Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 10
1.1. Основные магнитные свойства вещества 10
1.2. Магнитные свойства твердой фазы почв 17
1.3. Образование и распространение оксидов железа в почвах 22
1.4. Опыт применения магнитной восприимчивости почв в практическом почвоведении 29
1.5. Современное состояние вопроса о связи магнитной восприимчивости почв с другими свойствами почв 36
2. Природные условия, объекты и методы исследований 45
2.1. Природные условия почвообразования, объекты исследований 46
2.2. Методы исследований 60
2.2.1. Отбор почвенных проб 60
2.2.2. Измерение магнитных характеристик почв 61
2.2.3. Составление выборок почв для изучения пространственного варьирования магнитной восприимчивости почв 64
2.2.4. Методы аналитических исследований 65
3. Оценка почв разного гранулометрического состава по их магнитной восприимчивости 68
3.1. Магнитная восприимчивость фракций механических эле ментов почв 68
3.2. Распространение оксидов железа в почвах и илистых фрак циях почв 78
3.3. Связь магнитной восприимчивости почв с их гранулометрическим составом 83
3.4. Группировка почв разного гранулометрического состава по их магнитной восприимчивости 86
4. Оценка состояния подвижных форм соединений железа в почвах Среднего Предуралья по показателю их магнитной восприимчивости 91
4.1. Формы соединений железа в почвах 92
4.2. Магнитная восприимчивость подвижных форм соединений железа в почвах, извлекаемых методом химического фракционирования 101
5. Оценка структурного состояния почв по показателю их маг нитной восприимчивости 118
5.1. Магнитная восприимчивость воздушно-сухих и водопрочных агрегатов почв 118
5.2. Магнитная восприимчивость кальций-гуматных и железогуматных микроагрегатов почв 123
6. Связь магнитной восприимчивости почв с их агрохимиче скими свойствами 130
6.1. Корреляционные связи магнитной восприимчивости почвс их агрохимическими свойствами 130
6.2. Взаимосвязь пространственного варьирования магнитной восприимчивости и агрохимических свойств почв 146
7. Оценка качественного состояния почв по показателю их магнитной восприимчивости 156
7.1. Изменение магнитной восприимчивости и форм железа лесных почв в результате их освоения и окультуривания 156
7.1.1. Исследование показателей магнитной восприимчивости лесных почв при их освоении под пашню 156
7.1.2. Магнитная восприимчивость дерново-среднеподзолистой среднесуглинистой почвы разной степени окультуренности 159
7.3. Группировка по магнитной восприимчивости дерновоподзолистых суглинистых почв разной степени окультуренности 162
7.4. Связь показателей магнитной восприимчивости почв с баллом их бонитета 164
Общие выводы 169
- Магнитные свойства твердой фазы почв
- Методы исследований
- Магнитная восприимчивость подвижных форм соединений железа в почвах, извлекаемых методом химического фракционирования
- Взаимосвязь пространственного варьирования магнитной восприимчивости и агрохимических свойств почв
Введение к работе
В современный период развития нашего общества одной из актуальных проблем является обеспечение населения страны продуктами питания. Решение этой сложной проблемы невозможно осуществить без эффективного использования земель. Эффективное использование земель в большой мере зависит от познания их общего агроэкологического состояния. ВИ. Кирюшин [123], И. Н. Росновский [205], О. Г. Иванова [99], Н, Ф. Ганжара [73], В И. Башкин, И. О. Головина [26], И. Я. Копысов [136] и другие рекомендуют общее агроэкологическое состояние почвы характеризовать через совокупность частных агроэкологических состояний: физических, химических, физико-химических, биологических и др. Каждому частному агроэкологическому состоянию характерна своя группа наиболее существенных свойств почв, агро-экологическая оценка которых представляет достаточно емкую работу. В этой связи, выявление новых объективных и легко определяемых диагностических показателей агроэкологической оценки свойств почв является актуальной задачей почвоведения. Магнитная восприимчивость почв является одним из таких диагностических показателей.
Несмотря на обилие работ в области исследования показателей магнитной восприимчивости почв в практическом почвоведении [15, 17-19, 22, 32-34, 37, 39, 44, 46-47, 51, 53, 54, 56, 58, 59, 63- 6В, 104, 106, 112, 143, 148, 153, 154, 156, 159, 164, 186, 206-208, 216, 218, 243, 265, 285, 286, 296-298 и др.], вопрос об их использовании для агроэкологической оценки почв является наименее исследованным.
Предпосылкой для наших исследований явились имеющиеся в литературе сведения о влиянии кислотно-основных, окислительно-восстановитель -ных и других условий почвенного плодородия, а также факторов обусловливающих эти условия, на педогенный синтез сильномагнитных соединений же-
леза ответственных за магнитную восприимчивость почв [17, 51, 54, 58, 63, 64,66,68,75, 161, 180 и др.].
Основной целью проводимых исследований было выявить связи между магнитной восприимчивостью почв Среднего Предуралья и другими их свойствами и на этой основе обосновать возможность использования ее показателей в агроэкологической оценке почв.
В задачи исследований входило:
Изучить магнитную восприимчивость почв разного гранулометрического состава.
Исследовать магнитную восприимчивость форм соединений железа, выделяемых методом химического фракционирования с последующим использованием показателей магнитной восприимчивости для диагностики состояния подвижных форм соединений железа в почвах.
Изучить магнитную восприимчивость структурных агрегатов почв и возможность использования ее в качестве показателя агроэкологической оценки структурного состояния почв
Выявить корреляционные связи магнитной восприимчивости почв с их агрохимическими свойствами для последующего применения этих связей в оценке качественного состояния почв.
Изучить особенности взаимосвязи пространственной вариации магнитной восприимчивости почв с их агрохимическими свойствами для оценки агрономической однородности земель.
В работе выявлены и проанализированы закономерности связи магнитной восприимчивости почв с их гранулометрическим составом, структурным состоянием, а также агрохимическими свойствами. Дано обоснование использования магнитометрического метода для оценки кислотно-основного состояния почв (А.с. № 1269662), а также качественной оценки (бонитировки) дерново-подзолистых суглинистых почв (А.с. № 1760447). Установлены
различия в магнитной восприимчивости почв разной степени окультуренно-сти. Дана сравнительная оценка варьирования магнитной восприимчивости и агрохимических свойств почв. Рассмотрена роль форм соединений железа, выделяемых методом химического фракционирования в формировании магнитной восприимчивости исследуемых почв. Исследования в условиях Среднего Предуралья проведены впервые.
Практическая значимость исследований заключается в том, что установленные в работе связи величин магнитной восприимчивости почв с другими свойствами почв и общая методология использования магнитной восприимчивости почв в качестве показателя агроэкологической оценки свойств почв явились основой для написания рекомендаций по применению магнитометрических методов в диагностике почв [165, 204]. Результаты исследований используются в учебных, научных и производственных учреждениях: Ижевской государственной сельскохозяйственной академии, Удмуртском госуниверситете - в научных и учебных целях; Уральском государственном научно-исследовательском и проектно-изыскательском институте по землеустройству (УралНИИгипрозем), Удмуртском филиале института "Урал НИИгипрозем" - для диагностики почв; В Республиканском центре агрохимической службы "Удмуртский", в Удмуртском государственном научно-исследовательском институте сельского хозяйства при выполнении научных работ. Излагаемые в работе материалы нашли отражение в учебнике "Почвоведение с основами геологии" (авторы: В. П. Ковриго, И. С Кауричев, Л. М. Бурлакова, 2000).
На защиту выносятся следующие положения:
1. На основе закономерностей связи величин магнитной восприимчивости почв с другими их свойствами возможно использование показателей магнитной восприимчивости почв, как компонента экологической среды, в комплексной агроэкологической характеристике земель.
Диагностирование форм соединений железа в почвах можно осуществлять на основе совместного применения метода их химического фракционирования и метода магнитных измерений.
Установленное различие в магнитной восприимчивости качественно неоднородных структурных агрегатов почв позволяет применять показатели магнитной восприимчивости в изучении агрегатного состояния почв.
Корреляционные связи гранулометрического состава и агрохимических показателей почв с их магнитной восприимчивостью позволяют использовать показатели магнитной восприимчивости в характеристике различного уровня плодородия почв и их качественной оценке (бонитировке).
Результаты исследований докладывались на VI, VII, VIII Всесоюзных съездах почвоведов (Тбилиси, 1981, Ташкент, 1985, Новосибирск, 1989), на II, III съездах почвоведов России (Санкт-Петербург, 1996; Суздаль, 2000); региональных конференциях почвоведов, агрохимиков и земледелов Урала и Среднего Поволжья (Ижевск, 1973; Казань 1975); IV научной региональной "Генезис пахотных почв Нечерноземья и регулирование их плодородия путем химизации, мелиорации и агротехнических приемов" (Горький, 1987); первой межвузовской конференции "Современные методы физико-химических исследований и химико-аналитического контроля в сельском хозяйстве (Тюмень, 1984); конференции "Почвенно-агрохимические проблемы земледелия на Урале" (Свердловск, 1986); IV научной конференции почвоведов, агрохимиков и земледелов Волго-Вятского региона (Горький, 1987); научно-производственных конференциях Белорусской СХА (Горки, 1986, 1987); научной конференции "Агрономическая наука - достижения и перспективы" (Киров, 1994); научной конференции "Эколого-агрохимические, технологические аспекты развития земледелия Среднего Поволжья и Урала" (Казань, 1995); ежегодных научных конференциях ИжГСХА (1970-2002), экспонировались в ВВЦ и отмечены медалью "Лауреат ВВЦ" (удостоверение № 53-Н от
30.12,93 г).
Результаты исследований опубликованы в 26 печатных работах, получено два авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы содержащего 307 источников, в том числе 60 на иностранных языках, приложений.
Работа выполнена в Проблемной научно-исследовательской лаборатории магнетизма почв Федерального государственного общеобразовательного учреждения высшего профессионального образования Ижевская ГСХА в период с 1970 по 2000 гг. В диссертации использованы результаты личных исследований автора, а также работы, выполненные при его участии.
Автор искренне благодарит научного руководителя доктора с.-х. наук, профессора В. П. Ковриго, консультанта кандидата ф.-м. наук, профессора А. А. Лукшина за руководство в работе, а также коллектив Проблемной научно-исследовательской лаборатории магнетизма почв в лице Т. П. Ивановой, Н. А. Бусоргиной, Е. А. Панкратовой, О. А. Страдиной и заведующую межкафедральной аналитической лабораторией Л. Ф. Одинцову за оказанную помощь в работе. Автор признателен за консультации при планировании и проведении некоторых экспериментов кандидату биол. наук Т. И Румянцевой, доктору с.-х. наук, профессору А. С. Башкову, кандидатам с.-х. наук, доцентам И. И. Вараксину и Е. Г. Вараксиной, а также доценту В. И. Макарову оказавшему помощь в оформлении работы.
Магнитные свойства твердой фазы почв
Твердая фаза почв и почвообразующих пород состоит из обломков (частиц) первичных и вторичных минералов, органического вещества (гумуса) и органо-минеральных соединений. Минеральная часть составляет 80-90% и более массы почв и только в органогенных почвах снижается до 10% и менее [198]. Чаще всего в почвах и породах встречаются минералы, содержащие кислород, кремний, алюминий и железо, так как эти элементы преобладают в земной коре - 86, 78% [129]. В этой связи, магнитные свойства почв во многом определяются магнетизмом этих минералов. Наиболее распространенными первичными минералами, содержащими указанные выше элементы, в почвах и породах являются кварц, полевые шпаты, амфиболы и пироксены. Чистые кварц и полевые шпаты являются диа-магнетиками (табл. 1), Однако присутствие железа в них может привести к парамагнетизму, причем полевые шпаты более склонны к изоморфным замещениям, чем кварц [161]. Слюды имеют более сложную кристаллохимическую структуру, чем полевые шпаты и кварц и, в отличие от них, могут содержать (особенно три-октаэдрические) значительное количество структурного железа и поэтому, в большинстве своем являются парамагнетиками (табл. 1). Амфиб.олы также содержат большое количество структурного железа (структурная формула амфиболов - R.2[Si40ii](OH)2, где R - ион металла) и являются парамагнитными веществами (табл. 1). Среди вторичных минералов - силикатов наиболее распространены в почвах глинные минералы. Большое значение для почв имеют минералы группы монтмориллонита - АЦЗцОюКОН -пНгО. Природные монтмориллониты имеют в своей структуре множество изоморфных замещений. Кремний в части тетраэдров может быть замещен на А13+ и Fe3+, а алюминий в октаэдрах на Fe3+ и Fe2+ или Mg2 [цит. по 161]. Из-за изоморфных замещений по магнитным свойствам природные монтмориллониты являются парамагнетиками (табл.1). Глинные минералы каолинитов ой группы также широко распространены в почвах. Природные каолиниты менее склонны к изоморфным замещениям, чем монтмориллониты [161]. Стехнометрический каолинит является диамагнетиком (табл.1). Среди оксидов железа для магнетизма почв большой интерес представляют магнетит и маггемит. Магнетит (FQ3O4) имеет кристаллическую структуру кубической системы [210], Магнитные свойства магнетита определяются косвенным обменным взаимодействием ионов железа, находящихся в ок-таэдрических и тетраэдр ических позициях [цит. по 161]. Магнетит проявляет ферримагнитные свойства и имеет максимальную среди оксидов железа магнитную восприимчивость (табл.1). Маггемит (YF2O3) имеет кубическую структуру шпинели.
Его магнитная восприимчивость изменяется почти в тех же пределах, что и у магнетита. Относится к ферримагнетикам (табл.1). Маггемит является термически неустойчивым, при повышении температуры до 275 С необратимо переходит в устойчивую разновидность а - гематит [79]. Среди простых оксидов железа в почве наиболее распространены гематит (аРегОз), имеющий ромбическую кристаллическую решетку. Магнитное упорядочение в гематите сложное. Катион-катионные взаимодействия носят антиферромагнитный характер [161]. Магнитная восприимчивость гематита изменяется в зависимости от размера его зерен. Гетит (aFeOOH) и лепидокрокит (yFeOOH) являются наиболее распространенными в природе полиморфными модификациями FeOOH [161]. Гетит минерал ромбической кристаллической структуры. Имеет широкий диапазон магнитной восприимчивости (табл.1), который обусловлен изменчивостью его состава. Гетит представляет собой антиферромагнетик [161]. Лепидокрокит имеет кристаллическую ромбическую структуру. Магнитные свойства лепидокрокита изучены недостаточно. Однако показано, что лепидокрокит относится к антиферромагнетикам (табл.1). В почвах и породах встречается 6 - модификация FeOOH (фероксигит). Фероксигит минерал гексагональной кристаллической структуры. Фероксигит - ферримагнетик. Он относится к термодинамически нестабильным соединениям железа. В последнее время в почвах найден ферригидрит (5є20у9Н20) [66]. По структуре ферригидрит напоминает гематит [94]. Относится к ферриманети-кам (табл.1). И. И. Вараксин [40], В.П. Ковриго [128] исследовали минералогический состав дерново-подзолистых, серых лесных и дерново-карбонатных почв Удмуртской Республики. Они установили, что в почвах республики наиболее распространены из диамагнетиков кварц и полевые шпаты. Значительно меньше содержится плагиоклазов. Из глинных минералов, по магнитным свойствам являющимся диамагнетиком, встречается каолинит. Представителями парамагнетиков в почвах Удмуртии являются эпидот, роговая обманка, гранат, из глинных минералов - монтмориллонит и гидрослюды. Встречается турмалин. Большой интерес представляют исследования магнитных свойств органического вещества почв. По своей природе органические вещества являются диамагнитными. Однако их способность образовывать различные соединения с железом приводит к парамагнетизму последних. Исходя из строения и магнетизма атомов и атомных группировок, входящих в их структуру, очищенные гуминовые и фульвокислоты должны обладать диамагнитными свойствами. Однако в почве гумусовые вещества, как правило, содержат большое количество парамагнитных ионов (Fe, Мп и др.), а также свободные радикалы, которые также вносят вклад в парамагнетизм. В зависимости от содержания парамагнитных ионов магнитная восприимчивость ПК и ФК изменяется от диамагнитной от -0,48 Ю"6 смэ/г до парамагнитной 12,0-Ю"6 см3/г [них по 161]. А. А. Лукшин, Т, И. Румянцева [154,155] изучали характер намагничивания почвенных проб основных типов почв Удмуртской Республики. Исследовался он путем снятия гистерезисных петель. Было установлено, что гисте-резисный характер намагничивания почвенных проб наблюдается почти у всех почв, и наиболее ярко выражен в верхних горизонтах гумусовых горизонтах. Что же касается нижележащих почвенных горизонтов, то гистерезис-ная петля, как правило, постепенно сужается, иногда вырождаясь в прямую (рис. 4).
