Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изучение минеральных и органических компонентов водопрочных агрегатов гумусово-аккумулятивных горизонтов серых лесных почв Среднего Поволжья

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Изучение минеральных и органических компонентов водопрочных агрегатов гумусово-аккумулятивных горизонтов серых лесных почв Среднего Поволжья"

^ЙСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

Факультет почвоведения

На правах рукописи

ПЕРЕПЕЛКИНА Елена Борисовна

ИЗУЧЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ И ОРГАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ВОДОПРОЧНЫХ АГРЕГАТОВ ГУМУСОЮ-АККУМУЛЯТИВНЫХ ГОРИЗОНТОВ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ СРЕДНЕГО ПОЕОЛЖЬЯ

03. 00. 27 - почвоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА - 1995

Работа выполнена на кафедре почвоведения и агрохимии

Казанского государственного университета

Научный руководитель: доктор биологических наук,

профессор Г. Ф. Колосов

Консультант: кандидат геолого-минералогических наук, Кринари Г. А.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук

Сапожников П. М. кандидат биологических наук Зубкова Т. А.

Еедущэе учреждение: Казанский сельскохозяйственный

институт

Защита состоится " 199^ г.

на заседании специализированного совета К 053.05.16 по присуждению ученой степени кандидата наук при Московском государственном университете (119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУ.

Автореферат разослан:." ^ " ¿У 1995 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации и направить отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью.

Ученый секретарь

СПтЦ*Т£Ь1йЗ&ф0ВсШН0Г0 СОВ@Тс1

Г. К Мзтузова

Актуальность работы. Агрегаты и -поры в гумуеово-аккумулятивном горизонте формируются, главным образом, через взаимодействие тонкодисперсных минеральных фракций с органическими ющэствами (преимущественно специфической природы), и задачи комплексного изучения почв требуют совместного рассмотрения гсех факторов агрегации (роль органических веществ, гранулометрического и минералогического составов).

Собственно с осознания того, что структура почвы есть функция от содержания и состава в почве высокодисперсных минеральных компонентов и органического вещества, агрегатообразова-1ие стало восприниматься в неразрывной связи с гумусообразова-пием, причем основные принципы такого подхода были сформулиро-заны уже в первой половине XX века в работах К. К Гедройца, .1 К Антипова-Каратаева, П. К Вершинина, А. Ф. Тюлина, Д В. Хана, эднако не получили достаточного развития. Было показано, что зсе процессы обмена, адсорбционные, слипания - приводящие к изменению поверхностных свойств частиц различной природы и круп-зости,должны способствовать их агрегированию и, в известной мере, предопределять форму агрегатов. Таким образом продолжение работ подобного рода с учетом новейших достижений в области химии гумусовых веществ и физики твердых фаз почвы становится все Эолее актуальным.

Агрегатообразование является основным условием, определяющим возможность наиболее полного использования в земледельческой практике жидких, твердых и газообразной фаз почвы и при условии оптимального обеспечения растений элементами минерального питания определяет ее плодородие, которое по своей сути "есть способ организации фаз и компонентов, характеризующий степень соответствия ее свойств и режимов требованиям растений" (Аксенов, 1990). Высокий уровень плодородия в таком понимании отражает оптимальное (или близкое к нему) соответствие показателей свойств почв, в том числе структурного состояния, биологическим особенностям растений. Это проявляется в наиболее интенсивном протекании процесса фотосинтеза, и, опосредованно, в процессах трансформации образующегося ОВ в почве. В выражении П. А. Косты-чева "растения делают почву" заключена основа существования и плодородия почвы. Нарушение биоэнергетического круговорота при

вовлечении почв в обработку приводит не только к снижению содержания, запасов и изменению качественного состава гумуса, но и к ухудшению структурного состояния. Связь между этими негативные: процессами хотя и очевидна, однако далеко не однозначна и для бол;-е корректной интерпретации характера этой связи необ-ходиш исследования с позиций способности к агрегации целинных почв и их пахотных аналогов.

Как уже указывалось, едва ли не главную роль в процессах агрегатообразования гграет ОБ. Однако в настоящее время не вполне ясна роль в явлениях упрочения внутренних связей в агрегатах различных фракций гумусовых веществ (ГВ), остается открытым вопрос о тождестве их состава в агрегатах различной крупности, и крут вопросов может быть расширен. Поэтому определенные перспективы их решения связаны с изучением распределения гумуса, фракционного состава ГВ, гранулометрического и минералогического составов на агрегатном уровне, что,кроме того, позволяет вернуться к первоначальному взгляду на сущность возникновения специфической почвенной формы организации - агрегата.

В настоящее время большая часть работ, имеющих отношение к изучаемой проблеме, касается все более детального изучения состава и свойств ГВ и органо-минеральных взаимодействий. С другой стороны изучением почв на агрегатном уровне продолжают заниматься, в основном, в традиционном аспекте физики твердых фаз почвы, т. е. с точки зрения содержания в почве разных по размерам фракций, водно-физических и других свойств. Работы же, касающиеся изучения зависимости структурно-агрегатного состояния от содержания и состава гумуса, датируются 20-60 годами (Анти-пов-Каратаев с соавт., 1948; Квасников, 1927,1928; Саввинов, 1931; Сидери, 1935; Тюлин, 1934, 1946, 1955, 1958; Хан, 1969), причем для региона Среднего Поволжья они единичны (Колоскова, Еелоножко,1966; Колоскова, Куликова, 1969; Демина, 1988, 1991).

Цель работы. Используя подход сопряженного изучения процессов гумусообразования и структурооСразования в естественны} и нарушенных обработкой гумусовых горизонтах темно-серой и серой лесной почвы,оценить вклад ОБ почвы, фракционного состав? ГЕ ;л;нералогпче:клх компонентов в агрегацию.

Основные исследования.

1. Определить гранулометрический у микроагрегатный состав образцах их гумусово-аккумулятивных горизонтов темно-серой и

эрой лесной почвы и их пахотных аналогов.

2. Изучить распределение фракций.водопрочных агрегатов в роцессе дифференцированного структурно-агрегатного анализа в Бразцах из гумусовых горизонтов целинных и пахотных почв.

3. Изучить содержание гумуса и фракционный состав ГЕ в очвенных образцах и образцах фракций водопрочных агрегатов из азличных слоев гумусово-аккумулятивного горизонта.

4. Изучить гранулометрический и минералогический составы в бразцах водопрочных агрегатов из различных слоев гумусово-ак-умулятивного горизонта.

Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые роведено сопряженное изучение процессов гумусообразования и труктурообразования в естественных и нарушенных обработкой об-азцах из гумусовых горизонтов серых лесных почв Среднего По-олжья, сделана попытка оценки вклада ОЕ, фракционного состава Е и минералогических компонентов почвы в агрегацию. Обнаружены акономерные изменения гранулометрического, минералогического оставов, содержания гумуса и состава ГВ в водопрочных агрега-ах гумусово-аккумулятивного горизонта в зависимости от их раз-ера. Выявлен характер этих изменений с уменьшением размера во-опрочкых агрегатов и особенности его проявления в гумусовом оризонте с глубиной. Полученные данные дополняют общие предс-авления о процессах агрегации лесостепных почв.

Путем сравнения характеристик агрегатов гумусовых горизон-ов целинных почв и их пахотных анало'гов установлено, что усло-ия агрегации неодинаковы в различных слоях гумусового горизон-а и что степень агрегированности почвенной массы зависит от одержания ОВ и фракционного состава ГВ. Одной из причин ухуд-ения структурного состояния пахотных почв может быть нарушение стественного сложения гумусовых горизонтов. Результаты иссле-ований вскрывают направленность изменений, происходящих на ровне агрегатов с органическими и минеральными компонентами вердых фаз почвы при сельскохозяйственном использовании почв,и есбходимы для углубления теоретических основ и решения практи-еских задач регуляции структурного состояния обрабатываемых гссстепкых почв.

Защищаемые положения. В гумусовых горизонтах серых лесных почв с уменьшением размера в водопрочных агрегатах уменьшается содержание гумуса и наиболее гидрофильных и наименее высокомолекулярных компонентов ГВ, причем данная закономерность ослабевает к нижней части гумусово-аккумулятивного горизонта.

В верхней части гумусово-аккумулятивного горизонта образование водопрочных агрегатов определяется в первую очередь процессами трансформации ОВ, в нижней части - агрегация осложнена наложением элювиальных процессов при усилении роли минеральной компоненты.

Изменение количества и соотношения категорий ОБ и нарушение естественного сложения гумусово-аккумулятивного горизонта при вовлечении почв в обработку связано с ухудшением структурно -агрегатного состояния пахотного слоя.

Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены на XII конференции почвоведов, агрохимиков и земледелов Среднего Поволжья и Урала (Казань, 1991), семинаре "Проблемы сохранения почвенного плодородия" (Пенза, 1991), конференциях молодых ученых факультета почвоведения МГУ "Современные проблемы почвоведения и экологии" (Москва, 1993,1994), итоговых научных конференциях КГУ 1992, 1993 г. г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и приложений. Изложена на 158 страницах машинописного текста. Включает 3 таблицы и 23 рисунка. Приложения включают 2 таблицы и 2 рисунка. Список литературы включает 191 наименование, в том числе 54 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Объекты и методы исследования

В данной работе исследовались темно-серые и серые лесные пахотные почвы и их целинные аналоги под естественной растительностью. Пробные площадки сравниваемых объектов выбирали в пределах одного почвенного контура Отбор образцов темно-серой лесной почвы проводили в Лесостепном Заволжье на территории

;-за им. Бутлерова Алексеевского административного района Рес-1ублики Татарстан (широколиственный лес и прилегающая к нему ташня), серой лесной почвы - в Лесном Заволжье на территории ЗПХ КСХИ "Столбищенское" Лаишевского административного района ¡смешанный лес и прилегаюаря к нему пашня).

Основой для проведения исследований послужил полевой материал, собранный осенью 1991, весной 1992 г. г. при влажности, оптимальной для структурообразования (Вершинин, 1953; Еиленс-кий, 1945; Еоронин, 1990). Первоначально в пределах пробных площадок площадью 1 га были заложены полуямы и в образцах, отобранных из гумусовых горизонтов, были выполнены анализы для установления типичности участков. Оценка вариабельности показателей физико-химических свойств и гранулометрического состава гумусовых горизонтов темно-серых и серых целинных и пахотных почв показала возможность их непосредственного сравнения. Затем были заложены опорные разрезы, из гумусовых горизонтов которых отбирали послойно образцы в количествах, необходимых для проведения всего комплекса анализов. Влажность почвы при отборе образцов составляла 29%. Наименьшая влагоемкссть составляет 35,7%, 26,4% для серой лесной целинной и пахотной почвы и 40,1%, 30% для темно-серой почвы, соответственно.

В образцах из различных слоев гумусово-аккумулятивного горизонта и в пахотном слое определены содержание гумуса, микроагрегатный и гранулометрический состав, структурно-агрегатный состав по Саввинову и, более детально, дифференцированным методом Хана Во фракциях сухих агрегатов и во фракциях водопрочных агрегатов, выделенных по методу Хана,определяли содержание гумуса и гранулометрический состав. Кроме того, во фракциях водопрочных агрегатов определяли минералогический состав методом рентгеновской дифрактометрии и фракционный состав ГВ путем их последовательного растворения непосредственно из почвы щелочными растворами хлорида лития уменьшавшихся концентраций в условиях хроматографической колонки, предложенный А. А. Шинкаревым с соавт. (1990, 1991). Математическую обработку данных (нахождение средних и их ошибок, коэффициентов вариабельности, определение достоверности различий) проводили общепринятыми способами (Плохинский, 1978). В работе обсуждаются разшчия, достоверные :

вероятностью второго и третьего порогов {р = 0,99,^5 = 0,999).

1. Структурно-агрегатный состав серых лесных почв и их пахотных аналогов

Методы изучения структурно-агрегатного состава почв в целом сводятся к различным комбинациям сухого и мокрого просеивания образца почвы. Наиболее широкое распространение получил метод Саввинова. Метод Хана (1969) менее известен и предполагаем выделение фракций водопрочных агрегатов путем мокрого просеивания каждой из девяти фракций, полученных сухим рассевом на ситах. На стадии мокрого просеивания, по мнению П. Е Брешковскогс (1973), исходные сухие отдельности разделяются на собственно водопрочные агрегаты, не разрушившиеся в воде, осколки агрегатоЕ >0,25 мм, разрушившихся в воде, микрообломки разрушившихся агрегатов и собственно микроагрегаты < 0,25 мм. Исходя из задач исследования (получения реального представления о водопрочности агрегатов определенного размера и о степени их разрушения), все дальнейшие исследования и анализ полученных данных велись на водопрочных агрегатах, выделенных по Хану.

Целинные почвы по содержанию агрономически ценных агрегатов и водопрочных агрегатов >0,25 мм отличаются лучшим структурным состоянием. Характер распределения водопрочных агрегатов и изменение его с глубиной в гумусовых горизонтах целинных аналогов изученных почв достаточно однотипны. Структурные отдельности состоят преимущественно из водопрочных агрегатов размером более 0,5 мм, причем эта закономерность наиболее выражена в верхней части гумусового горизонта.

Слои 4-10 и 10-20 см гумусового горизонта целинной темно-серой лесной почвы характеризуются высоким содержанием водопрочных агрегатов > 3 и 2-1 мм, полученных по методу Хана. Е слое 20-30 см содержание первых снижается при одновременном увеличении мелких частиц <1 мм. В пахотной почве резко возрастает содержание распыленной фракции при полном отсутствий агрегатов крупнее 2 мм.

Для серой лесной почвы основные закономерности проявляются так же, но в более резкой форме, что, очевидно, связано с новы-

эким содержанием ила в этой почве. Известно, что большим по-энциалом в образовании структуры обладает тяжелосуглинистые азновидности серых и темно-серых лесных почв. Так, на всех ривых без исключения проявляется только один пик, будь то в бласти >3 мм или в любой другой, в то время как сухие отдель-□сти темно-серой лесной почвы распадаются на полный спектр во-опрочных агрегатов. Пахотные серые лесные почвы также полостью представлены агрегатами <0.25 мм.

2. Шгаеральные компоненты водопрочных агрегатов серых лесных почв

2.1. Гранулометрический состав

Определенную информацию об организации твердых фаз в рбъ-ме водопрочных агрегатов можно получить по результатам их гра-улометрического анализа. Одновремейно представляет интерес эк-периментальная проверка возможности дифференциации грануломет-ических элементов о объеме структурных отдельностей серых лес-ых почв в процессе их педогенеза Логично предположить, что исходящая миграция воды в поровом пространстве на определенном тале формирования почвенного профиля может привести к селек-ивному облегчению гранулометрического состава соприкасавшегося ней поверхностного слоя почвенного материала.

В сухих агрегатах <1 мм и водопрочных агрегатах <0,5 мм :аблюдается накопление фракций гранулометрических элементов, ричем выход фракции песка в водопрочных агрегатах в 3 раза ни-¡е. Наиболее вероятной причиной этого может быть накопление ранулометрических элементов в результате их "стряхивания" с гаверхности сухих педов в процессе просеивания. Дальнейшее раз-¡еление структурных отдельностей в процессе мокрого просеивания [ротекает аналогично.

Распределение ила в водопрочных агрегатах по профилю (рис. ) повторяет таковое в сухих агрегатах, причем сравнение сред-[их значений не выявляет существенной разницы в его содержании. [ нижней части гумусово-аккумулятивного горизонта в водопрочных фрегатах увеличивается содержание наиболее дисперсных частиц. 1одержание фракции ила увеличивается в среднем-от 24% и 25,61 в

20 Рис.1.

Интегральные кривые распределения гранулометрических

tpaкц0й в водопрочных агрегатах, выделенных из слоев -10 см (А) и 20-30 см (Б) горизонта А1 темно-серой леснол почвы: ОХ - содержание фракции гранулометрических элементов, %\ ОУ - размер фракций гранулометрических элементов, мм; а,б,в,г,д - размер агрегатов (>3 мм, 2-1 мм, 1-0,5 мм, 0,5-0,25 мм, и <0,25 мм соответственно)

слое 4-10 см до 31% и 30,9% в слое 20-30 см для водопрочных и сухих агрегатов, соответственно. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в горизонте А1 исследованной темно-серой лесной почвы поверхностная зона структурных отдельностёй вне зависимости от их водопрочности характеризуется облегченным гранулометрическим составом. Наиболее вероятной причиной этого явления может быть нисходящая миграция воды в поровом пространстве почвенной массы.

Однако остается неясным сопровождается ли передвижение ила изменениями структурного облика глинистых минералов и каким оО-

разом этот процесс отражается на агрегатообразовании. Известно, что такие факторы,как сосуществование с активным органическим материалом, просачивающейся влагой, действие мелиорантов, механические и другие нагрузки формируют особенности минеральной части илистого вещества с одновременным образованием специфической почвенной формы организации - погоризонтной и агрегаци-онной (Градусов, 1990). Поэтому эксперименты были дополнены данными рентгеновской дифрактометрии пастовых препаратов почв, агрегатов и их илистой фракции, а также образца из горизонта С (160-170 см).

Минералогический состав глинистой компоненты илистой фракции рассматриваемых объектов (темно-серая лесная почва) довольно прост и в целом соответствует составу таковой пород верхнепермского возраста. Установлено присутствие диоктаэдрической слюды, магнезиально-железистого хлорита и смешаннослойной фазы, состоящей из неупорядоченного чередования "слюдяных" (50-80%) и смектитовых пакетов. Самостоятельная смектитовая фаза, т.е. индивидуальный дифракционный максимум в области 14,4А в валовом составе илистой фракции горизонта С отсутствует (рис. 2А).

Рис.2А Дифрактограмыы базальных отражений воздушно-сухих препаратов илистой фракции из образцов горизонта С (верхняя кривая) и почвенной суспензии из слоя 20-30 см горизонта А1 темно-серой лесной почвы; отражения: 0-3 - слхщы, 4-8 - хлорита, 9,10 - каолинита, 11,12 - кварца, 13 - неупорядоченно смешаннослойной фазы иллит - смектит

2.2. Минералогический состав

0,7 0.6 0,5 0,4 0,3 0,2 ОД

С переходом к слои 4-10 см происходит общее уменьшение концентрации сиешаннослойных компонентов, сопровождающееся увеличение» концентрации смектитовой компоненты в смешаннослойной фазе ил-лит-смектит за счет пакетов слюдяного типа. Последнее явление наиболее полно реализуется в пахотном слое темно-серой лесно* почвы (верхняя кривая, рис.2Б). Конечным продуктом такой транс-

0,4-

0,2-

од

Й

к 0

м ■

1 /г 9

/ 1 1 ф

V и г

0.1

0,2 03

Рве. 2Б Дифрактограымы базальных отражении воздушно-сухих препаратов илистой фракции почвенной суспензии из образцов горизонта Апах и А1 (слои 4-10 см) темно-серой лесной почвы; отражения те же, что и для рис. 2А

формации должно было бы быть формирование самостоятельной смектитовой фазы в верхних слоях гумусово-аккумулятивного горизонта. Однако этого не наблюдается. Анализ дифракционных кривы: на препаратах илистых фракций агрегатов >3 мм и 0,5-0,25 мм иг слоев 4-10 см и 20-30 см (рис.3, нижняя и верхняя кривые соответственно) показывает, что в агрегатах 0,5-0,25 мм слоя 20-ЗС см общее содержание смектитовой компоненты существенно выше I положение максимума строго соответствует отражению самостоятельного смектит-этиленгликольного комплекса, тогда как в агрегатах >3 мм общее относительное содержание смектитовой компоненты меньше и дифракционный максимум смещен в направлент слюдяного рефлекса за счет появления в системе "слюдяных" пакетов. В агрегатах слоя 4-10 см общэе содержание смектитовой компоненты существенно ниже, а концентрация слюдяных пакетов I смешаннослойной фазе выше. Подобная закономерность в утяжеленш гранулометрического состава получена и по результатам гранулометрического анализа (рис.1). Наличие экстремумов в распределе-

Рис.3 Дифрактог-раммы базальных отражений илистой фракции агрегатов 0,5-0,25 мм (верхняя кривая) а>3 мы (нижняя кривая) из слоев 20-30 см (А) и 4-10 см (Б) гумусово-аккуму-лятивного горизонта темно-серой лесной почвы; отражения: 0-3 -слвди, 4-8 - хлорита, 9,10 - каолинита, 11,12 -кварца, 13 -смектита (неупорядоченно смешанно-слойной фазы иллат - смектит на рис. ЗБ)

нии этих компонент свидетельствует о наличии двух встречных процессов - перехода "слюдяных" компонент в "смектитовыэ" снизу вверх, что сопровождается выносом межслоевого калия, и механического перемещения смектитового ила сверху вниз.

Качественный валовый состав минеральной компоненты водопрочных агрегатов существенно не меняется. Для более детального изучения характера организации минеральных фаз в составе различных фракций водопрочных агрегатов получен экспериментальный материал на препаратах илистых фракций при съемке ориентированных препаратов методом сканирования обратного пространства (Звягин, Кринари, 1989). На рисунке 4 приведен фрагмент дифракционной картины сканирования зоны 111-021 илистой фракции горизонта С (верхняя кривая), в которой минеральные фазы характеризуются наименьшей степенью разложения. Для сравнения на том же рисунке приведен аналогичный фрагмент дифракционной кривой илистой фракции из пахотного слоя, где,исходя из общепринятых положений,степень гипергенных изменений должна быть максималь-

0.15-

0,21V

Рис.4 ДвфрактоГ-раымы сканирования зоны текстуры IIL-02L илистой фракции вз образцов горизонта С и Апах (0-30 см)

почвы (обозначения см. в тексте)

темно-серой лесной

¡тур] :тои

I I I I I

0,1

ной. Наиболее интенсивными рефлексами на этих дифракционных спектрах, как и следовало ожидать, являются отражения политипа слюды 2Mj(l-9). На спектре образца из слоя С достаточно надежно регистрируются и отражения однослойной диоктаэдрической слюды политипа llf-llt$ 11-13). Их отсутствие в образце из Апах позволяет говорить о том, что трансформация слюдяных пакетов в смек-титовые затрагивает не только смешаннослойную фазу, но и низкотемпературную аутигенную слвду Ш Затрагивает ли этот процесс слюду высокотемпературного политипа однозначно сказать трудно, хотя в образце из пахотного слоя интенсивность его рефлексов ниже, а ширина больше, что не противоречит подобной возможности.

В то же время на обеих дифракционных кривых достаточно уверенно регистрируются рефлексы полевых шпатов, причем дифракционная характеристика полевошпатовой компоненты в указанных объектах совершенно различна.. В илистой фракции горизонта С К-шпатовая составляющая представлена преимущественно максимальным микроклином (20-24), а плагиоклазовая составляющая - высоким плагиоклазом основного состава (15-19). В илистой фракции пашни K-шпат представлен ортоклазом (34-38), а плагиоклазовая составляюпря - альбитом (26-31), причем присутствуют как низкий альбит, очевидно находившийся в сростках с микроклином, так и высокий альбит - крайний и наиболее устойчивый член изоморфного ряда высокотемпературных плагиоклазов.

Промежуточные стадии процессов гипергенного разрушения минеральных фаз наблюдались в илистых фракциях агрегатов >3 мм из :лоя 4-10 см и 2-1 мм из слоя 20-30 см. Концентрация микроклина I первом случае значительно ниже, чем в слое С. В то же время уверенно устанавливается ортоклаз (26-29), хотя его меньше, чем $ илистой фракции пашни. Аналогично высокого плагиоклаза меньше, чем в горизонте С, а альбита меньше, чем а пашне. Наличие :люды политипа 1М устанавливается здесь на грани чувствительности метода. Дальнейший ход процесса в направлении уменьшения эбщей степени гипергенной измененности полевых шпатов отмечен в :лое 20-30 см здесь ещэ не выделяются самостоятельные рефлек-:ы альбита, но присутствуй1 обе К-шпатовые фазы. Наличие слюды галитипа 111 устанавливается достаточно уверенно.

Таким образом при формировании водопрочных агрегатов их шютая фракция обогащается не только глинистыми минералами феимущэственно смегсгитового облика, но и той составляющей по-ювошпатовой компоненты, которая соответствует определенному есту в ряду повышения гипергенной устойчивости: основной пла-'иоклаз - микроклин - ортоклаз - альбит.

3. Органические компоненты водопрочных агрегатов серых лесных почв . 3.1. Содержание гумуса

В сухих агрегатах темно-серой лесной почвы между содержащем гумуса и размером структурных отдельностей существенных >азличий не обнаруживается, что согласуется с литературными (анными. Анализ результатов распределения гумуса по фракциям юдопрочных агрегатов целинных аналогов темно-серой и серой гесной почвы показывает, что во всех слоях гумусовых горизонтов удержание гумуса максимально во фракциях собственно водопроч-гых агрегатов и достаточно устойчиво и закономерно снижается к зракциям "осколков" по кюре уменьшения их размера (рис.5). Та-гай характер изменения содержания гумуса особенно отчетливо вы->ажен в образце из слоя 4-10 см горизонта А1 темно-серой лесной гочвы. В пахотном горизонте эта тенденция не выражена, причем ак обадэе содержание гумуса в почве, так и его содержание в во-

X

Рис. 5. Содержание гумуса в водопрочных ах^егатах из слоя

4_1Осм горизонта Л1 (а) и из горизонта Лп (О-оОсп)Сб) темно-серо:! лесной почвы: ОХ - размер агрегатов Ц -3 Ш, 2 -"3-2 мм, 3 - 2-1 мм, 4 - 1-0,5 мм, 5 - 0,5-0,25 мм, 6 - 0,¿5 мм).; Сг - размер исходных суяи атоегатов (± - 0,5-0,25 мы, П - 1-0,5 мм, 11. - 2-1 мм, 1р- 3-2ш, У - 5-3 мм, У1 - 7-5 ым, УП - 10-7 мм, уд; - 10 мм); ОУ - содержание гумуса, %

ропрочных агрегатах уменьшается. В слое 4-10 см максимальное содержание гумуса характерно для собственно водопрочных агрегатов, причем наблюдается к их повышенное содержание по результатам' структурно- агрегатного анализа. Это позволяет предположить наличие по меньшей мере двух механизмов агрегации. Один из них предполагает скрепление в объеме структурных отдельностей небольшие водопрочных агрегатов посредством разного рода органических остатков, агрегирующая роль которых хорошо известна, тем

более что их полное удаление при подготовке образца к анализу затруднительно. Другой комплекс механизмов подразумевает участие уже гумифицированных компонентов.

Наличие разного рода растительных остатков, не утративших анатомического строения в водопрочных агрегатах из слоя 4-10 см, подтверждается микроскопически после их разрушения путем пропитывания 1 н НаС1 с последующей водной обработкой на крупнопористых стеклянных фильтрах. В крупных фракциях водопрочных агрегатов из слоя 20-30 см растительные остатки под бинокуляром не наблюдались.

Вклад различных гумусовых компонентов в агрегацию может иметь отражение во фракционном составе ГВ,и на заключительном этапе исследований было проведено определение фракционного состава ГВ во фракциях водопрочных агрегатов.

3.2. Фракционный состав гумусовых веществ

Использованный в работе метод фракционирования ГВ представляет собой градиентное элюирование ГВ щелочными растворами электролита как вариант последовательного растворения, которое широко используется для фракционирования органических полимеров. Колоночное выполнение анализа делает его более гибким, позволяет автоматизировать процесс, стандартизировать условия растворения ГВ и добиться высокой воспроизводимости результатов (отклонения не более 2 - 5 % от суммарного выхода фракций) (Шинкарев с соавт. , 1990; 1991). В ходе фракционирования достигается закономерное разделение ГВ по молекулярным массам и химической неоднородности. Фракции ГВ,выделяемые первыми (при высоких концентрациях электролитов), имеют по данным гель-хроматографии более низкие молекулярные массы и по аминокислотному составу гидролизатоз близки к ФК, фракции ГВ,выделяемые последними, представлены высокомолекулярными компонентами и близки к ГК. Результаты фракционирования ГВ из гумусовых горизонтов зональных почв в целом согласуются с результатами анализа состава гумуса традиционными методами.

Первоначально выход фракций ГВ оценивался только по оптической плотности. Позже при прямом участии ;1Втора были разрабо-

тпт'т» л'-.п,"1г*'"( • г*г\п г?тт»тггтгттгтт^г^глтттгтх. пп V Т1^ тг г« гттчл тго ттп. _

а сипл! ю, ¿»■^•сЬо^алдлнмс и^исиДмА 1> си фрогьцпл1 П и ии^сДУ^сг

ние органического углерода (Шинкарев с соавт., 1991). При использовании метода для фракционирования ГЕ водопрочных агрегатов были также учтены рекомендаций по оптимизации условий фракционирования (Ппккарев с соавт.,1394).

фракционный состав ГВ водопрочных агрегатов (относительный выход фракций) слоя 4-10 см гумусового горизонта по результатам фракционирования в системе злюентов ЫСЫЛОН также закономерно изменяется от крупных агрегатов к мелким. При этом наблюдается тенденция в уменьшении относительного выхода первых наиболее гидрофильных и низкомолекулярных фракций. Относительное содержание последних фракций, напротив, увеличивается в том же направлении (рис.8). Подобные результаты получены и с использоваа-нием системы элюентов Ы250-Ы0Н, позволяющей оценивать выход фракций не только в единицах оптической плотности, но и по содержанию углерода.

Объяснить обнаруженное явление можно было бы наличием в водопрочных агрегатах органических остатков разной степени разложения, тем более, что для слоя 4-10 см характерно присутствие основной массы корней и повышенного количества водопрочных агрегатов >3 мм. Остатки,сохранившие свое анатомическое строение, наблюдаются и в самих водопрочных агрегатах этого слоя, причем они легко различимы в крупных агрегатах (>3, 3-2 мм). Е агрегатах < 2 мм возможно присутствие полуразложившихся остатков, отбор которых при подготовке образцов к определен™ гумуса крайне затруднителен. Однако, внося заметный вклад в общее содержание гумуса, они в то же время делали бы существенно меньший вклад в общее количество экстрагированных ГВ. Следовательно, увеличение выхода наиболее гилгофнльных и низкомолекулярных компонентов ГЕ с увеличением размеров водопрочных отдельностей в этом случае определенно связано с экстракцией слабогумифицированных компонентов -.. продуктов разложения и трансформации органических остатков, определяемых в литературе как новообразованные ГВ.

Ен;;з по гумусовому горизонту происходит закономерное изменение фракционного состава ГВ во всех фракциях водопрочных агрегатов. Уменьшается содержание наиболее гидрофильных и низко-молекуля>ных фракций при увеличении содержания менее

X

Лю. 6. Фракционный состав ГВ водопрочных агрегатов, выделенных из сухих отдельностей размером 3 ш из слоев 4-хО см (А). ¿0-30 см (Б) горизонта А1 и из горизонта Ап (0--З0'сы)(3) темно-серой лесной почвы (средние данные): ОУ - выход фракций ГВ, %; ОХ - размер агрегатов (а -3 ш, б - 3-2 ж, в - 2-1 ш, г - 1Т0,5 мгл, д - 0,5--0,¿5-и,;, о 0, ¿5 ш); СЕ - кониентрация ыл в 0,2 н ыон (1 - 4 моль/л, 2-2 моль/л, 3-1 моль/л, 4-0,2 моль/л). Условия фракционирования: навеска -0,3 г, t = 40°с , V = с,6 мл/глин

гидрофильных и более высокомолекулярных.

Фракционный состав ГБ в водопрочных агрегатах пахотной почвы отличается существенно меньшим выходом наиболее гидрофильных компонентов, содержание которых в агрегатах пахотного горизонта ниже даже по сравнению с агрегатами из слоя "0-30 см целинного аналога.

Результаты служат дополнительным подтверждением наличия

связи между агрегацией и слабогумифицированными ГБ. Кроме того, они указывают на повышенное содержание гидрофильных компонентов ГЕ в наиболее агрегированных почвенных образованиях, уменьшение содержания их по мере уменьшения размеров агрегатов и, наконец, еще более низкое их содержание в распыленном пахотном горизонте.

* А *

Ухудшение структурного состояния обрабатываемых почв обоснованно связывается в литературе со снижением содержания и запасов гумуса. Результаты изучения органических компонентов водопрочных агрегатов свидетельствуют о неоднозначном характере этой связи. Очевидно, что проблема должна решаться в аспекте устойчивости агрегатов в тех термодинамических условиях, в которых они образовались (сезонные циклы колебаний температуры, влажности, активности биоты и т. д.) - Перемещение агрегата в другие условия при обработке почвы может сопровождаться не только его механическим разрушением, при котором увеличивается его свободная поверхность, но и переносом з иные термодинамические условия, со всеми вытекающими негативными последствиями (в частности, изменением в соотношении процессов синтеза и разложения ГЕ). Данная статья расхода, конечно, может иметь меньшее значение, чем сезонное отчуждение биомассы, однако и она должна приниматься в расчет при решении проблемы деградации лесостепных почв.

' Е Ы В О Д Ы

1. Содержание гумуса в водопрочных агрегатах, выделенных из различных по глубине слоев гумусово-аккумулятивного горизонта, зависит от их размера. В пределах ряда водопрочных агрегатов, полученных путем рассева исходных сухих отдельностей, содержание гумуса уменьшается с уменьшением размера водопрочных агрегатов. ОСкарузкенкая закономерность ослабевает к нижней части гумусово-аккумулятивного горизонта.

2. Уменьшение размера водопрочных агрегатов сопровождается

закономерным изменением фракционного состава гумусовых вещэств, выражающимся в уменьшении доли наиболее гидрофильных и низкомолекулярных и увеличении доли менее гидрофильных и высокомолекулярных компонентов гумусовых веществ. Эта закономерность наиболее четко обнаруживается в верхней части гумусово-аккумулятив-ного горизонта и свидетельствует о важной роли в агрегации твердых фаз серых лесных почв продуктов разложения и гумификации растительных остатков.

3. Изучение гранулометрического и минералогического состава показало, что на агрегацию определенное влияние оказывает нисходящая миграция воды в поровом пространстве почвенной массы, вызывая, с одной стороны,облегчение гранулометрического состава поверхности структурных отдельностей, а с другой стороны, его утяжеление в водопрочных агрегатах слоя 20-30 см, предположительно за счет передвижения тонкодисперсного смектита в гумусовом профиле..

4. Водопрочные агрегаты различного размера в пределах конкретного слоя гумусово-аккумулятивного горизонта характеризуется однотипным качественным составом минералогических компонентов. Происхождение смектита трактуется как результат деградации неупорядоченно смешаннослойных иллит-смектитовых фаз и аутогенной 1М - Прелюды, но не обломочного 2М, мусковита и серицита, попадающего в илистую фракцию при частичном разрушении и каолинитизации пелитизированного микроклина.

5. При формировании водопрочных агрегатов их илистая фракция обогадрется не только глинистыми минералами преимущественно смектитового облика, но и той составляющей полевошпатовой компоненты, которая соответствует определенному месту в ряду повышения гипергенной устойчивости: основной плагиоклаз - микроклин - ортоклаз - альбит.

6. Если в верхней части гумусово-аккумулятивного горизонта серых лесных почв образование водопрочных агрегатов определяется, в первую очередь,процессами трансформации органического вещества, то в нижней части процессы агрегации осложнены наложением элювиальных процессов. Следовательно, даже в одном генетическом горизонте процессы агрегатообразования имеют специфические особенности в зависимости от конкретных термодинамических условий.

- 20 -

7. Нарушение естественного протекания процессов трансформации органического вещества выражается в ухудшении структурно-агрегатного состояния обрабатываемого слоя пахотных аналогов. При этом необходимо учитывать негативные последствия самого факта нарушения естественного сложения гумусово-аккумулятивного горизонта при обработке почв.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Шинкарев А. А., Гиниятуллин К. Г., Волков 0. И., Пэрепелкина Е. Б. - Использование метода последовательного растворения гумусовых веществ почвы. Казане, ун-т.- Казань, 1990, 17 с. Библиогр. 13 назв. -Рус.-Деп. в ЕИНИТИ. 16.01.91 М280В 91.

2. Шинкарев А. А., Пэрепелкина Е. Б. Влияние сельскохозяйственного использования на некоторые показатели гумусового состояния темно-серой лесной почвы //Почвы Среднего Поволжья и Урала, теория и практика их использования и охраны. Тез. докл. XII конференции почвоведов, агрохимиков и земледелов Среднего Поволжья и Урала, 4.1, Казань, 1991. - Казань, 1991. - С. 54-56.

3. Пэрепелкина Е. Б. Структурное состояние темно-серых лесных почв Среднего Поволжья //Тез. докл. школы-семинара мол. ученых фак. почв. МГУ, 1993. - М.: Изд-во МГУ, 1993. - С. 70.

4. Пэрепелкина Е. Б., Кринари Г. А., Шинкарев А. А. Сравнительная характеристика минералогического состава агрегатов темно-серой лесной почвы и ее пахотного аналога //Тез. докл. конф.. мол. ученых фак. почв. МГУ, 1994. - М.: Изд-во МГУ, 1994.' - С. 143.

5. Колосов Г. Ф., Шинкарев А. А., Пэрепелкина Е. Б. Влияние сельскохозяйственного использования ' на структурно-агрегатный состав серых лесных почв //Почвоведение, 1994. -N5. -С.37-41.

Автор выражает искреннюю признательность А. А. Шинкареву, доценту кафедры почвоведения и агрохимии Казанского государственного университета, за неоценимую помощь и поддержку в создании этой работы.