Факторы устойчивости аллювиальных дерново-глеевых почв пойм ручьев в подзоне южной тайги к воздействию кислот и оснований

Русакова, Екатерина Сергеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Факторы устойчивости аллювиальных дерново-глеевых почв пойм ручьев в подзоне южной тайги к воздействию кислот и оснований
ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Факторы устойчивости аллювиальных дерново-глеевых почв пойм ручьев в подзоне южной тайги к воздействию кислот и оснований"

На правах рукописи

Русакова Екатерина Сергеевна

Факторы устойчивости аллювиальных дерново-глеевых почв пойм ручьев в подзоне южной тайги к воздействию кислот и оснований (на примере почв ЦЛГПБЗ)

Специальность 03.02.13-почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2013 г.

005541851

5 ДЕК 2013

005541851

Работа выполнена на кафедре химии почв факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

Доктор биологических наук, профессор Соколова Татьяна Алексеевна Официальные оппоненты:

Копцик Галина Николаевна, доктор биологических наук, старший научный сотрудник, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, профессор кафедры общего почвоведения

Чижикова Наталья Петровна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Государственное научное учреждение Почвенный институт имени В.В.Докучаева, заведующая лабораторией минералогии и микроморфологии почв

Ведущая организация - Институт Биологии Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар)

Защита диссертации состоится ^декабря 2013 г. В 1£час 00 мин в ауд.А^на заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, стр. 12, факультет почвоведения

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Ученый секретарь диссертационного совета:

Никифорова Алла Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Проблемы кислотно-основной буферности для почв подзолистой зоны изучены преимущественно для подзолистых почв. Для аллювиальных дерново-глеевых почв, развитых в поймах небольших ручьев и занимающих аккумулятивные или тран-зитно-аккумулятивные позиции в геохимическом ландшафте, этот вопрос почти не исследован. Вместе с тем, его изучение необходимо для понимания процессов миграции различных соединений в пределах, как почвенных профилей, так и в ландшафте, и для оценки устойчивости ландшафта в целом к неблагоприятным воздействиям. Почвы пойм оказывают большое влияние на состав поверхностных природных вод. От кислотно-основных свойств этих почв в значительной мере зависит поступление тех или иных соединений в поверхностные воды. Сказанное определяет актуальность работы.

Цель работы - изучить факторы устойчивости аллювиальных дерново-глеевых почв пойм ручьев ненарушенных южно-таежных ландшафтов к воздействию кислот и оснований, т.е. выявить почвешше свойства, контролирующие буферность этих почв к кислоте и основанию в разных интервалах значений рН.

Задачи работы.

1. Получить полную характеристику химических свойств, гранулометрического состава и минералогического состава тонких фракций для изучаемых аллювиальных дерново-глеевых почв.

2. Методом непрерывного потенциометрического титрования охарактеризовать общую буферность основных генетических горизонтов изучаемых почв к кислоте в интервале значений рН от начальной точки титрования (НТТ) до 3 и к основанию от рН НТТ до 10 и оценить буферность по интервалам значений рН, равным 0,25 единицы рН.

3. Провести корреляционный анализ показателей для совокупностей разных генетических горизонтов исследованных почв для выявления свойств, контролирующих буферность этих почв к кислоте и основанию.

4. На основании анализа структуры буферности и данных по изменению состава жидкой фазы суспензии в процессе титрования кислотой и основанием выявить основные буферные реакции, протекающие в процессе титрования, и дать им количественную оценку.

Научная новизна. Впервые была детально исследована кислотно-основная буфер-ность аллювиальных дерново-глеевых почв пойм ручьев, выявлены основные буферные реакции, определяющие буферность этих почв. Впервые дана количественная оценка вклада в кислотно-основную буферность аллювиальных дерново-глеевых почв реакций вытеснения обменного Са, и К и реакции растворения оксалатов Са, реакций растворения соединений А1, Мп, Ре и 81, реакций протонирования поверхностных гидроксильных групп каолинита, реакции депротонирования ОН-групп на поверхности частиц гидроксидов Ре, каолинитовых кристаллитов и иллитовых кристаллитов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Исследованные аллювиальные дерново-глеевые почвы пойм ручьев характеризуются слабокислой или нейтральной реакцией среды и высокой степенью насыщенности ППК. Особенностями изученных почв является присутствие в составе тонких фракций смешанослойных иллит-хлорита, хлорит-вермикулита и окристаллизован-ных минералов гидроксидов Ре, отсутствие однозначно диагностируемых почвенных хлоритов и повышенное содержание несиликатных соединений Ре и А1.

2. В исследованных почвах выявлены достоверные прямые зависимости между буферностью к кислоте и содержанием обменных оснований и между буферностыо к кислоте и содержанием Сорг., что не свойственно подзолистым и болотно-подзолистым почвам.

3. При взаимодействии с кислотой в минеральных горизонтах основное количество протонов расходуется на вытеснение обменных оснований, а в органогенных горизонтах - на вытеснение протоном обменных оснований и растворение оксалатов Са. В горизонтах О и А1 значительный вклад в буферность к кислоте принадлежит соединениям Мп. Аллювиальные дерново-глеевые почвы, по сравнению с другими почвами подзолистой зоны, характеризуются максимальным вкладом реакций вытеснения обменных оснований протоном в формирование буферности к кислоте.

4. При взаимодействии с основанием из буферных реакций, вклад которых удалось количественно оценить, наибольшую роль играют: реакция депротонирования ОН-групп на поверхности гидроксидов Ре, реакция депротонирования ОН-групп на поверхности иллитовых кристаллитов и реакция растворения алюмосиликатов.

5. В исследованных почвах несиликатные соединения Ре и А1 являются существенным фактором, контролирующим величину буферности, как к кислоте, так и к основанию.

Практическая значимость новых научных результатов.

Полученные данные можно использовать для прогноза процессов миграции различных элементов в ландшафте под воздействием кислотных и щелочных реагентов при техногенном воздействии.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на молодежных конференциях: Докучаевские чтения 2010, 2011, Ломоносов 2009, 2010, 2012, на VI Съезде Докучаевского общества почвоведов. Публикации. Основные практические и теоретические результаты диссертации опубликованы в 13 статьях и докладах, среди которых 4 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Она изложена на 154 страницах печатного текста, включает 34 рисунка, 12 таблиц и содержит список литературы из 99 наименований, среди которых 61 отечественных и 38 иностранных авторов.

Благодарности. Автор глубоко признателен за неоценимую помощь в работе и постоянное внимание своему научному руководителю, д.б.н., профессору Т.А. Соколовой, искренне благодарен д.б.н. И.И. Толпешта за помощь в организации практических работ и за ценные консультации. Автор также благодарен A.B. Кирюшину и М.М. Карпухину за помощь в выполнении практической части работы. Автор выражает благодарность сотрудникам и руководству ЦЛГПБЗ — за предоставленную возможность сбора материала для диссертации и проведения полевых работ на территории заповедника. Автор признателен своим друзьям и коллегам Ю.Г. Максимовой, И.В. Макарычевой (Ишковой), И.П. Макарычеву и A.A. Изосимову за поддержку и помощь в работе.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ГЛАВА 1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ И ПОЧВЫ ЦЛГПБЗ Исследования проводили в Центрально-лесном государственном природном биосферном заповеднике (ЦЛГПБЗ) в Нелидовском районе Тверской области. В данной главе охарактеризованы природные условия и особенности почвенного покрова территории заповедника («Регуляторная роль....», 2002, Пузаченко и др., 2007, Карпа-чевский и др., 1995, Миняев, Конечная, 1976, Абрамова, Уланова, 1979, Трофимов, Строганова, 1991, Соколов, 1949 и др.).

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ БУФЕРНЫЕ РЕАКЦИИ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КИСЛОТЫ И ОСНОВАНИЯ В ПОЧВАХ ПОДЗОЛИСТОЙ ЗОНЫ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) На основании анализа литературных данных выявлены основные соединения, способные обеспечивать буферность почв к кислоте и к основанию, и рассмотрены возможные буферные реакции и механизмы, происходящие в почвах подзолистой зоны при воздействии кислот и оснований (Иванова, 1999, Лесные почвы ...., 2002, Шамрикова, 2002, 2005, Алексеева, 2003, Соколова и др., 1993, 2001, 2007, Козлова, 1999, Певный, Соколова, 1997, Копцик, Силаева, 1995, Stumm, 1992, Van Breemen, 1974, Tertre et al., 2006, Chorover 1995, Chorover, Sposito, 1995, Fukushima et al., 1995, Milne et al., 1995, Bergelin, Hees, 2000, James, Riha, 1986, Natscher, Schwertmann, 1991 Ulrich, 1986 и др.).

