов в лизиметрические воды. Участие биоты увеличивает выход фенольных кислот в лизиметрические воды. Фенольные соединения продуцируются в почве растениями и микроорганизмами. Они представляют собой буферную систему почвы, поддерживающую характерный почвы тип гомеостаза. Вещества фенольной природы в почвенных растворах могут вызывать как замедление минерализации органических веществ, так и ее ускорение. Металлы и фенольные соединения могут быть взаимными факторами миграции в виде соединений различной природы. Исследованы процессы взаимодействия почвенных органических веществ с глинистым минералом монтмориллонитом, которые размещены на 3-5 лет в разные горизонты дерново-подзолистой почвы. Проведен анализ ИК -спектров минерала. Опытом установлено изменение состояния органических веществ. В образцах горизонтов F и Н обнаружено присутствие алифатических фрагментов органических веществ, наличие CH2 - и CH3 –групп, карбоксильных группы, NH-групп гумусовых веществ, а также групп карбоксильной группы –СООН. Полученные результаты свидетельствуют о существенном изменении в почвах состояния системы минеральных и органических веществ, влияющих на поглотительную способность почв в отношении различных поллютантов, на устойчивость почв в внешнему химическому воздействию. Получена информация о содержании металлов (Pb, Zn, Cu) (общее содержание металлов и их подвижные формы) в почвах придорожной полосы в г. Москве ( Минская ул., Ленинские горы). Установлено превышение в почвах уровня ПДК общего содержания свинца и его подвижных форм. Аккумуляция металла в этих почвах обусловлена как высокой техногенной нагрузкой металла, так и ограниченной устойчивостью почв к загрязнению им.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".