<<
>>

О БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛАХ ИЗОТОПОВ СЕРЫ В ПОЧВАХ В. В. Буйлов, И. В. Буйлова

  Институт агрохимии и почвоведения АН СССР

п

Содержание серы в земной коре составляет 4,7* 10"^% (Виноградов, 1962). Сера является одним из элементов, играющих существенную роль в круговороте веществ биосферы.

Она определяет важные биохимические процессы живой клетки, в биогеоценозе является компонентом питания растений, микрофлоры и др. (Пейве, 1963). Соединения серы участвуют в формировании химического состава почв, находятся в значительных количествах в подземных водах, являются одним из постоянных участников в процессах засоления почв и т.д.

Сера имеет ряд изотопов, среди которых в природных соединениях наиболее распространены S32 (95,06%) и S34(4,18%). в результате биогеохи- мических и биологических процессов происходит изменение в соотношении этих изотопов. Установлены значительные колебания относительного количества изотопов в породах, минералах и водах различного происхождения (Войткевич, 1970).

В зависимости от типа, механического состава, степени засоления и др. содержание серы в почвах может равняться от 0,01 до 2-3% (в SO^ )• Изучение изотопного состава серы в почвах имеет особую значимость в связи с огромной биогеохимической ролью почвы в жизни биосферы. Однако имеются лишь единичные данные по этому вопросу. Поэтому необходимо накопление фактического материала. Знание изотопного состава соединений серы позволит лучше разобраться в особенностях биологического круговорота веществ, происхождении грунтовых вод, почв и их горизонтов.

В лаборатории биогеохимии почв и ландшафтов института агрохимии и почвоведения АН СССР (г. Пущино) сделана попытка использовать данные масс-спектрометрического анализа изотопного состава серы сульфатов для решения вопросов происхождения и накопления соды в почвах, а также вопросов биологического круговорота изотопов этого элемента.

Исследования проводили на почвах и грунтовых водах пойменной и надпойменной террас р.

Дон (высоты над уровнем моря 3,5-6,2 и 19-22 м). Пойма характеризуется наличием содовозасоленных почв (солонцами-солончаками, солонцами, черноземно-луговыми почвами разной степени засоления) и близкими (0,5-3 м) к поверхности минерализованными грунтовыми водами, которые, как показано ниже, гидравлически связаны с нижележащими подземными водами.

Сравнение изотопного состава серы сульфатов подземных вод с глубин 9-43 м и сульфатов иловато-болотной солончаковой почвы и солонца-солончака сульфатно-содового показывает, что в верхней части профиля почв пооисходит увеличение относительного содержания легкого изотопа серы ( 8 S34 = +20,3%оо ~ +2 3,5 /а 0 в подземных водах до 8 S34 = + 0,2 f + 15,2%, в почвах), таблица.

Сульфаты из верхних гощзонтов солонца-солончака (10-50 см) характеризуются величинами 8 S = + 11,5              + 15,$$gt;* (Буйлова и др., 1973). Дан

ная почва отличается малой биологической активностью, незначительным содержанием гумуса, постоянным значением величины Eh = 350-400 mv и небольшим количеством сульфатредуцирующих бактерий в течение летнего периода (таблица). Следует отметить приуроченность легких сульфатов к верхней толще почвенного профиля, где наиболее сосредоточены десульфу- ризаторы и отмечена некоторая гумусированность. На глубине 60-70 см

изотопный состав резко меняется (8 S^[XIII] = +20,7%©), приближаясь по значению к сульфатам подземных вод. Этот факт, по-видимому, может свидетельствовать о том, что интенсивный биологический круговорот в данной почве ограничен верхней полуметровой толщей.

Еще более заметное изменение изотопного состава минеральных соединений серы 8 S^4 =+0,2 ч- 9,2%о было обнаружено в иловато-болотной солончаковой почве. Она характеризуется высоким содержанием гумуса, большим количеством сульфатредупирующих бактерий (таблица) и благоприятными условиями для их жизнедеятельности, о чем свидетельствует периодическое накопление весной и ранним летом в этой почве сульфидов железа и понижение величины окислительно- восстановительного потенциала.

Значительную часть теплого летнего периода почва переувлажнена (грунтовые воды на глубине 0,3-0,8 м).

Самые * легкие* сульфаты (8 S^4 = +0,2%*)* отмечены в водной вытяжке из верхнего 10-см слоя почвы, который характеризуется высокой гумусиро- ванностью и наибольшим количеством сульфатредуцирующих бактерий. Чуть ниже по профилю (глубина 10-20 см), где содержание гумуса резко снизилась, уменьшилось и число десульфуризаторов, изотопный состав серы сульфатов изменился (8 S^4 =+9,2%о).

Сера, полученная по Р.Х. Айдиняну и др. (1968) из органической части почвы верхнего слоя гор. А характеризовалась значительным содержанием легкого изотопа (5 S^4 =+2,5%о). Сульфаты, извлеченные солянокислой вытяжкой из почвы, также содержат много легкого изотопа s S^4 = +4 ч- 9,2%©. При этом гипс из верхней части горизонта содержит больше легкого изотопа (8 S34= +4%о) по сравнению с гипсом нижележащей толщи 10-20 см, где отмечено резкое падение количества десульфуризаторов. Можно считать, что сера гипса здесь прошла через биологический цикл, т.к. известно, что фракционирование (разделение) изотопов серы с накоплением легкого изотопа происходит в природных условиях при биологических процессах, в частности, при бактериальной редукции (Виноградов и др., 1964; Войткевич и др.,

1970; Иванов, 1964; Ковда, 1973). Следовательно, образование гипса в данной почве не просто геологический процесс отложения соли из восходящих грунтовых вод, как это часто указывается в литературе, а является процессом сугубо почвенным.

Близкие к поверхности (0,6 м) почвенно-грунтовые воды несомненно должны испытывать влияние верхних горизонтов, в результате чего в них увеличивается содержание легких сульфатов (?^4= +9%о) по сравнению с питающими их подземными водами.

Полученные результаты, на наш взгляд, могут быть полезны для объяснения процессов, протекающих в почве при участии сульфатредуцирующих бактерий. В последние годы им было уделено самое пристальное внимание в связи с гипотезой о накоплении соды в почве за счет биохимических восстановительных реакций в присутствии органического вещества (Антипов- Каратаев, 1953). Существует и другая точка зрения, согласно которой в конечном результате биохимических восстановительных процессов должно произойти подкисление почвенной среды (Ковда, 1965).

В переувлажненной иловато-болотной солончаковой почве, как уже отмечалось, идут интенсивные восстановительные процессы с участием сульфатре*

дуцирующих бактерий. Однако многолетние сезонные наблюдения за динамикой засоления этой почвы не выявили накопления серы. С годами и по сезонам не менялась величина pH, оставаясь в пределах 6,5-7,0, т.е. ни подкисления, ни подщелачивания почвы не происходило. Опираясь на многочисленные исследования по вопросам сульфатредукдии в почвах (Антипов-Каратаев, 1953; Керзум и др., 1972;~Ковда, 1965 и др.) и используя наши резуль таты по изотопному составу серы, можно представить следующую схему процессов, ответственными за которые являются сульфатредуцирующие бактерии.

Весной и ранним летом в прогретой переувлажненной почве вдет интенсивное разложение большой массы растительного опада и корней. Процесс разложения органических остатков в первой своей стадии связан с разложением легкоокисляющихся веществ, находящихся в свежем органическом материале, таких как моно-, дисахара, крахмал, клетчатка и др. Разложение органического вещества сопровождается поглощением кислорода из почвенного воздуха, что и приводит к анаэробным условиям в почве. При наличии сернокислых солей в иловато-болотной солончаковой почве стимулируется активность сульфатредуцирующих бактерий, восстанавливающих сульфаты. MS04 + 2С0[Г - MS + 2С02

MS + со2 + Н20 - МС03 + H2S

Труднорастворимые соединения (СаС03 и др.) выпадают в осадок, легко- растворимые - Na2C03, H2S и др. остаются в растворе. Этот период характеризуется наибольшим количеством десульфуризаторов в почве (таблица).

При постепенном обсыхании почвы и ее некоторой аэрации в летне-осенний период идет изменение окислительно-восстановительных условий верхнего горизонта. Возможно, что этому способствует и снижение интенсивности процессов разложения опада в связи с убыванием количества легкодоступной органики. Значение Eh в верхнем горизонте возрастает с 180 до 300 mv резко уменьшается содержание сульфидов (с 722 до 325 мг на 1000 г почвы). По-видимому, происходит химическое и биохимическое окисление сульфидов до серы и серной кислоты

2H2S + 02 = 2Н2О + S2 + 65000 кал S2 + 302 + 2Н20 = 2H2S04 + 283000 кал 2FeS2+2H20 + 702 - 2FeS04 + 2H2S04 FeS04 + 2Н20 - Fe(0H)2 + H2S04

Серная кислота нейтрализуется карбонатами с образованием вторичных сульфатов H2S04 + МС03 - (CaS04, MgS04, FeS04, Na2S04 и др.) + H20 + C02

В последующий весенне-летний период, когда в результате реакции восстановления образуются свежие порции соды (см„ I) наличие в почве CaS04 и др. предохраняет почву от содового засоления. CaS04 + Na2C03 -gt; CaC03 + Na2S04

Таким образом, в результате переменного окислительно-восстановительного режима в почве не происходит накопление соды, продуктивность почвы не ухудшается, биологическая активность остается высокой. Доказательством достоверности вышеприведенной схемы является наличие в почве сульфатов (в том числе и гипса) с высоким относительным содержанием легкой серы S32 9 свидетельствующих о прошедших биохимических процессах восстановления и последующих окислительных условиях.

В результате активного вовлечения десульфаторами легкой серы в биологический круговорот происходит ее накопление в почве. Следует отметить, что увеличению содержания S32

в почве способствуют и другие биогенные процессы. При этом размеры этого накопления столь велики, что легкая сера обнаруживается не только в наиболее мобильной, подвижной части почвы - почвенном растворе, но и в более стабильных, консервативных образованиях типа органического вещества почвы, минеральной части почвы, в том числе и гипсе. При этом в водном растворе происходит наиболее интенсивный биологический круговорот серы, связанный с жизнедеятельностью сульфатредук- торов (воднорастворимая сера наиболее доступна для питания и при отмирании микроорганизмов вновь переходит в воднорастворимую форму), что подтверждает повышенное количество легких сульфатов в водной вытяжке.

Опираясь на полученные результаты можно считать, что биогенные процессы круговорота серы в верхних горизонтах исследованных почв приводят к существенному изменению изотопного состава минеральных форм серы по сравнению с сульфатами грунтовых и подземных вод. Вторичные сульфаты, образовавшиеся при окислении сульфидной серы биогенного происхождения, по-видимому, являются одним из источников облегчения сульфатной серы континентальных и грунтовых вод.

Здесь уместно отметить необходимость изучения влияния антропогенных факторов на формирование изотопного состава серы в почвах, поверхностных и грунтовых водах. Известно, что человек в результате своей деятельности оказывает все возрастающее воздействие на круговорот веществ в природе, вынося на поверхность земли соединения различных химических элементов (металлы, топливо и т.д.). Они в конечном счете вовлекаются в интенсивный биогеохимический круговорот. В частности, сера в значительных количествах вносится в атмосферу с промышленными и транспортными отходами, откуда она поступает в почву и в воды, а затем в живые организмы. Не исключено, что этот фактор является одной из Причин изменения соотношений в изотопном составе соединений серы на поверхности нашей планеты. В связи с этим необходимы исследования в этом направлении.

Широко проводящиеся в наше время мелиоративные преобразования ландшафтов обусловили крайнюю актуальность проблем, связанных с засолением почв. Особую остроту приобрели вопросы содового засоления, происхождения и миграции соды в почвах и водах, так как сода вызывает наиболее злостный тип засоления. В результате содового засоления большие площади практически надолго выводятся из сельскохозяйственного использования.

Существует несколько гипотез (Базилевич, 1965; Ковда и др, 1969), согласно которым образование соды в почвах может вызвано различными факторами (процессами). Однако, как показывает практика, во многих случаях невозможно удовлетворительно объяснить причины засоления почвы содой, руководствуясь общепринятыми гипотезами или даже их совокупностью.

В связи с этим представлялось крайне важным правильно определить пути накопления соды в грунтовых водах и почвах естественных ландшафтов.

В последнее время среди исследователей все большее признание завоевывает гипотеза, что преимущественное распространение почв содового засоления в естественных условиях вызнано воздействием подземных вод, обогащающих почвенно-грунтовые воды и почвы содой (Гринь, 1969; Егоров, 1969; Ковда, Самойлова, 1969).

Описываемая нами территория приурочена к району глубинного разлома в зоне сочленения Скифской и Русской платформы (Судариков, 1962; Ус-

пенская, 1965; Швембергер 1962; 1965), Следовательно, в геологическом и геоморфологическом отношениях (район разлома, пойменная терраса) исследуемый участок находится в пределах региона, где согласно представлениям ряда исследователей с наибольшей вероятностью можно ожидать влияние подземных вод на процесс накопления соды в почвах и грунтовых водах. В этих условиях важно было получить прямое доказательство связи почвенно-грунтовых вод с нижележащими подземными водами и накопление соды в почве за счет почвенДо-грунтовых вод.

Исследования показали, что в геолого-литологическом строении террас принимают участие породы четвертичного возраста, песчаные и песчано-глинистые отложения среднего миоцена. Их подстилает толща палеоген-миоце- новых пород, включающая и темноокрашенные глины майкопской свиты. Поверхностный покров представлен в основном суглинками и глинами: в пойме мощностью 2-3,5 м, в пределах надпойменной террасы - до 9 м (рис. 1). Ниже, до майкопских глин, являющихся абсолютным водоупором (глубина 46-82 м), залегает водоносная толща разнозернистых песков с прослоями глин и суглинков.

Гидрогеологические условия района характеризуются двумя водоносными горизонтами, которые разделены маломощным слоем глин. Один заключен в четвертичных, другой в миоценовых отложениях. Водонасыщенными породами обоих водоносных комплексов служат мелко-средне-зернистые пески.

Масс-спектрометрический анализ серы сульфатов подземных вод из скважин на террасе и в пойме показал их близкий изотопный состав (соответственно 8 8^в+20,3 и 8              +21,7%она глубинах 26 и 43 м, т.е. выше

и ниже прослоя глины, разделяющего водоносные горизонты). Это может свидетельствовать о едином источнике сульфатов, а также о гидравлической связи подземного потока, идущего по уклону от террасы в сторону Дона. Последнее подтверждается и результатами наших наблюдений за подземными водами с помощью гидрохимических кустов, установленных в створе Дон- надпойменная терраса.

Для доказательства связи почвенно-грунтовых вод с нижележащими подземными водами использованы данные гидрохимического анализа вод разных глубин, а также результаты анализа изотопов серы сульфатов подземных вод (в качестве природной метки). Под содовозасоленными почвами на разных глубинах, начиная с 2-3 м и вплоть до абсолютного водоупора в песчаной водоносной толще разделенной прослоями глин и суглинков обнаружены содовые воды (рис. 2,3). В них наряду с другими солями, содержатся карбонаты и бикарбонаты натрия, плотный остаток лежит в пределах 0,5-3 г/л, отмечены примерно одинаковые значения pH 8,2-8,7. По классификации В. А. Ковды (1965) подземные воды с такой концентрацией солей относятся к одной и той же группе - гидрокарбонатно-содовым.

Однотипность вод разных глубин свидетельствует о их взаимосвязанности, в том числе о связи почвенно-грунтовых вод с ниже расположенными подземными водами. Близкий изотопный состав серы сульфатов подземных вод, отобранных с разных глубин 8              =.+ 23,5; +20,3и +21,7%осоответственно

с 9,26 и 43 м) также указывает на гидравлическую взаимосвязанность вод разных горизонтов.

Убедительным доказательством взаимосвязи почвенно-грунтовых вод с подземными является близкий изотопный состав серы сульфатов в подземных водах и воднорастворимых сульфатов из горизонта С солончака сульфатно- содового, находящегося в зоне действия почвенно-грунтовых вод 3 S'54 * +20,3 -г +23,5%о с глубин 9-43 м и 8              = 20,7 %* - с 60 см в солонце).

Залегая на глубине 2-3 м, т.е. выше критического уровня, почвенно-грунтовые воды гидравлически связанные с нижележащими подземными водами в

точение жаркого лета поставляют соли, в том числе и соду в почвенные горизонты, вызывая их засоление. Вполне согласуются с этим положением и результаты наших многолетних наблюдений (1970-1973 гг.) за солевым режимом содовозасоленных почв.

Таким образом, с помощью данных гидрохимических анализов, а также результатов масс-спектрометрического анализа изотопов серы сульфатов установлена связь содового засоления почв с подземными водами, обогащающими почвенно-грунтовые воды и почвы солями, в том числе и содой. Следует отметить, что доказанное положение также иллюстрирует расширение наших познаний о геохимических связях почвы в пределах биосферы. Как видно из приведенного материала, связь эта далеко выходит за рамки устоявшихся представлений и отнюдь не ограничивается традиционными 5-10 м верхней земной толщи. В заключение считаю своим приятным долгом выразить благодарность член-корреспонденту АН CQCP В. А. Ковде за ценные советы и помощь.

Литература

Айдинян Р. X., М. С. Иванова и Соловьева Т. Г. Методы извлечения и определения различных форм серы в почвах и растениях. М., 1968.

Антипов-Каратаев И. Н. Вопросы происхождения и географического распространения солонцов в СССР. В кн. "Мелиорация солонцов в СССР".

Изд. АН СССР, М., 1953.

Базилевич Н. И. Геохимия почв содового засоления. Изд. Наука, М.,

1965.

Буйлова И. В., Буйлов В. В., Матросов А. Г., Зякун А. М.» Евти- кова Л. В. Изотопный состав серы сульфатов в почвах и водах Ажинов- ского стационара. В сб.: Мелиорация почв Средней Азии, Казахстана и Западной Сибири в связи с переброской части стока сибирских рек в южные районы страны . Путцино-на-Оке, 1973.

Виноградов А. П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры. Геохимия, 1962, №7.

Виноградов А. П. и Гриненко В. А. Изотопный состав серы осадочных пиритов. Химия земной коры. Т.2, "Наука", 1964.

Войткевич Г. В., Мирошников А. Е., Поваренных А. С., Прохоров В. Г. Краткий справочник по геохимии. М., "Недра", 1970.

Гринь Г. С. Галогенез лессовых почво-грунтов Украины. Киев. "Урожай", 1969.

Егоров В. В. Некоторые вопросы происхождения содового засоления в суб- гумидных районах Евразии. Докл. на Межд. симпозиуме по содовому засолению почв. Ереван, 1969.

Иванов М. В. Роль микробиологических процессов в генезисе месторождений самородной серы. "Наука", 1964.

Керзум Г1. А., Васильчикова С. И., Горбунова Р. Г., Захарченко А. Ф. О возможности образования соды биохимическим путем. Докл.

АН Тадж. ССР, 1972, 15, №9.

Ковда В. А. Солонцы и солончаки. М., Изд-во АН СССР, 1937.

Ковда В. А. Щелочные почвы содового засоления. Докл. симп. по содовому засолению почв. Т. 14, Будапешт, 1965.

Ковда В. А., Самойлова Е.М. Некоторые проблемы содового засоления. Докл. на межд. симп. по содовому засолению почв. Ереван, 1969.

Ковда В. А. Основы учения о почвах. Кн.1, М., "Наука", 1973.

Пейве Я. В. Биохимия почв. М., Изд. АН СССР, 1963.

Судариков Ю. А. Ближайшие задачи поисковых работ на газ и нефть в пределах Восточного погружения Донбасса. Сов. геология, 8, 1962.

Успенская Н. Ю. Тектоническая структура эпигерцинской платформы Пред- кавказья и некоторые особенности нефтегазонакопления в ее пределах.

В кн.: Молодые платформы, их тектоника, и перспективы нефтегазонос- ности. М., 'Наука*, 1965.

Швембергер Н.А. Тектоника и основные этапы развития Азово-Кубанской впадины. Бюлл. М.О.И.П. отд. геологии, т. 27 (2), 1962.

Швембергер Н.А. Тектоника и основные этапы развития Скифской платфор-' мы. В кн.: Молодые платформы, их тектоника и перспективы нефтегазо- носности. М., 'Наука', 1965.

<< | >>
Источник: Ковда.В.А. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ В БИОСФЕРЕ. 1976

Еще по теме О БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛАХ ИЗОТОПОВ СЕРЫ В ПОЧВАХ В. В. Буйлов, И. В. Буйлова:

  1. ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР ПО ИССЛЕДОВАНИЮ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ УГЛЕРОДА, АЗОТА, ФОСФОРА, КАЛЬЦИЯ И СЕРЫ
  2. РЕКОМЕНДАЦИИ РАБОЧЕЙ ГРУППЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ 'ПИТАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ' (азота, фосфора, серы, калышя)
  3. Нормальный биогеохимический фон и биогеохимические аномалии
  4. 6.1. Поведение серы6.1.1. Распределение серы между фазамн. Опыт работы установки РОМЕЛТ показал, что распределение серы между продуктами плавки существенно отличается от традиционной восстановительной плавки в доменной печи: Продукты плавка
  5. Настоящие злаковые и ястребинковые луга на песчаных почвах
  6. ДОМИНАНТНЫЕ СИМВОЛЫ В РИТУАЛЬНЫХ ЦИКЛАХ
  7. ДИНАМИКА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВПРИ ИСПЫТАНИИ БИОПРЕПАРАТОВ ДЕСТРУКЦИИ НЕФТИ В ПОЧВАХ
  8. 6. ПОВЕДЕНИЕ СЕРЫ И ДРУГИХ СОПУТСТВУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
  9. МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПОЧВАХИ ГРУНТАХ С УЧЕТОМ КОЭФФИЦИЕНТА ИНФИЛЬТРАЦИИ
  10. 6.1.2. Удаление серы в газовую фазу.