Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Состояние соединений железа в почвах степных ландшафтов

ВАК РФ 04.00.03, Биогеохимия

Автореферат диссертации по теме "Состояние соединений железа в почвах степных ландшафтов"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕШЫЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ И ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.Б.ЛОМОНОСОВА

, И

Факультет почвоведения

на правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ АНДРЕЙ ОЛЕГОВИЧ СОСТОЯНИЕ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА В ПОЧВАХ СТЕПНЫХ ЛАНДШАФТОВ /04.00.03 -биогеохимия /

Автореферат на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в лаборатории геохимии и минералогии почв Института почвоведения и фотосинтеза РАН

Научные руководители: доктор биологических наук,

профессор Е.М.Самойлова

кандидат биологических наук Е.Г.Моргун

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Л.О.Карпачевский

доктор биологических наук В.Ф.Бабанин

Ведущее учреждение: Почвенный институт им. В.В.Докучаева

Защита состоится "$0 " 1992 г. в_час

на заседании Специализированного' совета Д053.05.57 в (.{ГУ им. М.В.Ломоносова в аудитории М-2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ

Автореферат разослан " 2Л " огнт^^й 992 года

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании Специализированного совета Д05-3.05.57 в МГУ им. М.В.Ломоносова, а отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просим направлять по адресу: 13Э89Э, Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый совет.

Ученый секретарь специализированного совета

Агапкина Г.И.

-'-'АКтуаяЕкость работы. Способность железа .менять валентность, растворимость в зависимости от физико-химических условий вызывает повышенный интерес к нему как диагностическому элементу многих почвенных процессов. Накоплен обширный литературный материал, позволяющий представить основные тенденции в поведении соединений железа в породах и почвах различных почвенно-климатических зон. Тем не менее, на наш взгляд, не в достаточной мере проанализировано состояние соединений железа в почвах степной зоны, не определена их роль в элементарных почвенных процессах. Ограниченный объем подобной информации может объясняться трудностями диагностики соединений железа из-за относительного малого содержания Ре в почвах степной зоны (3-4$) и еще меньшего содержания его отдельных форм (<1~2#). Наибольший объем информации накоплен по результатам действия на соединения Ре различных химических вытяжек, не позволяющих выделить одну форму, не затрагивая другие. В связи с этим возникает необходимость применения комплекса физических и химических методов для получения достаточно полной информации о фазовом качественном и количественном составе соединений келеза. Чаще всего исследования соединий железа в природных и модельных условиях рассматривают их формирование и преобразование лить как результат процессов, протекающих в почвенном профиле, что не всегда отражает весь сложный комплекс явлений, имеющий место в геохимическом ландшафте.

Цель настоящей работы состояла в определении состояния нэлеза в алюмосиликатах и свойств свободных форм железа в почвах степной зоны с помощью комплекса физических (Мэссбауэровская спектроскопия, магнитные измерения) и химических методов для получения показателей направленности почвенно-геохимических процессов при действии природных и антропогенных факторов.

Задачи исследования : I) изучить состояние соединений железа в почвах, почвообразуюцих породах и некоторых их компонентах (илистая фракция <2мкм , фракция >2мкм, почвенные растворы, новообразования, грунтовые и поверхностные воды, речные взвеси) в различных ландша-фтно- биогеохимических условиях степной зоны; выяснить роль геохимического сопряжения в формировании состояния соединений железа почв;2)иоучить воздействие орошения на состояние Ре в степных почвах; 3) уяснить влияние длительности воздействия почвообразования на состояние соединений келеза в степных почвах.

Научная новизна. Впервые, на основе комплекса методов с использованием ландшафтно-геохимического подхода показано, что состоя-

ние соединений келеза сингенетично процессам почвообразования, и Ре играет активную роль в почвенно-геохимичэских процессах степной зоны, что позволяет использовать его состояние в качестве информативного показателя направленности почвенно-геохимических процессов при действии природных и антропогенных факторов. Показано, что магнитная восприимчивость почв является генетическим показателем, отражающим особенности почвообразовательных и ландшафтно- геохимических процессов. Выявлено закономерное изменение величины магнитной восприимчивости почв во времени, выраженное в увеличении средневзвешенного прироста магнитной восприимчивости (Ах) с увеличением возраста почв.

