Введение
В последние годы все более очевидным становится плодотворность идеи В. И. Вернадского [2] о циклах миграции химических элементов в ландшафтах и его зеркале в почвах.
Познание циклов миграции, особенно радиальной миграции в почвах ряда циклических элементов таких как: Fe, Mg, Na, K, Ca, Sr, Ba — не только одна из наиболее актуальных теоретических и практических проблем современного почвоведение, но также необходимое условие для выбора стратегии рационального природопользования.
Почва важный компонент биосферы, которая может быть охарактеризована как сложная геомембрана и постоянно изменяющаяся часть биосферы. Распространенность макро- и микроэлементов и их миграция в генетических горизонтах влияет на свойства самой почвы и поступление в живые организмы.
Не все звенья сложных миграционных циклов достаточно ясны, потому имеет большое теоретическое и практическое значение.
Цель исследования
Цель данной работы — изучение циклов миграции в почвах ряда циклических элементов.
Материалы и методы
Основными объектами исследований по установлению педобиогеохимических особенностей циклических элементов были выбраны орошаемые луговые сазовые почвы Центральной Ферганы.
В этом регионе особенно в центральной части широко распространены выше названные почвы. Именно они создают специфику, особенностей местных пустынных агроландшафтов.
Луговые сазовые почвы региона — своеобразный индикатор уровня залегания минерализованных почвенно-грунтовых вод, глубина которых находится на 1,8–2 м.
Такое залегание уровня почвенно-грунтовых вод обусловливает их участие в почвообразовательном процессе и, как следствие, формирование гидроморфных засоленных почв пустынь.
Естественно, что все особенности пустынных агроландшафтов, так же как и специфические свойства орошаемых луговых сазовых почв, которые имеет широкое распространение в этом регионе, определяют характер миграции и содержание химических элементов.
В процессе исследования было заложено 12 опорных почвенных разрезов, также были изучены морфологическое строение профиля, агрохимические, химические, агрофизические свойства почв.
Анализы почв выполнены по общепринятым методикам согласно прописью СоюзНИХИ [3] и Руководство по химическому анализу почв, Аринушкина [1].
Исследование элементного состава почв проведены в институте Ядерной физики АНРУз нейтронно-активационным методом.
Результаты и обсуждения
Подробная характеристика почв приведена в ранее опубликованных работах одного из авторов [6], по этому здесь приводятся геохимические свойства железа, магния, натрия, калия, кальция, стронция, бария.
Агрохимические исследования показали, что изученные почвы бедны питательными элементами и гумусом.
В них валового азота и фосфора соответственно содержатся 0,08, 0,110%. Содержание гумуса колеблется в пределах 0,8–1,2%, почвы среднезасоленные и несолонцеватые.
Развития представлений В. И. Вернадского о связи химических свойств атома и вещественного состава орошаемых почв рассмотрим на примере наиболее распространенных в почве элементов: Fe, Mg, Na, K, Ca, Sr, Ba.
Количественный химический элементный состав почв есть периодическая функция атомного номера, ионного и атомного радиуса [5]. Все химические элементы, которые находится в почвах, занимают определенное положение в периодической системе Д. И. Менделеева.
Изученные нами элементы, согласно геохимических групп В. И. Вернадского, относятся к III-группе и називаются циклические элементы.
В идеальных условиях Na, Mg, K, Ca, Fe, Sr, Ba катионогенные элементы, их миграция ослабевает с ростом порядкового номера элемента.
Почва полидисперсная открытая система, значит миграция указанных элементов протекает по другому.
С учетом вышесказанного приведем химические и геохимические свойства этих элементов в таблице 1.
Из данных в таблице видно, что с ростом порядковых номеров наблюдается рост атомных масс. Но в изменение валентности этих элементов определенная закономерность не наблюдается. Валентность изученных элементов изменяется в пределах +1, +2 (+3).
Таблица 1 — Химические и геохимические свойства элементов
|
Свойства |
Элементы |
||||||
|
Na |
Mg |
K |
Ca |
Fe |
Sr |
Ba |
|
|
Порядковый номер |
11 |
12 |
19 |
20 |
26 |
38 |
56 |
|
Атомная масса |
23 |
24,3 |
39 |
40 |
56 |
87,6 |
137 |
|
Валентность |
1 |
2 |
1 |
2 |
2 |
2 |
2 |
|
Радиус иона, Аº |
0,98 |
0,74 |
1,33 |
1,04 |
0,8 |
1,2 |
1,38 |
|
Потенциал Картледжа* |
1,02 |
2,7 |
0,75 |
1,92 |
2,5 |
1,67 |
1,45 |
|
Энергетическая константа** |
0,45 |
2,1 |
0,36 |
1,75 |
1,125 |
1,53 |
1,35 |
|
Энергетический пай в кристаллической решетки, кДж*** |
482,28 |
2250,65 |
385,83 |
1875,54 |
1205,71 |
1639,76 |
1446,83 |
Радиус иона по Ферсману; *Потенциал Картледжа по; **Энергетическая константа по Ферсману; ***Энергетический пай в кристаллической решетки рассчитаны авторами по формуле (U=Эк·1070,74).
Согласно А. Е. Ферсману ионы с близкими потенциалами ионизации или потенциала Картледжа обладают сходными свойствами миграции.
Близость радиусов ионов обусловливает сходство путей миграции. Чем меньше энергетическая константа тем меньше энергетический пай в кристаллической решетки и тем больше миграционная способность.
Изученные выше геохимические свойства катионов определенно влияют на их аккумуляцию (таблица 2) и распределению в различных почвах.
Таблица 2 — Содержание химических элементов в почвах, %
|
№ разреза |
Глубина, см |
Химические элементы (n-12) |
||||||
|
Na+ |
Mg+2 |
K+ |
Ca+2 |
Fe+2+Fe+3 |
Sr+2 |
Ba+2 |
||
|
6А |
0–18 18–32 32–55 55–80 80–140 140–200 |
0,82 0,86 1,29 0,63 0,69 0,70 |
0,78 0,81 1,99 1,63 0,61 0,57 |
1,68 1,51 1,78 1,37 1,26 1,15 |
1,98 2,15 4,55 2,59 2,10 1,72 |
1,82 1,91 2,32 1,91 1,77 2,23 |
0,58 0,60 1,44 0,63 0,18 0,30 |
0,04 0,05 0,10 0,04 0,07 0,10 |
Из приведенных данных видно, что в почвах с ростом атомной массы химических элементов (Na, Mg, K, Ca, Fe, Sr, Ba) не наблюдается увеличение их содержание, причиной которого на ряду другими служат полидисперсность и поликомпонентность почвы.
Что касается влияние ионного радиуса и потенциал Картледжа, а также энергетического пая на содержание этих элементов, то из таблиц видно, что при близких показателях концентрация элементов тоже близкие.
Например, ионные радиусы Na+ и Mg+2 составляют 0,98 и 0,74, следовательно их содержание в верхних 0–18 см горизонтах варьирует в пределах 0,78–0,82%. Что касается потенциал Картледжа, здесь имеется некоторое расхождение, эти показатели близки между собой в элементах Na, K, а их содержание резко расходится. Значит, влияние потенциала Картледжа на рост концентрации элементов имеет не четкую тенденцию. Такая же картина обнаруживается и по отношению энергетического пая.
Указанные расхождения на ряду с другими причини связаны с парными корреляциями (таблица 3) металлов.
Таблица 3 — Корреляционные связи между содержаниями
химических элементов
|
Мх, % |
Му, % |
Ошибка средных, ± m |
Среднеквадратичное отклонение, ± δ |
Коэффициент вариации, % |
n |
Коэффициент корреляции, r |
|
Na и Mg |
||||||
|
0,96 |
1,0 |
6,69 |
0,32 |
33,44 |
23 |
0,72 |
|
Ca и Fe |
||||||
|
2,05 |
2,19 |
1,88 |
0,90 |
44,54 |
23 |
0,47 |
|
Ba и Sr |
||||||
|
0,39 |
0,10 |
9,65 |
0,46 |
118,4 |
23 |
0,23 |
Приведенные данные можно квалифицировать как высокая — 0,72, средняя — 0,45, низкая — 0,23 корреляционная связь между содержаниями указанных элементов. Что касается их миграции, которe. можно характеризовать через коэффициентов Кларк концентрации (КК) (таблица 4) и радиальной миграции (Кр), то они для отдельных горизонтов приведены в виде геохимической формулы и спектров радиальной дифференциации.
Таблица 4 — Геохимические формулы спектров содержание химических элементов
Из приведенных данных видно, что высокие показатели Кларков концентрации соответствуют двух валентным катионом, в частности Sr, Ba, Ca, Fe, Mg, а затем идут одновалентные — K и Na. При этом самые высокие показатели КК соответствуют горизонту 32–55 см, который называется арзык-шоховыми, с ним связан ряд отрицательные водно-физические свойства почв.
Что
касается геохимических спектров коэффициента радиальной миграции, то они
представлены в рисунке 1.
Рисунок 1 — Геохимический спектр радиальной дифференциации химических элементов
Спектры коэффициентов радиальной миграции показывают, что при составлении геохимических спектров на первое место выходит Sr с наивысшими показателям Кр затем идут Mg, Ca, Na, K, Fe, Ba.
При этом горизонт 32—55 см четко выделяется по этим показателям от двух других горизонтов, таких как 0—18 см и 140—200 см. Причина этого различия была оговорена выше, т. е. этот горизонт имеет название арзык-шоховый, с которым связан ряд химические, геохимические, и др. свойств почв, а также педогеохимический барьер.
Выводы
Из вышеуказанного можно сделать вывод, что химические и геохимические показатели Mg, Ca, Na, K, Fe, Ba не всегда отражают их миграционную способность в таких сложных системах как почвы. Ясно одно, при близких ионных радиусах в их содержание имеются положительные корреляционные связи до 0,72.
Атомы, а точнее ионы, обладающие большими и малыми радиусами, конечно, при равных других условиях, обладают повышенными миграционными способностями в изученных орошаемых луговых сазовых почвах.
Повышенными коэффициентами радиальной миграции обладают элементы в горизонте 32—55 см, что связано с относительно высокими содержаниями этих элементов.
Для изученных почв установлены следующие показатели химических элементов, которые могут служит фоновыми:
Литература
- Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв. М.: 1970. — 487 с.
- Вернадский В. И. Избранные сочинения. Т.I. М.: 1954. — 673 с.
- Глинка Н. А. Общая химия. Т.: 1968. — 769 с.
- Методы агрохимических, агрофизических и микробиологических исследований в поливных хлопковых районах. Т.: 1963. — 442 с.
- Ферсман А. Е. Избранные труды. Т.: III. М. 1955. — 789 с.
- Юлдашев Г., Исагалиев М. Геохимия почв конусов выноса. Т.: Фан 2012 — 160 с.