Содержание к диссертации
Введение
2 Методы исследований 39
2.1. Полевые исследования 39
2.2. Лабораторные исследования 41
2.2.1. Анализ химических свойств 41
2.2.2. Исследование водно-физических свойств 43
2.2.3. Оценка продуктивности пирогенных образований 43
2.2.4. Модельный эксперимент по оценке миграционной способности соединений в условиях первичного почвообразования 45
2.2.5. Изучение особенностей несиликатных железистых минералов в зольных субстратах 45
3 Объекты исследований 50
3.1. Особенности климата 50
3.2. Геоморфология и литология участка 50
3.3. Исходное состояние сгоревшего массива 51
3.4. Дифференциация пирогенного покрова на территории польдера "Макеевский мыс" 52
3.5. Морфологические особенности пирогенных образований и пирогенно измененных торфяных почв 53
3.5.1. Пирогенно-перегнойные образования 53
3.5.2. Пирогенно-песчаные образования 57
3.5.3. Пирогенно-древесно-песчаные образования 58
3.5.4. Пирогенно измененные торфяные почвы 59
4 Химические свойства пирогенных образований и пирогенно измененных торфяных почв 63
4.1. Пирогенно-перегнойные образования 63
4.2. Пирогенно-песчаные образования 69
4.3. Пирогенно-древесно-песчаные образования и пирогенно измененные торфяные почвы 72
5 Водно-физические свойства пирогенных образований .78
5.1. Липкость 78
5.2. Набухание 79
5.3. Плотность сложения и запасы питательных веществ 84
5.4. Основная гидрофизическая характеристика 85
6 Состояние естественной растительности и биологическая активность пирогенных образований .87
6.1. Динамика и особенности растительного покрова 87
6.2. Наземная и подземная биомасса 98
6.3. Дыхание пирогенных образований и ферментативная активность 101
7 Эволюция пирогенных образований особенности несиликатных железистых минералов ... 115
8.1. Рентгендифрактометрический анализ 117
8.2. Оптические свойства 117
8.3. Магнитная восприимчивость 120
8.4. Дискретный дифференциальный термомагнитный анализ 121
8.5. Электронная просвечивающая микроскопия 131
8.6. Мессбауэровская ЯГР спектроскопия 132
Выводы 137
Список литературы 140
Приложение 155
- Модельный эксперимент по оценке миграционной способности соединений в условиях первичного почвообразования
- Дифференциация пирогенного покрова на территории польдера "Макеевский мыс"
- Пирогенно-древесно-песчаные образования и пирогенно измененные торфяные почвы
- Дыхание пирогенных образований и ферментативная активность
Введение к работе
Низинные торфяные почвы формируются в разных условиях - они широко распространены на территории северной, средней и южной тайги, ограниченно представлены в зоне широколиственных лесов, изредка встречаются в лесостепной зоне. В южной тайге они формируются преимущественно на обширных зандровых низменностях Окско-Мещерского, Верхне-Волжского, Вятско-Камского, Ветлужского и других полесий. Эти территории сложены флювиогляциальными и древнеаллювиалъными отложениями, почвенный покров образован легкими (песчаными и супесчаными) и торфяными почвами.
В результате осушения низинные торфяные почвы оказываются в новых термодинамических условиях. Их органическое вещество подвергается быстрому биохимическому окислению и разложению до СО2, нитратов и воды. Углекислый газ поступает в атмосферу, усиливая парниковый эффект; нитраты - в грунтовые воды, загрязняя гидрологическую среду.
Кроме того, деградация низинных торфяных почв связана с пожарами и ветровой эрозией. Это особенно резко проявляется при глубоком осушении или при обычном осушении в период межени, когда уровень грунтовых вод опускается особенно низко. При этом происходит отрыв капиллярной каймы от нижней кровли торфяной залежи и ее возгорание. Такие торфяные почвы при пожарах (в отличие от неосушенных) полностью выгорают от дневной поверхности до минерального дна болот или до грунтовых вод. В результате на месте потенциально плодородных торфяных почв возникают пирогенные образования и пирогенно измененные почвы. В настоящее время реальная опасность сгорания торфяных почв угрожает практически всем массивам осушения России. При этом происходит одномоментный выброс огромных масс СОг в атмосферу, который приводит к усилению парникового эффекта.
Такие явления наиболее часто встречаются на мелиоративных системах в полесьях. Здесь торфяные низинные почвы после осушения образуют наиболее плодородные массивы, а после пожаров их территории занимают малоплодородные пирогенные образования. Ежегодно на территории нашей страны в результате пожаров исчезают тысячи гектар ранее осушенных торфяных почв. К середине 70-х годов в Белорусском (Припятском) полесье более 150 тысяч га осушенных низинных торфяных почв полностью исчезли в результате глубокого осушения и их быстрого биохимического разложения, ветровой эрозии и пожаров.
Помимо громадного выброса СО2 в результате сгорания торфяников, на поверхность выходят бесплодные горизонты кварцевого песка -подстилающей породы. Территории пожарищ невозможно использовать в сельском производстве из-за полного сгорания органического вещества торфа, понижения гипсометрического уровня поверхности и заболачивания. В результате сгорания торфяной толщи на территории пожарищ , возникают минеральные пирогенные образования, отличающиеся значительным разнообразием.
Кроме перечисленных отрицательных явлений, пожары затрагивают в целом весь агроландшафт и меняют как природные, так и социально-экономические условия данной территории. При этом резко снижается видовое разнообразие и уменьшаются ареалы флоры и фауны, почвенной микробиоты, уменьшается площадь сельскохозяйственного использования.
Модельный эксперимент по оценке миграционной способности соединений в условиях первичного почвообразования
Для изучения железистых минералов в горизонтах пирогенных образований использовали следующие методы:
Содержание аморфных и несиликатных форм железа - атомно-адсорбционным методом в оксалатной вытяжке Тамма и дитионитовой вытяжке Мэра-Джексона (Воробьева, 1998); Для определения цвета зольных субстратов использовали колориметрические методы оценки по шкале Мансела и спектрофотометрический анализ цвета с применением системы CIE-L a b (Barron, 1986; Водяницкий, 2004);
Величину магнитной восприимчивости % образцов измеряли на приборе «Kappabridge KLY-2». Прибор состоит из автоматического автобалансного индуктивного моста с автоматической установкой нуля и компенсацией термического дрейфа разбаланса моста. Измерение основано на изменении индуктивности катушки, вызванного присутствием образца почвы. Измерения магнитной восприимчивости проводились в трех повторностях, а затем считалась удельная магнитная восприимчивость.
Метод дискретного термомагнитного анализа состоит в последовательном ступенчатом нагреве почвы и измерении прироста ее магнитной восприимчивости х (Водяницкий, 1996). Прогрев начинают с Т=200 С и доводят до Т=650 С с интервалом 50 С. При обработке результатов вначале рассчитываются значения удельной магнитной восприимчивости единицу массы образца. Затем определяется приращение восприимчивости на 1 С подъема температуры Ах / AT, и по точкам строится дифференциальная термомагнитная кривая в зависимости от температуры нагрева Т. При ступенчатом нагреве на воздухе с охлаждением после каждого нагрева и измерении при комнатной температуре магнитной восприимчивости % фиксируются только необратимые превращения магнетита и маггемита, что облегчает интерпретацию результатов такого дискретного термомагнитного анализа. По данной методике мы в качестве эталонов измеряли приращение магнитной восприимчивости образцов крупнозернистого магнетита с размерами частиц 50-200 мкм и смеси гематит+маггемит с размерами частиц 50 мкм и крупными размерами кристаллитов, составляющими по данным мессбауэровской микроскопии 10-50 нм.
Дифференциальный дискретный термомагнитный анализ проводили в образцах, обладающих наибольшими значениями магнитной восприимчивости. Исследуемые образцы, а так же навески чистого магнетита и маггемита в качестве контроля, нагревали начиная с температуры Т=200 С и заканчивали при Т=700С с интервалом в 50С в течение 30 минут. После охлаждения измеряли магнитную восприимчивость.
Электронная просвечивающая микроскопия. Фазовый состав минералов железа в почве определялся на просвечивающем электронном микроскопе JEM-100C. Использовался метод микродифракции электронов в сочетании с качественным определением состава той или иной фазы на микроанализаторе «Kevex». Методика исследования состояла в следующем: с одной и той же частицы размером вплоть до долей мкм последовательно фиксировались электронно-микроскопическое изображение на просвет, микродифракционные картины и химический состав в виде энергодисперсных спектров (Водяницкий, 2003).
Рентгендифрактометрический анализ. В основе метода лежит явление дифракции рентгеновских лучей, возникающее при их рассеянии кристаллическим веществом. Диагностика минералов и возможность проведения фазового анализа основывается на том, что каждый минерал характеризуется индивидуальной дифракционной картиной. Индивидуальность минерала отражается в определенном расположении рефлексов на дифрактограммах и в определенном соотношении интенсивности отражений. Зольные горизонты пирогенных образований были исследованы на рентгендифрактометре общего назначения «ДРОН-3» с медным антикатодом. Съемки спектров проводили в интервале 30 20.
Спектроскопические исследования выявляют взаимодействие электромагнитного излучения и вещества, дают информацию о структуре и характере связей, внутри- и межмолекулярных процессах. Мессбауэровская спектроскопия - это метод исследования вещества на атомном уровне, основанный на использовании ядерного гамма -резонанса (Гольданский, 1970; Бабанин, 1972). Эффект Мессбауэра состоит в испускании или поглощении у-квантов атомными ядрами в твердом теле без отдачи (без испускания или поглощения фононов, т.е. без изменения колебательной энергии тела).
Дифференциация пирогенного покрова на территории польдера "Макеевский мыс"
Пирогенно-перегнойные образования после пожара занимают значительную (до 40%) площадь территории сгоревшего массива. Горизонт «Ash» (от анг. Ash - зола) мощностью 6-10 см образован массой желто-охристой золы, содержащей значительные количества элементов минерального питания (в первые годы). Под слоем золы залегает черная углистая масса несгоревшего до золы торфа, мощность которой будет зависеть от силы и продолжительности пожара. Чем сильнее действие огня, тем меньшей мощности будет углистый горизонт. Ниже обнаружены перегнойные опесчаненные горизонты различной степени оглеенности, подстилаемые светло-серым оглеенным песком. Происхождение слоев, образовавшихся в процессе пирогенеза, достаточно очевидно. Ярко-охристый слой золы обязан своим возникновением полностью сгоревшему слою торфа. Чем мощнее был торф в исходном состоянии, тем больший слой золы аккумулирован на поверхности. Находящийся непосредственно под слоем золы материал -полностью сгоревший до углистой массы торф. Наконец, перегнойный горизонт унаследован пирогенными образованиями от исходных торфяных почв. Он формируется в начальной стадии их развития и затем, после накопления органического материала, залегает на контакте торфяной толщи и верхней кровли минерального дна болота. Морфологическое строение профиля следующее (Зайдельман, 2002): Ash 0-6(10) см. Желто-охристая зола, рыхлая, легкая, несвязанная, в сухом состоянии легко раздувается ветром; граница слабоволнистая, переход резкий по цвету и плотности. Cn 6(10)-11(13) см (углистый).
Масса серовато черного цвета с включениями углистого материала; мажется, рыхлая, по нижней границе опесчаненная полоса (0,5 см) темно-серого цвета. Переход фиксируется по плотности и наличию обуглившихся растительных остатков. Amg" 11(15)-29(37) см. Черно-серый, перегнойный, оглеенный горизонт, уплотнен, в нижней части значительные включения песка, граница волнистая. Gr 29(37)-63 см. Интенсивно оглеенный, сизый в мокром состоянии, белый в сухом мелкозернистый песок с единичными ржавыми пятнами. Грунтовые воды с 63 см. Со временем под действием факторов почвообразования профиль пирогенно-перегнойных существенно изменился. Пионерная растительность на 1 -2 год после пожара начала активно осваивать зольный субстрат. В результате на его поверхности сформировались маломощные гумусовый и дерновый горизонты. Через 8 лет после пожара (2004 год) морфологическое строение профиля пирогенно-перегнойных образований было следующим: Ad 0-1 см (дерновый). Сырой, темно-бурый, иловатый, обилие корней растений и мха, семян, полуразложившихся растительных остатков, переход ясный по цвету, граница ровная. Ai 1-3 см (гумусовый). Сырой, темно-серо-бурый, бесструктурный, мажется, рыхлый, корней немного меньше. Переход постепенный по цвету. Ash 3-8(10) см (зольный). Сырой, охристо-бурый, рыхлый, бесструктурный, переход ясный по цвету, граница ровная. Cn 8(10)-13 см (углистый). Сырой, черный с мелкими вкраплениями охристых пятен золы и светло-серых пятен песка, примерно на 50 % состоит из массы и цельных частичек угля (до 1 см), супесчаный, переход ясный по цвету. Amig" 13-28 см (перегнойный). Мокрый, однородно окрашенный, темно-серый с сизоватым оттенком, перегнойный, супесчаный, бесструктурный, переход ясный по цвету. Am2g" 28-34 см (перегнойный). Мокрый, однородно окрашенный, темно-серый с сизоватым оттенком, степень оглеенности более высокая, перегнойный, супесчаный, бесструктурный, наличие крупных линз песка, переход ясный по цвету, граница волнистая. Gr 34-50 см (песчаный). Мокрый, серый, мелкозернистый песок, оглеенный, с включением ржаво-охристых пятен, черные вертикальные полосы от корней растений.
Пирогенно-древесно-песчаные образования и пирогенно измененные торфяные почвы
В постпирогенный период по данным прошлых лет значения рН в пирогенно-древесно-песчаных образованиях изменились незначительно, а в пирогенно измененных торфяных почвах в среднем за четыре года опустились на единицу и соответствовали нейтральной и слабокислой реакции среды (табл. 4).
В торфяных горизонтах после пожара содержание калия составляло 5,9-6,0 мг на 100 г, через 4 года оно уменьшилось до 1,9-3,1 мг на 100 г почвы. Обеспеченность доступным для растений фосфором по профилю пирогенно-древесно-песчаных образований и пирогенно измененных торфяных почв очень низкая и изменяется в пределах от 1,1 до 7,8 мг/100 г почвы. Наименьшие величины доступных калия и фосфора характерны для песчаного горизонта.
Содержание органического углерода составляет от 23 до 36% в нетронутых огнем торфяных горизонтах Тг и около 20% в торфяных горизонтах Ті, частично подвергавшихся действию огня. Содержание органического углерода в перегнойном горизонте Amg пирогенно измененных торфяных почв весьма высокое - 9,2%.
На начальных стадиях формирования торфяной толщи растительный материал откладывался непосредственно на песчаную поверхность и перегнойная масса пропитывала верхние слои подстилающего песка. Нижележащие слои глеевого песка Gr содержат 0,1-0,4% органического углерода.
Воздействие огня отразилось и на показателе гидролитической кислотности. В торфяном горизонте пирогенно преобразованного торфа Ті, подвергшемся воздействию огня, он в 4 раза меньше, чем в исходном торфяном горизонте. Величина суммы обменных кальция и магния в нем выше, чем в нижележащем горизонте Тг.
Используя величины плотности сложения были рассчитаны запасы доступных фосфора и калия в пирогенных образованиях (табл. 5). Таблица 5. Запасы калия и фосфора в слое 0-50 см профиля пирогенных образований и пирогенно измененных торфяных почв
Самые высокие запасы калия наблюдаются в пирогенно-перегнойных образованиях, а запасы фосфора примерно одинаковы в пирогенно-перегнойных, пирогенно-песчаных образованиях и пирогенно измененных торфяных почвах. Величины валового фосфора в верхних горизонтах пирогенно-перегнойных образований примерно в 1,5 раза выше, чем в пирогенно-песчаных. Но, запасы доступного фосфора в пирогенно- перегнойных образованиях не увеличиваются, вероятно в связи с щелочной реакцией среды, которая препятствует переходу фосфора в подвижное состояние.
В целом обеспеченность всех пирогенных образований элементами минерального питания низкая. Поэтому возделывание сельскохозяйственных культур на пирогенных образованиях без внесения значительных доз удобрений в самой ближайшей перспективе весьма проблематично.
Запасы органического вещества по профилю пирогенных образований существенно сократились по сравнению с исходными осушенными торфяными почвами (рис. 7). Пожар привел к практически полному уничтожению органического углерода в профиле пирогенно-песчаных образований. Потери составили 97% от массы запасов углерода в исходных осушенных торфяных почвах.
Чуть меньшие, но все же значительные потери (92%) наблюдались в профиле пирогенно-перегнойных и пирогенно-древесно-песчаных образований. Большая часть органического вещества сохранилась в профиле пирогенно измененной почвы в связи с меньшим пирогенным воздействием на торфяные горизонты и составила 25%.
Мощность органогенного горизонта при торфообразовательном процессе увеличивается в среднем на 1 мм в год. Для формирования торфяного горизонта мощностью 80 см требуется примерно 800 лет. В результате пожара в течение одного вегетационного периода было уничтожено около 97 % органического вещества, накопленного за столь долгий период.
В течение исследованного нами периода развития пирогенных образований и пирогенно измененных торфяных почв были установлены определенные изменения их физико-химических и химических свойств.
Так, непосредственно после пожара зольные горизонты пирогенных образований отличаются щелочной реакцией, высоким содержанием элементов минерального питания, которые подвержены активному выщелачиванию. Через 3-4 года после пожара в результате первичного почвообразования на зольном субстрате пирогенно-перегнойных и пирогенно-песчаных образований формируется примитивный маломощный гумусовый горизонт. Корневые системы воздействуют на зольный субстрат, создавая более благоприятные условия для жизни растений, почвенных микроорганизмов и животных.
Обеспеченность растений фосфором и калием на всех пирогенных образованиях следует оценить как низкую или очень низкую. При относительно низких запасах элементов минерального питания наиболее плодородными из всех пирогенных образований являются пирогенно-перегнойные образования.
Дыхание пирогенных образований и ферментативная активность
В этом случае целесообразно предусматривать внесение минеральных удобрений. Однако в сложившихся гидрологических условиях из-за близкого залегания фунтовых вод его уборка возможна только вручную. Вместе с тем на пирогенно-песчаных и, особенно, на песчаных образованиях, в ареалах, где господствует полынь обыкновенная, создание Рис. 19. Распределение корней естественной растительности в профилях пирогенно-перегнойного (I) и пирогенно-песчаного (II) образований. Уровень грунтовых вод (I) - 40, (II) - ПО см. (Доверительный интервал для п=3, при уровне значимости а=0,05) естественных сенокосов практически исключено. В этом случае необходимы предварительные работы по повышению плодородия этих минеральных субстратов.
Для оценки массы корней послойно отбирали монолиты по мощности горизонта площадью 20x20 см с последующей отмывкой и разделением живой массы корней от мертвой. Наше заключение о начале формирования гумусового горизонта на пирогенно-псрегнойных образованиях подтверждают полученные данные (рис. 19). Корневые системы растений, активно воздействуя на зольный горизонт, создают условия для аккумуляции органического вещества. Это в свою очередь способствует повышению жизнедеятельности микроорганизмов, увеличению живой массы корней и проявлению процесса первичного почвообразования. В верхнем горизонте пирогешю-перегнойных образований (рис. 19) наблюдается преобладание массы живых корней (28,3 ц/га) над массой мертвых (6,3 ц/га) в слое 0-3 см. В этом слое четко проявляется дерновый процесс. Свидетельством последнего является образование рыхлой маломощной дернины (1-2 см). В слое 0-3 см пирогенно-песчаных образований (рис. 19) наблюдается преобладание массы мертвых корней (34,3 ц/га) над массой живых (11,0 ц/га). 6.3. Дыхание пирогенных образований и ферментативная активность
Для сравнительной оценки биологической активности пирогенных образований были предприняты исследования актуальной активности дыхания в полевых условиях и ферментативной активности горизонтов пирогенных образований.
В целом интенсивность дыхания пирогенных образований существенно ниже исходных осушенных торфяных почв (рис. 20). При этом самые низкие величины эмиссии наблюдали на вариантах пирогенно-песчаных образований (33,5-43,1 мг СО м2 час), а более высокие - на пирогешю-перегнойных (48,3-94,1 мг СС /м час). Однако для определения динамики актуальной эмиссии углекислого газа па пирогенных образованиях необходимо проводить более подробные и долгосрочные исследования. 2004 г. (Среднее арифметическое и стандартное отклонение для п=3)
Показатели ферментативной активности свидетельствуют о наличии аналогичной закономерности (табл. 10). Минимальные значения активностей основных ферментов наблюдаются в горизонтах пирогенно-песчаных образований, которые убывают вниз по профилю. По шкале оценки биологической активности Д.Г. Звягинцева (1991) пирогенно-песчаные образования попадают в категорию очень бедных почв. Показатели активности каталазы не поднимаются выше 1,1 мл (V мин, инвертазы - 1,25 мг глюкозы, а уреазы - 0,5 мг NH3 на 1 г почвы (табл. 10). Величины активности каталазы, инвертазы и уреазы в горизонтах пирогенно-перегнойных образований также находятся в категории бедных или очень бедных почв. Все изученные показатели ферментативной активности на контрольном участке торфяных почв в среднем на порядок выше.
Резюмируя изложенные вопросы развития растительных сообществ и оценки биологической активности пирогенных образований необходимо подчеркнуть следующее. Поселение растительности на пирогенных образованиях начинается после выноса щелочных элементов из их поверхностных горизонтов. Ареалы пирогенно-перегнойных образований отличаются максимальным разнообразием пионерной растительности и формированием вейниковых ассоциаций; пирогенно-песчаные образования заселяются преимущественно полынными сообществами. Указанные сукцессии впоследствии переходят в разнотравные с преобладанием водных и болотных эколого-ценотических групп.
