Железистые новообразования почв южно-таежной подзоны Европейской территории России - генезис, свойства, диагностическое значение

Никифорова, Алла Сергеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Железистые новообразования почв южно-таежной подзоны Европейской территории России - генезис, свойства, диагностическое значение
ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Железистые новообразования почв южно-таежной подзоны Европейской территории России - генезис, свойства, диагностическое значение"

с,?

- с-з

•

На правах рукописи

Никифорова Алла Сергеевна

железистые новообразования почв южно-таежной подзоны европейской территории россии -генезис, свойства, диагностическое значение

Специальность 03.00.27 -почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва, 1997

Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова.

Научный консультант - доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Ф.Р.Зайдельман

Официальные, оппоненты:

- доктор биологических наук, профессор Васильевская В.Д.

- доктор сельскохозяйственных наук Тонконогов В.Д.

- доктор биологических наук Алифанов В.М.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

университет

Защита состоится "-Д ".. у££. 1997 года в 15ч.30 мин. в ауд М-2 на заседании диссертационного совета Д 053.05.31 при Московском государственном университете им.М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ факультет Почвоведения, Ученый Совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан: " " 1997 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба присылать по указанному адресу.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук,

профессор Лебедева Л.А.

■ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ■Актуальность. В гумидных ландшафтах в.профиле автоморфных почв часто, а гидроморфных - почти всегда возникают железистые новообразования (Мп-Ге ортштейны, ортзанды, вторичные аморфные оксиды и гидрооксиды железа), свойства и изменчивость которых определяются условиями почвообразования. Важнейшее значение в их образовании имеет гидротермический режим. Несмотря на существенное теоретическое и прикладное значение сведений о взаимосвязи железистых новообразований с факторами почвообразования, особенностями водного и других режимов, их диагностическое значение и динамика свойств изучены весьма неполно, а ряд важнейших особенностей неизвестны вообще. Остаются нераскрытыми актуальные, закономерности, определяющие связь их вещественного состава с породами, особенностями педогенеза, степенью гидроморфизма. Не изучены вопросы изменчивости железистых новообразований»при эволюционных изменениях гидрологического режима. Исследование Мп-Ге и железистых новообразований актуально еще и потому, что они не только несут информацию о гидрологическом режиме почв, являются важным элементом макроморфологии, но и, как показано в последние годы нашими исследованиями и работами других авторов, могут быть использованы для количественной диагностики степени заболоченности почв Методы этой диагностики тесно связаны с генезисом почв и . особенностями почвообразующих пород.

Цель работы. Установить особенности вещественного состава железистых новообразований, определить их диагностическое значение и оценить особенности эволюции в условиях естественного и вторичного гидрологического режима.

Задачи исследований.

1. Раскрыть связь естественного и вторичного гидрологического режима с конкрециеобразованием и эволюцией новообразований в почвах на разных породах.

2. Оценить влияние прогрессирующего в пространстве оглеения на морфологические, физические, химические и минералогические свойства железистых новообразований, приуроченных к почвам на разных почвообразующих породах.

3. Создать физические модели процесса конкрециеобразования и моделировать процесс изменения конкреций при трансформации водного режима почв.

4. Выявить общие закономерности изменения содержания и ве-

- г -

щественного состава железистых новообразований при антропогенном воздействии на почвы, приуроченные к разным породам в естественных условиях.

5. Изучить магнитную восприимчивость новообразований из почв, на разных почвообразующих породах для выяснения диагностических возможностей этого параметра.

6. Разработать систему количественной оценки целесообразности осушения почв разной степени заболоченности на двучленных отложениях.

Теоретическое значение работы заключается в том, что она раскрывает закономерности формирования вещественного состава важнейших новообразований почв гумидных ландшафтов, устанавливает их связь с особенностями гидрологического режима почв, отражает эволюцию железистьк новообразований при трансформации почв в.результате длительно действующих мелиоративных мероприятий, время возникновения и вторичной трансформации конкреций и других новообразований.

Практическое значение определяется, во-первых, тем, что автором разработана количественная диагностика агроэкологического состояния и потребности в дренаже подзолистых и болотно-подзолис-тых почв лесной зоны ЕТР на маломощных и среднемощных двучленных отложениях при проведении почвенно-агрономических, почвенно-ме-лиоративных и др. изысканий и исследований. Во-вторых, определено значение конкреционных и неконкреционных железистых новообразований для диагностики степени заболоченности почв при вторичном изменении водного режима на покровных, лимногляциальных, двучленных, аллювиальных и флювиогляциальных почвообразующих породах. В-третьих, дана оценка соответствия методов"диагностики степени заболоченности почв, предложенных нами и другими авторами в реальных условиях современных агроландшафтов. В-четвертых, раскрыта роль новообразований как резерва и источника макро- и микроэлементов.

Новизна работы. Раскрыты особенности состава железистых новообразований почв лесной зоны Европейской территории России на разных породах, их эволюции в условиях естественного и антропогенно измененного гидрологического режима; показана разрешающая возможность применения разных методов количественной диагностики степени оглеения, основанных на использовании сернокислой, окса-

латной, дитионит-цитратной и других вытяжек, а также магнитной восприимчивости; разработана система количественной диагностики и агроэкологической оценки степени заболоченности широко распространенной на юге лесной зоны группы почв на двучленных отложениях.

В условиях экспериментального моделирования воспроизведены условия формирования и впервые получены Мп-Ге конкреции.

Исследованы изменения железистых новообразований при трансформации водного режима.

Защищаемые положения.

1. Типы железистых новообразований, возникающие в результате процессов аккумуляции и трансформации соединений металлов находятся в прямой зависимости от почвообразующих пород и гидрологических факторов заболачивания почв.

2. Химический состав конкреционных и неконкрёционных железистых новообразований находится в зависимости от степени заболоченности почв и индивидуален на разных почвообразующих породах. На этой основе может быть разработана количественная, основанная на аналитических показателях, система диагностики степени заболоченности почв.

3. Конкреционные и неконкреционные железистые новообразования адекватны гидрологическому режиму почв и в естественной обстановке существенно не меняются в связи с изменчивостью погодных условий.

4. Вторичные трансформации водного режима, определяющие глубокие изменения почв,. обусловливают эволюционную трансформацию Мп-Ре новообразований, резко меняют их фракционный, химический состав.

5. Для диагностики степени заболоченности широко распространенных в лесной зоне почв на двучленных породах и их агроэкологической оценки могут быть использованы как конкреционные, так и неконкреционные железистые новообразования, причем выбор критерия в этом случае определяется мощностью поверхностных легких отложений.

6. Возникновение конкреционных новообразований, их состав и свойства, вторичные изменения при трансформации водного режима могут быть воспроизведены в условиях модельного эксперимента.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на Всесоюзной конференции"Мелиорация, использование и охрана почв Нечерноземной зоны" (Москва, 1980 г), на VI Всесоюзном съезде почвоведов (Тбилиси,1981г.), на Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы охраны, рационального использования и воспроизводства природных ресурсов" (Минск,i985 г.), на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ, на заседании . подкомиссии по мелиорации заболоченных почв РОП (Москва, 1995), на конференции МГУ "Ломоносовские чтения"(1996), на II Всерос-1 сийском съезде почвоведов (С. Петербург, 1996).

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 8 глав и выводов; включает рисунков, '57 таблиц; список литературы насчитывает 208 работ на русском языке и 55 иностранных.

Автору принадлежит разработка программы исследований, сбор основной части полёвого материала, выполнение экспериментальных работ, обобщение и интерпретация информации, формулирование положений представленных к защите, выводов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.

Не будет преувеличением признать, что в гумидной зоне почвообразование - в значительной мере процесс, приводящий к возникновению различных почвенных новообразований. Они разнообразны по форме и составу. Особое место занимает группа марганцево-железис-тых конкреций (ортштейнов). Они формируются в почвах с элювиально-иллювиальной дифференциацией профиля, на породах от легкосуглинистого (супесчаного) до глинистого гранулометрического состава; в почвах на мощных флювиогляциальных песках в зонах ожелезненных грунтовых вод формируются ортзанды разной мощности; промежуточное положение занимают почвы, приуроченные к среднемощным двучленным отложениям: здесь не возникают условия для формирования твердых ортштейнов и ортзандов, но широко представленц аморфные вторичные оксиды и гидрооксиды железа.

В термины ортштейн, ортзанд, конкреция разными авторами вкладывается разный смысл. В конце XIX начале ХХв.в. под термином "ортштейн", "ортштейновый горизонт" понимали железистые цементац-тонные образования песчаных почв (Зенфт, 1862; Павлинов, 1887; Müller, 1887; Mayer, 1903; Захаров, 1911, 1927;). К.Д. Глин-ка(1915) и др.называли ортштейном как округлые почвенные конкре-

ции, так и плотные сцементированные прослойки в песчаных почвах. Однако В. В.Геммерлинг (1922) предложил называть ортштейном округлые конкреции, а для железистых новообразований песчаных почв сохранить термин ортзанд. В настоящей работе использованы предложения В.В.Геммерлинга.

Ортштейны описаны Г.М. Туминым(1915); Я.Н.Афанасьевым (1930); Е.Winters(1938); В.И.Росликовой(1961, 1985, 1991 и др.); F.Bliimel . (1962); А.В.Македоновым (1966); Н.Н.Матинян (1967); А.К.Оглезне-вым под руководством Ф.Р.Зайдельмана (1968); Г.В.Добровольским и 1 др. (1970, 1976, 1982 и др.); Т.В.Терешиной(1975); С.В.Шобой и П.Н.Балабко(1983); Г.В.Русановой(1995) и др. Т.А Аристовс-кая(1965) привела убедительные доказательства в пользу биогенной теории генезиса ортштейнов. М.Drosdoff, C.Nikiforoff(1940); R.Brewer(1964) указали на тесную связь этих новообразований с процессом глееобразования. Ф.Р. Зайдельманом (1974); U.Shwertmann a. D.S. Fanning (1976) и другими показано, что под влиянием нарастающего гидроморфизма происходит трансформация химического состава ортштейнов. Е.А.Дмитриевым и др.(1979, 1987) были изучены некоторые аспекты пространственного варьирования содержания и свойств ортштейнов в дерново-подзолистых почвах.

Исходя из известных данных можно признать, что для формирования Mn-Fe конкреций необходимо и достаточно: наличия в почвах и почвенных растворах подвижных форм железа и марганца, других элементов; чередования окислительных и восстановительных условий, периодов избыточного увлрснения и иссушения почвенного профиля; присутствия гетеротрофных и автогрофных микроорганизмов, которые осуществляют как мобилизацию Fe и Мп, так и их отложение; наличия центров конкрециеобразования- минеральных зврен, биолитов и др.

Ортзандовые горизонты формируются в зонах аэрации при близком залегании ожелезненных грунтовых вод. Эти новообразования описаны Н.М.Сибирцевым(1901); В.В.Геммерлингом(1922); М.М.Филатовым(1922) ; Е.В.Аринушкиной(1939); К.Д.Глинкой (1931) И.С.Кауричевым и В.С.Шишовой (1966) и др. Ф. Р. Зайдельманом (1969, 1974) приведены доказательства в пользу гидрогенной теории образования ортзан-дов. Ф.Р.Зайдельманом и Р.П.Нароковой (1974) исследованы химические свойства ортзандов в почвах разной степени оглеения.

А.В.Македонов (1965)объясняет различия в генезесе конкреций и цементационных железистых новообразований различной концентрацией

растворов :" сильно разбавленные и неоднородные грунтовые растворы. которые лишь в отдельных локализованнх участках могут становиться пресыщенными, более благоприятны для конкрециеобразования, чем равномерно насыщенные растворы, выпадение из которых скорее должно приводить к равномерной пластовой цементации".- Т. В. Арист-вской (1965) показано, что в почвах тяжелого и среднего гранулометрического состава такое локальное пресыщение растворов, содержащих железо и марганец, создается деятельностью специфической и неспецифической почвенной микрофлоры. Очевидно, что равномерно насыщенными растворами являются ожелезненные грунтовые воды, при наличии которых в почвах легкого гранулометрического состава образуются ортзанды.