Апробация.Материалы и результаты работы доложены на Всесоюзной конференции "История развития почв в голоцене"(Пущино,1984); на Всесоюзных конференциях молодых ученых (Пущино,1985;1988); на Всесоюзной конференции "Применение мессбауэровской спектроскопии в материаловедении" (Ижевск,1989); на 9-ом Международном симпозиуме по биогеохимш окружающей среды (ISEB ;Москва,1989); на Всесоюзной \ конференции "Ре-конкреции в почвах. Состав, генезис, строение" \ (Тбилиси,1990); на XI Европейском Симпозиуме по изучению кидких 1 включений (ECEOFI XI,Италия,I991), на 7 мездународной конференции по изучению глин (Euroclay'91»Дрезден), на 5 международной конференции по изучению латеритов (Eurolat'91, Берлин); на международном совещании "Метода изучения взаимоотношений почвенная структура -почвенная биота" (Wageningen, 1991); а также были опубликованы в трудах Совещания по изучению разбухающих почв (Индия, 1988); 9-ой международной конференции по изучению глин (9-th Int. Clay Conference, Франция, 1989); Международной конференции по применению эффекта Ыессбауэра (ICAMB'91, Китай, 1991). Публикации.По результатам исследования опубликовано 32 работы. Структура и объем работы. Диссертащя состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов, прилокения и списка литературы. Работа изложена на 471 страницах машинописного текста, включает 2Л таблицу и 5.2, рисунка. Список литературы содержит lb? наименований, в том числе "Зона иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ I .ГЕОХИМИЯ СОЕДИНЕНИИ ЖЕЛЕЗА В ПОЧВАХ И МЕТОДЫ ИХ ИЗУЧЕНИЯ (обобщение литературных данных).

Рассмотрены основные представления о поведении железа в почвах

и корах выветривания. Проведен анализ факторов окружающей среды, определяющих скорость и направленность химического выветривания: температура, влажность, степень дренированности, особенности исходного субстрата, рН, Eh условия, влияние растительности, почвенных микроорганизмов.

Во второй части описаны основные диагностические признаки оксидов аелеза, наиболее распространенных в почвах, а также возможные пути их превращения в почвенных условиях. Рассмотрены основные метода изучения соединений железа в почвах.

Многообразие параметров, которые могут быть получены с помощью Мессбауэровской спектроскопии, магнитных измерений в комплексе с химическими методами характеризует состояние железа в почве. Под состоянием железа в твердой фазе почв понимается совокупность физи-ко~химических свойств, позволяющая производить идентификацию и определение содержания железа, 'находящегося в почве (Бабанин В.Ф.,1986). Настоящее определение "состояния", включает физические и химические параметры того или иного соединения железа в почвенных компонентах, в то время как для описания состояния Fe в почвах необходимо, по нашему мнению, дополнительно учитывать поведение его в почвенном профиле и геохимическом ландшафте.

Основываясь на опыте работ и изложенных возможностях различных методов для изучения соединений железа в почвах, представлена схема информативности применяемых методов.

ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИИ.

Объектом исследований были почвы и породы Ставропольского края и Прикаспийской низменности. Полевые исследования проводились на юго-восточном и северо-западном склонах Ставропольской возвышенности в период с 1983 по 1991 г.

В качестве ключевого объекта исследований изучали почвы и породы макрокатенн, заложенной на юго-восточном склоне Ставропольской возвышенности от Прикалаусских высот в юго-восточном направлении в соответствии с падением рельефа (табл.1 ). Протяженность макрокатенн около юо км. В районе Прикалаусских высот и на расстоянии 17, 39 и 100 км от них были выбраны четыре мезокатены, в каждой из которых по геоморфологическим элементам (водораздел - склон - пойма ) были заложены разрезы и сквакины для изучения, почв и почвообра-зущих пород.

Таблица I. Характеристика природных условий и почв макрокатен.

*

разреза

Название почвы

Коэф-

фици-Абс. ент Положение увлаж-

по высота, нения

рельефу

м

Почвообразу- Мощ- Со- Среднее Глу- Уровень щая порода ность дер- содержание бина грунтовых гуму- жа- по профилю веки- вод, фракций пания мм от (коле_ Н01, бания.м)

слое <и,Ш1 <0,01 0-25 см, %

сового ние гори- орг. зонта,. СГ в

см

см

8

10

II

12

Юго-восточный склон Ставропольской возвышенности

18 Чернозем типичный

19 Черноземно-луговая слитая

20 Аллювиальная

луговая

21

Чернозем обыкновенный

II Чернозем обыкновенный

32 Темно-каштановая 34 Пойменная луговая

Мезокатена I Водораздельная 5~40 поверхность Склон 480

Пойма 420

Мезокатена II Водораздельная 440 поверхность

Мезокатена III Водораздельная 320 поверхность

Мезокатена IV

0,9 0,9 0,9

0,8

0,50,7

Водораздельная 200 0,4-поверхность 0,5

Пойма 170

Элювий глин

Элювий-делювий глин

Элювий-делювий глин.

Лессовидный суглинок

Лессовидный суглинок

ПО 102 88

95 Ю4

3,1 35,4 57,8 3,6 45,6 65,2

55 60

>10

0,8 (0.5-1.2)"** 1,9 31,7 40,7 с пов. 0,6 1

(0.5-1.5)

2,8 37,8 49,8 с пов. >10 2,0 23,6 38,7 с пов. >10

1,2 24,3 38,1 с.пов. >10 2.2 26.3 41,5 с пов. 0.5

а (

а а со • и я йс\г

I

Р.Я а) е* « о

О О 1Л

кя со оЙ о

-г- рч

03 С-СЧ ТГ

со

о

со см

О.К

СО 6-1 а> ы

я о в о

о о о о

ап

о о

оо с-

ил

УЗ 1Л

(П с-

о с-

си

сг> _

I I

пя

<Х> Е-1 И О О о

ой

■ч-

о и

1Л I

л

Кроме рассмотренной выше была взята макрокатена на северо-западном склоне Ставропольской возвышенности ( табл.1). Длина макрокатены составляет около 25 км, верхняя ее часть представлена увалом с крутыми склонами, а средняя и нижняя -относительно выположены. В средней части расположены земли сельскохозяйственного использования, в том числе орошаемые.

Для выяснения влияния длительности почвообразования на состояние соединений Ре в степных почвьх объектом изучения послужили разновозрастные почвы (каштановые и светло-каштановые), погребенные под курганными насыпями (Эльтонская равнина и вторая надпойменная терраса Волга-Ахтубы, Прикаспийская низменность ).

Во второй части главы проанализированы закономерности изменения рн и И1 почв сопряженных геохимических ландшафтов. В ав-томорфных почвах преобладают окислительные условия (еъ 650450 мВ), нейтральная или щелочная среда (рн 7-9), в пойменных ек снижается до 400 мВ. Результаты наших исследований свидетельствуют, что физико-химиче с-кие условия в пределах макрока-тен изменяются закономерно и определяются геоморфологическим положением почвы в системе гео-

- б -

химически-сопряженных лавддафтов. Почва здввиального ландшафта характеризуются повышенной степенью' окисленности по сравнению с почвами подчиненных ландшафтов даже при более высокой степени увлажнения и биогенности. Положение почв в значительной мере определяет также распределение ш и рН условий по профилю каждой из почв.

ГЛАВА 3.ГЕОХИМИЯ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА В ПОЧВАХ СТЕПНЫХ ЛАНДШАФТОВ.

Морфологическое изучение почв степных ландшафтов, характере-зуюцихся окислительной обстановкой, нейтральной и/или щелочной реакцией, свидетельствует о наличии и многообразии форм железистых новообразований, приуроченности их к определенным гочвенно - геохимическим условиям, что указывает на подвижность соединений Ре в ходе формирования почв в современнных условиях.

Соотношение форм железа в почвах региона в целом соответствует данным,приводимым С.В.Зоном (1982) для почв степной зоны (Рис.1 ). Распределение соединений железа в изученных ландшафтах обусловлено двумя факторами:I.унаследованное от материнской порода, связанное с геологическим строением изученного района; 2. определяемое процессами выветривания и перераспределения вещества в ландшафте с твердым и жидким стоком, педогенеза . Различия в содержании железа, особенности распределения и соотношения форм его соединений в профиле связаны с геохимическим положением почвы. От автономных к геохимически подчиненным ландшафтам отмечается тенденция обогащения почв железом, при этом уменьшается доля свободных его форм. Максимальное содержание последних как в абсолютном,так и относительном выражении характеризует профиль чернозема типичного (т.18), сформированного в наиболее выраженных элювиальных условиях; соотношение форм Ре здесь соответствует типам почв формирующихся в биоклиматических поясах с более интенсивными процессами выветривания (Зонн;1982). По мере ослабления элювиальных процессов в геохимически подчиненных ландшафтах доля силикатного железа увеличивается, достигая максимума в темно - каштановых почвах и принимает относительные значения, характерные для степных почв (рис.1).

Результаты Ыессбауэровской спектроскопии почв, фракций <2 мкм и >2 мкм в целом подтвервдают закономерности, отмеченные выше на основе химических экстракционных методов, однако представляют более детальную информацию о формах и поведении соединений Ре (табл.2).

Отнесение Ре к тому или иному положению в структуре минералов осуществлено по параметрам спектров, полученным в результате мате-

Рис. 1. Формы железа 6 почВах макрокатены (по данным химических дытямек).

р.19

РЛО

1 " ' ■Ж*'" ч." !

х/ - Я

в ( 5 «/> ^ ! 1

¡+¡4, ! х 11

°! 4 р * 1 !

11 ! !

; *! ' ; ! *; 1

Ре

Тамм

I I

М-Д

" РеВоТ Ре М-Д«

Таблица 2. ХАРАКТЕРИСТИКА СОСТОЯНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА

В СТЕПНЫХ ЛАНДШАФТАХ (Центральное Предкавказье) (данные Мессбауэровской спетроскошш и химических анализов).

с к л * к а г о е свободное

Ге вн.» / Ы* 1 ' 1 ГеЗ» / • ' ГеЗ» / • • ГеЭ* / • ' ИэМ/ГК.1 »аза,

Обьеи * от Ге вал. » * 1 % 13 разнер.вн

в почве (С 1.4; *'• 1С 0.6 КС 0.6; КС 0.6;

(Ге2031 ИР 2.6-2.8 ИР 0.5 0 0.8-0.9 ИР 0.3-0.4 1

Почва 4.2 / 100 13 / 13

фр-з <2Ш 5.9/50 II 1

(р-Я >2Ш 1.0/58 10/5

Вочвешв , раствор.иг/д 0.01/ 340 4 от вн. а йовооб-

/0.25

Рд-Н корсиие отдо»ен8Я 20 /18 40 / 20

25 / 12.5 450 /80 <№000.10-15

493/80 лГеООВ.10-15 531/80 Ре203

Иочвообр. 3.0 / 100 15 / 15 порода

♦р-а <2Ш 6.0 / 40 7/3

«р-Я >2мм 0.5 /60 11/7 Вочвшвй ,

раствор,кг/1 0.20/ 4*10 * ог ш. а I Ишоб-

разоваиия_;_

45 / 18 25 / 1С

10 / 4

493/80 ГеООЙ.10-15

Груиов8в 0.5 / 1840 ^ от вал. в вочве вод» ,кг/»

Поверхности!!:, води .«г/» 0.5 /0.07 в (шьтраге <0.17 км Взвеси

♦р-Я <2Ш 3.0 12 20

* от валового Ге в вочве '«Чессбаузровше аараяетра орн Т 20 С , т/т К - «зоиернв« сдвнг отв. витроврус. . На (Р - шдрушыое расчешет

15

59 №203 после проштш)

Почва 5.7 / 100 ♦р-я <2ки 5.0 / 40

20 / 20 11 / 4

Л £ С С I

26 /10 45 / 18 .

$р-Я >2Ш 3.0 / 60 36 / 22

ОочвешИ .

раствор,кг/л 0.6/34 С" * ог вал. в ]

Иовооб-разовшя / 0.05

18 / 7 2 / 0.8

495/300 Ге203.10-15

¿ГеООЙ

Почвообр. 6.9 /100 31 /31

воро»

♦р-я <2Ш 7.8 / ¡2 13/3 14/3 60/13 " 14/ 3.0

♦р-я >2ш 3.6 / 78 40 /31 -

ПочвенавИ 0.14 / 2*10"4

раствор,кр/я 1 от вал. в почве

Новооб- / 0.01 ¿ГеООН

разования

Груитовис ,

вол .кг/л 0.35/ 9*10 * от ви. в почве Повериосиие

вод» ,яг/л 0.31 /0.3 в фидырате <0.17 ни Взвеси

Фр-Я <2Ш 1.5! И 20

50 (Ге203 после врошшия)

матической обработки па ЭВМ с учетом данных минералогического состава и результатов обработки спектров с использованием программы, дающей' информацию о распре делении квадруполького расцепление (КР).Большая часть железа илистых фракции (до 80$) представлена Ре3 + и Ре2 + , занимащим октаэдры в структуре силикатов в транс- и цис- позициях . Существенная часть Теэ+ в илистой фракции почв содержится в составе высокодасшрснцх гадроокислов в суперпарамагнитном состоянии и в слабоокристаллизованных формах (до 40£). Съемка некоторых образцов (фракция <2мнм> при температуре 80°К показала наличие секстета линий в спектре, что свидетельствует о том, что часть Реэ+ почв , представлена гетитом с размером частиц 10-15ни (Нэфф=4Б0кЭ;80°К). В илистой фракции темно-каштановой почвы в спектрах .кроме того зачетны следы (до 2 %) гематита (Нэфф=49БкЭ;ЗООТ°К).

Полученные данные показывают, что основная часть свободного Ре в илистой фракции пахотного горизонта чернозема типичного на водоразделе (мезокатена г,т.18) представлена супердисперсшм гетитом и составляет 2Ь% от валового железа. От водораздела к пойме относительное содержание гетита уменьшается и достигает 14-15% в аллювиально-луговой почве (т.20). Прокаливание образцов до 900°0 приводит к появлению в спектрах очень интенсивных секстетов и уменьшению вклада от дублетов трехвалентного зкелеза. При прокаливании все гидроокислы переходят в крупнокристаллический гематит, содержание которого достигает 40% от валового железа. Для мезокатены I вклад в спектры.от образующегося гематита увеличивается от водораздела к пойме. Сокращение доли высокодасперсяого гетита в суперпарамагнитном состоянии и достаточно большая доля гематита, образовавшегося после прокаливания, позволяют предположить, что основная часть несиликатного железа в илистой фракции гумусоаккумулятивннх горизонтов почв склона и поймы представлена слабоокристаллизованны-ми гидроокислами. Этот факт подтверждается также увеличением аморфного железа, извлекаемого вытяжкой Тамма, в ряду почв от водораздела к пойме (рис.1; табл.1).

Высокодисторсный гетит находясь в почве в основном в рассеянной форме, представляет также основную массу Ре новообразований и стяжений, общий минералогический состав которых определяется по-логешгем почвы в ландшафте. Исследования близких по морфологии конкреционных новообразований в черноземно-луговой слитой (т.117) и черноземно-луговой почве (т.118) (табл.1) свидетельствуют о сущест-

венном различии в их составе: кварц, альбит, олигоклаз, высокодисперсный гетит с размером частиц 1Ы-20 т (Нэ$ф=490 кЭ;80°К) в слитой почве на склоне и кварц, гипс, кальцит и высокодисперсный гетит - в черноземно-луговой почве в пойме .отличащейся аккумуляцией гипса и 'карбонатов. Это позволяет предположить современный генезис сегрегированных фора железистых новообразований. Относительное содержание гетита в конкреции из слитой почеы на склоне в два раза выше, чем в конкреции в пойме. По-видимому., процессы сегрегации келеза в слитой почве, характеризующейся более контрасным водным решшом, выражены сильнее. Накопление Ре в пойме, связанное с аккумуляциями Са504 и СаСоз, обусловлено поступлением Ре с грунтовым и внутрвпочвенным стоком и коагуляцией супердисперсных гидроокиедов Ре при повышении концентрации почвенного раствора, играющей роль геохимического барьера по отношению к Ре. Миграция Ре в виде свободных супердасперсных форм подтверждается такке фактом преобладания последних среди соединений железа в илистых фракциях речных взвесей (табл.2).

Наряду с трансформацией фэрм и изменением содержания свободного железа в почвах данные Ыессбауэровской спектроскопии фиксируют закономерное изменение состояния железа в силикатах, в частности соотношение Ре2 + /Ре3+ и заселенность октаэдрических позиций в зависимости от геохимического положения почв. Соотношение Ре3 + в различных октаэдрических позициях закономерно изменяется при интенсификации процесса выветривания, что является результатом разрушения менее устойчивых триоктаздрических силикатов и относительного накопления диоктаздричэских.

В верхнем горизонте в почве в целом и, в особенности в илистой фракции, в наиболее выраженных элювиальных условиях (т.18) Ре силикатов представлено в основном Ре3+ (рис.2). Вниз по профилю почвы, а также в почвах в ряду от элювиальных ландшафтов к аккумулятивным увеличивается соотношение Ре2 + /Ре3 +. Такая закономерность становится понятной, если рассматривать долю Ре2 + в почве в качестве показателя степени преобразования почвенного материала в ходе гиперге-неза. Увеличение доли Ре2+ в почве указывает на уменьшение степени выветрелости пород по макрокатене с падением рельефа (рис.2,таб.1). Такой результат определяется генезисом почвообразующих отложений, степенью естественной их дренированное™ и режимом увлажненности почвенной толщи. Уменьшение соотношения рег + -'ре3+ соответствует

тенденции увеличения ОВП почв ландшафте, а также влагообеспеченнос-ти , степени дренированное™ и биогенности почв. Наиболее отчетливое различие соотношения Рв2 +--'Рв3+ характерно и для почвенных профилей мезокатены I (табл.1), где в илистой фракции почв наблюдается значительное увеличение относительного содержания Ре2 + от элювиальной части ландшафта к аккумулятивной (от 2% до 15-203 соответственно), В илистой фракции почвы элювиальной части ландшафта кроме резкого уменьшения Ре2 + наблюдается заметное сокращение доли Ре3+ силикатного по сравнению с породой, что такт свидетельствует об интенсивном выветривании (рис.2, ])..

г. 2+

Ье & почбе

2+

Ре 6 илистоо фракции

Рис.2. Распределение Рег + в силихатых по профилю почв,

(Н) - номера почвенных профилей (Табл. 1).

В связи с анализом величины отношения Ре2 + 'Ре'1 + обращает на себя внимание профиль поймеино-луговой почвы (т.34). Уменьшение этносительного содержания Ре2+- при сравнительно низком ОВП объясня-этся не процессами, происходящими лишь в системе мезокатены, т.е. то отношению к почве, занимающей элювиальную позицию (т.32), а процессами современной аккумуляции твердого и жидкого стока со всего водосборного бассейна,сложенного Tg-lJ морскими отложениями в верх-шй его части (табл.1). По- видимому, отношение рег + 'ре3+- определяйся не только актуальным состоянием среды (ОВП), но и длительности воздействия всех факторов и процессов выветривания.

В то время как приведенные выше показатели состояния Ре в тве-дой фазе отражают длительные процессы формирования почв и ландшафта, распределение Ре в жидкой фазе ( почвенных растворах, грунто-ых и поверхностных водах) есть результат, главным образом, совре-енных процессов и также демонстрирует зависимость от почвенно-еохимических условий. Концентрация Ре в почвенных растворах колеб-

лется от 0.01 до 0.7 мг/л и имеет тенденщш роста при возрастании их общей минерализации. Для верхних горизонтов почв элювиальных позиций характерны наименьшие значения приведенного интервала, для подчиненных гидроморфных почв - наибольшие. Это свидетельствует о наличии миграции соединений Ре в степных ландшафтах,что, возможно, отчасти и приводит к отмечаемым выше закономерностям распределения его в твердой фазе почв.

Таблица 3. Сравнительная характеристика орошаемых и неорошаемых черноземов обыкновенных

разрез, гиб т, а ум. С орг. сгк/са шз овп. Нтри Ипро Атзв

горизонт см с леток - » > В6Д0р1С. РН 106/г ¡от щт ищет

срок««« 09158,1 К8 10/ г В0ЧВ8 1/г вочвл

71 Аш 0-27 1.5-0.7 2.23 - 3.2 11.48 8.052 425 7.75 53.1 1735 2.6

90 /Ш 0-8 0.6-0.8 2.03 3.8 {.25 0.055 465 7.55 42.7 1330 8.8

оропшИ 8-33 2.21 2.8 (.68 0.013 465 8.20 8.9 1584 0.5

ФОРШ ШШ

Ге ВЫ, %

(Ге2031

Ге шпате, * ог Н ва].

Ге свобедое оприст, X о; Ге ви.

ГеООН ЙЗ$Н65 13,80 К ( ог Ре еад во Фращн <2Ш

Ге шрф., I от Ге ш.

аеорг.

е-орг

Ге Ге

»одвшое, водорасг.,

ррв ррв

Ге

в ш.

Р1СГВ01 КГ/1

71 «Ш 0-27 3,05

74.7

18.3

16

2.9

4.2 49,8

2.1

0.37

90 »ш 0-8 3.68 оро«аетЯ8-33 2.94

81.4 77.3

13.8 17.3

9 (Н=435 КЗ} 11

2.8 0.5

1.9

5.2

61.0 50.0

0.65 2.19

0.06 0.06

Дополнительные возможности для изучения поведения Ге в современных условиях в степных почвах, а также для сопоставления природного и антропогенного процессов трансформации его соединений представляет исследование орошаемых почв. Анализировался результат 30 -летнего орошения черноземов обыкновенных* в сравнительно благоприятных условиях (т.90;71; табл.1). Изменение водного режима при орошении, которое в данном случае приводит к увеличению влажности почвы и усилению элювиальных процессов, выражается в заметном изменении биогеохимических условий трансформации железа ( табл.3).

В результате, за сравнительно короткий период в верхних горизонтах орошаемых почв, остающихся в рамках условий и показателей,

* Работа выполнялась а ракках сотрудничества «езду ЩЮС РАН и Румынского НИИ агрохимии и почвоведения с участиеи автора, А.Васу и И.Сечеляну. Приводимые иикробиологически в и некоторые химические данные (по иетодике Уави, 1994) получены рунынскики коллегами .

характерных.для черноземов, отмечается отчетливая перестройка комплекса железистых соединений .свидетельствующая о наличии современных процессов трансформации и миграции Ре в условиях степной зоны. Однако направленность этих преобразований, на наш взгляд, несколько иная, чем в природных элювиальных условиях, что объясняется, очевидно, спецификой водного режима. В данном случав, по- видимому , преобладает процесс выноса соединений железа при увеличении его подвижности в результате трансформационных преобразований при изменившихся условиях среды, включая и микробиологическую активность.

На основании полученных данных (табл.2; рис.1,2) поведение Ре в степных почвах мокно представить следующим образом. Железо высвобождается из кристаллической решетки слоистых силикатов в процессе выветривания .частично образуя высокодисперсные гидрооксиды ; миграция происходит в форме высокодисперсных гидроокислов (в коллоидной мути) (1=5-25 их и (или) Ре- органических комплексов. Коагуляция и осаждение соединений железа происходит на геохимическом барьере, связанном с изменением ионной силы почвенных растворов.

ГЛАВА 4. МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ ИЗУЧЕННЫХ ПОЧВ.

Изучение магнитной восприимчивости (%) выполнено с целью выявления закономерностей изменения этого параметра в почвах геохимически сопряженных ландшафтов и получения информации о % , как внтег-ративной, экспрессно получаемой характеристики распределения соединений железа в почвах. При этом представлялось важным определить г:очку зрения на факторы,обуславливающие колебания % в почвах: являются ли они результатом биогеохимических процессов почвообразования, т.е. генезиса почв , либо определяются другими факторами, не связанными с почвообразованием.Удельную магнитную восприимчивость измеряли на приборе ШВ-2 и КТ-5 (ЧСФР).

Для определения пространственной вариабельности %, а также для оценки ее связи с профшьным строением почвы проводились морфологические описания и статистическая обработка данных, полученных по 19 скважинам и 1 реперному разрезу. Результаты свидетельствуют о невысокой пространственной вариабельности сравнение статистических характеристик % для границы и середины генетических горизонтов указывает на связь статистических параметров со строением почвы, следовательно, величина % обусловлена генетически (табл. 4).По величинам % выделяются шесть групп объектов (табл.5).Сравнение средних

Таблица 4.Статистические характеристики удельной магнитной восприимчивости чернозема т.18 ;( СОЗМ).

Глубина

Горизонт, его мощность, см

отбора образца, см

м

Апах 0-20 А1 20-73 АБ 73-110

0-10 10-20 40-50 70-80 80-90 100-120

19 19 19 19

19 19

46 41

39

9.8 13.7 2.5 36 12.9 36 3.8

зо го.о

Примечание: п -численность выборки, М-среднее арифметическое;-дисперсия,

П -ЧИСЛеННОСТЬ ВЫбОрКИ При РО,90=1

Таблица 5.Удельная магнитная восприимчивость почв и пород.

Объект

Интервалы глубин отбора,м

величин % перечисленных объектов показало отсутствие на уровне значимости Ъ% достоверных различий между % пойменных и лессовых отложений, а тагеке мехщу гумусовыми горизонтами современных и погребенных почв. Другие объекты значило различаются по %.

Магнитная восприимчивость почв в" пределах исследованной террито-

_рии выше % материнских

Пределы пород. Известно, что б ссзц степень этого превыше---— ния зависит от ряда

факторов, в том числе содержания органическогс вещества, окислительно-восстановительных условий. Однако выявление связи между % почв и положением их в макрокате не затруднено в связи со сменой почво-образукщих пород. Для сравнительного анализа близких по генезису и значениям % почв,рассматриваемых в данном случав, использовался показатель определяющий средний прирост % в почве по сравнению с материнской породой и позволяющий более полно отразить особенности % почвенного профиля. Величина Д% определялась как средневзвешенная для почвенного профиля разность меаду % в генетических горизонтах или слоях почвы и % порода.Величина А% изученных почв положительна и связана с положением почвы в ландшафте (рис.За). Прирост х в почвенном профиле по сравнению с материнской

Элювий морских Pg-N отложений (водоразделы)

Делювий морских Рё-и отложений (склоны) Лессовые отложения

Пойменные отложения

Почва (гор.А и АВ) Погребенные гумусовые гор.

2-5

1.7-4 2-8 1.5-6 0-0.8

3-7

5.9

9.0 17.4 19.0 42.0

45.4

1.5-10.5

7.6-11.3 12.0-25.0 10.0-32.4 21.8-56.5

21.3-82.3

породой умэньпается от элззетальынх к почвам аккумулятивных ландшафтов, что соответствует поЕКгзнЕй ОВП и содержания органического вацества (табл.1). В направления от элюкзальной к еккумулятииюЯ часта незокатен прослзспвается твкге тенденция укеньгения &х с УЕ9~ ляченнем отнозенпеи яв^/Уе^ (о-оксалатная В"лтя:а5а;а- цитрат- дятко-нитовая идапка) (рзс.Зб), которое газет быть штерярэтировано как ослабление процессов кристаллизации свободных форм соединений Ре.

а б

Рас.З. а- Зависимость &х от положения почвы в ладцзафте; б- Связь &у с соотношением амор&шх а несиликатных форм галеза (Ре^/Реа).

Рйс.4.Изненепнв магнитной воспрщйгавости А% почв во времени ( (сухостепная зона Северного Прикаспия).

- квгяаиозая почва, северная часть ЭльтоискоЙ равнмки;2- светло-аитановая почва, вторая надпойяенна* террасе» Волга-Ахтубы;

каятаковая почва,северо-восточная окраина Эльтомской равнины.

Существенную роль в формирования состояния Ре играют бжшмматаческие факторы. Изучение почв, погребенных под курганами различного возраста, показало, что Ах прямо связано с длительностью автоморф-ного почвообразования и особенностями педогенеза, обусловленными, главным образом, биологическим фа-■орои (рис.4).Проведение этих наблюдений позволяет оценить в такой огаой, многофакторной системе, как почва, влияние биологического

10~Ьед.СИ

5 4 3 2 1 0 ВРЕМЯ, тыс мет яаэад

фактора, выраженного длительность» процесса почвообразования, на; изменение магнитной восприимчивости почв, а, следовательно, и состояние соединений железа в почвах.

Факт увеличения доли окисленных форм соединений железа с возрастом территории отмечался в ряде работ (А1ехапйег, 1974; Аг<5.и!по et а1.,1984), где показана взаимосвязь возраста почв с соотношением аморфного (Рве) и несиликатного (Ре^) железа, получаемых оксалатной и цитрат-датионитовой вытяжками. В изученных наш педохронорядах закономерного изменения соотношения "химических" форм железа не выявлено. По-видимому, длительность временного интервала (около 5 тыс.лет ) оказалось недостаточной для заметного изменения Ре^/Ре^. Этот факт свидетельствует о том, что Ах является более чувствительным показателем по сравнению о результатами, получаемыми с помощью химических вытяжек .

ВЫВОДЫ.

Состояние соединений железа сингенетично процессам почвообразования, Ре играет активную роль в почвенно-геохимических процессах степной зоны, что позволяет использовать его состояние в качестве информативного показателя направленности почвенно-геохимических процессов при действии природных и антропогенных факторов.

1 .Соотношение Ре2 + /Реа+ в почвах отражает интенсивность процессов выветривания в почвах в зависимости от положения в ландшафте и определяется не только актуальным состоянием среды (ОВП), но превде всего длительность» воздействия всех факторов и процессов выветривания.

2.Соотношение Ре3+ в октаэдрических позициях закономерно изменяется .свидетельствуя о тенденции диоктаэдризации илистого материала при интенсификации процесса выветривания, что является результатом разрушения менее устойчивых триоктаздриче ских силикатов к относительного накопления даоктаэдрических, а также несшжкатнш форм железа, представленных в основном высокодасперсным гетитом с размером кристаллитов 10-25 ип.

3. В отличии от природного элювиального процесса, при орошенш направленность преобразования соединений Ре несколько иная и определяется тенденцией преобладания их выноса на фоне увеличения подвижности в результате трансформационных преобразований при изыэние-шихся условиях среда, в том числе микробиологической активности.

4.Магнитная восприимчивость почв (%)- генетическая характерно-

тика почвообразовательного процесса, отражающая распределение и состояние соединений железа в почвах и ландшафтах. Почвы водоразделов имеют наибольшую величину средневзвешенного прироста % в почвенном профиле по сравнению с материнской породой (Л%), почвы пойм наименьшую.

5.Величина магнитной восприимчивости почв закономерно изменяется во времени, что выражается в увеличении средневзвешенного прироста ¿х с увеличением возраста почв. Это позволяет предложить новый метод датирования палеопочв, нарушенных археологических памятников, а также голоценовых почв, погребенных под естественными наносами.

6.Геохимическое поведение железа в степных ландшафтах (щелочная, окислительная среда) представляется, вероятно, следующим образом. Железо высвобождается из кристаллической решетки слоистых силикатов в процессе выветривания .частично образуя высокодисперснне гидрооксида, миграция происходит в форме высокодасперсных гидрооксидов (в коллоидной мути) <1=5-25 ни и (или) Ре-органических комплексов. Коагуляция и осаждение соединений келеза происходит на геохимическом барьере, связанном с изменением ионной силы почвенных растворов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ -

1.0 возможности использования магнитной восприимчивости для изучения эволюции почв. Сб. Эволюция и возраст почв СССР, Пущино,1986,с. 101-109 ( в соавт).

3 . Магнитная восприимчивость почв сопряженных ландшафтов. Почвоведение й 8, 1988, с 27-35, ( в соавт).

4.Минералогический состав илистой фракции почв сопряженных ландшафтов центра Ставропольской возвышенности.Почвоведение Л 9,1988, с.113-124 ( в соавт).

5. Магнитная восприимчивость как показатель направленности и скорости развития степных ландшафтов в голоцене. Сб.Естественная и антропогенная эволюция почв, Пущино 1988, с.16-20 ( в соавт).

6.Палеопедологическое изучение археологических памятников степной зоны. Изв.АН СССР сер.географтаеекая, 1989, с.40-51, ( в соавт).

7.Состав почвенных растворов агроценозов Предкавказья и его изменение при орошении.Сб.Почвэкно-биогеоценологические исследования на северо-западной Кавказе, Пущино, 1990, с.115-121 ( в соавт).

8.Распределение форм соединений железа и особенности железистых

новообразований в почвах степных ландшафтов Северного Кавказа. Тез.конф. Ре- конкреции в почвах. Состав, генезис, строение. Тбилиси, 1990, с.28 ( в соавт).

9.Новый метод подготовки высокодисперсных фракций почв для рент-генофазового анализа. Почвоведение, N4, 1991, с.179-183.(в соавт)

10. Mineralogioal oomposition of soil geoohemioal toposequence including swel-ehrink soil. Abs.Classif..management and use potential of swell-shrink soils,p.52-53, Nagpur,India,1938 (В соавт).

11.Magnetic susceptibility of soils in a oatena .Soviet Soil Soi.vol/issue 21/4 page 7B-86, 1989 (в соавт).

12.Mineralogioal composition of clay fraction from soils on linked sites in the Central Stavropol upland.Soviet Soil Soi.vol/issue 21/5 page 57-69, 1989 (в соавт).

13.Influence oí biogeoohemioal factors on mineralogical composition in connected landscapes.Abet.9th Int.Sym.on environmental biogeochemistry. Moboow, 1989 ( в соавт).

14. Contribuí ions to knowing the modifications of the Marculesti vermio ohernoz.em.In. "Contributia statiunii de oeroetari pentru oulturi irigate Maculates la devoltarea agriculturii Baraganului 1929-1989",Redaot ia de propaganda tehnioa agrioola,Bucharest, 1989, p.339-368.(в соавт).

15.Pluids in soils and sediments of steppe zone .Plinius,n.5,

1991,pp.262-263 (в соавт).

16.Geoohemioal regularities of olay-size fraction organization in soils of steppe landeoapes.Proo.7 th Euroclay Conf..Dresden, 1991, pp.25-30 ( в соавт).

17. Clay fraction state in red-soils (subtropios of Georgia).Proc 5th International meeting Eurolat'91.Berlin,pp.9-14 ( В соавт). 18.Iron compounds in soils of steppe landscapes. Proc.7 th Euro-olay Conf., Dresden, 1991, pp.18-25 ( В соавт).

31.08.92 г. Зак. 5074P Тир. 125 эка. Уч.-изд.л. 1.0

Отпечатано на ротапринте в ОНТИ ЛНЦ РАН