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Объектами исследования послужили образцы из основных генетических горизонтов 5 разрезов аллювиальных дерново-глеевых почв. Два разреза были заложены в 2007 году. Материалы по этим почвам были получены и опубликованы совместно с И.В. Ишковой, И.И. Толпсшта и Т.А. Соколовой (Ишкова и др., 2010, Русакова и др., 2012). Образцы почв из 3 других разрезов были отобраны автором в 2010 году при работе в составе экспедиции кафедры химии почв факультета Почвоведения МГУ в Центральном лесном государственном природном биосферном заповеднике (Нелидовский район Тверской области).

Методы исследования. Химические свойства почв определяли общепринятыми методами (Воробьева, 2006). Выделение тонких гранулометрических фракций проводили по методике Р.Х. Айдиняна (1960). Минералогический состав илистой и тон-копылеватой фракций определяли методом рентген-дифрактометрии на приборе ДРОН-3. Процентное содержание отдельных групп глинистых минералов в составе тонких фракций рассчитывали по модифицированной методике Э.А. Корнблюма (Соколова и др., 2005). Проводили обработку образцов почв по Тамму и по Мера и Джексону, в вытяжках определяли содержание Fe и Al методом ICP-MS на приборе Agilent ICP-MS 7500А. Буферность к кислоте и основанию оценивали методом непрерывного потенциометрического титрования водных суспензий образцов исходных почв и почв после обработок по Тамму и Мера и Джексону на титраторе Mettler Toledo DL 58. Титрование проводили от рН начальной точки титрования (НТТ) до значения рН 3 (при титровании кислотой) и от рН НТТ до рН 10 (при титровании осно-

ванием). В жидкой фазе суспензий до и после титрования, определяли содержание А1, Бе, Мп, М& Са, Ыа, К методом ЮР-МЭ.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 4.1 Общая химическая характеристика почв

Таблица 1. Некоторые химические свойства исследованных почв.

Горизонт рН н2о рн КС1 ммоль экв/кг С орг,%

Са К 2 обм. основ. Н+А1 обм. ЕКО эфф.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Разрез 2-2010

О 638 5,89 166,5 83Д 56,2 305,9 24,2 330,1 89,3*

А1 6,33 5,12 64,6 22,4 22,4 109,4 1,0 110,4 5,5

АВ 6,25 4,83 52,0 7,4 1,4 60,8 0,3 61,1 1,3

Вв 6,55 4,98 46,1 12,1 1,5 59,7 0,2 59,9 1,2

ивсю 6,94 5,39 37,4 12,5 2,1 52,0 0,2 52,2 0,9

Разрез 3-2010

О 6,41 5,99 192,2 38,4 71,4 302,0 20,6 322,6 90,2*

А1 5,92 4,47 52,9 4,8 2,0 59,7 0,6 60,3 2,7

ЛBg 6,19 4,46 28,9 7,2 1,0 37,1 1,2 38,3 1,2

Вв 6,59 4,69 44,0 13,0 1,5 58,5 0,5 • 59,0 0,6

ИВШ 6,83 4,97 92,5 19,5 2,7 114,7 0,2 114,9 1,0

Разрез 4-2010

А1 5,88 4,99 55,8 21,8 4,7 82,3 0,6 82,9 5,1

АВ° 5,85 4,56 51,8 14,8 2,7 69,3 1,0 70,3 зд

Апоф 5,93 4,66 54,9 10,0 3,5 68,4 0,8 69,2 4,5

Вв 6,34 4,77 50,8 14,5 0,2 65,5 0,5 66,0 2,7

ПВПО 6,29 4,78 52,1 17,4 2,2 71,7 0,3 72,0 1,0

Разрез 5-2007

О 6,53 5,88 172,3 45,5 71,7 244,0 30,1 274,1 90,6*

А1 6,07 5,30 65,0 9,0 14,9 88,9 1,0 89,9 3,6

ПВ 7,51 6,57 44,6 0,1 10,6 55,3 0,2 55,5 1,8

8,29 7,51 86,1** и/о н/о н/о н/о 0,1

Разрез 7-2007

О 5,72 5,24 169,3 44,8 31,2 245,3 10,4 255,7 68,0*

А1 6,05 5,26 60,0 4,0 5,4 69,4 0,4 69,8 2,5

В 6,78 6,19 49,9 0,1 5,4 55,4 0,2 55,6 1,4

ПВё 8,19 7,39 91,9** н/о н/о н/о н/о 0,2

*) потеря при прокаливании; **) определено по Пфефферу (Воробьева, 1998); ***) н/о

- не определяли

В разрезах 2-2010, 3-2010 и 4-2010 по всему профилю наблюдается слабокислая реакция среды, в разрезах 5-2007 и 7-2007 в нижних горизонтах реакция среды ела-

бощелочная за счет близкого залегания карбонатной морены. В разрезе 4-2010 есть погребенный гумусовый горизонт. Содержание Сорг. во всех разрезах незакономерно варьирует по глубине. Преобладающими обменными катионами является Са и М^, максимум содержания которых наблюдается в подстилках.

4.2. Минералогический состав тонких фракций

Таблица 2. Минералогический состав тонких фракций

Горизонт Фракция Содержание фракции, % % от X 3-ех компонентов Полуколичественная оценка*'

каолинит+ хлорит иллит лабильные минералы н 5 О. О е: X смешанослойные кварц полевые шпаты гетит лепидокро-кит

£ = в о о ° 5 5 с иллит-смектит иллит-хлорит хлорит-вермикулит

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Разрез 2-2010

А1 < 1мкм 8 63 32 6 + ? + ++ ++ + - + -

АВ 8 60 40 0 + ? + ++ ++ - - + -

ВО 9 55 45 0 + ? + ? ++ - - + -

НВШ 10 49 41 10 - ? + 7 + - - + +

А1 Я ьй з 6 73 22 5 н/ о н/о н/о н/о н/о н/о н/о н/ О н/о

АВ 5 61 30 9 + 7 ? - + +++ + - -

Вй 5 62 32 6 + 7 - - ++ +++ + - -

11ВБО 3 73 22 5 + ? - - ++ +++ + - +

Разрез 3-2010

А1 3 з V 12 66 30 4 + 7 + +++ +++ - - - -

ABg 8 57 34 8 + 7 + +++ -Н-+ - - - -

ВО 12 52 46 2 + ? + ++ ++ - - - -

ИВШ 17 44 53 3 + 7 ++ ? + - - + -

А1 а г 5 57 41 2 + ? - - ++ - - - -

АВё 4 60 37 3 + 7 - - ++ +++ + - -

ВО 4 56 38 5 + 7 - - + +++ + - -

1ПШО 6 49 41 11 + 7 - - + +++ + - -

Разрез 4-2010

А1 < 1мкм 8 59 36 6 + ? + 7 -44- + - - -

ABg 9 65 34 1 + ? + ++ ++ + - - -

ВО 10 66 27 6 + 7 + +++ +++ + - - -

ИВШ 12 57 43 0 7 ? + +++ +++ + - - -

А1 5 51 49 0 + 7 - - ++ +++ + - -

АВ§ г «л 5 51 49 0 + 7 - - ++ +++ + - -

ВО 6 55 42 3 + ? 7 - +++ +++ + - -

ПВОО 5 62 32 6 + 7 - - +++ +++ + - -

Таблица 2. (продолжение)

1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 П 12 13 14 15

Разрез 5-2007

А1 5 1 38 41 21 + ? + - ? + + - -

ИВ а 16 33 51 16 ? - + - - + - - -

пв8 v 16 33 51 16 ? - + - - + - + -

Л1 1 45 43 12 + ? - - + -Н-+ + - -

нв 3 41 53 6 + ? ? - + +++ + - -

пв8 4 37 52 10 + - - - ? +++ + - -

Разрез 7-2007

А1 1 45 43 12 + ? 7 - ++ + + - -

В 2 8 46 42 12 + ? - - + + + - -

ПВ8 v 19 31 47 22 + - + - - + - + -

Л1 - 3 39 53 8 + - - - ? +++ + - -

в 2 3 43 46 12 + - ? - + +++ + - -

пвв — 3 43 43 14 + - ? - - +++ + - -

- минерал отсутствует, + — мало, ++ — средне, +++ — много, ? — присутствие минерала возможно, но однозначно не диагностируется; **' н/о - не определяли

Содержание илистой фракции в горизонтах исследованных почв, развитых в пределах толщи покровного суглинка, варьирует в пределах 1-12% (табл. 2). При переходе к подстилающей породе содержание ила резко возрастает до 10-20%. Какой-либо отчетливой закономерности в профильном распределении тонких фракций не наблюдается, что объясняется постоянным притоком на поверхность почв нового материала в период снеготаяния и сильных ливней.

Преобладающими компонентами в составе тонких фракций являются диокта-эдрический иллит, каолинит, смешанослойные иллит-смектитовые и иллит-вермикулитовые минералы и небольшое количество хлорита. В тонкопылеватой фракции возрастает содержание жестких слоистых структур, кварца и полевых шпатов. В подстилающей породе в илистой фракции наблюдается уменьшение содержания минералов группы иллита и увеличивается количество каолинита. Спецификой состава глинистого материала изученных почв является присутствие в тонкодисперсных фракциях двух типов смешанослойных минералов, не встречающихся в почвах плакорных позиций: неупорядоченных иллит-хлоритов и неупорядоченных хлорит-вермикулитов с перемешгой нормой переслаивания. С учетом данных по минералогическому составу крупных фракций высказана гипотеза, что оба типа смешанослойных минералов имеют своим источником каменистый материал, содержащий слоистые силикаты гипергенного или постмагматического происхождения,

который находится в составе моренных отложений и подвергается дроблению и механическому истиранию при переносе водными потоками. Еще одной особенностью минералогического состава почв пойм ручьев является присутствие окристаллизован-ных гидроксидов Бе, представленных гетитом и лепидокрокитом.

4.3. Содержание и профильное распределение нссиликатных соединений железа и алюминия Содержание и профильное распределение алюминия Таблица 3. Содержание А1 и Ре в вытяжках Мера и Джексона и Тамма

Горизонт ммоль/кг

Вытяжка Мера и Джексона Вытяжка Тамма

А1 Ре А1 Не

1 2 3 4 5

Разрез 2-2010

О 14,1 17,9 23,7 10,7

А1 110,4 142,6 87.7 59,4

АВ 90,8 130,7 59,9 55,8

Вй 96,4 228,2 54,3 73,1

ИВОв 54,9 79,9 31,8 12,0

Разрез 3-2010

О 1,5 8,2 1.7 1,7

А1 75,6 100,9 51,8 57,5

АВё 89,9 193,9 53,1 87,5

Вв 82,0 145,3 49,9 64,4

ИВОО 115,6 325,2 75,0 138,4

Разрез 4-2010

А1 105,7 208,7 70,2 104,8

АВё 94,8 .144,8 60,2 65,3

Апогр 129,2 174,9 58,4 62,0

ВО 82,2 107,0 78,9 94,0

ПВШ 64,2 72,5 46,5 39,1

Разрез 5-2007

О не опр. не опр. 5,4 2,6

А1 не опр. не опр. 225,3 105,8

ИВ не опр. не опр. 14,4 22,4

НВ8 не опр. не опр. 6,8 6,3

Разрез 7-2007

О не опр. не опр. 70,7 30,0

А1 не опр. не опр. 248,2 122,2

В не опр. не опр. 125,3 25,1

HBg не опр. не опр. 6,5 13,3

Для всех горизонтов (за исключением подстилок) исследованных аллювиальных дерново-глеевых почв содержание А1 в вытяжке Мера и Джексона (A1Cdb) выше, чем оксалаторастворимого А1(А10х) (табл. 3). Это различие связано, прежде всего, с тем, что по методу Мера и Джексона обработку проводили двукратно, в то время как по методу Тамма была проведена однократная обработка. C.B. Зонн (1992) объясняет это явление также высвобождением окклюдированного алюминия вместе со свободным железом при восстановлении последнего и большей способностью горячего лимоннокислого натрия растворять паракристаллические формы алюминия.

Профильные распределения А10х и AIcdb различается по разрезам. В разрезе 2-2010 наблюдается аккумулятивное распределение А1. Снижение содержания алюминия вниз по профилю находится в соответствии с распределением А1-органических комплексов, которые являются основными источниками алюминия в этих почвах (Толпешга, 2010). В разрезах 3-2010 и 4-2010 содержание А10х и A1Cdb слабо дифференцированно и незакономерно варьирует по глубине. В разрезах 5-2007 и 7-2007 наблюдается отчетливое накопление содержание А10х в горизонтах А1, где оно превышает 200 ммоль/кг, что в несколько раз выше, чем в автоморфных почвах. Было высказано предположение (Толпешга, Соколова, 2010), что в этих профилях Alox накапливается в форме А1-органических комплексов, а также, возможно, в составе осаждающихся из растворов аморфных алюмосиликатов.

Содержание и профильное распределение железа.

Во всех горизонтах исследованных аллювиальных дерново-глеевых почв содержание железа, извлекаемого вытяжкой Мера и Джексона (FeCDB) превышает содержание оксалатнорастворимого железа (Feox) примерно в 1,5-3 раза, а в горизонте IIBDG разреза 2-2010 - в 5 раз. Это можно объяснить значительно большей селективностью вытяжки Мера и Джексона в отношении несиликатных соединений Fe, а также двукратной обработкой по этому методу. Полученные данные свидетельствуют о том, что почвы пойм ручьев содержат значительное количество окристаллизованных несиликатных соединений железа. Это подтверждается данными рентген-дифрактометрического анализа - в исследованных почвах были диагностированы минералы гетит и лепидокрокит. Наименьшее содержание железа, извлекаемого вытяжками Тамма и Мера и Джексона (1,7-30 ммоль/кг) в исследованных почвах наблюдается в подстилках (табл. 3). При переходе к минеральным горизонтам, содержание Fe резко возрастает.

Профильные распределения содержания Реох и Ресов не имеют каких-либо единых закономерностей в исследованных почвах, т.к. оно зависит от содержания органического вещества и окислительно-восстановительных условий. Во всех исследованных почвах есть морфологические признаки оглеения и сегрегации Ре в форме конкреций, ржавых пятен и примазок, которые распределены в почвах неравномерно.

Накопление Ре0х и Ресов наблюдается в нижних горизонтах в разрезах 2-2010, 3-2010 и 4-2010. Максимальное в профиле содержание Ре0х в разрезах 3-2010, 5-2007 и 7-2007 приурочено к горизонтам А1, за счет аккумуляции железо-органических комплексов.

Почти во всех горизонтах исследованных почв содержание Ре0х и РеСов существенно выше, чем в почвах автоморфных позиций (Маряхина, 2009, Толпешта, Соколова, 2009, Максимова, 2010). Аккумуляцию несиликатных соединений железа и алюминия в аллювиальных дерново-глеевых почвах можно объяснить дополнительным поступлением соединений этих элементов из почв автоморфных позиций и склонов с боковым током почвенных растворов.

4.4. Буферность исследованных почв к кислоте и основанию.

Таблица 4. Общая буферность к кислоте и основанию исследованных аллювиальных дерново-глеевых почв

Горизонт г Общая буферность к кисоте (рН НТТ-рН 3), ммоль экв/кг Общая буферность к основанию (рН НТТ-рН 10), ммоль экв/кг

Исходный образец Обработан по Тамму Обработан по Мера и Джексону Исходный образец Обработан по Тамму Обработан по Мера и Джексону

1 2 3 4 5 6 7

Разрез 2-2010

О 575,2 325,3 379,9 359,5 423,7 346,0

А1 101,5 64,8 44,6 145,3 72,5 78,1

АВ 43,3 23,0 22,2 91,3 32,1 24,6

Вв 37,7 18,7 27,4 76,4 24,5 28,3

ПЕЖв 34,4 16,7 18,7 30,0 25Д 17,1

Разрез 3-2010

О 595,0 349,9 491,5 439,5 515,1 374,5

А1 45,9 30,3 26,9 98,6 55Д 38,1

АВв 27,9 14,4 16,7 60,1 21,4 14,8

Вв 32,2 25,1 20,1 50,6 32,0 48,6

пвов 52,5 34,7 36,7 67,1 45,9 53,6

Таблица 4. (продолжение)

1|2|3|4|5|6!7

Разрез 4-2010

А1 84,0 37,2 23,7 128,0 83,1 96,6

ав8 53,7 27,9 29,1 103,7 65,8 48,1

Апогр 68,2 32,5 30,6 139,2 65,0 65,2

вв 45,5 21,8 21,8 92,5 53,6 42,7

ивбо 38,9 24,7 27,5 50,5 33,6 31,8

Разрез 5-2007

О 383,2 363,0 334,8 215,6 -

А1 103,1 73,9 - 173,6 67,8 -

нв 45,9 15,9 - 17,6 22,4 -

пвё 256,6**' 241,7**' 21,7**' 17,2**'

Разрез 7-2007

о 239,2 185,8 - 196,5 156,8 -

А1 115,4 85,0 - 126,4 67,6 -

в 83,4 27,8 - 80,6 25,7 -

пв8 172,6**' 172,6**' - 24,6**' 21,3**' -

*) прочерк - показатель не определяли, **) определяли после удаления карбонатов.

Буферность к кислоте и основанию исходных образцов

Во всех профилях максимальной буферностью как к кислоте, так и к основанию обладают органогенные горизонты за счет реакций протонирования-депротонирования функциональных групп органических кислот.

Буферность к кислоте. Органогенные горизонты.

Органогенные горизонты исследованных почв характеризуются высокими значениями буферности к кислоте. Это связано с тем, что подстилки исследованных почв представлены опадом лиственных пород, богатым обменными основаниями. Полученные значения превышают приводимые в литературе данные по буферное™ к кислоте органогенных горизонтов автоморфных подзолистых почв (Иванова и др., 2001, Кузнецов и др., 2007, Максимова и др., 2010), что связано с более высокими значениями рН в почвах поймы и, соответственно, большей степенью насыщенности ППК основаниями, а также более высокой зольностью опада.

На графике интенсивиостей буферности разрезов 2-2010 и 3-2010 (рис. 1 и 2) намечается несколько слабо выраженных максимумов. Максимум в интервале рН 4,75-5,0, вероятно, соответствует реакции вытеснения протоном Са, Mg, и К с обменных позиций и из неразложившихся растительных остатков. В разрезе 3-2010 на-

блюдается также максимум интенсивности буферности в области рН 3-3,5, соответствующий решениям растворения оксалата кальция и магния.

5. 350 I эоо

Гор. О (2-2010)

■ Без обр.

О После обр. по Тайму

А> ¿р А> ¿> ¿> Л> £ Л &

Интервалы рН

Гор. АВ (2-2010)

■Без обр.

а После обр. по Темпу

ит»р—лы рН

Гор. А1 (2-2010)

■Без обр. СПослеобр.П

Гор. ВС (2-2010)

О После обр. по Тайму

////////////// ИИжр«мирН

Рисунок 1. Зависимость интенсивности буферности по интервалам рН от рН в разрезе 2-2010

Буферность к кислоте. Минеральные горизонты.

При переходе от органогенных горизонтов к минеральным буферность водных суспензий к кислоте значительно снижается. Исключение составляют горизонты ИГ^ разрезов 5-2007 и 7-2007 почв, в которых буферность к кислоте достигает максимального значения в профиле, что связано с высоким содержанием в них карбонатов. В структуре буферности к кислоте горизонтов А1 и АВ можно выделить максимумы в области значений рН 5-5,25, в которой основной буферной реакцией является, вероятно, протежирование карбоксильных групп гумусовых кислот, а в разрезе 3-2010 - в

области значений рН 3,75-4,0, максимум, связанный с вытеснением протоном обменных оснований.

Гор. О (3-2010)

■Без о5[).

□ После обр. по Тялыу

«ЛлйПйОШ

Интармпы р|

* «1 6 40 J

I »4

Гор. ABg (3-2010)

■ Без Обр.

□ После обр. по Тамму

Гор. А1 (3-2010)

■Бет обр.

□После обр. по Тамну

|||||1!1в|й1:а|111||

»>" •ЯЛ? ЗЗ" Л>"

ИипршырН

Гор. ВС (3-2010)

□ После обр. по Тамму

Гор. ШЮС (3-2010)

■Без обр.

а После обр. по Твмму

Рисунок 2. Зависимость интенсивности буферное™ по интервалам рН от рН в разрезе 3-2010.

В нижних горизонтах разрезов 2-2010, 3-2010, 4-2010 наблюдаются самые низкие в профиле значения буферное™ к кислоте в связи с более низким содержанием буферных компонентов в этих горизонтах. В горизонте ИВОв разреза 3-2010 наблюдается повышение общей буферное™ к кислоте по сравнению с вышележащими горизонтами, что связано с повышенным содержанием таких буферных компонентов, как подвижные соединения А1 и Ре и глинистые минералы.

Буферность к основанию. Органогенные горизонты.

В подстилках исследуемых почв наблюдаются высокие значения буферное™ к основанию. Во всех разрезах, за исключением разреза 3-2010, величины общей буферное™ к основанию получились существенно меньше, чем в подстилках подзолистых почвах плакорных позиций (Максимова и др., 2010). Данные отличия, вероятно, связаны с более высокими значениями рН НТТ в исследованных почвах и меньшей степенью разложенное™ опада. В структуре буферное™ к основанию в большинстве органогенных горизонтах не наблюдается отчетливых максимумов.

Гор. А1 (4-2010)

Гор. А погр. (4-2010)

■ Без обр.

□После обр. по Томму

£ » Iю

5 т

I 60

| & £ £ £ ^ £ £ Ъ? Ъ?

£ 70

I* 50

Гор. АВ§ (4-2010)

■Без обр.

□Посте обр. по Тамму

Интервалы рН

Гор. ВС (4-2010)

■Без Обр.

□Посас обр.по Тешу

шзшшззшзшщзззззз

<* ^^ «Г «Г К л-л»

Инпрыды р«

Гор. 1ПГОС (4-2010)

Рисунок 3. Зависимость интенсивности буферности по интервалам рН от рН в разрезе 4-2010.

Буферность к основанию. Минеральные горизонты.

Буферность к основанию горизонтов А1 и АВ значительно ниже, чем в верхних горизонтах за счет небольшого содержания органического вещества. На графиках распределения буферности по интервалам значений рН отчетливых максимумов не выявлено. В горизонтах ВО и ИВОй происходит дальнейшее уменьшение буферно-сти в соответствии с уменьшением в них содержания основных буферных компонентов.

Изменение буферности исследованных почв к кислоте и к основанию под воздействием обработок по Тамму и по Мера и Джексона Под воздействием обработок реактивом Тамма и Мера и Джексона происходит сильное (в 1,5-4 раза) снижение буферности как кислоте, так и к основанию во всех горизонтах (табл. 4, рис. 1-3).

В минеральных горизонтах исследованных разрезов снижение общей буферное™ к основанию в результате обработок связано с удалением одного из основных буферных компонентов - несиликатных соединений Бе и А1. В органогенных горизонтах обе обработки удаляют из почвы некоторое количество органического вещества. С растворенным органическим веществом из почвы теряется и часть сорбционных центров с находящимися на них обменными основаниями. В минеральных горизонтах снижение общей буферности к основанию в результате обработок связано с удалением несшшкатаых соединений Ре и А1 - носителей поверхностных ОН-групп, способных к реакции депротонирования.

4.5. Корреляционные зависимости мезвду буферностью исследованных почв к кислоте и основанию и некоторыми химическими свойствами почв Для всей выборки, включая органогенные и минеральные горизонты, выявлена достоверная связь между буферностью исследованных почв к кислоте и суммой обменных оснований, что подтверждает большую роль реакций катионного обмена в обеспечении буферности почв к кислоте.

Как видно из табл. 5, содержание органического вещества в верхней части профиля, за исключением подстилок, и горизонтов подстилающей породы, находится в тесной взаимосвязи с общей буферностью исследованных почв к кислоте. Еще более тесная связь выявлена между содержанием органического вещества и буферностью почв к основанию. На основании этого можно утверждать, что органическое вещество является одним из главных буферных компонентов в исследованных почвах пойм ручьев.

Снижение буферное™ к кислоте и к основанию после обработки почв реактивами Тамма и Мера и Джексона дают основания считать, что несиликатные соединения железа и алюминия также играют большую роль в создании буферности. Для исследованных аллювиальных дерново-глеевых почв были получены значимые коэффициенты кореляции между буферностью к кислоте и основанию и содержанием А1ох и Реох. Выявлена также достоверная корреляция между общей буферностью к основанию и содержанием А1 в вытяжке Мера и Джексона, хотя и менее выраженная, чем между общей буферностью и А1ох.

Таблица 5. Коэффициенты парной корреляции между буферными характери-

стиками и некоторыми свойствами аллювиальных дерново-глеевых почв

Пары показателей, между которыми рассчитан коэффициент корреляции п г

Общая буферность к кислоте - обменные основания (все горизонты) 21 0,91*

Общая буферность к кислоте — обменные основания (минеральные горизонты) 14 0,77*

Общая буферность к кислоте - С орг. (горизонты Al, ABg, BG) 9 0,97*

Общая буферность к кислоте - Alox (все горизонты, кроме горизонтов О и IIBDG) 14 0,71*

Общая буферность к кислоте - Feox (все горизонты, кроме горизонтов О и IIBDG) 14 0,69*

Общая буферность к кислоте - Alox + Feox (все горизонты, кроме горизонтов О и IIBDG) 14 0,74*

Общая буферность к основанию — С орг. (все горизонты, кроме горизонтов О) 19 0,84*

Общая буферность к основанию - Feox (все горизонты, кроме горизонтов О) 19 0,82*

Общая буферность к основанию - Feox (горизонты IIBDG) 5 0,99*

Общая буферность к основанию — Alox (все горизонты, кроме горизонтов О) 19 0,67*

Общая буферность к основанию - Alox (горизонты BG, IIBDG) 10 0,86*

Общая буферность к основанию - Alox + Feox (все горизонты, кроме горизонтов О) 19 0,66*

Общая буферность к основанию - Alox + Feox (горизооты BG, IIBDG) 10 0,90*

Общая буферность к основанию - AIcdb (все горизонты, кроме горизонтов О) 19 0,73*

* Значимы при Р = 0,99

4.6. Количественная оценка вклада отдельных реакций п формирование буферное™ исследованных почв к кислоте и основанию

Была сделана попытка количественно оценить вклад отдельных реакций в формирование буферное™ почв к кислоте и основанию, с учетом ряда допущений. Для этого использовались данные содержания элементов в жидкой фазе суспензии до и после титрования, содержания несиликатных соединений Ее и А1 и минералогического состава тонких фракций.

Буферность к кислоте. Принципы расчетов

Реакции вытеснения обл1енного Са и реакции растворения оксапатов Са, Для органогенных горизонтов принималось, что весь обменный Са, содержащийся в них, вытеснялся в раствор протоном, а разницу между количеством Са в фильтрате и содержанием обменного Са относили за счет реакции растворения оксалатов Са с последующим протонированием оксалат-аниона. Для минеральных горизонтов делалось допущение, что количество Са в фильтрате равно количеству обменного Са, вытесненного из ППК протоном.

Реакции вытеснения обменных Mg и К. Для образцов из всех горизонтов принималось, что все количество этих катионов в фильтрате - это катионы, вытесне1шые протоном из ППК в ходе буферной реакции.

Реакция растворения соединений Л!. В органогенных горизонтах А1 при титровании кислотой до рН 3 переходит в раствор в результате диссоциации А1-органических комплексов с образованием в жидкой фазе частицы А13'. Поскольку исходные значения рН исследованных почв были равны ~ 6, можно предположить, что А1 в составе таких комплексов изначально имел основность Л1(ОН)2+, и поэтому эквивалентное число для А1 принималось равным 2. В минеральных горизонтах это число также считалось равным 2.

Реакции растворения соединений Мп. В процессе титрования кислотой марганец мог переходить в раствор в результате следующих реакций - реакции вытеснения обменного Мп из ППК протоном, а в верхних горизонтах -реакции диссоциации Мп-органических комплексов с последующим протонированием лигандов. Принималось, что и в том, и в другом случаях Мп имеет валентность 2.

Реакции протонирования поверхностных гидроксипьных групп каолинита.

Принимая удельную поверхность (УП) каолинита равной 10 м2/г и выразив процентное содержание каолинита на почву в целом с учетом количества фракций ила и топкой пыли, рассчитывалась поверхность каолинитовых частиц в м2 в одном

килограмме почвы. Эта величина умножалась на 1,1 мкмоль/м2 (количество протонов, необходимое для протонирования ОН-групп на поверхности 1м2 при титровании суспензии каолинита до рН 3, Tertre et al, 2006), и получалось количество протонов, которое расходуется на протонирование поверхностных гидроксильных групп каолини-товых частиц.

Буферность к кислоте. Результаты расчетов Таблица 6. Вклад отдельных реакций в общую буферность почв к кислоте при

титровании до рН 3, в % от общей буферности

Горизонты Реакции

Вытеснение обменного Са Растворение оксалатов Са Вытеснение обменного Mg Вытеснение обменного К Растворение соединений А1 Растворение соединений Мп Протонирование ОН-групп каолинита Неучтенные реакции

Разрез 2-2010

О 29 31 14 4 1 2 0 19

А1 64 40 12 <0,5 1 3 1 не опр.

АВ 67 0 17 3 1 1 2 9

BG 62 0 15 1 1 1 2 18

IIBDG 62 0 17 4 1 <0,5 2 14

Разрез 3-2010

О 32 60 6 2 <0,5 4 0 0

А1 53 8 18 1 1 10 3 6

ABg 67 0 13 2 3 1 3 И

BG 60 0 16 2 <0,5 0 3 19

IIBDG 58 0 15 2 <0,5 1 2 22

Разрез 4-2010

Al 53 0 9 2 1 9 1 25

ABg 65 0 9 2 2 15 2 5

Апогр. 61 0 13 1 1 6 2 15

BG 59 0 14 <0,5 1 5 2 19

IIBDG 69 0 17 <0,5 1 3 3 7

Во всех исследованных разрезах в минеральных горизонтах основное количество протонов (> 80%) при титровании расходуется на вытеснение обменных оснований, а в органогенных горизонтах — на вытеснение протоном обменных оснований и растворение оксалатов Са (табл. 6). В горизонтах О и А1 значительный вклад (2-15%) в буферность к кислоте принадлежит соединениям Мп, что согласуется с литературными данными (Иванова, 1999, Ulrich, 1980). На долю буферных реакций с участием соединений А1 приходится от < 0,5 до 1-2% от общей буферное™, на протонирование поверхностных ОН-групп каолинита — 2-3%.

От 0 до 25% общей буферное™ к кислоте приходится на реакции, которые не были количественно охарактеризованы в ходе данного исследования. Тот факт, что, несмотря на сделанные допущения, доля неучтенных реакций в большинстве горизонтов составляет менее 20% от суммарной буферное™ кислоте, позволяет оценивать сделанные расчеты в целом как удовлетворительные.

Буферность к основанию.

Реакции растворения соединений Al и Fe. В органогенных горизонтах, при титровании основанием до рН 10, Al переходит в раствор в результате диссоциации Al-органических комплексов с образованием в жидкой фазе частицы А1(ОН)4". Поскольку исходные значения рН исследованных почв были равны ~ 6, допускалось, что Al в составе таких комплексов исходно имеет основность А1(ОН)2+, и эквивалентное число для Al принималось равным 2. В минеральных горизонтах это число также принимали равным 2. Аналогичные допущения и аналогичные расчеты делали в отношении содержания Fe в фильтратах после титрования.

Реакции растворения соединений Si. При титровании основанием Si и Al поступают в раствор, скорее всего за счет растворения наиболее тонкодисперсных алюмосиликатов. При расчете вклада в общую буферность реакций растворения соединений Si в процессе титрования основанием эквивалентное число Si принималось равным 1 (Айлер, 1982).

Реакции депротонирования ОН-групп на поверхности частиц гидроксидов Fe. Расчет основан на допущениях о том, что плотность поверхностных гидроксильных групп на оксидах и гидроксидах Fe составляет 5/нм2 (Sparks, 1999) и что УП этих минералов составляет 100 м2/г (Stumm, 1992). Тогда число функциональных групп при пересчете в миллимоли составляет ~1 ммоль/м2. Содержание Fe в вытяжке Мера и Джексона умножалось на удельную поверхность и на 1 ммоль/м2. Полученный результат представляет собой содержание гидроксильных функциональных групп на поверхности частиц гидроксидов Fe, переходящих в вытяжку Мера и Джексона.

Депротонирование ОН-групп на поверхности каолинитовых кристаллитов. Расчеты основаны на экспериментальных работах Хуэртаса и Волласта (Huertas, Wollast, 1998) и Тертре с соавторами (Tertre et al, 2006), по данным которых содержание способных к реакции депротонирования поверхностных ОН-групп каолинита при титровании до рН 10 составляет 2,3 мкмоль/м2. Сначала определялось содержание каолинита в г/кг, затем, принимая величину УП каолинита, равной 10 м2/г (Tertre et al, 2006), рассчитывалась общая поверхность каолинитовых частац в составе или-

стой и тонкопылеватой фракций «о одном килограмме почвы. Эта величина умножалась на 2,3 мкмоль/м2 и делилась на 1000, чтобы перевести в миллимоли, и была отнесена к величине общей буферности.

Депротонирование ОН-групп на поверхности иллитовых кристаллитов. Принцип расчета для количественной оценки этой буферной реакции такой же, как и для реакции депротонирования каолинитовых кристаллитов. В соответствии с результатами потенциометрического титрования суспензии иллита с УП, равной 20 м2/г (Ли, 1997), содержание способных к реакции депротонирования ОН-групп при титровании до рН 10 составляло 0,11 ммоль/г. Рассчитывалось содержание иллита в г/кг, эта величина умножалась на 0,11 и была отнесена к общей буферности к основанию.

Буферность к основанию. Результаты расчетов

Таблица 7. Вклад отдельных реакций в общую буферность почв к основанию при титровании до рН 10, в % от общей буферности

Горизонты Реакции

Растворение соединений А1 Растворение соединений Ре Растворение соединений Б] Депротонирование ОН-групп на гидроксидах Ре Депротонирование ОН-групп на каолините Депротонирование ОН-групп на иллите Не учтенные реакции

Разрез 2-2010

О | 1 <0,5 1 <0,5 0 0 98

А1 8 <0,5 1 9 1 3 78

АВ 14 1 3 13 2 6 61

ВО 12 1 3 27 2 8 47

ПВРО 9 <0,5 4 24 5 17 41

Раз| 5ез 3-2010

О <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 0 0 99

А1 14 <0,5 3 9 3 4 67

АВ8 13 1 3 29 3 5 46

Вв 12 <0,5 3 26 4 15 40

ивоо 8 <0,5 1 43 4 19 25

Раз лез 4-2010

А1 9 <0,5 <0,5 15 1 5 70

АВ§ 10 <0,5 1 12 2 6 69

Апогр. 9 <0,5 2 11 2 6 70

ВО 14 <0,5 2 10 2 6 66

ПВОв 10 <0,5 3 13 3 15 55

Как видно из табл. 7, во всех исследованных разрезах наибольшую роль играют три вида буферных реакций: реакция депротонирования ОН-групп на поверхности

гидроксидов Ре, реакция депротонирования ОН-групп на поверхности иллитовых кристаллитов и реакция растворения, предположительно, аморфных, алюмосиликатов. Меньший вклад в формирование буферности к основанию принадлежит реакции депротонирования ОН-групп на поверхности каолинитовых частиц, вероятно, за счет их малой удельной поверхности, и совсем невелик вклад реакции растворения соединений Ре. Значительная часть буферности к основанию в исследованных почвах обусловлена реакциями, не учтенными в ходе данного исследования, что связано, прежде всего, с участием органического вещества как важнейшего буферного компонента, роль которого количественно не оценивалась в рамках данного исследования.

ВЫВОДЫ

1. Исследованные аллювиальные дерново-глеевые почвы пойм ручьев характеризуются слабокислой или нейтральной реакцией среды и высокой степенью насыщенности ППК. Особенностями изученных почв являются присутствие в составе тонких фракций смешанослойных иллит-хлорита, хлорит-вермикулита и окристаллизован-пых минералов гидроксидов Рс, отсутствие однозначно диагностируемых почвенных хлоритов и повышенное содержание несиликатных соединений Бе и А1.

2. В исследованных почвах выявлены достоверные прямые зависимости между буферностью к кислоте и содержанием обменных оснований и между буферностью к кислоте и содержанием Сорг., что не свойственно подзолистым и болотно-подзолистым почвам. Эту особенность можно объяснить высокой степенью насыщенности ППК аллювиальных дерново-глеевых почв и, соответственно, малой энергией связи обменных оснований с твердой фазой почвы, что способствует их вытеснению протоном в процессе титрования.

3. При взаимодействии с кислотой в минеральных горизонтах основное количество протонов (> 80% от общей буферности к кислоте) расходуется на вытеснение обменных оснований, а в органогенных горизонтах - на вытеснение протоном обменных оснований и растворение оксалатов Са. В горизонтах О и А1 значительный вклад (2-15%) в буферность к кислоте принадлежит соединениям Мп. На долю буферных реакций с участием соединений А1 приходится от < 0,5 до 1-2% от общей буферности, на протонирование поверхностных ОН-групп каолинита - 2-3%. Исследованные аллювиальные дерново-глеевые почвы по сравнению с другими почвами подзолистой зоны, характеризуются максимальным вкладом реакций вытеснения обменных оснований протоном в формирование буферности к кислоте.

4. При взаимодействии с основанием из буферных реакций, вклад которых удалось количественно оценить, наибольшую роль играют три вида реакций: реакция депротонирования ОН-групп на поверхности гидроксидов Fe (9-43% от общей буферности к основанию), реакция депротонирования ОН-групп на поверхности иллитовых кристаллитов (3-19%) и реакция растворения не идентифицированных, возможно, аморфных алюмосиликатов (9-14%). Меньший вклад в формирование буферности к основанию принадлежит реакции депротонирования ОН-групп на поверхности као-линитсвых частиц (1-5%) за счет низкой УП этого минерала, и совсем незначителен вклад реакции растворения соединений Fe.

5. При взаимодействии с основанием из буферных реакций, вклад которых не был количественно охарактеризован, в горизонтах О и А1 наибольшее значение, вероятно, имеют реакции депротонирования функциональных групп специфических и неспецифических органических кислот. В нижележащих горизонтах это могут быть реакции депротонирования поверхностных гидроксильных групп других глинистых минералов, кроме каолинита и иллита.

6. На основании полученных корреляционных зависимостей, с учетом существенного снижения буферности после обработок по Тамму и по Мера и Джексону, установлено, что в исследованных почвах несиликатные соединения Fe и А1 являются существенным фактором, контролирующим величину буферности, как к кислоте, так и к основанию. Наибольшую буферную роль по отношению к основанию эти соединения играют в горизонтах IIBDG, за счет реакций депротонирования поверхностных гидроксильных групп.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Ишкова И.В., Русакова Е.С., Толпешта И.И., Соколова Т.А. Почвы склона и поймы ручья в Центрально-лесном заповеднике: некоторые химические свойства и состав глинистых минералов// Вестник Московского университета. Серия 17. Почвоведение, 2010, №3, стр. 3-9.

2. Русакова Е.С., Ишкова И.В., Толпешта И.И., Соколова Т.А. Кислотно-основная буферность почв транзитных и транзитно-аккумулятивных позиций ненарушенных ландшафтов южной тайги// Почвоведение, 2012, № 5, стр. 562573.

3. Максимова Ю.Г., Русакова Е.С., Толпешта И.И., Соколова Т.А., Близнецов К.Ю., Мокроусова П.А. Специфика кислотно-основной буферности подзоли-

стых почв в ризосфере ели в горизонте АЕ подзолистой почвы// Вестник Московского университета. Серия 17. Почвоведение, 2012, № 2, стр. 28-34.

4. Соколова Т.А., Толпешта И.И., Русакова Е.С., Максимова Ю.Г. Глинистые минералы в почвах пойм ручьев в ненарушенных ландшафтах южной тайга (на примере почв ЦЛГПБЗ)// Вестник Московского университета. Серия 17. Почвоведение, 2013, № 4.

5. Ишкова И.В., Русакова Е.С. Химические свойства почв склонов и поймы ручья (па примере почв территории ЦЛГПБЗ) //Тезисы докладов XVI Международной конференции студентов и аспирантов и молодых ученых Ломоносов-2009, секция «Почвоведение». М., 2009

6. Ишкова И.В., Русакова Е.С. Минералогический состав тонкодисперсных фракций почв склонов и поймы ручья и состав ППК (на примере почв территории ЦЛГПБЗ)//Материалы Всероссийской научной конференции XIII Докуча-евские молодежные чтения «Органо-минеральная матрица почв», СПб., 2010.

7. Русакова Е.С. Минералогический состав тонкодисперсных фракций почв склонов и поймы ручья и состав ППК (на примере почв территории ЦЛГПБЗ)//Тезисы докладов XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам Ломоносов-2010, секция «Почвоведение», М., 2010.

8. Толпешта И.И., Соколова Т.А., Русакова Е.С., Максимова Ю.Г. Особенности минералогического состава глинистых минералов в почвах геохимически сопряженных элементарных ландшафтов подзолистой зоны// Материалы I Российского рабочего совещания «Глины, глинистые минералы и слоистые материалы», М., 2011, стр. 111-112.

9. Ишкова И.В., Русакова Е.С. Кислотно-основная буферность дерново-глеевых почв поймы и палево-подзолистых почв склона ручья (На примере почв территории ЦЛГПБЗ)// Материалы Всероссийской научной конференции XIV Доку-чаевские молодежные чтения «Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов», СПб., 2011.

10. Русакова Е.С., Макарычева И.В. Кислотно-основная буферность почв транзитных и транзитно-аккумулятивных позиций ненарушенных ландшафтов южной тайги (на примере почв территории ЦЛГПБЗ)// Тезисы докладов XVIII Международной конференции студентов и аспирантов и молодых ученых JIo-моносов-2011, секция «Почвоведение», М., 2011.

11. Русакова Е. С., Толпешта И.И., Соколова Т.А., Близнецов К.Ю., Мокроусова П.А. Химические свойства и кислотно-основная буферность в ризосфере аллювиальной дерново-глеевой почвы// Труды Центрально-лесного государственного природного биосферного заповедника. Выпуск 6. «Динамика многолетних процессов в экосистемах Центрально-лесного заповедника», Великие Луки, 2012, стр. 91-104.

12. Максимова Ю.Г., Русакова Е.С., Толпешта И.И., Соколова Т.А., Близнецов К.Ю., Мокроусова П.А. Химические свойства гумусовых горизонтов подзолистых и аллювиальных дерново-глеевых почв в ризосфере в годы с разными погодными условиями// Материалы Всероссийской научной конференции, посвященной 80-летию Центрального лесного государственного природного биосферного заповедника, Великие Луки, 2012.

13. Русакова Е.С. Специфика кислотно-основной буферное™ подзолистых почв в ризосфере ели в горизонте АЕ подзолистой почвы// Материалы докладов VI съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева. Всероссийская с международным участаем научная конференция «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования», Петрозаводск, 2012.

Подписано в печать:

14.11.2013

Заказ № 91 Об Тираж - 80 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Русакова, Екатерина Сергеевна, Москва

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Факультет почвоведения

04201450415

Русакова Екатерина Сергеевна

ФАКТОРЫ УСТОЙЧИВОСТИ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ДЕРНОВО-ГЛЕЕВЫХ ПОЧВ ПОЙМ РУЧЬЕВ В ПОДЗОНЕ ЮЖНОЙ ТАЙГИ К ВОЗДЕЙСТВИЮ КИСЛОТ И ОСНОВАНИЙ (НА ПРИМЕРЕ ПОЧВ ЦЛГПБЗ)

Специальность 03.02.13 - Почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Татьяна Алексеевна Соколова

Москва 2013 г.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................3

ГЛАВА 1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ И ПОЧВЫ ЦЛГПБЗ...................................................................7

1.1. Условия почвообразования.............................................................................................................7

1.2. Почвенный покров и почвы..........................................................................................................12

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ БУФЕРНЫЕ РЕАКЦИИ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КИСЛОТЫ И ОСНОВАНИЯ В ПОЧВАХ ПОДЗОЛИСТОЙ ЗОНЫ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).......14

2.1. Основные буферные реакции, протекающие в органогенных горизонтах лесных почв под воздействием кислоты............................................................................................................................15

2.2. Основные буферные реакции, протекающие в органогенных горизонтах лесных почв под воздействием основания.......................................................................................................................21

2.3. Основные буферные реакции, протекающие в минеральных горизонтах лесных почв под воздействием кислоты............................................................................................................................23

2.4. Основные буферные реакции, протекающие в минеральных горизонтах лесных почв под воздействием основания........................................................................................................................27

2.5. Несиликатные соединения алюминия и железа..............................................................................29

и их роль в буферности почв..................................................................................................................29

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................................................40

3.1. Объекты исследования...................................................................................................................40

3.2. Методы исследования....................................................................................................................42

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ........................................................................................45

4.1. Общая химическая характеристика почв.....................................................................................45

4.2. Содержание и минералогический состав тонких фракций........................................................49

4.3. Содержание и профильное распределение_несиликатных соединений железа и алюминия.62

4.4. Буферность исследованных почв к кислоте и основанию.........................................................70

4.5. Корреляционные зависимости между буферностью исследованных почв к кислоте и основанию и некоторыми химическими свойствами почв...............................................................85

4.6. Количественная оценка вклада отдельных реакций в формирование буферное™ исследованных почв к кислоте и основанию....................................................................................102

ВЫВОДЫ.................................................................................................................................................119

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................................................121

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................................................131

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Проблемы кислотно-основной буферности для почв подзолистой зоны изучены преимущественно для подзолистых почв. Для аллювиальных дерново-глеевых почв, развитых в поймах небольших ручьев и занимающих аккумулятивные или транзитно-аккумулятивные позиции в геохимическом ландшафте, этот вопрос почти не исследован. Вместе с тем, его изучение необходимо для понимания процессов миграции различных соединений в пределах, как почвенных профилей, так и в ландшафте, и для оценки устойчивости ландшафта в целом к неблагоприятным воздействиям. Почвы пойм оказывают большое влияние на состав поверхностных природных вод. От кислотно-основных свойств этих почв в значительной мере зависит поступление тех или иных соединений в поверхностные воды. Сказанное определяет актуальность работы.

Цель работы - изучить факторы устойчивости аллювиальных дерново-глеевых почв пойм ручьев ненарушенных южно-таежных ландшафтов к воздействию кислот и оснований, т.е. выявить почвенные свойства, контролирующие буферность этих почв к кислоте и основанию в разных интервалах значений рН.

Задачи работы.

4. На основании анализа структуры буферности и данных по изменению состава жидкой фазы суспензии в процессе титрования кислотой и основанием выявить основные буферные реакции, протекающие в процессе титрования и дать им количественную оценку.

Объектами исследования послужили образцы из основных генетических горизонтов 5 разрезов аллювиальных дерново-глеевых почв. Два разреза были заложены в 2007 году. Материалы по этим почвам были получены и опубликованы совместно с И.В. Ишковой, И.И. Толпешта и Т.А. Соколовой (Ишко-ва и др., 2010, Русакова и др., 2012). Образцы почв из 3 других разрезов были отобраны автором в 2010 году при работе в составе экспедиции кафедры химии почв факультета Почвоведения МГУ в Центральном лесном государственном природном биосферном заповеднике (Нелидовский район Тверской области).

Научная новизна. Впервые была исследована кислотно-основная буферность аллювиальных дерново-глеевых почв пойм ручьев, выявлены основные буферные реакции, определяющие буферность этих почв. Впервые дана количественная оценка вклада в кислотно-основную буферность аллювиальных дерново-глеевых почв реакций вытеснения обменного Са, Mg и К и реакции растворения оксалатов Са, реакций растворения соединений А1, Мп, Бе и реакций протонирования поверхностных гидроксильных групп каолинита, реакции депротонирования ОН-групп на поверхности частиц гидроксидов Бе, каолинитовых кристаллитов и иллитовых кристаллитов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Исследованные аллювиальные дерново-глеевые почвы пойм ручьев характеризуются слабокислой или нейтральной реакцией среды и высокой степенью насыщенности ППК. Особенностями изученных почв является присутствие в составе тонких фракций смешанослойных иллит-хлорита, хлорит-вермикулита и окристаллизованных минералов гидроксидов Бе, отсутствие однозначно диагностируемых почвенных хлоритов и повышенное содержание несиликатных соединений Бе и А1.

3. При взаимодействии с кислотой в минеральных горизонтах основное количество протонов (> 80% от общей буферности к кислоте) расходуется на вытеснение обменных оснований, а в органогенных горизонтах - на вытеснение протоном обменных оснований и растворение оксалатов Са. В горизонтах О и А1 значительный вклад (2-15%) в буферность к кислоте принадлежит соединениям Мп. На долю буферных реакций с участием соединений А1 приходится от < 0,5 до 1-2% от общей буферности, на протонирование поверхностных ОН-групп каолинита - 2-3%. Аллювиальные дерново-глеевые почвы по сравнению с другими почвами подзолистой зоны, характеризуются максимальным вкладом реакций вытеснения обменных оснований протоном в формирование буферности к кислоте.

4. При взаимодействии с основанием из буферных реакций, вклад которых удалось количественно оценить, наибольшую роль играют три вида реакций: реакция депротонирования ОН-групп на поверхности гидроксидов Бе (9-43% от общей буферности к основанию), реакция депротонирования ОН-групп на поверхности иллитовых кристаллитов (3-19%) и реакция растворения не идентифицированных, возможно, аморфных алюмосиликатов (914%). Меньший вклад в формирование буферности к основанию принадлежит реакции депротонирования ОН-групп на поверхности каолинитовых частиц (1-5%).

5. На основании полученных корреляционных зависимостей, с учетом существенного снижения буферности после обработок по Тамму и по Мера и Джексону, установлено, что в исследованных почвах несиликатные соединения Бе и А1 являются существенным фактором, контролирующим величину буферности, как к кислоте, так и к основанию.

Практическая ценность новых научных результатов.

Основные практические и теоретические результаты диссертации опубликованы в 13 статьях и докладах, среди которых 3 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Она изложена на 154 страницах печатного текста, включает 34 рисунка, 12 таблиц и содержит список литературы из 99 наименований, среди которых 61 отечественных и 38 иностранных авторов. Благодарности.

Автор глубоко признателен за неоценимую помощь в работе и постоянное внимание своему научному руководителю, д.б.н. профессору Т.А. Соколовой, искренне благодарен д.б.н. И.И. Толпешта за помощь в организации практических работ и за ценные консультации. Автор также благодарен A.B. Кирюшину и М.М. Карпухину за помощь в выполнении практической части работы. Автор выражает благодарность сотрудникам и руководству ЦЛГПБЗ - за предоставленную возможность сбора материала для диссертации и проведения полевых работ на территории заповедника. Автор признателен своим друзьям и коллегам Ю.Г. Максимовой, И.В. Макарычевой (Иш-ковой), И.П. Макарычеву и A.A. Изосимову за поддержку и помощь в работе.

ГЛАВА 1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ И ПОЧВЫ ЦЛГПБЗ

1.1. Условия почвообразования

Район исследования — Центрально-лесной государственный природный биосферный заповедник (ЦЛГПБЗ) - расположен в юго-западной части Валдайской возвышенности на стыке со Смоленско-Московской возвышенностью (Нелидовский район Тверской области, рис. 1.1.). Здесь проходит водораздел между бассейнами Каспийского и Балтийского морей. В болотах и на плоских водораздельных равнинах внутреннего плато берут начало ручьи и речки, несущие воды либо в Волгу, либо в Западную Двину («Структура и продуктивность...», 1973).

ской области (источник: http://do.gendocs.ru/docs/index-37400.html).

Рельеф и почвообразующие породы

Территория заповедника представляет собой всхолмленную слабо расчлененную заболоченную водораздельную равнину с абсолютными отметками 220-270 м над у.м. Современный рельеф заповедника, сформировавшийся, по мнению H.H. Соколова (1949, цит. по «Регуляторная роль ...», 2002), во

время деградации Московского оледенения, сглажен денудационными процессами, протекавшими, главным образом, в безлесные стадии существования территории.

По своему геологическому строению эта территория является древним структурным плато, расположенным между Селижаровской и Нелидовской депрессиями. Мощная (10-30 м) толща четвертичных отложений покоится на серпуховских известняках каменноугольной системы (Сороченков, 1937; цит. по «Регуляторная роль....», 2002). Территорию заповедника относят к периг-ляциальной зоне Валдайского оледенения (Соколов, 1949; цит. по «Регуляторная роль...», 2002), поэтому четвертичные отложения здесь генетически и хронологически неоднородны.

Коренные породы перекрываются 6-8-метровой толщей Московской морены, выше которой залегают межледниковые валунные пески мощностью 6-7 м. На них расположена морена Валдайского оледенения (6-16 м), представленная красно-бурой, сильно опесчаненой, валунной глиной, содержащей обломки карбонатных и кристаллических пород. На морене, как правило, залегают безвалунные суглинки тяжелого, среднего и легкого гранулометрического состава, которые являются ее переотложенными продуктами («Регуляторная роль...», 2002). Таким образом, почвообразующие породы на этой территории представлены тяжелым красно-бурым моренным суглинком, перекрытым более легкими покровными суглинками и супесями. Этот моренный суглинок является водоупором и может обнажаться на склонах.

Климат

Климат территории умеренно континентальный, характеризуется довольно теплым летом (средняя температура июля +16,5 - 17,5 °С), умеренно холодной зимой (средняя температура января -5,1-11,0 °С). Период с положительной среднесуточной температурой составляет 205-220 дней, вегетационный период - около 130 дней. Годовая сумма осадков составляет в среднем

740 мм (колебания от 560 до 950), значительная часть их выпадает в теплый

период года в виде дождя. Количество осадков значительно превышает испарение, что создает положительный баланс влаги. Гидротермический коэффициент для территории ЦЛГПБЗ составляет в среднем 1,7. Сумма активных температур на глубине 20 см колеблется от 1600 °С в торфяниках и болотных почвах до 2200 °С и более в песчаных и супесчаных почвах (Агроклиматический справочник по Калининской области, 1958; среднемноголет-ние метеоданные за период 1970-1998 гг., цит. по «Регуляторная роль...», 2002).

Речная сеть и гидрологический режим

Речная сеть заповедника имеет слабо врезанные русла, ограниченный водосбор и плохо дренирует территорию.

Наиболее крупные реки заповедника: Тудовка, Жукопа и Тюдьма -впадают в Волгу, река Межа относится к бассейну Западной Двины. Гидрологическая сеть плохо разработана: долины узкие, неглубокие, V-образные. Почвенно-грунтовые воды залегают близко к поверхности и даже в сухие годы не опускаются глубже 3,0—3,5 м. Вследствие многочленности четвертичного покрова существует три обособленных водоносных горизонта: в серпуховских известняках (на глубине 30-35 м), в межледниковых песках (16-18 м) и в надморенных супесях, легких суглинках и песках (верховодка).

Верховодка удерживается покровным суглинком, но чаще — торфянистым горизонтом, а собственно почвенно-грунтовые воды наблюдаются в пределах разных горизонтов морены.

Химический состав почвенно-грунтовых вод различен в зависимости от особенностей разложения и минерализации органического вещества, характера водного питания (атмосферное питание, внутрипочвенный сток и т.д.). На гидрологический режим территории заповедника существенно влияют верховые болота, особенно наиболее крупные — «Катин мох» и «Старосельский мох». Заболачивание лесов в связи с разрастанием современных торфяников не прекращается, однако болота наступают на прилегающие участки леса очень медленно.

История ландшафта и геологическое строение территории

Заповедник расположен на Нелидово-Оршанском мегаблоке, который начал подниматься с позднего палеогена, и к настоящему времени территория поднялась на 100-200 м.

Как уже отмечалось, наибольшее распространение в окрестностях заповедника получили генетические типы отложений, сформированные во время отступления ледников Московского (125-110 тыс.л.н.) и Валдайского (80-10 тыс.л.н.) оледенений.

Территория заповедника лежит у границы максимально распространения льда Валдайского оледенения. Основное тело ледника спускалось на юг через болото «Катин мох», один язык льда спускался чуть южнее деревни Федоровское, второй язык с запада спускался до Тудовской возвышенности. Между основным телом ледника и Федоровским языком и между Федоровским и Тудовским языками существовали озера, образованные талыми водами ледника, подпруженными моренными грядами московского оледенения. Периодически озера переполнялись, и вода перетекала через естественные дамбы, создавая корытообразные долины, хорошо выраженные в современном рельефе.

При таянии ледникового щита происходило образование сложного комплекса отложений. Из тающей зоны откладывались моренные отложения, частично перерабатываемые талыми водами. В моренных отложениях чередуются легкие песчаные и супесчаные слои, соответствующие периоду быстрого летнего таяния льда, и суглинис�

Информация о работе

Русакова, Екатерина Сергеевна
кандидата биологических наук
Москва, 2013
ВАК 03.02.13

Диссертация

Факторы устойчивости аллювиальных дерново-глеевых почв пойм ручьев в подзоне южной тайги к воздействию кислот и оснований - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы