Состояние карбонатов в черноземах Каменной степи

Рогожникова, Евгения Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Состояние карбонатов в черноземах Каменной степи
ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Состояние карбонатов в черноземах Каменной степи"

На правах рукописи

РОГОЖНИКОВА ЕВГЕНИЯ ВЛАДИМИРОВНА

СОСТОЯНИЕ КАРБОНАТОВ В ЧЕРНОЗЕМАХ КАМЕННОЙ СТЕПИ

Специальность 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

00349328Э

Москва 2010

003493289

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

Научный руководитель:

кандидат биологических наук, доцент Зборшцук Ю.Н.

доктор биологических наук, профессор Карпухин А.И.

Официальные оппоненты: кандидат биологических наук, доцент

Кречетов П.П.

Ведущая организация:

ГНУ Воронежский НИИСХ имени В.В, Докучаева

Защита состоится « б » апреля 2010 г. в 15 ч 30 мин в аудитории М-2 факультета почвоведения МГУ на заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ имени М.В. Ломоносова

Адрес: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 12, факультет почвоведения, Ученый совет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан « » 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор биологических наук

Никифорова А.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Изучение эволюции почв является одной из основных задач теоретического почвоведения. От глубины ее решения зависит понимание закономерностей географического распространения почв, процессов развития почвенного покрова и природной среды в целом.

Информативным объектом для изучения истории развития почв являются почвенные новообразования. Новообразования являются историческими «маркерами», по которым можно судить о типе почв, их происхождении, истории и этапах развития, давать временные оценки развития почвенных свойств.

В литературе последних десятилетий активно обсуждаются механизмы формирования карбонатных новообразований, соотношения педогенных и литогенных карбонатов, возможности использования карбонатных новообразований для оценки возраста и условий формирования почв (Овечкин, 1976, 1984; Бутова, Щеглов, 1997; Ковда, 2004; Ковда, Сычева, 2007).

Почвенные карбонаты являются важным звеном в карбонатно-кальциевой системе почв. Процессы растворения-осаждения карбонатов (карбонатно-кальциевая система) контролируют многие химические и физико-химические свойства почв: рН, состав почвенного раствора, катионный обмен и некоторые другие свойства (Минкин, Ендовицкий, 1995).

В литературе практически нет сведений о состоянии карбонатно-кальциевой системы в степных почвах под лесонасаждениями. Недостаточно полно исследованы вопросы трансформации карбонатной части профиля черноземов под влиянием временного переувлажнения.

Трансформация черноземов обыкновенных и карбонатно-кальциевой системы данных почв, происходящая под влиянием естественных и антропогенных факторов и проявляющаяся в локальных и региональных циклических изменениях свойств и особенностей почв и почвенного покрова территории Каменной степи определяют актуальность темы и представленной работы.

Цель и задачи исследования. Целью работы является комплексная оценка состояния карбонатного материала черноземов Каменной степи при различном сочетании экологических условий.

Задачи исследования заключались в:

1) Количественной оценке форм карбонатных новообразований;

2) Комплексной оценке некоторых химических и физико-химических свойств обыкновенных черноземов и лугово-черноземных почв и их влияния на состояние карбонатного материала в почвах;

3) Изучении состояния карбонатно-кальциевой системы по степени пересыщенности почвенных растворов и водных вытяжек;

4) Определении запасов карбонатов кальция в почвах, оценке возможности использования данного параметра для диагностики почвенных процессов;

5) Выявлении особенностей процессов миграции и трансформации карбонатов.^кальцня в черноземах под влиянием различных эколого-гидрологических условий; ;'

6) Количественной оценке содержания кальция в различных компонентах биогеоценоза;

7) Расчете доли педогенной и литогенной составляющих карбонатного материала почв по результатам изотопного анализа.

Научная новизна. Впервые получена детальная характеристика и проведен сравнительный анализ химического состава почвенных растворов, почвенно-грунтовых вод и показано их влияние на миграционную способность карбонатов кальция в черноземах обследуемой территории.

Исследованы особенности морфологии карбонатных новообразований, установлена взаимосвязь между процессами трансформации карбонатного материала и химическим составом почвенных растворов и почвенно-грунтовых вод.

Показано влияние переувлажнения на процессы трансформации карбонатной части профиля черноземов, оценено состояние карбонатно-кальциевой системы в черноземах обыкновенных в различных сочетаниях экологических факторов. Результаты исследования позволяют определить степень и направление преобразования черноземов на территории НИИ сельского хозяйства Центрально-черноземной полосы имени В.В. Докучаева.

Практическая значимость исследования. Полученные данные могут быть использованы при прогнозе дальнейшей эволюции черноземов обыкновенных, позволяют представить основные этапы и скорость трансформации черноземных почв в условиях повышенного атмосферного и грунтового увлажнения, и в значительной степени оценить изменение агроландшафта в целом. Данные изотопного анализа карбонатов обследованной территории могут быть использованы при балансовых расчетах цикла углерода.

Результаты исследования распределения и миграции карбонатов в почвах, на примере черноземов обыкновенных и лугово-черноземных почвах Каменной степи, могут быть экстраполированы и на другие территории степной зоны Русской равнины, которые характеризуются сходными условиями почвообразования (слабой дренированностью, карбонатностью почвообразущих пород и их тяжелым гранулометрическим составом).

Апробация. Основные положения диссертации представлены на молодежной научной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2006» (Москва-2006), в материалах всероссийской научной конференции XII Докучаевские молодежные чтения «Почвы и продовольственная безопасность России» (Санкт-Петербург, 2009), в материалах юбилейной всероссийской научной конференции X Докучаевские молодежные чтения «Почвы и техногенез» (Санкт-Петербург, 2006).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 2 статьи и 3 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, включает 12 страниц графических и текстовых приложений, содержит 13 таблиц, 45 рисунков. Список литературы включает 150 источников из них 17 на иностранном языке.

Благодарность. Автор выражает сердечную благодарность научному руководителю Ю.Н. Зборищуку за ценные замечания и помощь в работе, сотруднику НИИСХ ЦЧП

им. B.B. Докучаева Н.С. Беспаловой за помощь в организации при проведении полевых работ Н.С., доценту кафедры общего почвоведения МГУ, Т.И. Малышевой за внимание к работе и полезные советы, заведующему кафедрой общего почвоведения МГУ, профессору A.C. Владыченскому и сотруднику кафедры биологии почв МГУ, профессору [B.C. Гузеву) за помощь в проведении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан обзор работ последних десятилетий, посвященных исследованиям морфологических свойств карбонатных минералов в почвах, механизмов формирования карбонатного профиля почв, изменений карбонатных новообразований в процессе эволюции почв (Афанасьева, 1946, 1966; Добровольский, 1956; Ковда, Самойлова, 1966; Лебедева, 1983; Овечкин, 1976, 1984; Зелиниченко, 1979, 1982; Демкин, Иванов, 1987; Риббе, Ридер, 1987; Поляков, 1989; Рысков, 1995, 1996; Кречетов, Николаева, 1995; Минкин, Ендовицкий, 1978, 1995; Рысков, Мергель, 1999; Щеглов, 1999; Рыскова, 2001; Хохлова, 1996, 2007; Ковда, Сычева, 2007; Хитров, Чевердин, 2007; Mermut, Arnaud, 1987; Landi, Mermut, 2003). Рассмотрены подходы к оценке состояния карбонатно-кальциевой системы в степных почвах.

Вторая глава работы посвящена описанию объектов и методов исследования.

Объектами исследования послужили почвы заказника «Каменная степь» (Таловский район Воронежской области), расположенного на границе Окско-Донской равнины и Калачской возвышенности. Исследование проводилось на 5 ключевых участках (рис. 1).

Участок I представляет собой выровненную территорию ботанических микрозаповедников, покрытую злаково-разнотравной растительностью, используемых в качестве сенокоса. Участок 2 - дубово-кленовые лесные полосы различного возраста: 50-летняя поперечная лесная полоса на водораздельном склоне восточной экспозиции крутизной от 0,3°, и 100-летнее лесонасаждение, расположенное вдоль склона юго-западной экспозиции, крутизной 1,5°. Участок 3 - пашня. Участок 4 представляет собой пологий склон южной экспозиции, покрытый злаково-разнотравно-луговой растительностью, используемый в качестве сенокоса и пастбища. На территории данного участка хорошо выражен микрорельеф: микропонижения и микроповышения.

Участок J располагается на склонах и в днище балки, покрытой разнотравно-луговой растительностью, используется в качестве сенокоса.

Исследуемые почвы представлены: 1) черноземами обыкновенными среднемощными среднесуглинистыми на лессовидных карбонатных суглинках; 2) лугово-черноземными почвами (участок 5) (Классификация почв СССР, 1977).

Годовое количество осадков и уровень грунтовых вод на территории Каменной степи (Чевердин, 2004)

Рис. 1 Местоположение ключевых участков

Методы исследования.

В период проведения исследования с 2003 по 2008 гг. на обследуемой территории было заложено 72 полнопрофильных почвенных разреза.

Оценка состояния карбонатно-кальциевой системы (ККС) данных почв проводилась па основе измерения pH, щелочности, активности кальция, с учетом парциального давлением углекислого газа в почвенном воздухе.

Отбор, подготовка и химический анализ образцов почв, воды и растительного материала осуществлялись в соответствии с общепринятыми методиками (Мякина, Аринушкина, 1973; Воробьева, 1998;).

Определение объемного веса почвы методом и полевой влажности проводилось в соответствие с методикой (Вадюнина, Корчагина, 1986). Почвенные растворы были получены методом вытеснения замещающей жидкостью (этанолом) по методике H.A. Комаровой (1956). Учет корней растений проводился методом монолитов. Анализ лесных подстилок включал в себя разделение на фракции и дальнейший химический анализ. Для расчета запасов древесины в лесных полосах были использованы данные по динамике таксационных показателей лесных полос Каменной степи, предоставленных сотрудниками института.

Для изотопного анализа углерода и кислорода карбонатов отобранные образцы карбонатных новообразований были растерты до состояния пудры и помещены в специальные жаростойкие емкости с крышкой и мембраной. Анализ образцов проводился при помощи масс-спектрометра Termo-Quest-Finnigan MAT Delta Plus.

Для определения валового содержания кальция в образцах почвы применялся рентгеноспектральный флуоресцентный анализ (Пуховский, 2003).

Фотографии выделенных форм карбонатов были получены при помощи растрового электронного микроскопа «Tescan».

Расчет доли педогенных карбонатов кальция проводился по формуле, приведенной в работе W. Salomons, W.G. Mook(1976):

~~ s^c

% педогенных карбонатов =-TL-х юр

где 0ПС„0Чв- - содержание изотопа углерода в образце, öl3C„op, - содержание |3С в материнской породе (как среднее значение интервала колебаний изотопного состава морских известняков принят равным 0%«), дИС„тв Шр,} - содержание 13С в почвенных карбонатах (принято значение -11,8%о, что соответствует наиболее «легким» значениям карбонатов кальция в виде налета) (Рысков, Демкин, 1996; Рысков, Борисов, 1999).

В третьей и четвертой главах приводится характеристика условий почвообразования и преобразования черноземов при изменении гидрогеологических условий.

Для территории Каменной степи характерен склоновый тип местности, который может способствовать развитию эрозионных процессов, явлений вторичного гидроморфизма, т.е.

образованию подтопленных и переувлажненных почв (мочаров) (Сорокина, 2007). В годы с повышенным количеством осадков на территории заказника отмечаются ареалы сезонно-переувлаженных почв. Одна треть данных ареалов приурочена к западинам на плоском водоразделе, две трети ареалов расположены в вогнутых частях склонов, ложбинах и лощинах (Чевердин, Поротиков, 2004; Зборищук, Рымарь, 2007; Хитров, Чевердин, 2007).

Характерной чертой климата Каменной степи является большое непостоянство погодных условий, складывающихся в тот или иной год. По данным метеонаблюдений периоды с избытком тепла и недостатком влаги чередуются с прохладными периодами повышенного увлажнения с интервалом примерно 4-6 лет. За последние 100 лет на территории обследуемого района возросла средняя годовая температура, которая составляет 5,6°С, количество атмосферных осадков также увеличилось и в среднем за последние 100 лет составляет 470 мм/год (рис. 1) (Чевердин, Поротиков, 2004).

Почвообразующие породы представлены карбонатными лессовидными суглинками и глинами, мощность которых на водоразделах составляет в среднем 2-3 м (Никанорова, 1953).

Растительность участков 1 и 4 степная злаково-разнотравная. Растительность лесонасаждений представлена, в основном, дубом черешчатым, ясенем пушистым, кленом остролистным и кустарниками - жимолость, орешник, смородина черная, акация желтая (Соловьев, 1967).

На территории ключевых участков состав грунтовых вод и почвенно-грунтовых вод неоднороден. Среди катионов доминируют кальций и магний, на их долю приходится около 90% от всех катионов, среди анионов преобладает гидрокарбонат-ион (более 85% от всех анионов) (табл. 1). Согласно классификации природных вод по величине минерализации фунтовые воды относятся к классу солоноватые, по составу к гидрокарбонатно-кальциевому и гидрокарбонатно-сульфатно-кальциевому типу (по классификации Алекина).

Таблица I

Химический состав грунтовых вод и «верховодки»

рН Са2+ N3* НСОэ" С1- БО,2" Сухой остаток, г/л

ммоль экв/л

Участок 2 (лесные полосы) грунтовая вода

Июль 2005 8,44 2,8 12,0 не опр. 14,0 не опр. не опр. не опр.

Май 2007 7,08 28,4 25,6 0,6 25,1 0,9 3,3 1,44

Июль 2007 7,66 28,8 21,2 0,7 20,6 1,3 6,9 1,625

Сентябрь 2007 7,08 36,4 14,4 0,6 23,5 1,2 2,5 1,612

Участок 3 (пашня) почвенно-грунтовьге воды

Разрез ПЗ 8,04 82,0 не опр. не опр. 7,7 не опр. не опр. 1,59

Разрез Б5 8,06 4,0 не опр. не опр. 1,4 не опр. не опр. 0,46

Участок 4 (грунтовая вода)

Май 2007 8,31 62,4 36,6 8,9 53.0 2,1 6,5 1,73

Июль 2007 8,48 58,4 32,0 6,0 51,0 1,9 3,4 1,88

Сентябрь 2007 8,16 30,0 38.0 7,4 49,0 1,1 4,0 1,81

В пятой главе приводятся результаты исследования.

Морфологическое описание почвенных профилей позволило выделить ряд особенностей в свойствах рассматриваемых черноземов. Мощность гумусового горизонта в черноземах под степной растительностью составляет 70 см, на пашне - 65 - 58 см. Под лесными насаждениями мощность гумусового горизонта на 12 см больше, чем в почвах под степной растительностью.

В почвах на пашне зернистая структура горизонта А утрачивается и преобразуется в зернисго-комковатую, или комковато-порошистую. В горизонтах В|са и В^са комковато-призмовидная структура сменяется на призмовидно-глыбистую. В нижних горизонтах черноземов подтапливаемых участков виден сизоватый оттенок в окраске (участок 3 и микропонижения на участке 4).

Состав водной вытяжки и почвенных растворов. Результаты анализа водной вытяжки почвы показывают, что среди катионов преобладает кальций, его содержание в почвах разных участков варьирует от 0,20 до 1,13 ммоль(+)/100 г почвы, содержание магния 2-3 раза меньше, чем кальция. Среди анионов доминируют сульфат и гидрокарбонат-анион (рис. 2).

В водных вытяжках почв под лесными полосами 100-летнего возраста концентрация катионов и анионов значительно снижена. На глубине от 120-130 см резко возрастает концентрация кальция и гидрокарбонат-иона (рис. 3 диаграмма слева).

У, астох1р»грм1С о*

-гп чьи

-1 се -с. 50 а.х 0.50 1 -5 -1.Э-' М 1

1 1 1

/7 -с*:- -СС-

! и ........ М$>

и 1

у а 1 -нсоз-

и *

* ;

\ % ........ 1 \ ........ 50*:-

1 '1 1 < 1 '-г \ 1 8 1 : 1 0

Рис. 2. Распределение компонентов волной вытяжки почв участка 1

Выщелачивание карбонатов кальция из почвенного профиля чернозема под 50-летними лесными насаждениями в случае периодического застаивания почвенно-грунтовых вод в почвенном профиле маловероятно. Содержание катионов кальция в водных вытяжках почв в таких условиях составляет 0,35-0,72 ммоль(+)/100 г почвы, количество натрия возрастает с глубиной от 0,06 до 0,51 ммоль(+)/100 г почвы. Катионы можно расположить в следующий ряд по убыванию Ca2+>Nat>Mg2. Среди анионов доминирует ЗОд2" и НСО?"—ион, их доля максимальна в горизонтах В|Са и Вгса (рис. 3 диаграмма справа).

Рис. 3. Распределение компонентов водной вытяжки почв участка 2 (слева - солевой профиль чернозема обыкновенного в 100-летней лесной полосе; справа - в 50-летней лесополосе на подтопляемом участке)

В почвах на пашне, подвергающихся периодическому переувлажнению, происходит аккумуляция веществ в средней части профиля (горизонт АВ и В1Са). Состав водной вытяжки почв пашни при подтоплении выражается в виде следующих рядов по убыванию содержания компонентов: Са2+>Мё3">Ка+ и 5042">НС0з">СГ. Среди анионов доминирует сульфат-анион, концентрация НСОз~ иона снижена до 0,1-0,2 ммоль(-)/100 г почвы.

Рис. 4. Распределение компонентов водной вытяжки почв участка 3 (слева - солевой профиль чернозема обыкновенного на подтапливаемом участке; справа - на дренированной территории)

На глубине 50-80 см (горизонт Bica) резко возрастает содержание магния, его концентрация становится сопоставимой с концентрацией кальция, и достигает 1,8 ммоль(+)/100 г почвы. В горизонте Ар происходит аккумуляция ионов натрия и хлора. Источником солей в данном случае служат минерализованные солоноватые гидрокарбонатно-кальциевые почвенно-грунтовые воды (рис. 4).

Компонентный состав почвенных растворов влияет на их состояние пересыщенности относительно карбоната кальция. Присутствие больших количеств магния в почвенном растворе черноземов на пашне обуславливает замедленную кристаллизацию или препятствие в образовании осадка СаСОз и, как следствие, отсутствие в почвенном профиле выраженных карбонатных выделений. Появление значительных количеств НСОз -ионов в почве из близкорасположенных к

поверхности грунтовых вод, приводит к повышенному осаждению и накоплению СаСОз в горизонтах АВ и А (рис. 5).

Учасгз».J рир«).1П2 •nun. IUI.:« Уч1С7Ж S pupei .'.Tj-'

• 1.50 -5.60 со CO И » Л

V ( 1 .1 "1

i P i i .......- *4> -НСЭ}- ......— so*:- 1 1 1 iJ 1 i t f / /.,« ! ........ -HCO)- ............. CJ- -------soc-

i i i i V

Рис. 5. Распределение компонентов водной вьгтяжки почв участка 4 (слева - солевой профиль чернозема обыкновенного на микроповышении; справа - в микропонижении рельефа)

Соотношение Ca/Mg в выделенных почвенных растворах около 4,5, в водных вытяжках 3,5. Наибольшие значения соотношения Ca/Mg наблюдаются в горизонтах Вгса (до 7-10). Минимальное соотношение данных катионов встречается в почвах подтапливаемых участков (участки 3 и 4).

Компонентный состав почвенных растворов и водных вытяжек определяется во многом качественным составом и минерализацией грунтовых вод.

Выяснено, что при застаивании в почвенном профиле слабоминерализованных грунтовых воды с компонентным составом, характеризующимся соотношением Ca/Mg менее 1,5 и Ca/Na менее 1, возможно развитие процессов засоления. Близкое залегание слабоминерализованных слабощелочных солоноватых сульфатно-гидрокарбонатно-кальциевых вод приводит к повышению общей минерализации и доли натрия в составе почвенных растворов. В черноземах под лесными насаждениями при близком залегании солоноватых гидрокарбонатно-магниево-кальциевых вод развитие процессов засоления и декальцификации маловероятно.

Содержание и распределение карбонатов. В распределении карбонатов кальция по почвенному профилю черноземов обыкновенных можно выделить три зоны: зону выщелачивания, миграционную и консервативную зоны. Мощность зоны выщелачивания может изменяться от 30 до 110 см, в пределах данной зоны содержание карбонатов минимальное -1,0-1,5%, в пульсационно-миграционной зоне оно изменяется от 3 до 8%. В консервативной зоне содержание карбонатов практически не изменяется с глубиной и составляет около 12% (рис. 6).

Рис> 6. Распределение карбонатов по почвенному профилю чернозема (усредненные данные по группам

почвенных разрезов)

Статистическая обработка данных показывает, что максимальные величины коэффициента вариации содержания СаСОэ приходятся на горизонты АВ и В1С, (67%). Минимальная вариабельность наблюдается в почвообразуюшей породе (консервативной зоне) 10,5% (табл. 2)

Таблица 2

Горизонт N Ш Ме<1 М1п Мах Х<0.25) Х(0.7!) о* о У,%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Участок 1

А 6 0,5 0,6 0,3 0,7 0,3 0,7 0,1 0,2 36,9

АВ 6 2,5 2,1 1.5 5,0 1,5 2,8 1,7 1,3 53,1

6 9,0 8,9 7,5 10,8 7,8 10,1 2,0 1,4 15,8

Взс« 6 9,8 9,8 8,9 11,0 9,4 10,1 0,5 0,7 7,4

С (100-200) 4 10,3 10,2 9,2 11,7 9,4 11,3 М 1,1 4,1

С(200-300) 4 9,2 9,0 8,7 10,1 8,9 9,6 0,4 |_ 0.6 6,7

Участок 2

А 21 0,6 0,5 0,2 1,6 0,4 0,8 0,1 0,4 59,5

АВ 20 4,0 2,9 0,6 15,7 1,0 5,4 13,9 3,7 93,5

Вю» 21 9,4 8,5 0,4 22,0 6,6 12,5 32,7 5,7 60,8

02С1 11 15,2 13,0 7,6 31,3 8.1 19,4 69,1 8,3 54,6

С (100-200) 4 14,1 14,0 12,0 16,3 12,5 15,6 3,7 1,9 13,7

С(200-300) 3 9,3 9,2 8,7 10,1 8,7 10,1 0,5 0,7 7,6

Участок 3

Апах. 13 0,7 0,6 0,2 2,0 0,4 0,7 0,3 0,6 77,5

АВ 13 2,8 0,7 0,1 11,0 0,4 5,9 13,7 3,7 132,8

В1С1 13 7,9 8,2 0,3 14,4 5,4 12,0 24,3 4,9 62,6

10 11,1 10,8 5,9 14,7 9,4 14,0 9,0 3,0 27,0

С (100-200) 4 13,6 13,5 12,6 14,9 12,8 14,5 1,1 1,0 7,6

С(200-300) 2 15,1 15,1 14,9 15,3 14,9 15,3 0,1 0,3 1,9

Участок 4 МПВ

А 4 0,5 0,5 0,5 0,6 0,5 0,5 0,0 0,0 5,9

АВ 4 5,5 5,9 1,9 8,3 3,4 7,6 7,5 2,7 49,9

В|с< 4 5,6 6,9 0,7 8,0 3,7 7,6 11,2 3,3 59,4

Вгс« 4 8,1 9,5 1,3 11,9 4,7 11,4 22,8 4,8 59,2

С (100-200) 4 13,8 13,5 12,0 16,3 12,7 15,0 3,2 1,8 13,0

С(200-300) 4 12,0 12,0 10,1 13,8 11,0 13,0 2,3 1,5 12,7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Участок 4 МПН

А 5 0,8 0,7 0,2 1,5 0,5 1,0 0,3 0,5 64,0

АВ 5 2,0 1,9 0,3 3,7 0,9 3,0 2,0 1,4 71,9

В|Са 5 3,1 3,2 0,5 6,3 0,7 5,0 6,6 2,6 82,2

4 8,2 8,7 2,0 13,4 4,2 12,2 25,4 5,0 61,4

С (100-200) 3 9,3 9,3 8,1 10,4 8,1 10,4 1,3 1,2 12,4

С(200-300) 2 9,2 9.2 8,0 Ю.З 8,0 10,3 2,6 1,6 17,8

Участок 5

А 5 0,8 0,7 0,2 1,9 0,6 0,8 0,4 0,6 75,2

АВ 5 1,4 1,7 0,4 1,8 1,5 1,7 0,3 0,6 40,3

В1С1 5 7,6 6.8 1,1 14,2 3,6 12,5 31,6 5,6 74,0

В2С. 3 10,3 12,9 3,8 14,2 3,8 14,2 31,9 5,6 54,9

Коэффициент вариации содержания карбонатов максимален в горизонте АВ участка пашни, что, по-видимому, обусловлено резкой контрастностью смены условий испарения/увлажнения почвы, не защищенной растительностью после уборки урожая. Отсутствие растительного покрова на пашне способствует интенсивному испарению влаги из нижних горизонтов почвы. В то же время влага на пашне просачивается на большую глубину, так как не задерживается корневыми системами растений и отмершими растительными остатками (степным войлоком). Поэтому зона выщелачивания и зона пульсаций и миграции карбонатов кальция в пахотных черноземах имеет размытые границы.

Как показывают расчеты значений критерия Колмогорова-Смирнова распределение карбонатов в горизонтах А, АВ, В|са обыкновенных черноземов не подчиняется нормальному закону. Содержание СаСОз в горизонте Вгса аппроксимируется законом нормального распределения. Результаты сравнения средних величин содержания карбонатов кальция на ключевых участках (по критерию Вилкоксона) показали, что содержание карбонатов в черноземах под лесными насаждениями, на пашне, и расположенных на различных формах микрорельефа достоверно отличается от распределения карбонатов в почвах под степными залежами.

Запасы карбонатов в черноземах обыкновенных и лугово-черноземных почвах. Запас СаСОз в почвенной толще мощностью 0-200 см составляет 223 кг/м2. Запас карбонатов в слое мощностью 200-350 см (почвообразующей породе) составляет 178 кг/м2. Запасы карбонатов кальция в почвенной толще участка 2 и на участке 4 (особенно почвы на микроповышениях рельефа) и в почвообразующей породе распределены относительно равномерно (1:1). Только для лугово-черноземных почв отношение запасов карбонатов в почве и в почвообразующей породе составляет 1:1,5 (рис. 7).

8слое0"200см, кг/ЙО.М

» ЗЛЫЗС кзрбо! ШОО цспое 200-350СМ, кг/ко.м

Учааок! унлаокЛ Учэсгок5Учасюк4 УЧЗСЮК5

Рис. 7 Соотношение запасов карбонатов в почве и почвообразующей породе

Процессы миграции карбонатов наиболее интенсивны в черноземах под лесными полосами и под лугово-разнотравной растительностью участка 4. В первом случае, активная аккумуляция карбонатов на участке 2 вызывается высокими концентрациями углекислого газа на глубине и активной десукцией под древесной растительностью. Во втором случае, помимо десукции, в процессах миграции карбонатов принимают участие процессы испарения близко залегающих к поверхности грунтовых вод.

Запас карбонатов кальция в собственно почвенной толще всего на 20% превышает запас карбонатов кальция в породе. В случае гидрогенной аккумуляции карбонатов кальция разница между запасами кальция в породе и почвенной толще может достигать 30 и более раз (Афанасьева, 1946). По-видимому, аккумуляция карбонатного материала в материнской породе и в почвенном профиле на данной территории происходила в течение незначительного промежутка времени по отношению к возрасту поверхности, на которой формировался современный почвенный покров.

Оценка продолжительности гидроморфной стадии развития черноземов по запасам карбонатов в профиле почвы. Карбонатные лессовидные суглинки, слагающие поверхность, на которой развиты черноземы обыкновенные были сформированы, как считается, при отложении материала из вод ледника Днепровского оледенения более 300 ООО лет назад. Черноземы, как полагают, прошли в своем развитии гидроморфную стадию (Ковда, Самойлова, 1966).

Для расчета длительности луговой стадии необходимо рассмотреть два варианта. При этом принимаются во внимание растворимость карбоната кальция в воде (по Вигнеру): при концентрации СОг в воздухе равной 0,03% она составляет 0,063 г/л, 0,3% - 0,138 г/л, и при концентрации в воздухе 1,0% - 0,211 г/л (Питьева, 1988). Годовое количество осадков принимается равным 400 и 500 мм. Коэффициент увлажнения по Иванову для данной местности равен 0,85. Испаряемость при принятых значениях осадков составляет 340 мм и 425 мм в год (в среднем 383 мм/год).

В первом варианте предполагается, что поверхность почвообразующей породы после отступания вод ледника не была покрыта растительностью в течение 1000 лет. Количество СаСОз, которое ежегодно в почвенной толще при испарении грунтовых вод и при концентрации СО2 в воздухе грунта, равной 0,03%, аккумулировалось примерно 0,024 кг/м2. В течение 1000 лет в толще

1ЯО.О .........................................................Г"......................|...................

160.0

' ] в

1.10,0 ...............

грунта могло накопиться 24 кг/м2. Если из общего запаса СаСОз вычесть 24 кг/м2 карбонатов

кальция, накопившегося при отсутствии растительности, то в течение этого периода накопилось 199 кг/м2 карбонатов. После заселения растительности, если принять концентрацию СОг в почвенном воздухе 1,0%, то в водонасыщенной толще грунта ежегодно накапливается 0,081 кг/м2 СаСОз. Разделив запас карбонатов кальция, накопившегося за 1000 лет на не покрытой растительностью поверхности грунта, получается период времени 2457 лет - время, в течение которого происходило перераспределение карбонатов в почвенной толще при участии растительности. Суммарная длительность стадии накопления СаСОз в почвенной толще мощностью 0-200 см составляет в данном варианте 3457 лет.

Во втором варианте предполагается, что поверхность породы заселялась растительностью быстро и после отступания вод ледника образовались луговые почвы. За один год в почвенном профиле могло накопиться при концентрации СОг в почвенном воздухе 0,3% - 0,053 кг/м2 и при концентрации С02 в почвенном воздухе 1,0% - 0,081 кг/м2 СаСОз. Суммарный запас СаСОз в почвенной толще мог накопиться за 4208 лет при концентрации СОг в почвенном воздухе 0,3%, или за 2754 года при концентрации СОг 1,0%, что в среднем, составит 3481 год (табл. 3).

Полученные результаты хорошо согласуются с данными, приведенными в работе Е.А. Афанасьевой (1946).

Таблица 3

Мощность слоя Запас СаСОз, кг/кв.м Концентрация СО: в почвенном воздухе, %

0,03 0,30 1,00

0-100см 69 2875 1302 852

100-200см 154 6417 2906 1901

200-300см 178 7417 3358 2198

Суммарная длительность гидроморфной стадии развития данных черноземных почв, как показывают результаты расчета по запасам карбонатов, составляет 2800-4200 лет. В течение этого периода современные автоморфные черноземы развивались как гидроморфные черноземно-луговые и лугово-черноземные почвы, в нижней части почвенного профиля которых происходила интенсивная гидрогенная аккумуляция карбонатного материала. Возраст черноземов обыкновенных Каменной степи по оценке, приведенной в работе Е.В. Рубилина (1974), составляет 9300±150 лет. Длительность периода времени, в течение которого данные почвы развивались как автоморфные, составляет 6600 - 5200 лет.

Оценка запасов углерода карбонатов и органического вещества. Полученные данные по содержанию органического вещества и карбонатов в черноземах позволили провести расчет и сопоставление запасов углерода, зафиксированного в гумусе и в карбонатах.

Запасы углерода гумуса в толще мощностью 0-200 см составляют, в среднем по участкам, 43 кг/м2. В карбонатах аккумулировано (в толще такой же мощности), в среднем, 26 кг/м2 углерода.

В черноземе обыкновенном запасы углерода в форме гумуса превосходят запасы углерода в виде карбоната кальция примерно в 2 раза. В почвообразующей породе (в толще 200-350 см) запасы углерода в виде карбонатов превосходят запасы углерода в форме органических веществ более чем в 12 раз (рис. 8).

Распределение углерода гумуса и карбонатов на ключевых участках имеет различный характер. Максимальный запас углерода гумуса наблюдается в черноземах участка 1-61 кг/м2, против 19 кг/м2 углерода карбонатов. В черноземах на участке 2 отношение Сорг./С|сарб. равно 2. Па участке 3 запасы гумуса снижаются, что приводит к уменьшению отношения Сорг./Скарб. Д° величины 1,6. На участке 4 отношение Сорг./Скарб. около 1.

. 230-350СМ

я э-гоосм

£ f

Скзрб.\ Сорг. Скзрб Сорг. ;Скзр6.; Сорг. :Скзр6. Сорг.

2Э.9 ; 0.7 [ 7,2 2.5 19.1 i 41,1 | 24,6 38,5

Рис. 8 Распределение запасов углерода гумуса и карбонатов в почвах на ключевых участках

Содержание кальция (СаО) в растениях. Запас лесной подстилки в 50-летних лесных полосах составляет 1,5 кг/м2, в 100-летних лесонасаждениях - 4,0 кг/м2. Запас надземной фитомассы в травяных ценозах - 0,56 кг/м2, запас древесины в 100-летних лесных насаждениях - 216 кг/м2. Запасы корней растений в слое 0-100 см составляют 1,3 - 1,5 кг/м2. Отношение надземной и подземной фитомассы для травяных ценозов 1:3.

Доля СаО в корнях растений и в надземных частях около 0,02% от массы воздушно-сухого материала. Содержание СаО во фракции лесной подстилки менее 2 мм составляет 0,26%. По нашим данным, запас СаО в лесной подстилке превосходят запас СаО в надземной фитомассе трав более, чем в 30 раз.

В среднем, запас СаСОз в пересчете на СаО в слое почвы мощностью 0-100 см составляет в среднем 20 кг/м2. Общее содержание форм СаО (обменного, силикатного, фосфатного и в виде других некарбонатных соединений) в почве (слой мощностью 0-100 см) составляет 4,7 кг/м2. Запас СаО в подземной фитомассе на слой мощностью 1 м составляет 0,02 кг/м2. В лесной подстилке запас СаО равен 0,70 кг/м2.

Состояние карбонатно-кальциевои системы почв. Почвенные растворы исследуемых

черноземов пересыщены относительно СаСОз. Средняя степень пересыщенности (Q), рассчитанная rio

аналитическим концентрациям, составляет 11,2 раза. Максимальная степень пересыщенности почвенных растворов по кальциту достигает величины порядка 100, минимальное значение О составляет 2,9. С учетом ассоциации ионов и ионных пар степень пересыщенности растворов варьирует в более узких пределах от 7,5 до 1,4. Вклад ассоциации ионов и образования ионных пар в формирование пересыщенных относительно кальцита почвенных растворов составляет, по нашим данным, около 78%.

Водные вытяжки почвы также пересыщенны относительно кальцита. Индекс насыщенности варьирует в широком диапазоне величин от 0,5 до 3,0.

В почвах микроповышений индекс насыщения выше на 0,5 единиц (пересыщенность выше в 3,2 раза), чем в почвах микропонижений рельефа.

Карбонатная система трансформируется от ненасыщенной к пересыщенной в зависимости от геоморфологического положения почвы. Тенденция увеличения содержания карбонатов в профиле почв параллельно с уменьшением степени дренированности территории не наблюдается.

Морфология карбонатных новообразований. Карбонатный псевдомицелий представляет собой сетку расплывчатых жилок с инкрустацией карбонатов, окарбоначенных каналов, а также отдельных рассеянных зерен, расположенных в виде ореолов вокруг белоглазки. Наиболее часто встречается в нижней части горизонта AB, на глубине 50-70 см (рис. 9, 10).

Рис. 9 Карбонатный псевдомицелин

Рис. 10 Аккреционная белоглазка

Широко распространенными формами карбонатных новообразований в рассматриваемых почвах являются жилки, окруженные пропиткой.

Жилки-«столбши» (инфилинги), полностью заполняющие внутреннее пространство трещин и ходы корней, разной длины (до 3 см), диаметром 0,5-2 мм. Имеют яркий белый цвет.

Мелкая инкреционная белоглазка с расплывчатыми границами диаметром до 1 см, заполняющая мелкие полости, легко крошиться; выделяется на стыках вертикальных и горизонтальных трещин; имеет желтоватый цвет вследствие перемешивания с глинистым материалом.

Крупная белоглазка диаметром 1-2 см, неправильной формы, встречается на стыках структурных отдельностей, и принимает форму в зависимости от формы порового пространства. Имеет четко выраженную центральную и периферическую части.

Нодули («журавчики») - очень твердые, плотные стяжения, размером до 3 см в диаметре, имеют овальную форму, четкие очертания и расположены независимо от формы порового пространства. Внутреннее строение при рассмотрении невооруженным глазом выражено слабо или не выражено вовсе. Окраска новообразования - желтоватая, поверхность шероховатая, загрязнена глинистым материалом.

Существующие интерпретации по вопросу происхождения карбонатных новообразований в виде «журавчиков» противоречивы. Твердые конкреции могут быть сформированы из белоглазки или пропиточных форм при их перекристаллизации (Добровольский, 1956; Македонов, 1966). Но с другой стороны, нодули могут быть результатом аккумуляции СаСОз при испарении грунтовых вод, при условии, что содержание СаСОз и К^СОз в аккумулятивном горизонте выше, чем могло быть иллювиировано из верхней части почвенного профиля (Ковда, Самойлова, 1966; Самойлова, 1983).

Исследование карбонатного материала методом растровой электронной микроскопии выявило определенные различия в микростроении карбонатных новообразований между пахотными и целинными черноземами, несмотря на сходство морфологических характеристик, наблюдаемое при полевом описании почвенных разрезов. Кристаллы СаСОз белоглазки отобранной в пахотных черноземах мельче, упакованы компактно, в белоглазке, отобранной на участках 1 и 4 кристаллы карбоната кальция крупнее, упакованы более рыхло (рис. 11 и 12).

В горизонте АВ черноземов белоглазка и карбонатный псевдомицелий состоят из мелких кристаллов кальцита с нечетко очерченными контурами, поверхность кристаллов покрыта «пленкой» (рис. 11).

Рис. 11 Строение «жилки-трубочки» (РЭМ ЗОООх) Рис. 12 Скол "белоглазки"р.2МПН (глубина 9094см) (РЭМ ЗОООХ)

Кристаллы СаСОз белоглазки, отобранной с глубины более 80-90 см (в горизонте Вюа и В2са) крупнее, чем кристаллы кальцита в белоглазке, залегающей ближе к поверхности. В черноземах под старыми лесными полосами, а также на участках 3 и 4 белоглазка имеет небольшой диаметр: от 0,5 до 1 см. Она состоит из более или менее однородных по размеру кристаллов уплощенной, чешуйчатовидной формы (рис. 13, 14).

Рис. 13 Внутреннее строение "белоглазки" р. П11 Рис. 14 Внутреннее строение журавчика (р.2С) (глубина 100 см) (РЭМ ЗОООх) (РЭМ 3000Х)

Кристаллы кальцита в белоглазке во всех изученных почвенных профилях имеют слоистое строение, слои состоят из мелких частиц неправильной или округлой формы. Размеры частиц сильно варьируют, в целом составляют десятые доли микрометра, что соответствует размеру коллоидных частиц (порядка менее 10"4 см). Следовательно, можно предположить, что кристаллизация кальцита происходит не из идеальных растворов, а из коллоидных.

Данная гипотеза была высказана в работе В.В.Добровольского (1956), а также канадских исследователей (Mermut, Arnaud, 1981). Как известно, ионы кальция и карбоната, соединяясь в растворе, формируют устойчивые коллоидные растворы. Причем, образование коллоидных растворов карбонатов кальция может происходить даже в разбавленном растворе с низкими степенями насыщенности, из которого кальцит tie осаждается.

Журавчики состоят преимущественно из крупных плотно упакованных четко очерченных кристаллов, имеющих форму несовершенного ромбоэдра. Частицы располагаются чрезвычайно плотно одна к другой, формируя идиоморфные кристаллы с прямыми ребрами и фигурами роста на базальных гранях (рис. 14).

Формирование нодулей происходило из пересыщенных карбонатами коллоидных растворов (гелей), с дальнейшей кристаллизацией коллоидов, переупаковкой и уплотнением кристаллов. Данные формы новообразований являются наиболее устойчивыми. Признаков развития процессов разрушения и перекристаллизации карбонатных нодулей в настоящее время в обследованных почвах не наблюдается.

Анализ данных по морфологическому полевому описанию почвенных разрезов показал, что распределение форм карбонатных новообразований в черноземах обыкновенных следующее: на долю карбонатного псевдомицелия и трубочек приходится примерно 20-25% от всех форм карбонатных новообразований, на долю новообразований в форме белоглазки -35-40%, журавчиков - 45-35%.

Изотопный состав карбонатных новообразований. Результаты проведенных исследований показывают, что усредненный изотопный состав углерода (ИСУ) карбонатных новообразований составляет -9,1%о, изотопный состав кислорода (ИСК) карбонатов, в среднем, равен 20,2%о (табл. 3).

Для дисперсных (миграционных) форм карбонатов (тонких жилок-трубочек, карбонатного налета) средний изотопный состав углерода составляет -11,0%о, 3|80 варьирует от 16,2 до 18,5%о. ИСУ центральной части белоглазки и журавчиков наиболее «утяжелен» изотопом |3С и колеблется в диапазоне -7,5 - -8,7%о. ИСК изменяется в пределах от 20,3 до 21,5%о (табл. 4).

Разница между изотопным составом карбонатных новообразований и средним значением ИСУ органического вещества в исследуемых черноземах варьирует от -12,7 до -17,9%о. Несоответствие изотопного состава углерода гумуса и углерода карбонатов свидетельствует о том, что формирование современных (миграционных) и более древних (конкреционных) карбонатных новообразований происходило без влияния СОг, выделяющегося при разложении органического вещества (Моргун, 2008).

Таблица 4

Описание новообразования ЫЗС,%о, РОВ 5180,%о, V-БМСПУ Форма выделения карбоната

Налет в виде тонких белых корочек на стенках крупных пор, ходов корней и трещинах; и инкрустации кристаллов карбонатов белого цвета по стенкам трещин; -11,8 17,1 Налет, инфилинги ("дисперсные" формы карбонатов)

Тонкие жилки-столбики, диаметром 0,5-1мм, заполняющие трещины; -10,5 16,2

Трубочки сливающиеся друг с другом на стыке крупных трещин, отграничены от вмещающей глинистой массы, ориентированы преимущественно вертикально -10,7 18,5

Жилки-столбики, полностью заполняющие крупные трещины и ходы корней; диаметром 1-2мм; длиной до 1,5см, расположены вертикально -9,2 21,3

Белоглазка, граница размыта, ядро уплотнено, диаметром 0,51,5 см (не четко отграниченная от вмещающей массы) -9,0 21,2 Инкреционная белоглазка (сегрегированные формы карбонатов)

Белоглазка размером от 0,5 до 1 см: в центре уплотнена, имеет концентрическое строение, в периферийной части карбонатный материал смешан с глинистым, и постепенно переходит в форму пропитки - рассеянной в виде тонких мелких кристаллов на гранях структурных отдельностей; -9,4 20,3

Плотные конкреции, рассыпающиеся при надавливании (белоглазка), граница новообразования расплывчатая, но в пределах 2-3 мм, диаметр белоглазки 1,5 - 3 см (периферийная часть белоглазки) -8,7 21,2

Четко очерченная белоглазка размером от 1 до 1,5 см: в центре уплотнена, ореол перриферийной части небольшой до 1,5 см. -8,4 21,3 Аккреционная белоглазка (сегрегированные формы карбонатов)

Белоглазка размером от 1 до 1,5 см: в центре уплотнена, ореол перриферийной части небольшой до 1,5 см (периферическая часть белоглазки) -9,0 21,5

Центральная часть белоглазки -7,5 20,9

Центральная часть белоглазки -8,2 20,5

Журавчики овальной формы, диаметром 2,5 см, четко отграниченные от вмещающей массы почвы, разламываются с большим усилием. Внутреннее строение однородное -8,3 20,8 Нодули

Доля педогенных карбонатов кальция составляет 80%. Доля литогенной составляющей в карбонатном материале исследованных черноземов составляет 20%, что, по-видимому, связано с присутствием остаточных литогенных форм карбонатов в виде обломков известняка, присутствующего в почвообразующей породе. Это также означает, что 20% от всей массы представленных форм кальцита не была вовлечена в биологический круговорот и не подвергалась перекристаллизации в процессах сезонной миграции почвенных растворов (табл. 5).

Низкий уровень новообразованного кальцита в ядре белоглазки (63%) объясняется тем, что она могла быть сформирована вокруг обломков известняка и, как следствие, содержит литогенные составляющие (табл. 5).

От общего содержания СаСОз в почве доля педогенных карбонатов составляет в среднем 9,3%. Таким образом, по нашим данным, из всей массы углерода карбонатного материала, находящегося в почве только небольшая часть (5-12%) задействована в сезонных миграциях веществ в почвенном профиле (табл. 5).

Таблица 5

Доля педогенных карбонатов___

№ Разрез Горизонт/ глубина, см Форма выделения ö1JC,%«, PDB Содержа ние СаСОз, % Педогенные карбонаты, % Доля педогенных карбонатов от общего количества карбонатов, %

1 ПЗ В2С* жилки-столбики -10,5 5,9 88,7 5,2

2 150-200 аккреционная белоглазка -9,4 12,6 79,7 10,0

3 200-250 журавчик -9,3 15,5 79,1 12,3

4 Б2 В ici аккреционная белоглазка -9,0 14,2 76,6 10,8

5 П7 Взс. жилки-столбики -9,2 14,0 77,9 10,9

6 БЗ Вгса инкреционная белоглазка -8,4 12,9 71,1 9,2

7 П12 70-120 инкреционная белоглазка -9,0 14,7 76,1 11,2

8 100ЛП8 150-200 аккреционная белоглазка -8,7 13,0 73,7 9,6

9 150-200 ядро белоглазки -7,5 13,0 63,4 8,2

10 МПН2 100-120 трубочки -9,7 12,6 82,1 10,3

11 МПВ1 70-80 налеты -11,8 6,9 100,0 6,9

12 100-150 ядро белоглазки -8,8 9,3 74,4 6,9

В пересчете на толщу мощностью 0-200 см запасы углерода карбонатов составляют 26 кг/м2. Умножив запас углерода карбонатов на средневзвешенное количество педогенного СаСОз (на 5 % и 12%) получим, величину углерода карбонатов, участвующего в сезонных миграциях, т.е. в процессах растворения, перекристаллизации и осаждения в виде кальцита. Она варьирует от 1,3 до 3,2 кг/м2 (или 5,2 и 11,8 кгС02/м2).

Из всех рассмотренных форм карбонатных новообразований в обследованных черноземах 80% имеют педогенное происхождение, то есть были образованы путем осаждения карбонатов кальция из пересыщенных грунтовых вод и при участии углерода, выделяемого в процессе жизнедеятельности почвенной биоты и дыхания корней растений.

Это также может свидетельствовать о том, что гидрогенная аккумуляция карбонатов кальция в материнской породе в течение примерно 2800-4200 лет после отступания ледника и понижения уровня грунтовых вод замедлилась и прекратилась. В автоморфную стадию почвообразования карбонатный материал постепенно трансформировался в процессах перекристаллизации, приобретая разнообразные морфологические формы.

Выводы

1. По степени минерализации почвенно-грунтовые воды рассматриваемой территории пресные и солоноватые. По качеству нейтральные и слабощелочные гидрокарбонатно-кальциевого и гидрокарбонатно-сульфатно-кальциевого типа. Общая минерализация грунтовых вод находится в пределах 1,6 - 1,8 г/л. Локально на территории Каменной степи встречаются грунтовые воды гидрокарбонатно-магниевого типа (отношение Ca/Mg = 1 -1,5). Периодическое поднятие к поверхности капиллярной каймы фунтовых вод и при высоком содержании магния в водах могут спровоцировать интенсивный вынос карбонатов кальция из почвенного профиля.

2. Выяснено, что при застаивании слабоминерализованных грунтовых вод со следующим компонентным составом в почвенном профиле: соотношении Ca/Mg менее 1,5 и Ca/Na менее 1, возможно развитие процессов засоления. Близкое залегание слабоминерализованных слабощелочных солоноватых сульфатно-гидрокарбонатно-кальциевых вод приводит к повышению общей минерализации и доли натрия в составе почвенных растворов.

3. Развитие процессов засоления и декальцификации в черноземах под лесными насаждениями при близком залегании солоноватых гидрокарбонатно-магниево-кальциевых вод маловероятно.

4. Кальций, содержащийся в травяной растительности, составляет около 1% от того количества кальция, которое аккумулировалось в гумусовом горизонте почвы или 0,1% от количества кальция, содержащегося в почвенных карбонатах в виде СаСОз. Кальций, содержащийся в лесной подстилке и древесных корнях растений, составляет примерно 15% от общего содержания кальция в гумусовом горизонте (в слое мощностью 0-100 см) и 2% от запаса СаО содержащегося в почве в виде СаСОз.

5. Почвенные растворы исследуемых черноземов пересыщены относительно СаСОз. Максимальная степень пересыщенности достигает величин порядка 100, минимальное

значение - 2,9. Вклад ассоциации ионов и образования ионных пар в формирование пересыщенных относительно кальцита почвенных растворов составляет около 78%.

6. На распределение углерода в почвенной толще в форме органического вещества почвы или карбонатов наибольшее влияние оказывает уровень грунтовых вод и тип растительности, затем антропогенная деятельность. Под степной растительностью запас углерода гумуса превосходит, более чем в 3 раза, запас углерода в форме СаС03. Под лесной растительностью это отношение близко к 2. В случае периодического поднятия к поверхности грунтовых вод аккумуляция углерода в почвенной толще в виде гумуса и карбоната кальция происходит с практически равной интенсивностью.

7. По морфологическому описанию исследованных почв, установлено что на долю миграционных форм СаСОз приходится примерно 20-25% от всех форм карбонатных новообразований, на долю сегрегационных новообразований (в форме белоглазки) - 3540%, журавчиков - 45-35%. Признаков развития процессов разрушения и перекристаллизации карбонатных нодулей под влиянием грунтовых вод в настоящее время на наблюдается.

8. Доля педогенных карбонатов кальция в исследованных почвах составляет 80%. Из всей массы углерода карбонатного материала, находящегося в почве только небольшая часть (512%) задействована в сезонных миграциях веществ в почвенном профиле. Величина «активного» углерода карбонатов варьирует от 1,4 до 3,2 кг/м2 (или 5,2 и 11,8 кг СОг/м2).

9. Проведенные расчеты показали, что возможная суммарная длительность гидроморфной стадии развития современных автоморфных черноземов составляет приблизительно 3400 лет. В течение этого периода времени происходило обогащение почвообразующей породы карбонатами кальция. Отношение запасов СаСОз в почвенной толще и в почвообразующей породе составляет 1,25. Аккумуляция карбонатного материала в почвенном профиле происходила, главным образом, не при испарении грунтовых вод в гидроморфную стадию почвообразования, а при участии почвенной биоты и растительности.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Карбонаты в черноземах обыкновенных Каменной степи//Тезиеы докладов юбилейной всероссийской научной конференции X Докучаевские молодежные чтения «Почвы и техногенез», Санкт-Петербург, 2006, с. 138.

2. Карбонаты в черноземах обыкновенных Каменной степи//Тезисы докладов XI международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2006». Почвоведение, М.: 2006, с. 144.

3. Особенности изотопного состава карбонатных новообразований в черноземах Каменной степи //Тезисы докладов Докучаевских молодежных чтений «Почвы и продовольственная безопасность России», Санкт-Петербург, 2009, с. 216.

4. Карбонаты в некоторых почвах Каменной степи//Вестник Московского университета, серия 17. Почвоведение, 2009, №3, с. 17-24.

5. Характеристика состояния карбонатно-кальциевой системы черноземов Каменной степи//Вестник Московского университета, серия 17. Почвоведение, 2009, №3 стр. 37-41.

Подписано в печать 02.03.10 Формат 60x88 1/16. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 912 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119991 г.Москва, Ленинские горы, д. 1 Главное здание МГУ, к. А-102

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Рогожникова, Евгения Владимировна

Введение

Глава 1. Обзор литературы по вопросу изученности карбонатных jq новообразований в степных почвах

1.1. История изучения карбонатов в степных почвах

1.2. Морфология карбонатных новообразований

1.3. Механизм формирования карбонатного профиля

1.4. Эволюция карбонатного профиля степных почв

1.5. Карбонатно-кальциевая система почв

1.5.1. История изучения карбонатно-кальциевой системы почв

1.5.2. Динамика и распределение С02 в почве

1.5.3. Динамика состава почвенных растворов черноземов

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1. Объекты исследования

2.2. Методы исследования

2.2.1. Химические методы анализа

2.2.2. Изотопный анализ углерода и кислорода карбонатов

2.2.3. Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ 47 Морфологический анализ карбонатных новообразований. Растровая ^ электронная микроскопия

2.2.5. Расчетные методы

Глава 3 Характеристика условий почвообразования

3.1. Геоморфологическое положение и рельеф

3.2. Климат

3.3. Гидрогеологические условия

3.4. Почвообразующие и подстилающие породы

3.5. Растительность

Глава 4 Преобразование черноземов при изменении экологических условий

4.1. Преобразование черноземов под влиянием лесной растительности

4.1.1. Влияние лесных полос на грунтовые воды

4.1.2. Изменение свойств черноземов под лесными насаждениями

4.1.3. Особенности газового режима черноземов под лесными полосами

4.1.4. Особенности водного режима черноземов под лесными полосами

4.2. Влияние распашки на водный режим черноземов

Глава 5 Результаты исследования

5.1. Общая характеристика исследуемых почв

5.1.1. Морфологические признаки исследуемых черноземов

5.1.2. Химические и физико-химические свойства исследуемых черноземов

5.1.3. Состав почвенно-грунтовых вод

5.1.4. Состав водной вытяжки и почвенных растворов

5.1.5. Содержание и распределение карбонатов

5.1.6. Запас карбоната кальция в почвах

5.1.7. Запас кальция (СаО) в растениях

5.1.8. Оценка длительности гидроморфной стадии развития черноземов

5.1.9. Оценка запасов углерода карбонатов и органического вещества

5.2. Состояние карбонатно-кальциевой системы

5.3. Морфология карбонатных новообразований

5.4. Изотопный состав карбонатных новообразований

5.4.1. Изотопы углерода и кислорода в почвах

5.4.2. Результаты изотопного анализа углерода и кислорода карбонатов

Введение Диссертация по биологии, на тему "Состояние карбонатов в черноземах Каменной степи"

Актуальность

Изучение эволюции почв является одной из основных задач теоретического почвоведения. От глубины ее решения зависит понимание закономерностей географического распространения почв, процессов развития почвенного покрова и природной среды в целом.

Карбонатные новообразования выступают в роли важнейшей морфологической и классификационной составляющей почвы. Считается, что различные новообразования соответствуют определенным типам и подтипам почв, а внутри подтипа в почвенном профиле существует определенная последовательность смены зон карбонатных новообразований.

В литературе последних десятилетий активно обсуждаются механизмы формирования различных морфологических форм, соотношения педогенных и литогенных карбонатных новообразований, возможности использования карбонатных новообразований для оценки возраста и условий формирования почв (Лебедева, 1983; Овечкин, 1985; Бутова, Щеглов, 1997; Ковда, Сычева, 2007).

Комплексное исследование карбонатов с помощью инструментальных и морфологических методов позволяют эффективно использовать результаты для палеореконструкции условий в палеопочвоводении, археологическом почвоведении и других областях (Демкин, Иванов, 1987).

Изотопный состав карбонатных новообразований позволяет оценивать соотношение педогенных и литогенных карбонатов в почвах, характеризовать процессы фиксации углерода из атмосферы в почвенном органическом веществе и карбонатах (Рысков, Мергель, 1993, 1995; Рысков, Демкин, 1996; Хохлова, Ковалевская, 1996; Хохлова, Мергель, 1997, Хохлова, 2007).

Почвенные карбонаты являются важным звеном в карбонатно-кальциевой системе почв. Процессы растворения-осаждения карбонатов (карбонатно-кальциевая система) контролируют многие химические и физико-химические свойства черноземов: рН, состав почвенного раствора, катионный обмен (Минкин, Ендовицкий, 1995).

При растворении карбонатов в почвенный воздух, а затем и в атмосферу, переходят дополнительные количества углекислоты (помимо СО2, образующегося в результате деструкции органического вещества) (Смагин, 2005).

Лабильные формы карбонатов участвуют в сезонных циклах миграции, инертные, более древние формы карбонатов, образуют карбонатные горизонты степных почв, но такие мощные изменения условий почвообразований как изменение климата, орошение и др. могут привести к активизации данного карбонатного пула (Рысков, Мергель, 1993).

Таким образом, почвенные карбонаты являются не только «запасником» углерода (наряду с органическим веществом) в почвах, но и регулятором баланса углерода в атмосфере.

Как известно, активная антропогенная деятельность на территории Центрально-черноземной полосы приводит к трансформации природной обстановки. На территории агроландшафтов повышается уровень грунтовых вод, что увеличивает вероятность образования мочаров, и расширение ареалов их распространения среди автоморфных степных почв.

Переувлажнение и подтопление приводит к изменению ряда свойств черноземов, в том числе, к усилению процессов декальцификации (вынос карбонатов кальция). Вынос карбонатов может приводить к обеднению почвенных растворов кальцием, смещению обменных реакций между ППК и почвенным раствором в сторону уменьшения доли обменного кальция. Снижение содержания кальция, как коагулирующего вещества, может привести к пептизации органических веществ, повышению дисперсности частиц и доли илистой фракции и другим изменениям черноземов в сторону их деградации.

Процессы трансформации черноземов под лесонасаждениями при изменении гидрологических условий изучены недостаточно. В литературе практически нет сведений о состоянии карбонатно-кальциевой системы в степных почвах под лесонасаждениями. Недостаточно полно исследованы вопросы трансформации карбонатной части профиля черноземов, под влиянием временного переувлажнения.

В работе была проведена оценка вариабельности содержания карбонатов в почвенном профиле черноземов. Исследованы субмикроморфологические особенности строения карбонатных новообразований. Выявлены особенности распределения кальция в некоторых компонентах биогеоценоза. Также была сделана попытка количественной оценки доли углерода карбонатов, участвующей в ежегодных циклах миграции. Проведен расчет суммарной продолжительности гидроморфной стадии развития данных черноземов обыкновенных.

Цель и задачи исследования

Целью работы является комплексная оценка состояния карбонатного материала черноземов Каменной степи при различных сочетаниях экологических условий.

Задачи исследования заключались в:

1) Количественной оценке форм карбонатных новообразований;

5) Выявлении особенностей процессов миграции и трансформации карбонатов кальция в черноземах под влиянием различных эколого-гидрологических условий;

6) Количественной оценке содержания кальция в различных компонентах биогеоценоза;

Состояние карбонатного материала оценивалось — содержанию и распределению карбонатов в профиле, морфологии карбонатных новообразований на разных уровнях организации почвенной массы. Оценка состояния карбонатно-кальциевой системы (ККС) данных почв проводилась на основе измерения рН, щелочности, активности кальция, парциального давлением углекислого газа в почвенном воздухе.

Научная новизна

Впервые получена детальная характеристика и проведен сравнительный анализ химического состава почвенных растворов, почвенно-грунтовых вод и показано их влияние на миграционную способность карбонатов в черноземах обследуемой территории.

Исследованы особенности морфологии карбонатных новообразований, установлена взаимосвязь между процессами трансформации карбонатного материала и химического состава почвенных растворов и почвенно-грунтовых вод.

Показано влияние переувлажнения на процессы трансформации карбонатной части профиля черноземов территории Каменной степи. Оценено состояние карбонатно-кальциевой системы в черноземах обыкновенных в различных сочетаниях экологических факторов. Результаты \ исследования позволяют определить направление преобразования черноземов на территории НИИ Сельского хозяйства Центральночерноземной полосы имени В.В. Докучаева.

Научно-практическая значимость исследования

Данные изотопного анализа карбонатов обследованной территории могут быть использованы при балансовых расчетах цикла углерода.

Полученные данные могут быть использованы при прогнозе дальнейшей эволюции данных почв, позволяют представить основные этапы и скорость трансформации черноземных почв в условиях повышенного атмосферного и грунтового увлажнения, и в значительной степени оценить изменение агроландшафтав целом.

Апробация

Основные положения диссертации представлены на молодежной научной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2006» (Москва

2006), в материалах всероссийской научной конференции XII Докучаевские молодежные чтения «Почвы и продовольственная безопасность России» (Санкт-Петербург, 2009), в материалах юбилейной всероссийской научной конференции X Докучаевские молодежные чтения «Почвы и техногенез» (Санкт-Петербург, 2006).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 2 статьи и 3 тезисов докладов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, включая 12 страниц приложений, содержит 13 таблиц, 45 рисунков. Список литературы включает 150 источников из них 17 на иностранном языке.

Заключение Диссертация по теме "Почвоведение", Рогожникова, Евгения Владимировна

Выводы

1. По степени минерализации почвенно-грунтовые воды рассматриваемой территории пресные и солоноватые. По качеству нейтральные и слабощелочные гидрокарбонатно-кальциевого и гидрокарбонатно-сульфатно-кальциевого типа. Общая минерализация грунтовых вод находится в пределах 1,6- 1,8 г/л. Локально на территории Каменной степи встречаются грунтовые воды гидрокарбонатно-магниевого типа (отношение Ca/Mg = 1 — 1,5). Периодическое поднятие к поверхности капиллярной каймы грунтовых вод и при высоком содержании магния в водах могут спровоцировать интенсивный вынос карбонатов кальция из почвенного профиля.

4. Кальций, содержащийся в травяной растительности, составляет около 1% от того количества кальция, которое аккумулировалось в гумусовом горизонте почвы или 0,1% от количества кальция, содержащегося в почвенных карбонатах в виде СаСОз. Кальций, содержащийся в лесной подстилке и древесных корнях растений, составляет примерно 15% от общего содержания кальция в гумусовом горизонте (в слое мощностью 0100 см) и 2% от запаса СаО содержащегося в почве в виде СаСОз.

5. Почвенные растворы исследуемых черноземов пересыщены относительно СаСОз. Максимальная степень пересыщенности достигает величин порядка 100, минимальное значение - 2,9. Вклад ассоциации ионов и образования ионных пар в формирование пересыщенных относительно кальцита почвенных растворов составляет около 78%.

6. На распределение углерода в почвенной толще в форме органического вещества почвы или карбонатов наибольшее влияние оказывает уровень грунтовых вод и тип растительности, затем антропогенная деятельность. Под степной растительностью запас углерода гумуса превосходит, более чем в 3 раза, запас углерода в форме СаСОз. Под лесной растительностью это отношение близко к 2. В случае периодического поднятия к поверхности грунтовых вод аккумуляция углерода в почвенной толще в виде гумуса и карбоната кальция происходит с практически равной интенсивностью.

7. По морфологическому описанию исследованных почв, установлено что на долю миграционных форм СаСОз приходится примерно 20-25% от всех форм карбонатных новообразований, на долю сегрегационных новообразований (в форме белоглазки) — 35-40%, журавчиков - 45-35%. Признаков развития процессов разрушения и перекристаллизации карбонатных нодулей под влиянием грунтовых вод в настоящее время на наблюдается.

8. Доля педогенных карбонатов кальция в исследованных почвах составляет 80%. Из всей массы углерода карбонатного материала, находящегося в почве только небольшая часть (5-12%) задействована в сезонных миграциях веществ в почвенном профиле. Величина «активного» углерода карбонатов варьирует от 1,4 до 3,2 кг/м (или 5,2 и 11,8 кг

С02/м ).

9. Проведенные расчеты показали, что возможная суммарная длительность гидроморфной стадии развития современных автоморфных черноземов составляет приблизительно 3400 лет. В течение этого периода времени происходило обогащение почвообразующей породы карбонатами кальция. Отношение запасов СаСОз в почвенной толще и в почвообразующей породе составляет 1,25. Аккумуляция карбонатного материала в почвенном профиле происходила, главным образом, не при испарении грунтовых вод в щдроморфную стадию почвообразования, а при участии почвенной биоты и растительности. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Заключение

Исследования черноземов Каменной степи под лесными насаждениями, пашней и заповедной степи показали наличие гидроморфных признаков только в микропонижениях и на полях вблизи лесных полос. Гидроморфные процессы в почвах диагностировались по наличию слитости, пленок органических веществ по граням структурных отдельностей, отсутствию в средней части почвенного профиля выделений карбонатов в виде белоглазки, наличию признаков оглеения.

Анализ полученных данных по распределению карбонатов показывает, что за более чем 100-летний период существования, лесные полосы существенно преобразовали микроклимат данной местности и создали предпосылки для развития переувлажненных участков территории, и вместе с тем развитию мочаров. Однако гидроморфные условия проявляются периодически, так как сами лесные насаждения замедляют или полностью исключают проявление латеральной миграции почвенно-грунтовых вод на территории. Влияние системы лесных полос сказывается не только на изменении гидрологических условий (поднятии уровня грунтовых вод) данной местности, но и преобразовании химических и физико-химических свойств степных черноземов обыкновенных.

Карбонатно-кальциевая система участвует в поддержании динамических кислотно-основных равновесий, стабилизирует реакцию среды и определяет компонентный состав общей щелочности для черноземных почв.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Рогожникова, Евгения Владимировна, Москва

1. Адерихин П.Г., Богатырева З.С. Воздействие защитных лесных насаждений на содержание и состав органического вещества обыкновенных черноземов Каменной степи. Почвоведение, 1974, №5, с. 43-53.

2. Айдинян Р.Х. Зольный обмен между древесной растительностью и черноземными почвами Каменной степи. Почвоведение, 1953, №9, с. 47-61.

3. Алехин В.В. Центрально-черноземные степи. Изд-во «Коммуна» 1934.-96 с.

4. Алнфанов В.М,, Гугалинская Л.А. и др. Палеокриогенные особенности морфогенеза черноземов Каменной степи. Почвоведение, 2001, №8, с. 909-917.

5. Афанасьева Е.А. Происхождение и эволюция черноземных почв. Почвоведение, 1946, №6.с.379-384.

6. Афанасьева Е.А. Режим мощных черноземов под травянистыми и древесными ценозами. Почвоведение, 1966, №6, с. 1-11.

7. Афанасьева Е.А. Происхождение, состав и свойства черноземов. Черноземы СССР, 1974, с. 182-225.

8. Ахтырцев Б.П., Ахтырцев А.Б. Почвенный покров Среднерусского Черноземья. Воронеж: Изд-во Воронежского ун-та, 1993.214с.

9. Ачканов А.Я., Николаева С.А. Вторичный гидроморфизм почв степных ландшафтов Западного Предкавказья. Почвоведение, 1999, № 12, с. 1424-1432.

10. Байко А.С. Воздействие лесных полос на почвы Каменной степи//Вопросы травопольной системы земледелия, т. 2. Изд-во АН СССР, 1953.

11. Барбер С.А. Биологическая доступность питательных веществ в почве. М.: Агропроиздат, 1988. — 376 с.

12. Барон В.А., Токарев Н.И. Расчет равновесного состава почвенного раствора и твердой фазы солей по данным водной вытяжки // Почвоведение, 1979, №4, с. 37-45.

13. Бобрицкая М.А. Зольный состав листьев дуба разного возраста в лесных полосах Каменной степи. -Почвоведение, 1953, №7, с 17-24.

14. Бутова Л.С., Щеглов Д.И., Парфенова О.А. Антропогенная трансформация карбонатного профиля обыкновенных черноземов ЦЧП. М.: Тез.докл.Межд.конф. "Проблемы антропогенного почвообразования" (16-21 июня 1997 года), 1997, Том.2,

15. Буяновский Г.А. Особенности режима С02 в газовой фазе сильнокарбонатных почв. Почвоведение, 1972, №9 с. 83 - 88.

16. Быстрицкая ТЛ., Волкова В.В. Снакин В.В Почвенные растворы черноземов и серых лесных почв. -М:.Наука, 1981.- 148с.

17. Быстрицкая ТЛ., Герасимова М.И. О годовом цикле современного черноземного процесса. -Почвоведение, 1988, №б, 1 5-16.

18. Бялый А.М. Влияние лесных полос на формирование грунтовых вод. Почвоведение, №9,1987, с 32-39.

19. Вадюнина А.Ф., Корчагина 3.A. Методы исследования физических свойств почв. 3-е изд., перераб.н доп. - М.: Агропроиздат, 1986.-416 е., ил.

20. Вопросы травопольной системы земледелия, т. 2. Изд-во АН СССР, 1953. 659 с.

21. Воробьева Л. А., Замана С.П. Природа щелочности почв и метод се определения, Почвоведение, 1984, №5, с. 134-139.

22. Воробьева Л.А. Химический анализ почв. М.:, Изд-во МГУ, 1998. -272с.

23. Высоцкий Г.Н., Гидрологические и геобиологические наблюдения в Велико-Анадоле//Почвоведение, 1899, №1-4.

24. Гаррелс P.M., Крайтс Ч.Л. Растворы, минералы, равновесия. М:, Мир, 1968. - 368 с.25

Информация о работе

Рогожникова, Евгения Владимировна
кандидата биологических наук
Москва, 2010
ВАК 03.00.27

Диссертация

Состояние карбонатов в черноземах Каменной степи - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы