ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ЕГО ОСОБЕННОСТИ В ПЕДОГЕННЫХ КОНКРЕЦИОННЫХ НОВООБРАЗОВАНИЯХ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОН ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
|
Введение 3
1 История изучения почвенных новообразований 5
2 Условия почвообразования, способствующие формированию почвенных 11
новообразований исследованных территорий
2.1 Степная зона 11
2.2 Таежная зона 13
3 Объекты и методы исследования 18
3.1 Объекты исследования, морфологическое описание почв, степень 19
выраженности новообразований и их приуроченность к отдельным почвенным горизонтам
3.2 Методы исследования 27
4 Физико-химические свойства 29
4.1 Реакция среды 29
4.2 Состав водной вытяжки, содержание карбонатов 31
5 Элементный состав педогенных новообразований 36
5.1 Анализ органических соединений 36
5.2 Анализ неорганических соединений 42
5.3 Формы и фракционный состав соединений железа, марганца и фосфора 52
5.4 Оценка степени гидроморфизма по конкреционным новообразованиям 58
6 Почвенные новообразования, как элемент реконструкции среды прошлого 61
Выводы 65
Список литературы 68
Приложение А Состав водной вытяжки исследованных почвенных новообразований
Приложение Б Валовой свойства исследованных почвенных новообразований 76
1 История изучения почвенных новообразований 5
2 Условия почвообразования, способствующие формированию почвенных 11
новообразований исследованных территорий
2.1 Степная зона 11
2.2 Таежная зона 13
3 Объекты и методы исследования 18
3.1 Объекты исследования, морфологическое описание почв, степень 19
выраженности новообразований и их приуроченность к отдельным почвенным горизонтам
3.2 Методы исследования 27
4 Физико-химические свойства 29
4.1 Реакция среды 29
4.2 Состав водной вытяжки, содержание карбонатов 31
5 Элементный состав педогенных новообразований 36
5.1 Анализ органических соединений 36
5.2 Анализ неорганических соединений 42
5.3 Формы и фракционный состав соединений железа, марганца и фосфора 52
5.4 Оценка степени гидроморфизма по конкреционным новообразованиям 58
6 Почвенные новообразования, как элемент реконструкции среды прошлого 61
Выводы 65
Список литературы 68
Приложение А Состав водной вытяжки исследованных почвенных новообразований
Приложение Б Валовой свойства исследованных почвенных новообразований 76
Изучение почвенных новообразований имеет большое значение как для понимания генезиса отдельных горизонтов почвы, так и для суждения о происхождении, развитии и эволюции почвы и ее плодородии в целом. Детальное исследование новообразований дает возможность выявить ряд важных явлений, происходящих в почве (Афанасьева Т.В. и др., 1979).
Под новообразованиями в почвах понимаются морфологически оформленные выделения и скопления вещества в минеральной массе, отличающиеся от вмещающего их почвенного материала по составу и сложению, и являющиеся следствием почвообразовательных процессов. По своему пространственному положению новообразования могут находиться как внутри почвенных агрегатов (структурных отдельностей), так и на их поверхности или в межпедном (поровом) пространстве (Орлов Д.С., 2005).
Новообразования почти всегда являются неотъемлемым элементом почвенного профиля и его отдельных горизонтов в любой природно-климатической зоне и в любом ряду почвообразования. В этом смысле не будет преувеличением признать, что почвообразование (особенно в гумидных ландшафтах) - процесс, приводящий к возникновению специфических почвенных новообразований. Они весьма разнообразны по своему происхождению, форме, цвету и составу. Особенности их генезиса и морфологии тесно связаны с происхождением, развитием и эволюцией почв, свойствами вмещающих горизонтов, с характером почвообразующих пород, степенью гидроморфизма, факторами увлажнения и заболачивания, и другими локальными особенностями. По составу и свойствам педогенных образований можно судить не только о генетической принадлежности почв, но и успешно диагностировать стадии проявления частных и общих почвообразовательных процессов.
Между видом новообразований и эколого-гидрологической ситуацией, свойственной данной почве всегда существует тесная взаимосвязь. Все это имеет не только актуальное научное, генетическое, но и существенное прикладное значение при агрономической, мелиоративной, лесохозяйственной и других оценках почв (Зайдельман Ф.Р., 2009).
Ландшафтная сущность почвообразования проявляется в том, что почва развивается вместе с ландшафтом. Поэтому каждому ландшафту соответствует определённый тип почвообразовательного процесса и почвенного профиля. Почвы, формируются на ландшафтных границах при высокой динамике климата, полигенетичности и отличаются сложным строением профиля, в котором сочетаются признаки прошлых геологических эпох и современных почвообразовательных процессов (Дюкарев А.Г., 2005; Дюкарев А.Г., Пологова Н.Н., 2011).
Актуальность работы заключается в слабой проработанности и почти полном отсутствии детальной изученности химического состава педогенных конкреционных новообразований. Их анализ позволит произвести оценку состояния среды прошлого в сравнении с современными биогеосферными процессами. А сравнительный анализ химического состава конкреций поможет приблизится к разносторонней оценке влияния большого геологического круговорота.
Целью магистерской диссертации является установление взаимосвязи между химическим составом конкреционных новообразований, сформировавшихся в различных ландшафтно-геохимических условиях, при неоднородности свойств почв и процессов почвообразования разного порядка (частные и общие почвообразовательные микро- и мезопроцессы). В качестве оценки были выбраны некоторые показатели химических и физико-химических свойств конкреционных почвенных новообразований, отобранных на территории Алтайского края и Томской области, охватывающих довольно широкий спектр почвенно-географических зон от южной тайги до степи.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) Выявить особенности формирования педогенных новообразований в почвенных профилях и обнажениях указанных зон;
2) Изучить особенности состава педогенных конкреций по их химическим и физико-химическим свойствам;
3) Применить различные методы исследования состава и свойств конкреционных новообразования;
4) Выявить взаимосвязь между составом новообразований и ландшафтно-геохимическими условиями.
Автор выражает благодарность научному руководителю Никифорову А.Н. в активном содействии при написании работы, предоставлении материала для ее выполнения, а также в непосредственном участии при проведении аналитических исследований.
Под новообразованиями в почвах понимаются морфологически оформленные выделения и скопления вещества в минеральной массе, отличающиеся от вмещающего их почвенного материала по составу и сложению, и являющиеся следствием почвообразовательных процессов. По своему пространственному положению новообразования могут находиться как внутри почвенных агрегатов (структурных отдельностей), так и на их поверхности или в межпедном (поровом) пространстве (Орлов Д.С., 2005).
Новообразования почти всегда являются неотъемлемым элементом почвенного профиля и его отдельных горизонтов в любой природно-климатической зоне и в любом ряду почвообразования. В этом смысле не будет преувеличением признать, что почвообразование (особенно в гумидных ландшафтах) - процесс, приводящий к возникновению специфических почвенных новообразований. Они весьма разнообразны по своему происхождению, форме, цвету и составу. Особенности их генезиса и морфологии тесно связаны с происхождением, развитием и эволюцией почв, свойствами вмещающих горизонтов, с характером почвообразующих пород, степенью гидроморфизма, факторами увлажнения и заболачивания, и другими локальными особенностями. По составу и свойствам педогенных образований можно судить не только о генетической принадлежности почв, но и успешно диагностировать стадии проявления частных и общих почвообразовательных процессов.
Между видом новообразований и эколого-гидрологической ситуацией, свойственной данной почве всегда существует тесная взаимосвязь. Все это имеет не только актуальное научное, генетическое, но и существенное прикладное значение при агрономической, мелиоративной, лесохозяйственной и других оценках почв (Зайдельман Ф.Р., 2009).
Ландшафтная сущность почвообразования проявляется в том, что почва развивается вместе с ландшафтом. Поэтому каждому ландшафту соответствует определённый тип почвообразовательного процесса и почвенного профиля. Почвы, формируются на ландшафтных границах при высокой динамике климата, полигенетичности и отличаются сложным строением профиля, в котором сочетаются признаки прошлых геологических эпох и современных почвообразовательных процессов (Дюкарев А.Г., 2005; Дюкарев А.Г., Пологова Н.Н., 2011).
Актуальность работы заключается в слабой проработанности и почти полном отсутствии детальной изученности химического состава педогенных конкреционных новообразований. Их анализ позволит произвести оценку состояния среды прошлого в сравнении с современными биогеосферными процессами. А сравнительный анализ химического состава конкреций поможет приблизится к разносторонней оценке влияния большого геологического круговорота.
Целью магистерской диссертации является установление взаимосвязи между химическим составом конкреционных новообразований, сформировавшихся в различных ландшафтно-геохимических условиях, при неоднородности свойств почв и процессов почвообразования разного порядка (частные и общие почвообразовательные микро- и мезопроцессы). В качестве оценки были выбраны некоторые показатели химических и физико-химических свойств конкреционных почвенных новообразований, отобранных на территории Алтайского края и Томской области, охватывающих довольно широкий спектр почвенно-географических зон от южной тайги до степи.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) Выявить особенности формирования педогенных новообразований в почвенных профилях и обнажениях указанных зон;
2) Изучить особенности состава педогенных конкреций по их химическим и физико-химическим свойствам;
3) Применить различные методы исследования состава и свойств конкреционных новообразования;
4) Выявить взаимосвязь между составом новообразований и ландшафтно-геохимическими условиями.
Автор выражает благодарность научному руководителю Никифорову А.Н. в активном содействии при написании работы, предоставлении материала для ее выполнения, а также в непосредственном участии при проведении аналитических исследований.
Формирование почв обусловлено факторами почвообразования, которые оказывают разные по интенсивности проявления и по своей значимости воздействие. Так или иначе, действуют они совокупно. Исключив один из них, станет невозможным формирование почвенных тел, особенно в нашем случае, так как практически невозможно выявить основной фактор почвообразования, на фоне особенности территории и ландшафтогенеза.
Ландшафтные условия и геохимические особенности оказывают огромное влияние на физико-химические свойства как почв в целом, так и почвенных новообразований. Последние являются результатом воздействия факторов почвообразования, общих и частных почвообразовательных процессов, особенностей водного режима и почвообразующих пород, вкупе с геоморфологией и литологией местности.
Полученные аналитические данные позволяют сделать следующие выводы об основных свойствах объектов исследования и о некоторых особенностях их формирования:
1. В ходе проведенных исследований педогенных конкреционных новообразований выявлены морфологические особенности. Так, в анализируемых железистых и железисто- марганцевых конкрециях, внутренняя строение представляет собой концентрические полициклические образования, связанные с динамичностью условий конкрециообразования. В желваках внутренняя структура имеет полости (секретции) заполненные карбонатным материалом, в связи с чем свойства этих новообразований весьма неоднозначны. Карбонатные конкреции также обладают морфологическими особенностями, связанными с инкрустациями первичных минералов.
2. Изучение химических и физико-химических свойств позволяет правильно трактовать генетические этапы педогенеза, отраженные в морфологических признаках, и дает качественную характеристику почвообразовательным процессам.
Значения показателя актуальной кислотности почвенных новообразований слабо связаны с зональными процессами почвообразования, хотя и имеют тенденцию к их проявлению. При этом почвенные железистые и железисто-марганцевые новообразования бореального пояса характеризуются переходными геохимическими условиями от кислых к кальциевым ландшафтам, что в принципе в меньшей степени характерно для почвенно-климатической зоны и ведущих почвообразовательных процессов. В целом можно выявить закономерности изменения реакции среды, в сторону подщелачивания, связанные как с характером почвообразующих пород, так и с нарастанием аридности климата.
Проведенные исследования показали, что в железистых и железисто-марганцевых конкрециях биофильные элементы накапливаются более интенсивно, что связано с консервацией последних в концентрических областях этих новообразований, а также с условиями их формирования.
Исследования минеральной части педогенных конкреционных новообразований указывают на селективную аккумуляцию отдельных элементов в зависимости от групп новообразований. Так, железистые и железисто-марганцевые конкреции, на фоне высокой доли участия кремнезема, аккумулируют значительное количество элементов с переменной валентностью, имеющих прямое сопряжение с полуторными окислами. Карбонатные конкреции отличаются сравнительно низким содержанием оксида кремния с безусловным доминированием в их составе оксида кальция.
Накопление железа, процентное соотношение его форм определяются геохимическими условиями гипергенеза и почвообразования. В изучаемых железисто-марганцевых дробовинах количество силикатного железа с глубиной увеличивается, в то время как относительная доля несиликатного уменьшается, несмотря на общую тенденцию возрастания этого показателя. Что в очередной раз подтверждает прямое участие первичных минералов в образовании Fe-Mn дробовин. Во всех карбонатных конкрециях содержание силикатного железа преобладает над несиликатным, которое, в свою очередь, представлено преимущественно слабоокристаллизованной фракцией. Такие результаты также свидетельствуют о высокой доле участия первичных минералов в формировании карбонатных конкреций. Наибольшим содержанием аморфного железа характеризуются роренштейны и железистые дробовины верхнего полуметрового слоя дерново-подзолисто-глеевой почвы, что связано с периодическим сезонно-циклическим переувлажнением вмещающей почвенной массы, в то время как большую часть времени она расположена в зоне аэрации.
Довольно четкой взаимосвязью и сопряжением с железом характеризуется марганец. Исследования показали, что в карбонатных конкрециях с увеличением щелочности раствора возрастает и доля валового марганца. А содержание подвижного марганца увеличивается от с нарастанием степени солонцеватости почв. В железистых новообразований содержание валового марганца увеличивается по мере нарастания степени оглеения и значений pH.
Накопление фосфора связано, в первую очередь, с органическим веществом. В связи с этим, наравне с углеродом и азотом, железистые новообразования в большей степени аккумулируют в себе фосфор.
3. Применение различных методов анализа исследуемого материала позволило более детально оценить отдельные компоненты и их составляющие в узконаправленном ключе, а совокупность всех примененных методов обеспечила разносторонний подход к исследованию новообразований.
Результаты анализа водной вытяжки позволили подтвердить гипотезу формирования почв южно-таежной и подтаежной подзон Томской области через аридную стадию почвообразования.
Полученные аналитические данные по групповому и фракционному составу железа показали высокое влияние первичных минералов на формирование как железистых, железисто-марганцевых конкреций, так и карбонатных.
Сравнительный анализ химического состава конкреционных форм почвенных новообразований с кларковыми значениями конкретных химических элементов показал, что педогенные конкреции, в особенности железистые, в процессе формирования “поглощают” в себя основные биофильные элементы (C, N, P, Mn).
Статистические методы анализа позволили сгруппировать наиболее близкие по генезису и содержанию элементов новообразования в кластеры.
4. В зависимости от ландшафтных и геохимических особенностей территории, а также возможном проявлении реликтовых признаков почвообразования, те или иные конкреционные новообразования отражают в своем составе как зональные, так и локальные особенности состава и свойств.
Ландшафтные условия и геохимические особенности оказывают огромное влияние на физико-химические свойства как почв в целом, так и почвенных новообразований. Последние являются результатом воздействия факторов почвообразования, общих и частных почвообразовательных процессов, особенностей водного режима и почвообразующих пород, вкупе с геоморфологией и литологией местности.
Полученные аналитические данные позволяют сделать следующие выводы об основных свойствах объектов исследования и о некоторых особенностях их формирования:
1. В ходе проведенных исследований педогенных конкреционных новообразований выявлены морфологические особенности. Так, в анализируемых железистых и железисто- марганцевых конкрециях, внутренняя строение представляет собой концентрические полициклические образования, связанные с динамичностью условий конкрециообразования. В желваках внутренняя структура имеет полости (секретции) заполненные карбонатным материалом, в связи с чем свойства этих новообразований весьма неоднозначны. Карбонатные конкреции также обладают морфологическими особенностями, связанными с инкрустациями первичных минералов.
2. Изучение химических и физико-химических свойств позволяет правильно трактовать генетические этапы педогенеза, отраженные в морфологических признаках, и дает качественную характеристику почвообразовательным процессам.
Значения показателя актуальной кислотности почвенных новообразований слабо связаны с зональными процессами почвообразования, хотя и имеют тенденцию к их проявлению. При этом почвенные железистые и железисто-марганцевые новообразования бореального пояса характеризуются переходными геохимическими условиями от кислых к кальциевым ландшафтам, что в принципе в меньшей степени характерно для почвенно-климатической зоны и ведущих почвообразовательных процессов. В целом можно выявить закономерности изменения реакции среды, в сторону подщелачивания, связанные как с характером почвообразующих пород, так и с нарастанием аридности климата.
Проведенные исследования показали, что в железистых и железисто-марганцевых конкрециях биофильные элементы накапливаются более интенсивно, что связано с консервацией последних в концентрических областях этих новообразований, а также с условиями их формирования.
Исследования минеральной части педогенных конкреционных новообразований указывают на селективную аккумуляцию отдельных элементов в зависимости от групп новообразований. Так, железистые и железисто-марганцевые конкреции, на фоне высокой доли участия кремнезема, аккумулируют значительное количество элементов с переменной валентностью, имеющих прямое сопряжение с полуторными окислами. Карбонатные конкреции отличаются сравнительно низким содержанием оксида кремния с безусловным доминированием в их составе оксида кальция.
Накопление железа, процентное соотношение его форм определяются геохимическими условиями гипергенеза и почвообразования. В изучаемых железисто-марганцевых дробовинах количество силикатного железа с глубиной увеличивается, в то время как относительная доля несиликатного уменьшается, несмотря на общую тенденцию возрастания этого показателя. Что в очередной раз подтверждает прямое участие первичных минералов в образовании Fe-Mn дробовин. Во всех карбонатных конкрециях содержание силикатного железа преобладает над несиликатным, которое, в свою очередь, представлено преимущественно слабоокристаллизованной фракцией. Такие результаты также свидетельствуют о высокой доле участия первичных минералов в формировании карбонатных конкреций. Наибольшим содержанием аморфного железа характеризуются роренштейны и железистые дробовины верхнего полуметрового слоя дерново-подзолисто-глеевой почвы, что связано с периодическим сезонно-циклическим переувлажнением вмещающей почвенной массы, в то время как большую часть времени она расположена в зоне аэрации.
Довольно четкой взаимосвязью и сопряжением с железом характеризуется марганец. Исследования показали, что в карбонатных конкрециях с увеличением щелочности раствора возрастает и доля валового марганца. А содержание подвижного марганца увеличивается от с нарастанием степени солонцеватости почв. В железистых новообразований содержание валового марганца увеличивается по мере нарастания степени оглеения и значений pH.
Накопление фосфора связано, в первую очередь, с органическим веществом. В связи с этим, наравне с углеродом и азотом, железистые новообразования в большей степени аккумулируют в себе фосфор.
3. Применение различных методов анализа исследуемого материала позволило более детально оценить отдельные компоненты и их составляющие в узконаправленном ключе, а совокупность всех примененных методов обеспечила разносторонний подход к исследованию новообразований.
Результаты анализа водной вытяжки позволили подтвердить гипотезу формирования почв южно-таежной и подтаежной подзон Томской области через аридную стадию почвообразования.
Полученные аналитические данные по групповому и фракционному составу железа показали высокое влияние первичных минералов на формирование как железистых, железисто-марганцевых конкреций, так и карбонатных.
Сравнительный анализ химического состава конкреционных форм почвенных новообразований с кларковыми значениями конкретных химических элементов показал, что педогенные конкреции, в особенности железистые, в процессе формирования “поглощают” в себя основные биофильные элементы (C, N, P, Mn).
Статистические методы анализа позволили сгруппировать наиболее близкие по генезису и содержанию элементов новообразования в кластеры.
4. В зависимости от ландшафтных и геохимических особенностей территории, а также возможном проявлении реликтовых признаков почвообразования, те или иные конкреционные новообразования отражают в своем составе как зональные, так и локальные особенности состава и свойств.