Изучению вторичных оксидов и гидрооксидов железа посвящены работы Я. Н. Афанасьева(1930); Ф.В. Чухрова(1936, 1955/ 1976); Н.И.Горбунова (196'i, 1969 и др.); H.P.Blume а. U.Schwert-mann(1969). Л.А. Кармановой(1978), Т.А.Романовой и др.(1978, 1981), С.В.Зонна (1982),Ю.Н.Водянйцкого (1991) и др..

Однако, несмотря на длительные исследования, остаются неполно изученными или вообще неизвестными многие актуальные вопросы возникновения, трансформации и диагностического значения таких новообразований. .

2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Объектами исследования были выбраны такие три общие группы железистых новообразований, которые свойственны всему набору почв, разной степени заболоченности от не несущих морфохроматических признаков оглеения до глеевых: новообразования конкреционного типа - Mn-Fe ортштейны; цементационного-ортзанды, а также вторичные железистые оксиды и гидрооксиды почв. Объектами наших исследований были почвы Московской и Новгородской областей, приуроченные к покровным лессовидным суглинкам и легким глинам, двучленным отложениям разной мощности, ленточным глинам, аллювиальным глинам и флювиогляциальным пескам.

3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Методика отбора образцов Принципы выбора почв для исследования железистых новообразований. Принципиальная особенность выбора почв при исследованиях Mn-Fe конкреционных и железистых неконкреционных новообразований заключалась в том, что всегда оценка изменения их свойств под

влиянием нарастающего заболачивания осуществлялась в рядах одн родных по составу почв разной степени оглеения, приуроченных породам одного и того же генезиса и гранулометрического состав Всегда объекты наших исследований выбирались так, чтобы в ря почв изменялся только один фактор - степень заболоченности поч Имение пезтему строго соилодален принцип приуроченности каадо отдельного ряда почв к однородной по генезису и составу почвос разущей породе. Исходя из этого принципа на всех объектах бы отобраны образцы почв и почвенных железистых новообразований.

3.2. Бетодкна модельных экспериментов В естественных условиях почвообразование протекает под влк нием многих взаимосвязанных факторов, что затрудняет или исклюй ет возможность выявления самостоятельного воздействия того ш иного фактора на почву или почвообразующую породу. Модельные л бораторные исследования позволяют не только вычленить тот * иной почвообразовательный процесс, но и в течение определение отрезка времени анализировать его влияние на почву (породу).

Поскольку процесс конкрециеобразования непосредственно свяг с процессом оглеения, при постановке наших модельных эксперимс тов мы опирались на накопленный опыт предшествующих работ в с ласти моделирования глееобразования ( Wityn, 1934-, C-Blcomfie! 1951, 1954; Сюта, 1962; Кауричев, Ноздрунова, 1964; Заидельмг Нарокова,1978; Зайдельман, Никифорова, Давыдова, 1987 и др.)

При разработке схем наших лабораторных экспериментов был i пользован этот опыт работ в области моделирования почвообразоз ния в условиях избыточного увлажнения.

4. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ, ФРАКЦИ» НОГО СОСТАВА, ФИЗИЧЕСКИХ И ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОНКРЕЦИЙ ПОД ВЛИЯНИЕМ НАРАСТАЮЩЕГО ГИДРОМОГОИЗМ. НА ОСНОВНЫХ ПОЧВООБРАЗУЩИХ ПОРОДАХ.

4.1. Изменение содержания и особенности фракционного состава марганцево-железистых конкреций почв, разной степени заболоченности. Я.Н.Афанасьев(1930) отмечал, что для образования ортштей необходимо определенное соотношение фаз аэробиоза и анаэроб условий, однако количественое соотношение этих фаз и их связь

интенсивностью ортштейнообразования выявлены не были. Работами Ф. Р. Зайдельмана с сотрудниками (1971; 1974; 1979 и др.) было положено начало исследованиям ортштейнов и других железистых новообразований в рядах почв, приуроченных к разным почвообразующим породам и отличающихся степенью заболоченности. Мы попытались на основе наших и литературных данных выявить особенности водного режима почв на разных породах и связать их со степенью конкреци-еобразования. Нами установлено, что в целом доминирует следующая закономерность: интенсивность конкрециеобразования в почвах на всех исследованных почвообразующих породах определяется степенью заболоченности почв и находится в тесной связи с гидрологическим режимом. Независимо от генезиса и состава почвообразующих . пород (лессовидных суглинков и глин, ленточньк глин, аллювиальных глинистых отложений, маломощных двучленов и др.) всегда в ряду почв дерново-подзолистые - дерново-подзолистые глееватые ( на покровных породах дерново-подзолистые глеевые) почвы наблюдается увеличение общего содержания ортштейнов. Дальнейшее усиление заболачивания сопровождается постепенным уменьшением количества Мп-Ге ортштейнов. В торфянисто-глеевых почвах ортштейны обычно отсутствуют, а максимум конкрециеобразования имеет место преимущественно в глееватых почвах.

На рис.1 показана связь интенсивности конкрециеобразования с режимом влажности поверхностных горизонтов почв. В дерново-подзолистых и дерново-подзолистых глубокооглеенных почвах на покровных лессовидных суглинках.(Зайдельман.1974) и на маломощных двучленных отложениях (Зайдельман.Никифорова и др.1980) продолжительность полного обводнения поверхностных горизонтов (0-30; 0-40см) во влажные годы значительно меньше периодов иссушения (влажность <0,7ППВ)в сухие и средние годы, в дерново- глеевой (на покровных породах) и в дерново-подзолистых глеевых (на маломощных двучленах и на ленточных глинах) почвах - напротив, периоды полного обводнения значительно превышают сухие. Дерново- подзолистые глееватые почвы( а на покровных суглинках и дерново-подзолистая глеевая) занимают особое положение - здесь практически всегда имеет место максимум конкрециеобразования, независимо от приуроченности почв к тем или иным почвообразующим породам. В этом случае продолжительность полного обводнения превышает сухие периоды, но не более, чем на половину.

„ у -

Рио. I. Специфические особенности водного режима, масса и свойства' Мп -Ге кснкреций на разных почвообразутацих породах

СЗ

3-7 7-32

>32

5 >32

о о

К12

§<12

со.>12

е-н |712

§<30 <30

30-140' *140

А. Покровные тяжелые суглинки и глины

ег

УУУУ/УУ,

Почвы

3 I

\\S\NS N \ТУ1

3 2

чччччччччч ч ч \м

4а

'Лччччч^ччччччччЧ

Б; Маломощные двучленные отложения

ЙР' ез?

у М

В.' Пиелые тонкослоистые ленточные глины

У777Л

V/////.

V////////А

12 Л.

у\\ \

У\\"1 \Л \ 1

УУ\Ч\Л \ \

■ '_I—

■ I

II 2а 3. ' 4

Содержание конкреций, % I Число месяцев от массы почвы

Почвы: I - дерново-подзолистые, 2 - то же глубокооглеенные,

2а - то не слабооглеенные, 3 - то же глееватые, 4 - то же гле евые, 4а - дерново-глеевые.

1 I влажность -¿-0,7ППВ в средние (Б,В) и сухие годы (слой С 30см5 :|Л\Мвремя полного обводнения во влажные годы

(слоЯО-ЗОсм); /// содержание конкреций в гор» Апах, % 01 массы почвы

Несомненно, свойства пород, почв и особенности климата вносят определенные коррективы в эту общую закономерность Так, в почвах на ленточных глинах было обнаружено наибольшее общее содержание конкреций во всем ряду почв по сравнению с рассматриваемыми почвами на других породах. Это обусловлено особенностями их состава и водного режима.

Существенный интерес представляет распределение конкреций по . фракциям. При нарастании степени заболоченности почв от дерново-подзолистой до дерново-подзолистой глееватой увеличивается со-1. держание фракций 2-3 и больше 3 мм. В глеевой почве на двучленных отложениях размер ортштейнов уменьшается по сравнению с глееватой (рис.2). Эта закономерность свойственна ортштейнам из почв и на других породах Русской платформы.

4.2. Плотность конкреций.

Нами проведены' определения плотности твердой фазы марганце-во-железистых конкреций из почв на разных почвообразующих породах. Значения плотности твердой фазы ортштейнов (2,49-2,79 г/см3) близки к плотности твердой фазы вмещающих горизонтов и не зависят от размера конкреций, степени'оглеения вмещающей почвы и от генезиса породы. Это, по-видимому, связано с общим для всех исследованных конкреций микробиологическим происхождением, а также и с тем , что основными центрами конкрециеобразования выступают кварцевые зерна и в составе всех исследованных ортштейнов преобладает БЮг (более 50 55).

. Выборочные исследования парафиновым методом плотности сложения конкреций >5мм из подзолистых горизонтов дерново-подзолистых глееватой и глеевой почв на маломощных двучленных отложениях показали, что эти'величины близки и изменяются в пределах от- 2,03 до 2,19 г/см3.

4.3. Химический состав конкреций.

4.4.1. Макроэлементы в конкрециях.

Ортштейны накапливают ряд элементов ( максимально железо и марганец) по сравнению с вмещающим мелкоземом. А.В.Македонов (1966), обобщая многочисленные литературные данные, пришел к выводу, что коэффициент концентрации железа в ортштейнах изменяется от 2 до 9, коэффициент концентрации марганца обычно выше - от 37 до 50.

Коэффициенты накопления железа и марганца в ортштейнах за-

Рис. 2. Содержание и фракционный состав конкреций в дерново-сил] ноподзолистых почвах на маломощных двучленных отложениях (лес, гор. А1 и А2). Почвы: 1 - дерново-сильноподзолистая; 2 - то ; глубокооглеенная; 3 - то же глееватая; 4 - то же глеевая. Размер фракций, мм [ ] 1-2; \/ /] 2-3; >3

висят от генезиса почвообразующих пород, а внутри катен - от степени заболоченности почв. Накопление железа наиболее значительно в ортштейнах дерново-подзолистых глеевых почв, марганца - в дерново-подзолистых (табл. 1 и 2).

Следует подчеркнуть, что на карбонатных породах в умеренном поясе или на иных породах в других климатических зонах, может происходить одновременное накопление и железа, и марганца в конкрециях с нарастанием степени гидроморфиэма почв.

Как указывает Т.В.Аристовская (1980), количественные соотношения между Ре и Мп "в ортштейнах зависят от видового состава участвующей в формировании конкреций микрофлоры и господствующего ... физиологического механизма осаждения железа и марганца в микробных клетках" (с. 118).

4.4.2. Микроэлементы в конкрециях.

Ортштейны аккумулируют не только макро- но и микроэлементы, особенно Со, РЬ, Сс! (табл. 3). Оксиды марганца обычно имеют нулевую точку заряда при низких значениях рН (2.0-4.5) и являются отрицательно заряжеными при значениях рН, свойственных большинству почв. Поэтому они связывают катионы. По нашим данным значения рН самих ортштейнов (водная суспензия )составляют 4,5 -5,5. Оксиды железа обычно имеют нулевую точку заряда при рН 6,8-8,0. поэтому в большинстве почв они или положительно заряжены или нейтральны и связывают анионы, в частности, фосфаты (УоеЬ, 1906; ВеЬ-гепс!, 1924; чухров, 1936,1955; В.В.Добровольский, 1957; Мс Кеп-21е, 196?. 1972. 1975 и др.). Видимо, поэтому в ортштейнах дерново-подзолистой почвы, содержащих больше марганца, накопленее микроэлементов-металлов значительнее, чем в новообразованиях дерново-подзолистой глееватой почвы. Свинец и кадмий в большей степени накапливается в мелких конкрециях. Что касается кобальта, то хотя абсолютное его содержание больше в конкрециях дерново-подзолистой почвы, но коэффициенты накопления этого элемента выше в ортштейнах дерново-подзолистой глееватой. мелкозем которой беднее Со.

В рудяке, образовавшемся в зоне выклинивания ожелезненных грунтовых вод и содержащем небольшое количество марганца, не происходит аккумуляции микроэлементов.

Из этого следует, что содержание микроэлементов определяется степенью заболоченности почв и генезисом конкреционных новообразований.

Таблица 1

Химический состав конкреций дерново-сильноподзолистой и дерново-сильноподзолистой глееватой

почв на маломощных двучленных отложениях (гор. А2 ), % на прокаленную навеску. Почвенно-гидрологический стационар "Веригино",Московская область. Лес.

-г-1--1

| Валовой состав |Несиликатное железо|

Образец 1-1-1-1-1-1-1-1-1--1-1

| 5102 |А1г0з I МпО|ЕегОз| Сао| М£0|Р205|Ге:Мп| РегОза I РегОзо I

_I_I_I_I_I_I_I_I_I__I__I

Дервово-снгьнопадашшстая, р. 00

________ _________________ ... __ н

Мелкозем без конкреций 83,9 8,3 0,04 1,9 2,0 1,6 0,01 47,7 0,2

Конкреции, ср.проба 66,4 9,0 4,0 15,7 1,9 0,8 0,1 3,5 13,2 6,7

Накопление в конкрециях * 0,8 0,9 100,0 8,2 0,9 0,5 10,0 8,8 34,0

Дериово-сильноподаалистая гдсеватая, , р. 92

Мелкозем без конкреций 86,9 8,0 0,02 1,6 0,9 0,6 0,01 80,0 0,9 0,2

Конкреции, ср.проба 70,1 9,2 0,8 14,9 1,1 1,2 0,2 17,5 13,4 12,0

Накопление в конкрециях 0,8 1,2 37,5 9,9 1,3 1,9 20,0 14,9 60,0

★Накопление в конкрециях по сравнению с вмещающим мелкоземом (коэффициенты накопления)

Таблица 2

Химический состав конкреций дерново-подзолистой и дерново-подволиотой глееватой почв на покровных лессовидных кислых легких глинах (гор. А пах),

7. на прокаленную навеску. Рузский почвенно-гидрологический стационар, Московская область.

Валовой состав

! Несшшкатное железо |

Образец

1 ЭЮг |А120з | Мп0|Рег0э1 Сао| Ме0|Р205|Ге:Мп| Ре20за I Ре20зо I

Дерново-подзолистая, р.1

Мелкозем без конкреций 79,8 10,0 0,2 3,8 1,9 0,9 0,1 16,6 0,9 Конкреции, ср.проба 65,7 9,0 7,3 9,6 1,8 0,8 0,4 1,2 6,5

Накопление в конкрециях * 0,8 0,9 36,6 2,5 0,9 0,9 4,0 7,2

7,2

12,0

0,5

6,0

Дерново-подзолистая глееватая, р.5

Мелкозем без конкреций Конкреции, ср.проба Накопление в конкрециях

80.2 10.3 0,3 3,6 1,8 1,0 0,1

66.3 10,1 3,3 13,0 1,9 0,9 0,9 0,8 1,0 11,0 3,6 1,1 0,9 9,0

10,5 1,3 0,8

3,6 10,6 10,5 8,1 13,1

¿Накопление в конкрециях по сравнению с вмещающим мелкоземом (коэффициенты накопления)

Таблица 3

Валовое содержание микроэлементов в конкрециях и вмещающем мелкоземе дерново-подзолистой и дерново-подзолистой глееватой почв на покровных лессовидных кислых легких глинах,

гор. А пах Смкг/г). Рузский почвенкс-гидрологический стационар. Московская область

Образец 1 ......1 1 си I • 1 1 РЬ 1 1 1 Сй | I 1 Со | 1 [ N1 | 1 2п

дерново-подзолистая, Р.1

Мелкозем без конкреций 8.3 11.0 0,4 15,6 не опр.

Конкреции 1-2 мм 29,6 60,8 7,9 144,9 123 231

> 2 мм 12.4 54,4 8,1 135,8 14.9 199

Накопление в конкрециях

1-2 мм 3.6 5,5 22.6 9,3

> 2 мм 1.5 4,9 23,1 8,7

Дерново-подзолистая глесватая, р .5

Мелкозем без конкреций 11.1 12,5 0,2 4,0 не опр.

Конкреции 1-2 мм 14,3 52,0 1.4 86.0 51 85

2-3 мм 14,1 53,1 2,3 120,0 52 92

> Змм 14,8 39,5 0,7 93,0 36 81

Накопление в конкрециях

1-2 мм 1.3 4.2 8,2 21,5

2-3 мм 1.3 6,3 13,1 30,0

> Змм 1.3 3,2 3,6 23,3

Накопление микроэлементов в конкрециях по сравнению с вмещающим мелкоземом было обнаружено А.Н.Поляковым и Л.В.Алещукиным (1969) в железистых новообразованиях дерново-подзолистых почв на аллювиальном наносе; C.W. Childs а. D.M. Leslie (1977) в желто-серых почвах на лессах Новой Зеландии; В. Н. Орешкиным и др.(1990) б новообразованиях пойменных почв.

Таким образом, исходя из наших и литературных данных можно • признать, что в составе самой почвы аккумулятором тяжелых металлов являются марганцево-железистые конкреции, особенно в поверхностно заболоченных почвах. Этот процесс в известном смысле можно рассматривать как своеобразный механизм защиты и очищения мелкозема почв от тяжелых металлов, в частности от свинца, кадмия и др.

4.4.3. Подвижные формы железа в конкрециях и особенности их минералогического состава По нашим и литературным данным ( Горбунов и др., 1961; Arshad, Arnaud,1980; Зонн,1982; Никифорова, 1990 и др. ) количество железа, извлекаемое разными вытяжками из конкреций, различно и зависит от генезиса почв, почвообразующих пород, размера конкреций и глубины их залегания. В вытяжку Мера-Джексона переходит 43-100% валового железа, в вытяжку Тамма - 16-100%. Это косвенно свидетельствует о том, что Fe и Мп находятся в конкрециях в мелкокристаллическом, или в неокристаллизованном состоянии (табл.1 и 2).

Р.Н. Полтева и Т.А. Соколова (1967); С.А.Шоба и П.Н.Балабко (1983) и др. показали, что ортштейны рентгено- и термоаморфны. Наши попытки установить наличие окристализованных соединений железа и марганца с помощью рентгендифрактометрии также не дали результатов.

Ф.В. Чухровым с соавторами (1980), показано, что отдельные минералы железа и марганца в ортштейнах можно обнаружить только с помощью метода микрорентгендифрактометрии. В.Ф. Бабанин, Л. 0. Карпачевский и др.(1976; 1995) методом ЯГР установили, что среди соединений железа в ортштейнах преобладает тонкодисперсный гетит (до 90%). U.Shwertmann & D. S Fannlng(l976) также указывают на то. что единственным кристаллическим окислом, который можно обнаружить в Mn-Fe конкрециях является гетит. Это относится к ортштей-нам умеренного пояса.

Различия в минералогическом составе марганцево-келезистых почвенных новообразований таежной зоны и других климатических по-

ясов сказываются я на магнитных свойствах ортштейнов.

4.5. Магнитная восприимчивость почз и новообразований

Нами в соавторстве с Ю. Н. Водяницким исследовалась магнитная восприимчивость почв разной степени заболоченности на покровных, ленточных и других породах и новообразований из них (Водяницкий, Никифорова, Зайдельман, 1997).

Магнитная восприимчивость исследуемых конкреций почв таежной зоны варьирует в широком диапазоне значений: от очень низких 1 7 1Сг5 до умеренно высоких 240 1СГ6. При этом минимальные значения магнитной восприимчивости были обнаружены у конкреций в почвах на маломощном супесчано-суглинистом двучлене и в пойменных почвах на аллювиальных глинистых отложениях, максимальная - в почвах на ленточных глинах. Наиболее высокая магнитная восприимчивость обычно свойственна мелким фракциям ортштейнов:1-2; 2-Змм и, значительно реже, фракции 3-5мм. В крупных фракциях ортштейнов (> 5мм), как правило, наблюдается снижение значений магнитной восприимчивости.

Низкие значения магнитной восприимчивости для исследованных новообразований позволяют предполагать, что в конкрециях почв лесной зоны на ледниковых и постледниковых породах преобладают гидроксиды железа.

Вместе с тем для всех групп исследованных нами почв на основных почвообразующих породах Нечерноземья каких- либо четких закономерностей по изменению магнитной восприимчивости в зависимости от степени оглеенмя почв выявить не удалось. Поэтому использование этого критерия для диагностических целей, по-видимому, может иметь весьма ограниченное значение.

Таковы некоторые общие закономерности формирования конкрецион- . ных новообразований и их изменений при усилении заболоченности на территории Русской платформы. Полученные данные показывают, в частности, вероятную возможность разработки количественной диагностики почв по химическому составу новообразований.

Проблема выбора диагностических критериев степени заболоченности почв на основе железистых новообразований решалась нами на примере широко распространенной группы почв, сформированных на двучленных отложениях (флювиогляциальный супесчано-песчаный нанос на суглинистой л глинистой морене).

5.ДИАГНОСТИКА СТЕПЕНИ ЗАБОЛОЧЕННОСТИ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ НА ДВУЧЛЕННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ПО СВОЙСТВАМ ЖЕЛЕЗИСТЫХ НОВООБРАЗОВАНИЙ

Внимание к этим почвам определялось не только их относительно малой изученностью, но и широким распространением в лесной зоне европейской территории РФ, где они занимают до 30% площади. Особая роль в изучении почв на двучленных отложениях принадлежит К.Д.Глинке(1902), А.А.Красюку (1922), Б.Ф.Апарину, Е.В.Рубилину (1975) И др.

Нами исследованы почвы ландшафтов, образованных маломощными и среднемощными двучленными отложениями под лесом и на пашне.

5.1. Новообразования дерново-сильноподзолистых почв на маломощных двучленных отложениях

5.1.1. Свойства почв. Новообразования дерново-сильноподзолистых почв на маломощных двучленных отложениях исследовались в дерново-сильноподзолистой и дерново-сильноподзолистых глубокооглеенной, глееватой, глеевой и торфянисто-подзолистой глеевой почвах в лесу и на пашне. Почвы увлажнены и заболочены поверхностными водами. У всех почв на глубине 40-50 см кислый супесчаный нанос подстилается горизонтами суглинистой карбонатной морены.

Четкая двучленность прослеживается по гранулометрическому составу и водопроницаемости: вертикальная водопроницаемость верхних супесчаных сдоев всех почв по нашим данным в 20-100 раз больше водопроницаемости моренных суглинистых горизонтов, поэтому на контакте супеси и суглинка формируется верховодка. Поверхностные горизонты почв, где сосредоточена основная масса ортштейнов живут в условиях резко меняюшегося водного режима.

Проведенные наш полевые исследования QBIK со стационарно установленными электродами) на всех почвах катены показали, что в средний по влажности год в период стояния верховодки во всех почвах независимо от степени оглеения возникают восстановительные условия как в легких контактных, так и в иллювиальных суглинистых горизонтах. Даже в дерново-подзолистой почве, не несущей морфох-роматических признаков оглеения, имеющей четко выраженный подзолистый горизонт, бывают периоды с низким значениями ОВП. 5.1.2. Свойства Mn-Fe конкреций Морфология конкреций. Особенности гидрологического и других режимов почв, генезис и состав почвообразующих пород определяют

морфологические различия ортштейнов. Для верхних горизонтов изученных дерново-сильнопродзолистой и дерново-сильноподзолистой глубокооглеенной почв характерно наличие темно-серых на изломе черных, плотных, компактных ортштейнов. По мере усиления степени оглеения ортштейны становятся рыхлыми, неровными. В глеевой почве - ортштейны наиболее рыхлые и имеют отчетливую бурую окраску.

Содержание, фракционный и химический состав конкреций. Содер-. жание, фракционный.и валовой химический состав конкреций почв на маломощных двучленных отложениях, а также подвижные формы железа 1 в ортштейнах рассмотрены в 4 главе работы. Здесь следует лишь отметить, что основная масса ортштейнов во всех почвах приурочена к подзолистым контактным горизонтам. Для оценки изменчивости массы и фракционного состава ортштейнов в зависимости от погодных условий нами были исследованы образцы ортштейнов рассматриваемого ряда почв в лесу 1976 и 1991 г.г. Содержание конкреций и их фракционный состав, как следует из рис.2, существенно не изменились за 15 'лет, т.к. почвы под пологом леса не испытывают заметного антропогенного воздействия.

5.1.3. Диагностика степени заболоченности почв по свойствам Мп-Ге конкреций.

С нарастанием заболоченности почв, образованных на кислых покровных породах, в их конкрециях снижается содержание марганца, увеличивается соотношение Ре:Мп (Зайдельман, Оглезнев,1971). Показано, что химический состав конкреционных новообразований находится в тесной взаимосвязи с режимом влажности почв. В прикладном отношении актуально то, что такая информация может быть использована для количественной диагностики степени заболоченности почв. В качестве такого диагностического критерия^ был предложен коэффициент заболоченности почв (Кз=Ге:Мп, извлекаемых 1п Н2504 из стандартной навески ортштейнов), который закономерно меняется при изменении степени переувлажнения почв.

На первом этапе работы нами была использована .эта зависимость (Кз) для исследования значения коэффициентов заболоченности почв на маломощных двучленных отложениях в лесу.

Поскольку, в прикладном отношении особое значение представляет определение степени заболоченности пахотных почв, в дальнейшем, были изучены конкреции из слоя 0-10 см гор.А пах почв на пашне. В лесу и на пашне в каждом случае отбирали по 20 образцов

(для проверки достоверности различий). Полученные данные показывают (табл. 4; рис.3), что по значениям коэффициента заболоченности исследуемые почвы представляют две крупные группы. Первая включает дерново-сильноподзолистую и дерново-сильноподзолистую глубокооглеенную почвы и характеризуется Кз < 12. Вторая - объединяет дерново-сильноподзолистые глееватую и глеевую почвы.с Кз > 12. Внутри каждой из этих двух групп почв их коэффициенты заболоченности значимо де различались. Это объясняется тем, что поверхностные горизонты каждой из почв внутри выделенных групп находятся в близких гидрологических условиях.

В процессе исследований мы обратили внимание на то, что значения коэффициентов заболоченности для подзолистых горизонтов претерпевают, казалось- бы, более строгие изменения, чем коэффициенты заболоченности поверхностных горизонтов. В этом случае нами были установлены следующие значения Кз - 15,1 - для дерново-сильноподзолистой; 19,6 - дерново-сильноподзолистой глубокооглеенной; 29,0 - глееватой и 55,1 - глеевой почв. Однако массовое определение Кз для ортштейнов подзолистых горизонтов показало большой разброс отдельных значений коэффициентов заболоченности вокруг средних Это связано, по-видимому с тем, что по методике определения Кз используется навеска 1 г из растертой средней пробы конкреций. Фракционный же состав конкреционных новообразований подзолистых горизонтов более разнообразен, чем такозой в поверхностном слое 0-10 см. Соотношение кислоторастворимых форм железа и марганца меняется с изменением крупности конкреций. Обнаружено,что коэффициенты заболоченности имеют тенденцию уменьшаться с увеличением размера ортштейнов.

Таким образом, по коэффициенту заболоченности можно достоверно отделить автоморфные почвы от заболоченных, подлежащих осушению. Агроэкологическая оценка и мелиоративная трактовка гидрологического режима были проведены нами на основе одновременного анализа продуктивности сельскохозяйственных культур в годы разной влажности. Учитывая эти данные, дерново-подзолистые почвы на маломощных двучленных отложениях по агроэкологическим, морфохроматичес-ким и химическим особенностям были разделены нами на три важные в мелиоративном и агрономическом отношениях группы: 1) дерново-

Таблица 4

Коэффициенты заболоченности дерново-сильноподзолистых и дерново-сильноподзолистых оглеенных почв на маломощных двучленных отложениях (конкреции из слоя 0-10 см; лес и пашня) Почвенно-гидрологический стационар "Веригино". Московская область п=20; Р-0,95

Угодье|Горизонт

Мп

мг/ЮОг конкреций

Fe: Мп

Дерново-сильноподзолистая Лес Ä1 4074±938 472167 8.6±0,8

Поле Апах 4408±775 559+28 7,9+0,5

Дерново-сильноподзолистая глубокооглеенная Лес AI 3779+493 373+28 10,1±1,5

Дерново-сильноподзолистая глееватая Лес Alls_ g. 5592+962 214+53 . 26,8±4,9 Поле Anaxfs-g. 7899+972 353+28 22,5+1,7

Дерново-сильноподзолистая глеевая Лес. AlA2g„ 5562+971 230±51 25,0±5,2

Поле Anaxfs_g. 6906±491 220+46 31,4+7,4

снльтподзошотые почвы - морфохроматические признаки оглеения отсутствуют по всему профилю; Кз < 12 - возможно возделывание всех культур без осушения; 2) дерново- сильноподзолистые глубоко-оглеенные почвы - сизые пятна оглеения с 80-85 см; Кз < 12 -без дренажа возможно возделывание влаголюбивых трав; 3) дерново-сильноподзолисты е глееватые и глеевые почвы - морфохроматические признаки оглеения с поверхности; К з > 12 -осушение целесообразно при возделывании всех культур.

33 .

о о к

от

25 .

i 21 ~

§ 17 .1

13 _

«*тх * х

• д -

« « , • » < «

•"*» в .

* X

А в

• X А. х

X X

х * — — -

к.

X X

12 3 4

Рис.3. Коэффициенты заболоченности дерново-сильноподзолистых почв на маломощных двучленных отложениях, конкреции слоя 0-10см. Почвыг I - дерново-сильноподзолистые; 2 - то же глубокооглеен-ные; 3 - то же глееватые; 4 - то же глеевые.

• - образцы отобраны в лесу; поле —средние значения х - образцы отобраны на панне' и доверительные

лес— £ _ границы среднего

5.2. Новообразования почв на среднемощных двучленных отложениях.

Следующим объектом наших исследований послужили почвы на среднемощных двучленных отложениях ( супесчано-песчаный флювиог-ляциальный нанос мощностью 60-120 см, постилаемый суглинистой мореной)', которые отличались отсутствием твердых ортштейнов и появ-. лением вторичных аморфных железистых новообразований.

Предпринятые под руководством Ф.Р.Зайдельмана многолетние 1 гидрологические стационарные исследования позволили дифференцировать почвы на среднемощном двучлене на виды по степени их заболоченности. В этой программе нами выполнялись исследования по разработке количественной диагностики этой своеобразной группы почв с использованием неконкреционных железистых новообразований. Кроме того с целью агроэкологической оценки нами были проведены наблюдения за урожайностью сельскохозяйственных культур на почвах разной степени заболоченности в годы разной влажности. Установлено, что в почвах на среднемощных двучленных отложениях не возникает условий для формирования твердых конкреционных новообразований. Таким образом диагностика таких почв по коэффициентам заболоченности, основанная на анализе твердых конкреций, оказалась невозможной. Поэтому была предпринята попытка выявить иные диагностические критерии, основанные на анализе новообразований несиликатного железа разными вытяжками. Для решения поставленной задачи был исследован ряд почв единой катены, представленный светло-бурой недифференцированной; светло-бурой слабооподзоленной глубокооглееной; дерново-подзолистой слабоглееватой; дерново-сильноподзолистой глееватой; дерново-сильноподзолистой глеевой почвами.

5.2.1. Свойства почв.

В рассматриваемых почвах наиболее существенными в диагностическом отношении являются два следующих морфологических признака: во-первых, возникновение в профиле подзолистых горизонтов и увеличение их мощности с нарастанием степени гидроморфизма и, во-вторых, усиление интенсивности оглеения контактных моренных горизонтов по мере увеличения застойной фазы.

Валовой химический состав имеет четко выраженную двучленность по содержанию кремнекислоты и полуторных окислов. Наиболее элюви-

ированными оказались легкие контактные горизонты. С нарастанием заболоченности увеличивается содержание железа в контактных над-моренных горизонтах с 0,59 в светло-бурой почве до 0,88% в дерново-сильноподзолистой глеевой. Подзолистые горизонты обедняет железом адекватно степени оглеения (1,36 в слабоглееватой и 1,15% в глеевой почвах). Суглинистые моренные горизонты всего ряда почв независимо от степени оглеения близки по валовому составу.

5.2.2. Диагностика степени заболоченности почв на среднемощных двучленных отложениях по содержанию различных форм несиликатного железа Количественные диагностические критерии степени гидроморфизма этой группы почв разрабатывались на основании оценки содержания несиликатного железа вытяжками Мера-Джексона, Тамма, Баскомба. Выделены следующие "форм" железа: 1) несиликатное - Fearno Не_ ра-дкексону).' 2) аморфное общее Fe0(окслатное по 1амму); 3) суммарное "окристаллизованное" - Fea-Fe0. Несомненно, такие "формы" железа условны, тем не менее данные по их содержанию имеют полезное диагностическое значение.

Важным диагностическим критерием гидроморфных почв является отношение активности (activity ratio) Fe0/Fe4 , или критерий Швертмана (Schvertmann, 1964). Это отношение определяет степень окристаллизованности свободных окислов железа..

На маломощном двучлене, где водопроницаемая толща мала, при выпадении большого количества осадков все почвы оказываются в близких гидрологических условиях. Поэтому здесь отношение Fe0/Fed в мелкоземе стабильно независимо от степени оглеения и невелико (0,08-0,14).

На среднемощных двучленных породах, где различия их отдельных слоев в водном режиме существенны, рассматриваемые почвы можно четко дифференцировать по степени заболоченности, используя критерий Швертмана. Этот показатель для суглинистых моренных горизонтов их профиля на контакте с песком меняется следующим образом: 0.20 - в светло-бурой; 0,24 - в светло-бурой слабооподзоле-ной глубокооглеенной; 0,26 - в дерново-подзолистой слабоглееватой; 0,40 - в дерново-сильно-подзолистой глееватой и 0,59 в дерново-сильно-подзолистой глеевой почвах.

По содержанию суммарного "окристаллизованного" железа (Fea-Fe0) контактные песчаные горизонты всего ряда почв почти не

отличаются; в контактных суглинистых горизонтах прослеживается закономерное уменьшение "окристаллизованного железа" с усилением степени заболоченности. Соответственно меняется отношение Ге0/(Реа -Ке0): 0, 26; 0,32; 0,36; 0.67 и 1,45.

Чтобы разделить исследуемый ряд по степени оглеения по этим критериям, были отобраны образцы в 10-кратной повторности из моренных суглинистых горизонтов. Статистическая обработка показывает, что по значениям критерия Швертмана исследуемые почвы можно разделить следующим образом (Р=0,95): <0,21 светло-бурая; 0,21-0,25 светло-бурая слабооподзоленная глубокооглеенная; 0,26-0.34 - дерново-подзолистая слабоглееватая; 0,35-0,58 - дерново-сильноподзолистая глееватая и >0,59 дерново-сильноподзолистая глеевая почва (табл.5).

Исходя из- этих данных, а также учитывая урожайность сельскохозяйственных культур, почвы на среднемощных двучленных отложениях целесообразно разделить на 4 группы: 1) светло-бурые и светло-бурые слабооподзоленные глубокооглеенные почвы - возможно возделывание всех культур без осушения; 2) дерново-подзолистые слабогле-еватые - возможно возделывание всех яровых культур; 3) дерно-во-сильнолодзолистые глееватые - осушение целесообразно для всех культур, кроме трав; 4) дерново-сильноподзолистые глеевые - осушение целесообразно при любом сельскохозяйственном использовании.

Таким образом для обширной группы почв на двучленных отложениях нами впервые разработана система количественной диагностики степени заболоченности почв, которая в сочетании с полевой морфохро-матической диагностикой может быть использована в процессе исследовательских работ, крупномасштабных агрономических, лесохозяйст-венных. мелиоративных изысканий, почвенно-географических и иных картографических съемок. Наши предложения по количественной диагностике степени заболоченности почв на двучленных отложениях разной мощности, увязанные с экологическими особенностями, гидрологическим режимом и условиями сельскохозяйственного .производства, нашли отражение в ряде производственных и методических рекомендаций.

6. ОБРАЗОВАНИЕ Мп-Ре КОНКРЕЦИЙ И ИХ ЭВОЛЮЦИЯ ПРИ ТРАНСФОРМАЦИИ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА В УСЛОВИЯХ МОДЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ (результаты исследований) Наряду с исследованием общих закономерностей распространения и

Таблица Б

Статистические параметры, характеризующие значения критерия Швертмана С Fe0:Fed) для суглинистых контактных горизонтов почв на среднемощных двучленных отложениях,

п=10; Р-0,95.

Почвенно-гидрологический стационар "Веригино".Московская область

-1-1-г-1-

Почвы I М± tpm | б | ш | значимость различий _i_i_i_i_

1. Светлобурая 0,18+0,03 0,049 0,0155

значимы между 1 и 2

2. Светлобурая слабооподзоленная 0,25+0,03 0,049 0,0155

глубокооглеенная

3. Дерново-подзолистая 0,37+0,12 0,165 0,0522

слабоглееватая

4. Дерново-сильноподзолистая 0,50+0,09 0,146 0,0408

глееватая

5. Дерново-сильноподзолистая 0,70+0,09 0,146 0,0408 глеевая

значимы между 2 и 3

значимы между 3 и 4

значимы между 4 и 5

го

сг>

свойств железистых новообразований и разработкой концепции о их диагностической роли, было уделено большое внимание изучению важнейших вопросов генезиса и вторичной трансформации конкреций в процессе лабораторного моделирования природных почвообразовательных процессов, а именно: условий формирования конкреций, сроков их возникновения, эволюции при изменении водного режима.

6.1.Моделирование процесса образования конкреций.

В теоретическом л прикладном отношениях особый интерес вызывет вопрос о скорости образования марганцево-железистых конкреций в 1. почвах гумидных ландшафтов. По литературным данным срок возникновения конкреций колеблется от 4-5 лет до нескольких тысяч лет (Македонов, 1966; Зайдельман. 1975; Шевцов,Балабко, 1980 и-др.).

Учитывая сложность исследования явления возникновения конкреций в полевых условиях, мы попытались изучить возможности и темпы возникновения ортштейнов размером более 1 мм в условиях лабораторного эксперимента, имитирующего основные факторы образования конкреций, перечисленные выше.

Сущность эксперимента заключалась в следующем. Источником мелкозема послужил пахотный горизонт дерново-подзолистой тяжелосуглинистой глееватой почвы (Рузский стационар).

Мелкозем освобождали от естественных конкреций мокрым просеиванием на сите 1. мм, высушивали, растирали и засыпали в пластмассовый сосуд,. объемом 4л, дно которого было покрыто слоем химически чистого кварцевого песка. Общая масса мелкозема в каждом сосуде была равна 1700г, его высота 10 см. Опыт включал 4 варианта:

1.Почва"-реципиент" - в этом сосуде, свободном от конкреций >1мм затем исследовалось появление новообразований.

1.а. Почва-"донор"- в мелкозем этого сосуда вносили растертые в фарфоровой ступке Мп-Ре новообразования, которые послужили ис-ч точником Ре и Мп для почвенных растворов, поступающих с током воды после 10 суточного затопления и оглеения из этого сосуда в сосуд- "реципиент". Растертые конкреции послойно равномерно размещались в мелкоземе на глубинах 0.5; 5 и 8,5см.

2. Почва-"реципиент" - отличается от варианта 1 посевом на поверхности мелкозема мятлика лугового.

2а. Почва-"донор" - этот вариант аналогичен варианту 1а.

В сосудах-"донорах" производилось затопление почвенных образцов 1 % раствором сахарозы в течение 10 суток(фаза оглеения).

слой раствора над поверхностью почвы -3 см. Это обеспечивало значительное падение окислительно-восстановительного потенциала и поступление в раствор подвижных соединений двухвалентного железа и марганца. Сосуды-"доноры" соединялись с сосудами-"реципиентами". Поступление полученных почвенных растворов в почвы-реципиенты осуществлялось снизу(во избежание окисления) по схеме сообщающихся сосудов. Предусматривались исследования в двух гидрологических сериях. В первой серии почва-"реципиент" (1) затапливалась полностью лизиметрическим раствором на 10 дней (слой раствора над поверхностью - 1,5-3 см). Во второй серии опытов наблюдения велись в интервале влажности - полная влагоемкость - ППВ без затопления поверхности(2). Здесь сохранялись благоприятные условия для роста и развития мятлика лугового. После достижения необходимого увлажнения, почвы-"доноры" просушивали.в течение 10 дней. Затем почвы-"доноры" затапливали свежим 1% раствором сахарозы на 10 дней, а почвы-"реципиенты" в течение этого срока просушивали. Цикл подтопление-просушка продолжался 12 месяцев. Такого рода явления обычно имеют место на обширных водосборных пространствах покровно-моренных ландшафтов.

При 10 дневном застое раствора сахарозы в вариантах 1а и 2а (почвы-"доноры") после первого сброса лизиметрических вод значения ОНП были около - 250 мВ. После просушки значения ОВП увеличились до +320мВ. Таких резких перепадов ОВП в дальнейшем не наблюдалось. В целом значения ОВП колебались от +200-+400мВ перед заливом и от +100 до +160 мВ после слива, т.е. наблюдались устойчивые анаэробные условия. Это относится и к варианту почва-"реципиент" без растений (1). В варианте с растениями (2) не было сплошного затопления, только в первые 1-2 суток после залива влажность достигала полной водовместимости, значения ОВП (в слое 0-1 см) снижались до +160-+250 мВ. Затем влажность уменьшалась до предельной полевой влагоемкости (ППВ) и ниже, при такой влажности значения ОВП в среднем составляли около +430 мВ (наименьшее значение -+300мВ, наибольшее -+500мВ), т.е. наблюдались слабоокислительные условия.

По окончании опыта в почвах-"донорах" конкреций размером более 1 мм не было обнаружено. В сосудах с почвой-"реципиентом" (1,2) возникли вторичные конкреционные новообразования, размером 1-2ым, темно-серого цвета. Более интенсивное образование конкре-

ций произошло в почвах с относительно ограниченным переувлажнением, которое не сопровождалось застоем влаги с поверхности. Таким образом в этом модельном опыте удалось впервые экспериментально показать, что в гидрологических условиях, свойственных почвам- "реципиентам" возможно быстрое образование железо-марганцевых конкреций(ортштейнов). Относительно непродолжительное переувлажнение почв при наличии травянистой растительности способствует более интенсивному .ортитейнообразованию. Роль растительности в этом случае, очевидно, определяется тем, что за счет интенсивной эвапотранспирации происходит более глубокое иссушение поверхностных слоев.

По своему составу полученные нами вторичные конкреционные новообразования (табл.6) отражают те реальные изменения, которые могут произойти в конкрециях дерново-подзолистых почв под влиянием интенсивного освоения в естественных условиях, но за более длительный срок.

Все это позволяет признать.что до тех пор, пока почва остается в условиях естественного водного режима, состав и свойства конкреционных новообразований относительно стабильны и адекватно отражают степень гидроморфизма почв. Однако трансформация водного режима и химизма вод в результате-гидротехнического строительства, понижения базиса эрозии, мелиорации и других причин может существенно изменять окислительно-восстановительные условия в поверхностных горизонтах профиля и, как следствие, трансформировать массу и состав конкреционных новообразований. Можно предполагать, что в профиле почв будет происходить смена исходной (первичной) генерации конкреций и возникать новые по составу образования, которые окажутся адекватными вторичным почвенно-гидрологическим условиям.

Вместе с тем сведения об общих закономерностях такого рода остаются весьма ограниченными.

6.2.Моделирование процесса трансформации ортштейнов при вторичном изменении водного режима почв.

С целью изучения закономерностей изменения химического состава конкреционных новообразований при возможном изменении водного режима были моделированы различные условия увлажнения и переувлажнения почв. В этих моделях полив до предельной полевой влагоемкости имитировал естественный водный режим дерново-подзолистых почв, и

Таблица б

Валовой химический состав конкреций ( % на прокаленную навеску), полученных в условиях модельного опыта и испольвованных в вариантах "донор".

Вариант опыта П.П.П. БЮа РегОз А1Й0З МПО СаО М£0 Ре: :Мп

А.Модель без посева трав. Переувлажнение

с затоплением поверхности

1."Реципиент" 17,32 61,23 9,43 10,97 4,49 10,58 2,72 1, ,9

Б.Модель с посевом трав. Переувлажнение

без затопления поверхности

2. "Реципиент" 1Б,65 58,94 6,63 13,05 3,36 12,01 2,65 1, .8

1а,2а."Доноры" 6,22 66,45 15,45 11,02 2,19 1,07 0,87 6, ,4

режим осушенных дерново-подзолистых глееватых почв; 10-дневный застой влаги с затоплением поверхности и последующей просушкой -режим глееватых почв; постоянное затопление моделировало режим субаквальных почв.

Мелкозем для опыта был приготовлен также, как и для предыдущего. В каждый вариант опыта заложено определенное количество ортштейнов разного размера. Поскольку в естественных условиях в элювиальной толще дерново-подзолистой глееватой почвы содержится гораздо больше ортштейнов, чем в дерново-подзолистой, то в глееватой почве конкреции были заложены с поверхности и в середине почвенной колонки. Опыт продолжался 12 месяцев и включал следующие варианты:

1. Дерново-подзолистая почва. Конкреции - на глубине 5см.

1.1. Полив до предельной полевой влагоемко'сти (ППВ) 1% раствором сахарозы в дистиллированной воде 1 раз в 7 дней.

•1.2. 10-дневный застой 1% раствора сахарозы (слой раствора над поверхностью-Зсм), просушка под электролампой - Здня.

2. Дерново-подзолистая глееватая почва. Ортштейны - в середине слоя (на глубине 5 см) и с поверхности.

2.1. Полив до ППВ дистиллированной водой 1 раз в 7 дней.

2.2. Полив до ППВ 1% раствором сахарозы -"-" -"-"

2.3. 10-дневный застой 1% раствор сахарозы с последующей просушкой (Здня);

2.4. Постоянный застой 1% раствора сахарозы.

Контролем служили исходные образцы конкреций аналогичного фракционного состава.

В течение всего срока определяли окислительно-восстановительный потенциал в поверхностных слоях почвы, _рН лизиметрических вод и содержание в них Са2 +, Ми2 +, Ре2 +,Мп2 +.

При поливе до ППВ как дистиллированной водой, так и раствором сахарозы в неоглеенной и глееватой почвах сохранялись слабоокислительные условия. При постоянном застое в глееватой почве устойчиво сохранялись восстановительные условия. При 10-дневном застое раствора сахарозы - динамика значений ОВП такая же. как в предыдущем опыте.

По окончании опыта ортштейны были отмыты на сите 1мм. Установлено, что произошло уменьшение общего содержания конкреций во всех вариантах опыта (табл.7). Изменения фракционного состава

Таблица 7

Изменение массы и фракционного состава конкреций в условиях модельного опыта при разных вариантах увлажнения

[ I Масса 1 Фракционный состав*

Вариант 1 ! .образца, 1 Размер фракций, мм

1 1 г 1 1 1 1 1-2 | 2-3 ) 3-5 | >5 I 1 1 >3

1 ! 1 2 | I 1 1 3 4 1 5 | 6 .. ,. . 1 ........ 1 . 1 7

Дерново-подзолистая почва

' 'Полив до ППВ 1% раствором сахарозы

8.68 57.6 30.9 ' 11.5 нет Щ5

76,5** 77,5 72,4 83,3 83,3 10 дневный застой 1 % раствора сахарозы

7.53 62.4 27,9 9.7 9.7

66,3 72,9 56,8 60,8 60,8

Исходный образец 11,35 56,8 32,6 10,6 -"- 10,6 Дерново-подзолистая глееватая почва

Полив до ППВ дистиллированой водой

Средняя Проба 66,6_ 57.5 26,3 14.8 1.4 16.2

80,7' 89.0 73,4 72,3 47,6 69,0

Исходный образец 82.6 52.1 28,9 16,5 2,5 19,0

Полив до ППВ 1% раствором сахарозы

С поверхности 34.6 58.4 26^ 14.7 нет 14.7

72.1 88,1 66,4 ,63,7 56,7

Исходный Образец 48,0 52/0 29,2 16,7 2,1 18,8

Середина слоя 26.7 53,9 30,0 1&Л 1&_1

77.2 80,0 80,8 67,8 45,4 64,0

Исходный образец 34,6 52,0 28,6 16,2 3.2 19,4

Таблица 7, продолжение

-1-1-1-1-1-1-

1 I 2 1*3 I 4 | 5 I 6 ( 7

_|_I_I_!_I__|__

10 дневный застой 1 % раствора сахарозы С поверхности 16.1 53.4 30.4 15.4 0.8 16.2

33,5 34,4 35,0 31,0 12,0 28,9

Исходный Образец 48,0 52,0 29,2 16,7 2,1 18,8

середина СЛОЯ 22.3 56.5 28,7 13.0 1.8 14.8

64,5 70,0 64,6 51,8 36.4 49.4

Исходный образец 34.6 52,0 28,6 16,2 3,2 19,4

Постоянный застой 1% раствора сахарозы

С поверхности 27.7 60.6 24.8 5.0 9.6 14,6

44.8 49,7 37,1 16,3 265,0 41,6

Исходный образец 61,9 54,6 29,9 13,9 1,6 15,5

Середина СЛОЯ 22.0 56.8 25. 6 11,8 2.8 14.6

64,7 69,4 63,6 46,4 54,5 47,8

исходный образец 34,6 52,0 28,6 16,2 3,2 19,4

* Над чертой и в исходных образцах - % от общей массы конкреций " Под чертой - % от исходного образца

оказались разными и зависили от условий увлажнения. В дерново-подзолистой почве в обоих вариантах абсолютное содержание всех фракций уменьшилось. В дерново-подзолистой глееватой почве наибольшие изменения претерпели ортштейны, заложенные в поверхностном слое. При поливе до ППВ раствором сахарозы и 10 дневном застое увеличилось относительное содержание фракции 1-2мм, доля остальных фракций сократилась; постоянный застой вызвал как относительное, так и абсолютное увеличение содержания ортштейнов более 5мм (при этом уменьшилось содержание фракции 3-5мм) в поверхностном слое, в середине таких резких изменений не произошло.

Таким образом, наиболее устойчивыми оказались конкреции размером 1-2мм во всех вариантах опыта. Наименее стабильны - ортштейны >5мм глееватой почвы.

Изменения химического состава ортштейнов. Полив до ППВ не вызвал значительных изменений валового состава конкреций. При Ю-дневном застое существенно изменилось соотношение Ре и Мп, наибольшие изменения претерпел состав ортштейнов, заложенных в поверхностном слое глееватой почвы: их абсолютная масса уменьшилась до 33,5% от исходной; содержание Еег03 возросло, а МпО понизилось. Постоянный застой способствовал изменению валового состава конкреций поверхностного слоя по сравнению с конкрециями из середины.

Кроме того в дерново-подзолистой почве изменение водного режима в сторону переувлажнения (10-дневный застой) привело к тому, что почти все железо и марганец ортштейнов стали растворимы в вытяжке Мера-Джекеона. В вытяжку Тамма переходило 77,4% общего Ре и 96,3% Мл, тогда как в контроле и при поливе до ППВ - лишь около 60%. В дерново-подзолистой глееватой почве в условиях модельного опыта при нарастании степени увлажнения от ППВ до постояннного застоя увеличивается как абсолютное, гак и относительное количество "аморфного" Ре.

Для исследуемых почв ранее были установлены следующие коэффициенты заболоченности (Кз):< 3 - для дерново-подзолистых, 3-7 -для дерново-подзолистых глубокооглеенных, 7,1-30 -для дерново-подзолистых глееватых и > 30 - для дерново-подзолистых глеевых почв.

Полученные в условиях модельного эксперимента данные позволяют признать, что в условиях увлажнения на уровне ППВ,т.е. в относи-

тельно автоморфных условиях, в дерново-подзолистой почве Кз сохраняют свои значения, а в глееватых - возможно уменьшение его значений на одну градацию, т.е. переход в границы глубокооглеенных почв (Кз= 3-7). Напротив, при пульсирующем анаэробиозе наблюдается заметное увеличение Кз при резком снижении общего содержания Мп (на 40-60%). В условиях постоянного затопления при отсутствии выноса металлов с дренажным стоком происходит резкое (в 2-3 раза) увеличение выхода подвижного Мп, извлекаемого 1 п Н2304. При этом потери валового марганца составляют 25-30%. В целом в таких экстремальных условиях из-за отсутствия активного элювиирования с током влаги возможно локальное накопление кислоторастворимых форм Мп в ортштейнах и за счет этого - снижение Кз.

Таким образом, результаты двух модельных экспериментов показывают, что в почве одновременно может происходить как растворение ортштейнов, так и их образование. В естественных условиях в почвах со сложившимися режимами конкреции находятся в равновесном состоянии. При сдвиге в ту или иную сторону водного режима происходит трансформация ортштейнов, и. в частности, изменяется соотношение железа и марганца.

Вместе с тем сведения об общих закономерносттях такого рода изменений и их оценка в разных литолого-гидрологических условиях остаются весьма ограниченными. Так, Р.Мепп1пя,. Г. И. га1(1е1тап (1980) показали, что под влиянием многовекового дренажа произошло определенное выравнивание коэффициентов заболоченности в исходно разных по степени пироморфизма почвах Северной Германии. В.И. Росликовой(1988) отмечена тенденция "уменьшения степени конкреци-онности" под воздействием осушения и выравнивания коэффициентов заболоченности в почвах Приамурья по сравнению с контролем -"идентичными" неосушенными почвами.

7. ИЗМЕНЕНИЕ ЖЕЛЕЗИСТЫХ НОВООБРАЗОВАНИЙ ПОД ВЛИЯНИЕМ ДРЕНАЖА

7.1. Изменение Мп-Ге конкреций суглинистых,

глинистых почв и почв на двучленных отложениях.

С целью анализа возможных изменений конкреций и их диагностического значения при трансформации водного режима почв в природных условиях нами были исследованы ортштейны из почв, длительно осушенных закрытым дренажем. Для' решения этой задачи были выбраны такие мелиоративные системы на двучленных отложениях, покровных

суглинках, ленточных и аллювиальных глинах, где состав и содержание конкреций в.глееватых и глеевых почвах были детально изучены ранее, до осушения наш и другими авторами. Конкреции для анализа были отобраны из двух типов почв - болотно-подзолистых и аллювиальных пойменных оглеенных.

1. Конкреции дерново-подзолистых оглеенных почв на следующих почвообразующих породах:

1.1. Легкосуглинистые покровные отложения (Волоколамский стационар, Московская область). Дренажная система построена в 1972 г. Образцы конкреций отбирали в 1972 г. (6-7 повторностей) до осушения и после осушения в 1989 г. (10 повторностей) в середине междудренья.

1.2. Маломощные двучленные отложения: супесь-легкий суглинок на глубине 40-60 см подстилается суглинистой карбонатной мореной

. (стационар "Ве'ригино", Московская область). Дренажная система построена в 1980 г. Образцы конкреций отобраны в 1977 г. ( 20 повторностей) и после осушения в 1991г. ( 8 повторностей) в 1 м от коллектора.

1.3. Ленточные глины ( стационар "Витка", Новгородская область). Образцы до осушения отбирались в 1978-1979г.г. (Зайдель-ман, Санжаров, Полонская, 1982). До начала мелиоративного строительства на этих участках была залежь. Дренажная система вокруг участков, на которых отбирались образцы конкреций строилась в 1978-1979 гг. Контрольные участки не осушались, на них было проведено известкование пахотных горизонтов; однако, по-видимому, осушительная сеть на окружающей территории оказала существенное влияние на режим контрольных участков. Повторно с этих участков образцы конкреций были отобраны в 1989г. ,Одновременно отобраны образцы конкреций из дренированных аналогичных почв в середине междренья (по 9 повторностей). На дренированных участках до строительства дренажа было проведено известкование с последующим глубоким рыхлением на глубину до 80 см.

2. В поймах конкреции были отобраны из дерновых зернистых глубокооглеенной (слой 70-80 см), глееватой и глеевой (слой 10-20см)тяжелосуглинистых и глинистых почв в Раменском расширении долины р.Москвы (Раменский стационар, Московская область), сформированных на тяжелых аллювиальных глинах. Конкреции из вышеуказанных слоев были изучены ранее в 1961-1963 г.г.(Зайдельман,

1975). На мелиорированном массиве пойменных почв осуществляется двустороннее регулирование водного режима (осушение гончарным дренажем и орошение дождеванием). Повторные образцы конкреций были отобраны нами через 30 лет после начала действия этой мелиоративной (1992г.).

Изменение массы и фракционного состав конкреций. Осушение вызывает резкое уменьшение общего содержания конкреций. Так. в дренированных почвах на двучленных отложениях после 12 лет осушения количество.конкреций уменьшилось более, чем в 2 раза (табл. 8) в глееватых и в глеевых почвах по сравнению с теми же участками до осушения. Поскольку недренированные почвы опытных участков на ленточных глинах испытывают влияние окружающей дренажной сети, содержание конкреций за 10 летний перид в них заметно изменилось. Так, в глееватой почве масса конкреций уменьшилась более, чем в 7 раз, ( с дренажем - в 60 раз);' в глеевой - содержание орт-штейнов увеличилось в 1,5 раза. Однако на фоне дренажа содержание конкреций в глеевой почве уменьшилось'в 2,4 раза. При этом изменился и их фракционный состав. В глееватых почвах произошло увеличение доли мелких (1-2мм) конкреций. В глеевых недренированной (но испытывающей влияние дренажа) и дренированной почвах появилась фракция >3мм, которая до строительства дренажа отсутствовала вообще.

В пойменных дерновых зернистых почвах через 30 лет последействия мелиоративной системы произошло значительное уменьшение массы, конкреций: так в глубокооглеенной почве в рассматриваемом слое количество конкреций уменьшилось почти в 10 раз (с 37,8 до 3.9 г/л); в глееватой более, чем в 6 раз (с 6,3 до 1.0); в глеевой -более, чем в 4 раза (с 9,2 до 2,0 г/л).

Таким образом,в целом под влиянием дренажа происходит резкое уменьшение общего содержания конкреций, особенно их крупных фракций в почвах на разных почвообразующих породах.

Изменение химических свойств конкреций. Установлена разная изменчивость коэффициента заболоченности почв на разных почвообразующих породах(табл. 9). Так, для дерново-подзолистых почв на легких лессовидных суглинках в 1972 г. (до осушения) были установлены следующие значения коэффициентов заболоченности: дерно-во-подзолистая<3, дерново-подзолистая глубокооглеенная 3-8; глее-ватая 8-20; глеевая >20. После 18 летнего действия дренажа коэф-

Таблица 8

Масса и фракционный состав конкреций в почвах на разных породах до и после осушения.

гор. А пах, 0-10 см

-1-1--

| Масса (Фракционный состав,% Дренированнооть *|конкреций,1 размер фракций, мм |% от массыЬ почвы

Почвообразущие породы

-'I-1-

1-2 | 2-3 | >3

_I_|_

Стационар "Веригино", Московская обл. Дерново-сильноподзолистые почвы.

глееватая без дренажа 1,70 не опред.

Маломощные о дренажем 0,59 —м-

двучленные

отложения глеевая без дренажа 1,30 —

« с дренажем 0,45

Стационар "Виска" Новгородская обл. Дерново-подзолистые почвы.

без дренажа 1. 12,7 31,2 33,5 35,3

глееватая косвенное 2. 1.7 42,9 29,7 27,4

влияние

с дренажем 3. 0,2 52,7 28,4 18,9

без дренажа 1. 0.61 72,9 27,1 нет

глеевая косвенное 2. 0.9 28,6 26,6 43,8

влияние

с дренажем 3. 0,25 49,0 23,2 27,8

Со со

* 1. до строительства дренажа;

2. недренированнные участки, испытывающие влияние-дренажной системы;

3. участки, осушенные систематическим дренажем.

Таблица 9.

Коэффициенты заболоченности дренированных и недренированных почв на разных почвообразующих породах. Ортштейны из гор. А пах ( 0-10 см), Р= 0,95.

Ре

Мп

Степень 1Дрениро-| п, 1-1-1-1-

К3= ГеЛИп

значимость различий

Легкие лессовидные покровные суглинки. Вояоколаыаадй почвэнно-лщххлсппзошй стационар.

Дерново-подзолистые почвы

Глееватая

1972 без дренажа 7 6082±790 534±96 11,8±3,2

не значимы не значимы не значимы

с дренажем 10 5891±433 497±61 12.1±1.4

1990 Глеевая 1972

1990

без дренажа 6 52621558 173±71 28,9±6,9

значимы значимы не значимы

с дренажем 10 6412±559 282±28 23.0±2,7

со

УЭ

Таблица 9. продолжение

Маломощные двучленные отложения. Почмнно-гидрологический стационар "Веригино".

Дерново-сильноподзолистые почвы

Глееватая 19 77 1991

Глеевая 1977 1991

без дренажа 20 7899+979 с дренажем

1 м от дрены 8 5858±336

без дренажа 20 6906±491 с дренажем 1 м от дрены 8

значимы

353+28

473±79

220±46 не значимы 6553±355 389+31

Ленточные глины. Почвенно-гидрологический стационар "Витка"

ГлеяЯ

1989 1989

Глеевая 1989 1989

Дерново-подзолистые почвы

без дренажа 9 14394±547 213±79

с дренажем значимы

междренье 9 10755+1529 331±60

без дренажа 9 17291±4421 200±54

с дренажем не значимы

междренье 9 14948±1260 321±69

значимы

22,5+1,7 12,6*1,б 31,4+7,4 17,1+2,0

значимы

82.4±33,3 35,5+11,4 87,6*32,4 49,6±12,5

значимы

* мг на 100г конкреций

фициенты заболоченности глееватых и глеевых почв значимо не изменились. Для глееватой и глеевой почв на маломощных двучленных отложения в естественных условиях установлены коэффициенты заболоченности (Кз): >12. Под влиянием дренажа значения Кз значимо уменьшились как на глееватых, так и на глеевых почвах, но все же они остались >12.

Для дерново-подзолистых почв на ленточных глинах до осушения коэффициенты заболоченности для глееватых почв - 30-140; для глеевых >140. Влияние дренажа проявилось различно:в глееватых почвах коэффициенты заболоченности значимо уменьшились, но их абсолютные значения остались в пределах 30-140. Значения коэффициентов заболоченности глеевых дренированных почв, а также почв, испытывающих интенсивное влияние дренажа, уменьшились до значений интервала глееватых почв.

До осушения дерновых зернистых пойменных почв изучался валовой состав конкреций. Спустя 28 лет после начала работы мелиоративной системы он почти не изменился по содержанию Fe, однако во всех образцах резко возросло содержание марганца. В результате уменьшилось отношение Fe:Mn с 9,1 до 6,0 в глубокооглеенной; с 25,4 до 5,0 в глееватой и с 72,0 до 28,4 в глеевой почвах.

Таким образом, данные, полученные в полевых условиях, подтверждают выводы, сделанные нами на основе модельных экспериментов. Они показали, что дренаж оказывает существенное влияние на массу и химические особенности конкреционных новообразований.

7.2. Изменение ортзандовых горизонтов легких почв. Для диагностики степени оглеения легких песчаных и супесчаных почв важное диагностическое значение имеют такие цементационные новообразования как ортзанд. Данные о вторичном изменении в результате осушения почв с ортзандовыми горизонтами неизвестны вообще.

Непосредственным объектом наших исследований послужили супес-чано-песчаные почвы зандровой равнины Клязьминско-Москворецкого междуречья в Павловско-Посадском районе Московской области. Все почвы увлажнены или заболочены слабоожелезненными (Feo -1-3 мг/л) грунтовыми водами.

Исследованный ряд состоял из светло-бурой слабооподзоленной; дерново-подзолисгой глубокооглеенной; дерново-подзолистой глееватой и дерново-сильноподзолистой глеевой ортзандовых почв. Как по-

казано Ф. Р.Зайдельманом (1974), положение ортзандовых горизонтов, их мощность, глубина залегания в естественном (неосушенном) состоянии маркирует глубину наиболее высокого подъема грунтовых вод в весенний период

В 1993 году спустя 23 года после начала осушения в пределах этой катены нами были исследованы светло-бурая оподзоленкая и дерново-сильноподзолистая глеевая ортзандовые супесчаные почвы . после вторичной трансформации их водного режима.

■Сопоставление морфологии 1965 (до осушения) и 1993 (после 1. осушения) годов позволило обнаружить ряд существенных изменений, обусловленных дренажем. Так,после осушения в светло-бурой оподзо-ленной почве сплошной плотный ортзандовый горизонт, в исходном состоянии залегавший на глубине 98-136 см, утратил исходную прочность и распался на отдельные фрагменты в виде'ожелезненных желваков. Верхняя кровля такого эродированного ортзанда оказалась на глубине 130'см,его нижняя граница опустилась и прослеживалась фрагментарно до глубины 140-146 см (рис.4 А). Однако, значительно ниже возник новый плотный ортзандовый горизонт/ мощностью 10 см. отражающий вторичное современное положение грунтовых вод. Он отделен от первого толщей желтого песка в 30-40 см и залегает на глубине 170-180 см на глеевом горизонте.

Под влиянием осушения и окультуривания в дерново-сильноподзолистой ортзандовой глеевой почве появился хорошо сформированный пахотный горизонт(рис.4 Б) и заметно сократилась общая мощность ортзандового горизонта ( с 50 до 30 см).Его верхняя кровля оказалась на глубине 70-80 см от дневной поверхности, что соответствует новому уровню грунтовых вод. Верхние слои редуцированного гле-евого горизонта после осушения подверглись^аэрации. Здесь возник новый окисленный глеевый горизонт (Со) с характерными ржаво-ох-^ ристыми пятнами.

Полученные нами данные о вторичной трансформации железистых новообразований разного генезиса имеют актуальное значение для оценки почв на объектах реконструкции, в зонах подпора от водохранилищ и в других случаях, когда происходит глубокое изменение гидрологического режима.

Таким образом, нами выявлены общие закономерности формирования и изменения вещественного состава ортштейнов и других железистых новообразований почв, приуроченных к разным почвообразующим поро-

А. Почва светло-бурая оподзоленная ортзандовая

100

150 >

-- АВ

.1965 г.(до"строительства дренажа)

50 ..

100-

150 ..

1993 г.(косвенное влияние дренажа)

Б. Почва дерново-подзолистая ортзандовая глеевая

100

150

100 -

150 .

1965 г.(до строительства 1993 г.(с дренажем)

дренажа)

Рис. ,4. Изменение морфологии легких ортзандовых почв под влиянием осушения и окультуривания

дам, показано их диагностическое значение, разработаны количественные критерии оценки степени гидроморфизма почв на основе химического состава железистых новообразований, рассмотрены проблемы эволюции новообразований и другие вопросы.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.

П1 ТГ>Л г*т т

ошоида

1. Мп-Ре и железистые новообразования в почвах юга лесной зоны ЕТ РФ являются элементом генетических горизонтов профиля или образуют самостоятельный горизонт. В первом случае они приурочены, преимущественно, к супесчано-суглинисто-глинистым почвам с элювиально-иллювиальным строением при увлажнении или заболачивании поверхностными водами (ортштейны разного состава,оксиды и гидрооксиды железа), во втором - возникают в результате гидрогенной аккумуляций в песчано-супесчаных почвах при неглубоком залегании грунтовых в разной'мере ожелезненных вод(ортзанды).

2. Интенсивность конкрециеобразования в почвах на всех исследованных почвообразующих породах определяется степенью заболоченности почв и находится в тесной связи с их гидрологическим режимом.

3. Независимо от генезиса и состава почвообразующих пород всегда в.ряду дерново-подзолистые - дерново-подзолистые глееватые почвы ( на покровных породах дерново-подзолистые глеевые) наблюдается увеличение общего содержания ортштейнов. Дальнейшее усиление заболачивания сопровождается постепенна« уменьшением количества Мп-Ре ортштейнов._ С нарастанием заболоченности почв изменяется и распределение конкреций по фракциям: от неоглеенной до глееватой увеличивается содержание фракций 2-3 и больше 3 мм.

4. Ортштейны формируются в условиях периодически-застойного водного режима и переменного окислительно-восстановительного по-.. тенциала. Их химические свойства определяются прежде всего особенностями почвообразующих пород и длительностью переувлажнения почв. Общей закономерностью является накопление в ортштейнах железа. марганца, фосфора по сравнению с вмещающим мелкоземом. В них происходит накопление микроэлементов, особенно Со, РЬ, са, причем свинец и кадмий в большей мере накапливается в мелких конкрециях.

"5. Почти полная растворимость соединений железа и марганца ортштейнов в вытяжках Мера-Джексона и Тамма косвенно свидетельст-

вует о том. что Ре и Мп находятся в конкрециях в слабоокристалли-зованном или в аморфном состояниях. Результаты исследования магнитной восприимчивости ортштейнов показывают, что.в конкрециях почв на ледниковых и постледниковых породах преобладают гидрокси-ды железа. Для всех групп исследованных почв Нечерноземья не выявлены какие-либо четкие закономерности изменения магнитной восприимчивости в зависимости от степени их оглеения.

6. Наиболее надежным диагностическим критерием степени гидро-морфизма почв является отношение Ре:Мп (валовых и кислотораство-римых), определяемых в средней пробе конкреций. При этом абсолютное содержание металлов в конкрециях может быть различно, но соотношение Ре:Мп, а также фракционный состав и общая масса ортштейнов остаются стабильными при изменении окислительно-восстановительного режима, вызванного погодными условиями.

7. - Установлена связь содержания кислоторастворимых Мп и Ре с фракционным составом конкреционных новообразований. Чем крупнее ортштейны, тем выше в них содержание кислоторастворимого марганца и тем меньше оказывается коэффициент заболоченности.

8. впервые в условиях лабораторного модельного эксперимента получены ортштейны, близкие по своим свойствам естественным конкреционным новообразованиям. Ортштейны следует рассматривать как современные образования, отражающие состояние почв и влияние антропогенных (гидрологических и химических) нагрузок.

9. Конкреционные и другие железистые новообразования, генезис которых связан с гидрологическим режимом почв, являются информативными индикаторами их агроэкологического состояния. Для обширной группы почв на двучленных отложениях Русской платформы показана необходимость дифференцированного применения коэффициента заболоченности и критерия Швертмана при диагностике их степени, оглеения в зависимости от мощности супесчано-песчаной толщи (первый - для почв на маломощных; второй - для почв на среднемощных двучленных отложениях).

10. Исходя из эколого-гидрологических особенностей почв и свойств ортштейнов, дерново-сильноподзолистые почвы на маломощных двучленных отложениях целесообразно подразделять на три важные в мелиоративном и агрономическом отношениях группы: 1)дерново-сильноподзолистые почвы -морфохроматические признаки оглеения отсутствуют по всему профилю;К.3.< 12 - возможно возделывание всех

культур без осушения; 2)дерново-сильноподзолистые глубокооглеен-ные почвы - сизые пятна оглеения с 80-85 см; К.3.< 12 -без дренажа возможно возделывание влаголюбивых трав; 3)дерново-сильноподзолистые глееватые и глеевые почвы - морфохроматические признаки оглеения. с поверхности; К.З. > 12 -осушение целесообразно при возделывании всех культур (кроме злаковых трав на глееватых почвах).

11. В почвах на среднемощных двучленных отложениях стабильным . химическим индикатором степени гидроморфизма является критерий

Швертмана для контактных суглинистых моренных горизонтов. Этот показатель в зависимости от степени оглеения меняется следующим образом (Р=0,95): <0,21 светло-бурая; 0.22-0,27 светло-бурая сла-бооподзоленная глубокооглеенная; 0,28-0,34 - дерново-подзолистая слабоглееватая; 0,35-0,58 -дерново-сильноподзолистые глееватая и >0,59 дерново-сильноподзолистые глеевая почвы. Исходя из этих данных, а также учитывая урожайность сельскохозяйственных культур зяйственных культур, почвы на среднемощных двучленных отложениях целесообразно разделить на 4 группы: 1) светло-бурые и светло-бурые слабооподзоленные глубокооглеенные почвы - возможно возделывание всех культур без осушения; 2) дерново-подзолистые слабогле-еватые - возможно возделывание всех яровых культур; 3) дерново-сильноподзолистые глееватые - осушение целесообразно для всех культур, кроме трав; 4) дерново-сильноподзолистые глеевые - осушение целесообразно при любом сельскохозяйственном использовании.

12. В естественных условиях в почвах со сложившимися режимами (водным, ОВП, тепловым и др.) конкреции находятся в равновесном состоянии и адекватно отражают почвообразовательный процесс. При изменении водного режима, в результате гидротехнического строительства, понижения базиса эрозии, мелиорации и других причин равновесие нарушается и происходит трансформация ортштейнов. В . условиях модельных экспериментов показано, что в почвах может происходить как растворение ортштейнов, так и .их образование.

13. Дренаж, устраняющий периоды избыточного увлажнения, вызывает уменьшение общей массы ортштейнов, а также уменьшение содержания ( до полного исчезновения) крупных конкреционных новообразований (>3 мм). Этот процесс наблюдается повсеместно, независимо от свойств и состава почвообразующих пород. Как правило, он сопровождается увеличением содержания в ортштейнах кислотораствори-мого и валового марганца. Общей закономерностью в этом случае яв-

ляется уменьшение коэффициента заболоченности почв (т.е. уменьшение соотношения Ге:Мп, растворимых 1 п сернокислой вытяжкой). Можно предполагать, что эти изменения начинаются сразу, т.е. в 1-2 год после осушения оглеенных почв и продолжаются на протяжении 1-2 (или более) десятилетий, пока вновь образованные (или изменившиеся) конкреции не окажутся адекватными по.своей -массе, форме, окраске, фракционному, химическому и минералогическому составу новому вторичному водному режиму почв, возникающему в результате антропогенной трансформации почвенного покрова.

14. В результате осушения и окультуривания почв происходят существенные изменения не только конкреционных, но и цементационных железистых ортзандовых новообразований, которые отражают вторичный гидрологический режим почв и влияние антропогенных факторов на формирование новых почвенных профилей.

Таким образом, железистые конкреционные и цементационные новообразования несут актуальную и весьма определеннную информацию ! о характеристике режимов почв, их агрономических и мелиоративных особенностях, современной направленности эволюции.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ, ОТРАЖАЮЩИХ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Биологическая активность дерново-подзолистых почв не затопленных и затопленных водами Можайского водохранилища//Вестн.МГУ, сер. почвовед. , 1976, N4, с. 78-86 в соавт.

2: Изменение свойств дерново-подзолистых почв на карбонатной морене под влиянием оглеения//Биол. науки, 1977, N5, с. 123-128.

3. Изменение физических свойств дерново-подзолистых почв на карбонатной морене под влиянием заболачивания// Биол.науки, 1978, N8,0. 117-125; в соавт.

4. Кутаны и ортштейны дерново-подзолистых почв на карбонатной . морене и их диагностическое значение//Почвоведение, 1979, N 1,

с. 28-36; в соавт.

5. Гидрологический режим дерново-подзолистых неоглеенных и оглеенных почв на двучленных отложениях//Вестн. МГУ, сер. почвовед. . 1980, N2, с. 15-22; в соавт.

6. Диагностика неоглеенных и оглеенных дерново-подзолистых почв на двучленных отложениях//Мелиорация, использование и охрана почв Нечерноземной зоны. Тез.докл. Всесоюзной конф.МГУ, 1980,с.20.

7. Изменение микростроения и минералогического состава дерно-

во-подзолистых почв на карбонатной морене под влиянием оглее-ния.//Бюллетень.почв.ин-та им. Докучаева, вып. XXVIII, 1981, с.39. в соавт.

8. Свойства и гидрологический режим неоглеенных и оглеенных дерново-подзолистых почв на двучленных отложениях и оценка потребности их в дренаже//1У делегатский съезд ВОП.Тбилиси, -1981г. Тез. докл., кн. 5, с. 132.

9. Влияние огдеения на микростроение и минералогический состав дерново-подзолистых почв на карбонатной морене.//Вестн. МГУ, сер. почвовед., 1982, N 3, с. 51-56; в соавт.

10. Диагностика неоглеенных и оглеенных дерново-подзолистых почв на двучленных отложениях и оценка целесообразности их осушения.// Почвоведение, 1982, N10, с. 81-89; в соавт.

И. Пояснительная записка к карте почвенно-мелиоративного районирования Нечерноземной зоны РСФСР М 1:1500000//Москва, 1983, 36 с. в соавт. •

12. Почвенно-мелиоративные условия.// В кн:Почвенно-геологи-ческие условия Нечерноземья. МГУ, 1984, с.464-503, в соавт.

13. Карта почвенно-мелиоративного районирования Нечерноземной зоны РСФСР. М 1:1,5МЛН.//ГУГК, 1984, в соавт.

14. Несиликатные формы железа в почвах на среднемощных двучленах и их роль при аналитической оценке степени заболоченности. //В сб.: Актуальные проблемы охраны, рационального использования и воспроизводства природных ресурсов. Минск, 1985, с. 56.

. 15. Сравнительная оценка способов диагностики почв на средне-мощных и маломощных двучленах по степени оглеения.//V делегатский съезд ВОП, Ташкент, 1985. Тез. докл., часть 5, с. 274.

16. Диагностика степени гидроморфизма дерново-подзолистых почв на среднемощных двучленных отложениях.//Почвоведение, 1986, N2, с. 5-14; в соавт.

17. Влияние глееобразования на свойства типичного чернозема. при.различных режимах орошения.//II дел. съезд почвоведов и агро-хим. УССР. Тезисы докл. Харьков. 1986, с. в соавт.

18. Влияние состава вод и режима обводнения на свойства черноземных почв в условиях модельного эксперимента.//Вестн.МГУ, сер. почвовед., 1987, N4, с.27-34, в соавт.

19. Аналитические методы определения степени заболоченности минеральных почв на тяжелых покровных отложениях.// VI Всесоюз-

ный съезд почвоведов. Новосибирск, 1989. Тезисы докл.,кн.5, с.225.

20. Растворимость железа ортштейнов в разных вытяжках.//Вестн. МГУ, сер. почвовед., 1990, N 1, с. 53-54.

21. Трансформация Fe-Mn конкреций в результате изменения условий увлажнения (модельный опыт).//Вестн.МГУ, сер. почвовед., 1931, N 4, с. 29-37, в соавт.

22. Влияние дренажа на свойства железо-марганцевых конкреций дерново-подзолисты* почв на разных почвообразувдих породах. //Вестн. МГУ, сер. почвовед., 1993, N3, с. 14-20, в соавт.

23.' Изменение свойств легких почв Окско-Мещерского полесья под влиянием осушения и окультуривания.//Вестн. МГУ, сер. почвовед.,

1995, N2, с. 11-16, в соавт.

24. Влияние дренажа на свойства железо-марганцевых конкреций. //Почвоведение, 1995, N2, С. 337-343, В соавт.

25. Изменение'свойств марганцево-железистых конкреций под влиянием .дренажа. //Материалы 1 съезда Белорус, об-ва почвоведов. Минск-Гомель. 1995, с.201.

26. Диагностика степени оглеения почв на двучленных отложениях средней тайги.//II съезд почвоведов России, С.-Петербург,

1996, тез. докл., кн. 2, с. 320, в соавт.

27. Изменение свойств новообразований пойменных почв под влиянием осушения.//II съезд почвоведов России, С.-Петербург, 1996, тез. докл., кн. 2, с. 318.

28. Changes In soil Mn-Fe concretions under human impact. //Archives of Agronomy and Soil Science. Archiv für Acker-und •.Pflanzenbau und Bodenkunde, 1996, v.40; N3, p. 189-196, в соавт.

29. Экспериментальное моделирование процесса образования марганцево-железистых конкреций.//Вестн. МГУ, сер. почвовед., 1997, N 1, с. 27-31, в соавт.

30. Магнитная восприимчивость конкреций таежной зоны.//Почвоведение, в соавт.(в печати)

31. Mn-Fe конкреции почв и их изменения под влиянием оглеения на почвообразующих породах разного генезиса.// Почвоведение, в соавт. ( в печати)

•32. On some general regularities on the formation and chenges in properties of Mn-Fe concretions in soils of humid landscapes.// Archives of Agronomy and Soll Science. Archiv für Ac-ker-und Pflanzenbau und Bodenkunde, в соавт. ( в печати).

Информация о работе

Никифорова, Алла Сергеевна
кандидата биологических наук
Москва, 1997
ВАК 03.00.27

Автореферат

Железистые новообразования почв южно-таежной подзоны Европейской территории России - генезис, свойства, диагностическое значение - тема автореферата по биологии, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы