Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экология почв. Учение об экологических функциях почв. Учебник
.pdf
Гл. 5. Физико-химические функции
81
онной функции следует прежде всего назвать удержание почвой в
состоянии обменного поглощения элементов питания, поступающих в нее и высвобождающихся в ходе выветривания минералов
почвообразующей породы. Существование организмов в ландшафтах гумидного климата во многих случаях будет крайне затруднено, если питательные соединения немедленно удалятся из
почвы выпадающими осадками.
Благодаря сорбционной функции возможна жизнь не только
на богатых, но и на бедных по составу почвах. Так, сосновые леса,
произрастающие на кварцевых песках (SiO
> 90%), обеспечиваются
2
большим количеством соединений, поступающих с атмосферными
осадками и пылью, которые удерживаются почвенно-растительным покровом (табл. 26). Во многом благодаря сорбционной
функции оказывается возможным почти круговой характер естественных биохимических циклов элементов в экосистемах Земли.
По данным В.А. Ковды (1975, 1985), повторяющееся воспроизводство ненарушенных циклов в природе достигает, по-видимому,
95—98%.
Таблица 26
Содержание питательных веществ в годовых осадках (Кук, 1975)
Вещество
Аммонийный азот 9
Нитратный азот 0,2 — 3,0—19,0 —
Фосфор 18 — 0,8—8,0 <1
Сера 3,0 1,1—3,5 3,0—14,0 0,3
Калий 4,0 — 0—148,0 0,2
Магний 13,0 6,0—19,0 0,4—17,0 —
Кальций 27,0 4,0—30,0 1,0—257,0 —
Натрий 50,0 2,5—40,0 — 1,1
Хлор — — — 1,6—1,8
Саксмандхем
(в среднем
за 1966—1970 гг.)
7
Швеция Норвегия
пределы колебаний, кг/га
0,7—4,0
0,15—0,8
0,8—6,0
—
Западная
Австралия
0,7
0,5—0,8
Сорбционная функция оказывает существенное влияние на
снабжение растений элементами питания в культурных агроцено-
82
Ч. II. Биогеоценотические функции почв
зах. Это влияние двойственное и характеризуется как положительными, так и негативными эффектами. К первым относится прежде
всего удержание почвой элементов питания от быстрого вымывания
атмосферными осадками. Дж. Кук (1970) считает, что закрепление
в кислых почвах (“фиксация”) фосфора в результате его соединения с железом и алюминием не является только бесполезным расходованием фосфора, как это ранее полагали. Установлено, что фосфорные удобрения не полностью закрепляются, значительная их
часть постепенно мобилизуется и при определенных условиях может раствориться и стать доступной растениям.
Положительным проявлением сорбционной функции почв является также удержание элементов питания, вмытых в нижние горизонты. Ветселер (1962), изучавший накопление нитратов в глубоких горизонтах почв Северной Австралии, установил, что нитраты,
вымытые из верхних горизонтов, задерживались в нижних вплоть до
глубины 3 м. Максимальная концентрация нитратного азота отмечалась на глубине 75—120 см. Этот азот не мог быть извлечен неглубоко укореняющимися культурами, но использовался растениями
с глубоко проникающими корнями (африканское просо и др.).
Сорбционная функция почв может давать и отрицательные
эффекты (Добровольский, Никитин, 1990, 2006; Кудеярова, 1988
и др.). Так, несмотря на предотвращение чрезмерного вымывания
элементов питания из почв благодаря их поглотительной способности во многих почвенных разностях происходит связывание
элементов в малодоступные формы, что значительно снижает эффективность удобрений. Почвы могут переводить также значительную часть поступающей в них воды в труднодоступное состояние, создавая мертвый запас влаги. Особенно значительными
запасы недоступной влаги бывают в почвах тяжелого механического состава (Судницын, 1990, 2001; и др.).
В связи с большим значением поглотительной способности
почвы в ее функционировании как компонента биогеоценозов
важной задачей оказывается выявление оптимального состава
поч венного поглощающего комплекса и его регулирование. Полагают, что для большинства растений, возделываемых в России,
физиологически оптимальное соотношение поглощенных катионов выглядит так: количество обменного кальция 60—70% от емкости поглощения, обменного магния — 10—15%, калия — 3—5%.
Желательно также содержание небольшого количества обменного
водорода и других элементов (Ковда, 1973, 1985).
Указанное соотношение поглощенных катионов свидетельствует об исключительной физиологической роли кальция в жизни
Гл. 5. Физико-химические функции
83
растений. Недостаток доступных для растений соединений кальция обычно приводит к их ненормальному развитию или гибели.
Увеличение содержания таких катионов, как водород (до 30% от
емкости поглощения), магний (до 40%), натрий (до 15—20%), также сильно угнетает сельскохозяйственные растения. Особенно отрицательно влияет на питание растений избыточное содержание
поглощенного натрия.
Среди конкретных способов оптимизации почвенного поглощающего комплекса следует назвать известкование кислых почв,
содержащих повышенное количество обменного водорода и алюминия, гипсование солонцовых почв. Благоприятно действует обогащение почв гумусом — внесение навоза, зеленых удобрений,
травосеяние. В песчаных почвах с низкой поглотительной способностью положительные эффекты могут дать внесение глины,
сапропелевого ила, торфа, повышенных доз навоза, а также сидерация и длительное травосеяние.
Наиболее плодородные почвы страны — черноземы, пойменные
луговые и лугово-дерновые — характеризуются благоприятным
составом почвенного поглощающего комплекса с содержанием
обменного кальция до 70—80%.
При рассмотрении поглотительной способности почв следует
обратить особое внимание на то, что проявление сорбционной
функции вызывает ряд нежелательных явлений в случае загрязнения ландшафтов промышленными отходами, использования сточных вод для полива и ядовитых химикатов для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур. Попавшие в почву вредные
соединения и элементы часто удерживаются ею многие годы, что
способствует включению их в трофическую цепь. Например, ртуть,
попавшая на поверхность почвы, вымывается очень медленно
(доли процента в год).
Растения и животные нередко страдают от того, что в почвы
попадают или вносятся соли тяжелых металлов. Токсичность их
очень велика, и это одна из причин запрещения применения микроудобрений до выяснения истинной в них потребности. Дж. Кук
(1970) обращает внимание на то, что у организмов повреждения
могут быть вызваны регулярным использованием препаратов соли
меди, часто применяемых как фунгициды, употреблением в качестве удобрений городских отбросов или осадка сточных вод, содержащих тяжелые металлы, в частности цинк.
Опытами установлено, что 1 кг сухого вещества лука-порея,
удобряемого осадком сточных вод (Кук, 1970), содержал гораздо
больше цинка и других металлов.
84
Ч. II. Биогеоценотические функции почв
Таблица 27
Содержание микроэлементов в луке-порее
Вариант опыта
Без органических удобрений 1,0 6 3 1,4 36
С осадком сточных вод 0,8 16 7 1,9 160
Содержание в сухом веществе лука-порея, мг/кг
хром медь никель свинец цинк
Городские отбросы и сточные воды, применяемые для удобрения, оказывают неблагоприятное влияние на качество урожая и
затрудняют их использование в сельском хозяйстве, несмотря на
богатство элементами питания. Необходима разработка специальной технологии по предварительной обработке таких удобрений и конкретным способам их применения. Важным условием
решения данной проблемы является установление предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных соединений и элементов
в почвах и вносимых в нее удобрений. Работы в данном плане показывают сложность использования сточных вод в земледелии
(Гродецкий и др., 1979; Минеев, 1984, 2003; и др.). Применение
бытовых сточных вод при определенных условиях возможно. Использование же промышленных и смешанных сточных жидкостей
проблематично и требует конкретного подхода и тщательного выявления допустимых концентраций ингредиентов. Многие виды
промышленных сточных вод непригодны для полива.
Следует отметить возросшее значение соединений, попадающих
в почву из атмосферы. По данным В.А. Ковды (1979), в атмосферу
Земли выбрасывается ежегодно (5—10)•10
8
т кислот, которые выпадают с дождями, а из-за их задержки в почве происходят изменения: выщелачивается Са, Mg, К, увеличивается общая кислотность, мобилизуются Al, Fe, Mn, связывается P, повышается
токсичность Hg, Pb и Cu.
В результате усиления ветровой эрозии и промышленных загрязнений атмосферы аэрозолями в почву попадает большое количество пыли, которая может оседать непосредственно на ее поверхности или смываться с произрастающих на ней растений,
являющихся эффективными пылеуловителями. Например, установлено, что 1 га пихтового леса в состоянии задержать 32 т частиц пыли, а 1 га букового леса, развивающего общую листовую
поверхность на 75 га, может задержать 68 т пыли (Иванов, 1978).
При рассмотрении возможных отрицательных последствий от
поглощения почвой попадающих в нее загрязнений следует обра-
Гл. 5. Физико-химические функции
85
тить внимание на проблему радиоактивного загрязнения окружающей среды и почвенного покрова (табл. 28, 29). Ф.А. Тихомировым
(1979), А.И. Щегловым (1998, 2000) и другими отмечается, что актуальность этой проблемы обусловлена прежде всего развитием
атомной промышленности и радиоактивным загрязнением среды.
Таблица 28
Сорбция радиоизотопов из водного раствора (рН 6)
различными почвами, % от содержания в исходном растворе
Изотоп
Железо-59 40±15 29±7 29±10 23±5 35±8 22±5
Кобальт-60 93±5 98±2 88±5 — 92±3 —
Стронций-90 98±2 97±1 98±3 98±2 — —
Иттрий-91 93±4 95±3 91±2 90±4 89±6 97±2
Цезий-137 98±1 98±3 96±2 98±1 — —
Церий-144 94±3 83±10 92±4 90±5 92±5 90±4
(Куликов, Молчанова, 1975)
дерново-
луговая
черно-
земы
красно-
земы
Почва
Дерново-подзолистая, горизонты
А
1
А
2
В
1
Наиболее важный источник радиоактивного загрязнения почв
естественных и антропогенных ландшафтов — газы и выпадающие из атмосферы аэрозоли, а также радионуклиды, попадающие
в почву с поливными водами и минеральными удобрениями и активно сорбируемые ею (табл. 29).
Таблица 29
Накопление радиостронция из почвы в урожае
сельскохозяйственных культур, отн. ед. (Тихомиров, 1979)
Зона Преобладающий тип почвы Зерно Силосные Картофель
Среднетаежная подзолистая 10,0 64,0 3,0
Южнотаежная дерново-подзолистая 1,0 8,0 1,0
Лесостепная серая лесная, выщело-
Степная чернозем обыкновенный 0,4 1,6 0,8
Субтропическая
полупустынная
Пустынная бурая 2,0 10,0 3,5
ченный чернозем
серозем 0,9 2,8 2,5
0,6 4,0 1,0
86
Ч. II. Биогеоценотические функции почв
В случае радиоактивных выпадений из атмосферы часть их задерживается на растениях, часть попадает в почву. Интенсивность
поступления радионуклидов в растения из почвы обычно меньше,
чем при непосредственном загрязнении воздушным путем, что
связано с их закреплением мелкоземом. Однако роль почвенного
источника радионуклидов может возрастать при многократном их
поступлении на поверхность почвы. В этом случае загрязнение,
например, сельскохозяйственной продукции будет пропорционально общему количеству радионуклидов, попавших в почву за
все предшествующие годы.
Поэтому необходимо исследовать, что происходит с попадавшими в почву радиоактивными элементами, а также причины,
определяющие их поступление в растения. Установлено, что накопление растениями радионуклидов существенно зависит от содержания элементов — биофилов — в почвенном растворе, с которыми радионуклиды находятся в конкурентных отношениях. Так,
при увеличении концентрации в почвенном растворе кальция
снижается конкурентная способность радионуклидов в ионнообменной адсорбции на поверхности корней. В качестве обобщенного показателя, от которого в наибольшей степени зависит переход радионуклидов из почвы в урожай, можно принять уровень
почвенного плодородия (Тихомиров, 1979). Чем выше обеспеченность почв элементами питания и чем ближе их соотношение к
оптимуму, тем меньше поступает радионуклидов в растения. Это
положение подтверждается данными по
60
Co, 65Zn, 90Sr,
137
Cs, которые показывают, что эти радионуклиды в наибольших количествах поступают в урожай на бедных почвах (см. табл. 29). Из конкретных свойств почв существенное влияние на скорость выноса
из нее техногенных радионуклидов оказывают их механический
состав и рН. С утяжелением механического состава и уменьшением кислотности радионуклиды удерживаются почвой более продолжительный срок.
Сорбция почвенным мелкоземом микроорганизмов,
обитающих в почве
Эта функция имеет важное значение, так как благодаря ей микроорганизмы защищены от выноса за пределы почвенного профиля
с нисходящим током влаги.
Учет способности почв к сорбции микроорганизмов помогает
понять многие стороны почвообразовательного процесса. С сорбционной функцией связано, по-видимому, заметное увеличение
Гл. 5. Физико-химические функции
87
в некоторых подзолистых почвах численности микроорганизмов
в средней и нижней частях профиля, обогащенной тонкодисперсным материалом.
Наблюдается отчетливая зависимость процесса сорбции от
свойств микроорганизмов и особенностей сорбента (Звягинцев,
1973). Это, например, проявляется в том, что одни микроорганизмы поглощаются интенсивно, другие — в меньшей мере, третьи —
вообще не поглощаются определенным сорбентом. Поскольку
почва по своему вещественному составу — весьма гетерогенная
система, она представляет собой сложный сорбент с различными
свойствами отдельных участков поверхности. В ней практически
всегда может сорбироваться хотя бы небольшое количество любого микроорганизма. В связи с этим зависимость сорбции микробов на почве от видовых штаммовых особенностей и состояния
культуры проявляется слабее, чем в случае простых сорбентов
(древесного угля, каолина и др.).
Несмотря на известную “универсальность” сорбционной способности почв по отношению к микроорганизмам, для нее не менее
характерна отчетливая изменчивость, определяемая прежде всего
гранулометрическим, вещественным составом почв, а также их
генетическими особенностями. Так, отмечается увеличение сорбции бактерий почвой при утяжелении ее механического состава.
Однако данная зависимость не прямо пропорциональна в связи с
влиянием на сорбционные процессы многих факторов (Chatterjee,
Dalal, 1968).
Сорбция микроорганизмов почвой существенно зависит и от
ее минералогического состава, что видно из опытов по взаимодействию почв с отдельными минералами, которые показали, что
на первом месте по сорбционной способности стоят представители
группы монтмориллонита (Звягинцев, 1969; Великанов, 1969).
Сорбция микроорганизмов зависит и от генетических особенностей почв. Так, черноземы больше сорбируют микробы клеток,
чем дерново-подзолистые и серые лесные. Обычно больше сорбируют микроорганизмов те почвы, которые обладают более тяжелым
механическим составом, емкостью поглощения и более высоким
содержанием гумуса. О важной роли органического вещества в
поглощении микроорганизмов говорят опыты с прокаливанием
образцов мощного чернозема (Звягинцев, 1973): если бактерии
Staph. aurens сорбировались на естественной почве более чем на
90%, то на прокаленной — не более чем на 80%. Еще большая разница в сорбции была для клеток Ps. pyoсуапеа. Она составила 60%
для естественных и 30% для прокаленных образцов чернозема.
88
Ч. II. Биогеоценотические функции почв
Установлена также определенная зависимость сорбции микроорганизмов от степени их подвижности. Подвижные микроорганизмы слабо сорбируются, что, по-видимому, связано с их способностью противостоять силам адсорбции. Данное положение
согласуется с представлениями Т.В. Аристовской (1965, 1980) о существовании в почве микроорганизмов — обитателей твердой фазы
и микроорганизмов — обитателей почвенного раствора. Л.И. Бубенчиком с сотрудниками (1934) высказана интересная мысль
о том, что способность сорбироваться — приспособительный признак, выработавшийся у микроорганизмов в процессе их эволюции.
Этот вывод сделан на основе данных, показавших, что микроорганизмы, обитающие в воде лиманов, не поглощаются лиманным
илом. В то же время микроорганизмы, выделенные непосредственно из ила, сильно им сорбируются.
Следует отметить, что сорбционной способностью обладают
не только живые, но и мертвые клетки микроорганизмов. Убитые
нагреванием бактериальные клетки в 90% случаев сохраняют свои
сорбционные свойства.
Получен материал, раскрывающий влияние отдельных факторов на сорбцию микроорганизмов. Установлено сильное влияние
величины рН на этот процесс. Выявлено, что существуют значения рН, при которых происходит максимальная сорбция микроорганизмов. При отклонении рН от данных значений как в сторону
увеличения, так и уменьшения сорбция микроорганизмов уменьшается, а при некоторых величинах рН может совсем прекратиться.
Отмечена отчетливая зависимость процесса сорбции микроорганизмов от того, какими катионами насыщен почвенный поглощающий комплекс. На примере Аz. chroococcum было показано,
что по интенсивности сорбции данного микроорганизма образцы
почв, насыщенные разными катионами, располагались в следующий ряд: Na
+
< Li+ < NH
+
< К+ < Мg2+ < Са2+ < Ва2+ < А13+ < Fе3+.
4
Особенно сильно азотобактер сорбировался почвами, насыщенными
трехвалентными катионами. При насыщении почв двухвалентными катионами микроорганизмы также сорбировались довольно
сильно. Образцы же, насыщенные одновалентными катионами, в
условиях опыта почти не сорбировали азотобактер. Таким образом,
зависимость сорбции микроорганизмов от насыщенности почвенного поглощающего комплекса различными катионами во многом подобна влиянию состава ППК на коагуляцию коллоидов.
Гл. 5. Физико-химические функции
89
Сорбция микроорганизмов зависит и от контакта между клетками микробов и поверхностью сорбента. При благоприятных
условиях контакта сорбция микроорганизмов на почвах и минералах протекает быстро и может достигать максимума уже через
5—10 мин.
Существенным фактором, влияющим на поглощение почвой и
минералами микроорганизмов, оказывается также размер частиц.
С уменьшением размерности частиц обычно происходит заметное
увеличение сорбции микробов (табл. 30, 31). Это объясняется несколькими причинами: увеличением удельной поверхности сорбента на единицу его веса; значительно большей склонностью
мелких частиц образовывать агрегаты с клетками микроорганизмов, увеличением содержания вторичных минералов, полуторных
оксидов, органических коллоидов при уменьшении размера частиц. Исследования свидетельствуют, что в подавляющем большинстве случаев имеет место адсорбция — поглощение клеток микроорганизмов активной поверхностью почвенного мелкозема. Причем
адсорбция микроорганизмов во многом похожа на адсорбцию
коллоидов.
Таблица 30
Адсорбция микроорганизмов на частицах разных размеров,
% на весовую единицу (Звягинцев, 1973)
Микро-
организмы
Sarcina lutea мощный
Ps. pyocyanea мощный
Адсорбент
чернозем
дерновоподзолистая
бентонит 60 80 100 100 100
чернозем
дерновоподзолистая
бентонит 15 40 60 90 100
Размеры частиц адсорбента
3—1 1—0,1 0,1—0,01 0,01—0,001 <0,000—1
35 45 90 99 99
20 30 70 75 80
515 30 45 80
510 25 30 40
90
Распределение микроорганизмов на частицах разной величины
Диаметр частиц,
мкм
1—2 13 1 0,1
4—5 121 4 0,3
10—12 726 8 1,1
20—25 2905 29 5,0
40—50 12 150 110 7,0
100—110 66 150 300 14,0
400—500 1 215 000 10 200 53,0
Примерная величина
поверхности, мкм
Ч. II. Биогеоценотические функции почв
(Звягинцев, 1973)
Количество адсорбированных
клеток в опыте
2
перегнойно-
глеевая почва
подзолистая почва
Таблица 31
дерново-
Относительно природы сил, обусловливающих адсорбцию,
было высказано несколько гипотез. Достаточно широкой известностью пользуется теория, объясняющая особенности поведения
коллоидных систем взаимодействиями электростатических сил
отталкивания и ван-дер-ваальсовских сил притяжения отдельных
коллоидов. Следует подчеркнуть, что размеры микроорганизмов
(1—10 мкм) благоприятствуют проявлению сил притяжения. У частиц большого размера наблюдается превосходство гравитационных сил над силами прилипания, а частицы меньшего размера
вследствие малого веса не в состоянии выдавить слой жидкости,
прилегающей к поверхности адсорбента, и вступить в непосредственный с ним контакт, являющийся важным условием адсорбции.
Следует отметить, что указанный механизм адсорбции в действительности оказывается существенно сложнее, а силы, при этом
действующие, — значительно разнообразнее. В частности, при адсорбции возможно проявление химических взаимодействий контактирующих наружных слоев поверхностей. Причем, как справедливо подчеркивает Д.Г. Звягинцев (1973, 1987), природа сил и
прочность связей, возникающих при адсорбции, могут быть различными.
На отрицательно заряженных поверхностях, широко представленных в почве, адсорбция микроорганизмов имеет более избира-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]