На основании этого было сделано заключение о том, что магнитные свойства почв Удмуртии имеют ферромагнитную природу. Таким образом, магнитная восприимчивость почв и пород является суммарным показателем магнитных свойств минералов и веществ составляющих почвы. Как видно из таблицы 1, наибольшей величиной х характеризуются оксиды и гидрооксиды железа, которые по ее величине располагаются в ряд: магнетит маггемит фероксигит гетит гематит лепидокрокит ферригидрит. От содержания этих минералов, хотя их в почвах содержится мало, и будет зависеть величина ее магнитной восприимчивости. В связи с этим, в следующем разделе главы подробнее остановимся на условиях их образования и распространения в почвах. Магнетит. По мнению Ф. В. Чухрова с соавт. [75] магнетит в зоне ги- пергенеза синтезируется из солей двух и трехвалентного железа в растворах с щелочной реакцией. Быстрое окисление FeC03 и Ре(НС03)г, содержащихся в почве, приводит к образованию лепидокрокита, а более медленное - к синте зу магнетита. Кинетика окисления зависит от реакции. Щелочная реакция особенно благоприятна для образования магнетита, так как в ней тормозится окисление Fe2+ вследствие уменьшения диссоциации соли. Ю. Н. Водяниц- кий [51] считает, что в почвах возможен и другой путь синтеза магнетита. При деструкции железо-органических комплексов (комплексно- гетерополярных солей по А. Н. Александровой) высвобождаются ионы желе- за. Реагируя с недоокисленными фрагментами гумусовых кислот, Fe3+ частично редуцируется до Fe2+. В условиях окислительного режима при участии этих ионов синтезируется магнетит. ЮН, Водяницкий [50] экспериментально показал, что образование магнетита происходит в период от увлажнения к иссушению. Автором отмечено, что в этот период возможны два варианта образования магнетита в почве: 1) из слабомагнитных минералов гематита или гетита с использованием энергии, выделяющейся при распаде органического вещества; 2) спонтанное образование магнетита с участием Fe(OH)2. В. Ф. Бабанин с соавт. [20] и И. Н. Глебова [76] выдвинули гипотезу о биогенном происхождении магнетита в гумусовых горизонтах и лесной подстилке почв Европейской части России в виде сферических частиц диаметром 1-100 мкн. Некоторые исследователи считают, что магнетит может поступать в почву извне. Существует космическая, техногенная и магматическая гипотезы происхождения магнетита в верхних слоях почвы [209]. По-видимому, магнетит может образовываться разными путями, ведущая роль которых зависит от ряда факторов: климата, географической широты, близости индустриальных центров и т. д. В почвах встречается как литогенный, так и педогенный магнетит. Характерный вид в почве магнетита первичного происхождения - черные прозрачные зерна неправильной формы, реже в виде октаэдров [193].
Методы исследований
Пробы почв для анализов отбирали из почвенных разрезов по генетическим горизонтам. Разрезы закладывали до такой глубины, чтобы вскрыть верхние горизонты материнской породы. Такие разрезы служили для специального детального изучения связи магнитной восприимчивости почв с их агрофизическими и агрохимическими свойствами по профилю почв. При определении места закладки почвенных разрезов учитывались особенности почвенного покрова местности, характер растительности, рельефа, гидрологических условий и особенности земледельческой деятельности человека. Кроме того, для выполнения ряда исследований закладывались прикопки и были взяты пробы почв из их гумусовых горизонтов. Все работы по сбору почвенных проб, их хранению и подготовке к анализу выполнялись в соответствии с методическими указаниями и рекомендациями, которые являются общепринятыми при работе с почвенными пробами [189, 200]. В работе использована номенклатура и диагностика почв, принятые в УралНИИГипроземе при крупномасштабном картографировании. Большая часть проб почв для исследований собрана сотрудниками Проблемной научно-исследовательской лаборатории магнетизма почв с нашим участием, некоторое количество проб любезно предоставили Удмуртское отделение института УралНИИгипрозем и доктор сельскохозяйственных наук, профессор М. Ф. Кузнецов. 2.2.1. Измерение магнитных характеристик почв Для измерения магнитной восприимчивости почв использовали приборы: ИМВ-2 (измеритель магнитной восприимчивости почв), астатический магнитометр Долгинова и ИГЖ-2 (индукционный полевой каппаметр). Измеритель магнитной восприимчивости ИМВ-2 применяли для измерения магнитной восприимчивости всех горизонтов почв, как в полевых, так и в лабораторных условиях. Принцип действия прибора ИМВ-2 приведен в приложении 8. В лабораторных условиях при измерении магнитной восприимчивости почв прибором ИМВ-2 использовали методику, разработанную А. А. Лукшиным, Т. И. Румянцевой, В. П. Ковриго [156],. С нашим участием разработана методика измерения магнитной восприимчивости почв прибором ИМВ-2 в полевых условиях (описание методики приведено в прил. 9). Сущность методики заключается в том, что для получения среднего арифметического ае при р = 0,95 необходимо провести ее измерение по четырем стенкам горизонта в трехкратной повторности. Для измерения магнитной восприимчивости почвенных проб малых объемов в лабораторных условиях применяли астатический магнитометр Долгинова.
Принцип действия прибора приведен в приложении 10. Индукционный полевой каппаметр ИПК-2 производства Опытного производственно-технического предприятия Уралметаллургавтоматика использовался для измерения магнитной восприимчивости почв в полевых и лабораторных условиях. Каппаметр ИПК-2 прошел испытания, с нашим участием, в Проблемной научно-исследовательской лаборатории магнетизма почв Ижевской государственной сельскохозяйственной академии и рекомендован для измерения магнитной восприимчивости всех горизонтов почв в полевых и лабораторных условиях. Методика измерения магнитной восприимчивости почв прибором ИПК-2 приведена в приложении 11. Магнитная восприимчивость (ае) в Международной системе единиц (СИ) - безразмерная величина. Она измеряется в СИ единицах (ед. СИ). Ранее использовали Гауссовую систему единиц СГСМ, где магнитная восприимчивость приводилась в СГСМ - единицах (ед. СГСМ) [234]. Соотношение между этими единицами магнитной восприимчивости равно 4и(12,56): 1 ед, СГСМ = 12,56 ед. СИ. Удельная магнитная восприимчивость (х) в Международной системе единиц имеет размерность в м3/кг. В Гауссовой системе единиц % измеряется в СГСМ - единицах (ед. СГСМ). Соотношение между этими единицами удельной магнитной восприимчивости равно 4п10 3 (12,56-10"3): 1 ед. СГСМ =12,56-10 3 м3/кг. Определение величины удельной магнитной восприимчивости форм соединений железа извлекаемых реактивом Тамма или Мера-Джексон а, проводили с использованием формулы [244]: Хп" m где Хп удельная магнитная восприимчивость пробы почвы; x j и Шф - соответственно удельная магнитная восприимчивость и масса ферромагнитных включений; Xi и mi - удельная магнитная восприимчивость и масса диа- и парамагнитного остатка; m - масса пробы почвы. Обозначив через хп некоторое среднее значение по всем ХІ И учитывая, что mi » m » Шф, получили Хп=Х„+ХфС! (4) где С - весовая концентрация. Применительно к нашему случаю (11) будет иметь следующий вид: Хп = Хг - + Хп.о, \- ) отсюда _ Хп Хіш. /І:\ где XFe - величина удельной магнитной восприимчивости форм соединений железа, извлекаемых реактивом Тамма или Мер а-Джексона; %п - удельная магнитная восприимчивость почвы; Хао. - удельная магнитная восприимчивость пробы почвы, оставшейся после обработки ее реактивом Тамма или Мера-Джексона; С - весовая концентрация форм соединений железа, извлекаемых реактивом Тамма или Мера-Джексона. Приводим величину магнитной восприимчивости форм соединений железа к 100% этих форм: %\№. Для диагностики оксидов и гидрооксидов железа в исследуемых почвах использовали метод нормального намагничивания [23, 24, 25, 58], суть которого состоит в том, что на кривых зависимости остаточной намагниченности от напряженности магнитного поля 1Г(Н) выделяют участки роста 1г и поля насыщения отдельных магнитных фаз, количественно характеризующих магнитные минералы. Анализ кривых 1Г(Н) позволяет различать вклад в намагниченность почвенной пробы, содержащихся в ней минералов различной магнитной жесткости, Различают магнитомягкие и магнитожесткие минералы, исходя из того принципа, что после насыщения магнитомягкие минералы прекращают вносить вклад в увеличение 1г и дальнейшее приращение намагниченности приходится на магнитожесткие минералы, которая растет линейно.
Граница между ними - точка, где заканчивается криволинейный участок и начинается медленный прямолинейный рост намагниченности. Эту точку определяли по пересечению касательных к двум характерным частям кривой. Содержащиеся в почвах минералы - магнетит и маггемит на кривых 1Г(Н) выделяются тем, что насыщение их остаточной намагниченности происходит в сравнительно низких полях - у магнетита менее 80-103 А/м (1000 Э), у маггемита (95-105)103 А/м (1200-1300 Э). В отличие от них насыщение остаточной намагниченности магнитожестких минералов - в почвах это гетит, гематит и др. - не достигается даже в полях 557 103 А/м (7000 Э) и более. В тоже время остаточной намагниченностью обладают только ферромагнитные частицы с размером выше критического. Для магнетита-маггемита это частицы крупнее 30 нм. Подготовку образцов для измерения 1Г(Н) проводили следующим образом. Почвенные пробы смешивали с гипсом и в специальных формах изготовляли кубики с ребром 24 мм. Затем у образцов измеряли остаточную намагниченность. Первое намагничивание образца осуществляли при напряженности магнитного поля Н = 32-Ю3 А/м, второе при Н = 64-Ю3 А/м. Намагничивание образцов в магнитном поле проводили на баллистической установке БУ-3. Дальнейшее намагничивание проводили ступенчато с шагом 8-Ю3 А/м до Н = 119-Ю3 А/м и с шагом 80-Ю3 А/м и до Н = 557-Ю3 А/м. Остаточную намагниченность определяли на измерителе остаточной намагниченности ИОН-1 и астатическом магнитометре МА-21. 2.2.2. Составление выборок почв для изучения пространственного варьирования магнитной восприимчивости почв Изучение связи варьирования магнитной восприимчивости почв с варьированием их агрохимических свойств при изменении шага опробования провели на поле площадью 14 га (почва дерново-среднеподзолистая средне-суглинистая). С этой целью поле разбили на сетку квадратов со стороной 100 м. Внутри одного из стометровых квадратов разбили сетку квадратов со стороной 25 м. Наконец, один из двадцатипятиметровых квадратов разбили на квадраты со стороной 5 м. В центре каждого квадрата заложили прикопку и взяли единичные пробы почв Для изучения связи варьирования магнитной восприимчивости почв с варьированием их агрохимических свойств составлены следующие выборки. В состав первой выборки вошли дерново-подзолистые почвы. Первую группу почв данной выборки составили почвы, расположенные в северной части Удмуртской Республики (Красногорский район), вторую - почвы, расположенные в южной части республики (Граховский район). Количество взятых проб почвы - 27 в каждой группе.
Магнитная восприимчивость подвижных форм соединений железа в почвах, извлекаемых методом химического фракционирования
В данном разделе главы рассматривается магнитная восприимчивость соединений железа извлекаемых реактивами Мера-Джексона и Тамма. Метод исследований состоял в следующем. В исходной пробе почвы измеряли удельную магнитную восприимчивость на астатическом магнитометре Дол-гинова. Затем навеску почвы обрабатывали реактивом Тамма на свету. Параллельную навеску почвы обрабатывали дитионит-цитрат-бикарбонатом по Мера-Джексону. В обработанных пробах почв измеряли удельную магнитную восприимчивость. Результаты измерений представлены в приложении 15 (столбцы 3,4). Разница между величинами х почвы и % образца почвы оставшегося после обработки его реактивом Мера-Джексона составила величину % почвы, обусловленную дитионитрастворимыми (свободными) формами железа. Разница между величинами % почвы и х образца почвы оставшегося после обработки его реактивом Тамма составила величину х почвы, обусловленную оксалатрастворимыми (аморфным и+слабоокристаллизованными) формами железа. Для расчета величины магнитной восприимчивости соединений железа извлекаемых реактивами Мера-Джексона и Тамма использовали формулу предложенную Л. Е. Шолпо [244] (см. гл. 2. 2), Данные по профильному распределению магнитной восприимчивости исследуемых почв, а также по профильному распределению магнитной восприимчивости форм соединений железа извлекаемых реактивами Мера-Джексона и Тамма приведены в приложении 15. В таблице 12 даны обобщенные сведения: по средневзвешенной (М) (по профилю почв) и профильному распределению (S) магнитной восприимчивости почв, магнитной восприимчивости свободных соединений железа - х(Ред), а также магнитной восприимчивости его сильноокристаллизованных форм - x(Fea-Fec) и аморф-ных+слабоокристаллизованных форм - x(Feo)- Проанализируем профильное распределение величины % почв с профильным распределением долей %, обусловленных оксалат- и дитионитрас-творимыми соединениями железа. На рисунке 9 представлены профильные кривые х исходной пробы почв (кривые 1), профильные кривые % тех же проб почв, оставшихся после обработки их реактивом Мера-Джексона (кривые 2), профильные кривые доли х= обусловленной оксалатрастворимыми формами железа (кривые 3) и профильные кривые доли х, обусловленной дитионитра-створимыми формами железа (кривые 4).
Сопоставление профильных кривых 1,2,3,4 показало, что для профильной кривой % почв наиболее близким аналогом является профильная кривая доли %, обусловленной дитионитрас-творимыми формами железа. Из этого следует, что на характер изменения магнитной восприимчивости по профилю исследованных почв существенное влияние оказывает содержание в почвах свободных форм соединений железа Необходимо отметить, как характерный факт, что магнитная восприимчивость проб почв после извлечения из них дитионитрастворимых форм железа, оказалась примерно одинаковой и находилась в основном в пределах (15-25)-10"8 м7кг (прил 15 столб 4). Снижение величины % проб почв пахотного горизонта (гор. Ап) складывается примерно из прироста магнитной восприимчивости в ходе почвообразования (разность между величинами j гор Ац и гор. С) и снижения % материнской породы в результате обработки ее реактивом Мера-Джексона (разность между величиной % материнской породы до и после обработки ее реактивом Мера-Джексона). Проиллюстрируем это на примере гор. Ап дерново-карбонатной сильновыщелоченной почвы (разр. 76). Уменьшение величины х почвы гор Ап после обработки ее реактивом Мера-Джексона составило: (69,7 - 16,3)-10"8 м3/кг = 53,4-10"8 м3/кг. (14) Прирост восприимчивости в ходе почвообразования составил: (69,7-21,2)Т0 м3/кг = 48,5Т0 8м7/кг. (15) Снижение величины х материнской породы в результате обработки ее реактивом Мера-Джексона равно: (21,2-14,7)-i0"SMVKr = 6,5-10"8M-VKr. (16) Из приведенных вычисленных данных видно, что сумма значений % полученных в (15) и (16), близка к значению х, полученной в (14) Таким образом, снижение величины % пробы почвы гор. Ап после обработки ее реактивом Мера-Джексона составило 53,4-10"8 м3/кг. То есть, оно складывается, примерно, из прироста магнитной восприимчивости в ходе почвообразования, а также снижения восприимчивости материнской породы в результате обработки ее реактивом Мера-Джексона (48,5+6,5)-10 м3/кг. Следовательно, реактив Мера-Джексона практически растворяет все соединения железа, образовавшиеся в ходе почвообразовательного процесса. Максимальное снижение величины % почв после обработки их реактивом Мера-Джексона отмечено у дерново-карбонатных почв, дерново-слабоподзолистой (разр. 2) и дерново-среднеподзолистой (разр. 20} почв Как видно из данных приложения 14 и таблицы 12 магнитная восприимчивость соединений железа, выделенных в результате химического фракционирования почв реактивами Тамма и Мера-Джексона, различная. Среди свободных соединений железа наименьшими значениями магнитной восприимчивости характеризуются сильноокристаллизованные его формы, Магнитные сильноокристаллизованные формы соединений железа накапливаются в поверхностных слоях у всех изученных автоморфных почв, на это указывает показатель S x(Fej-Fe0) 0,5. В наибольшей степени это относится к дерново-слабоподзолистой суглинистой (разр. 2), дерново-сильноподзолистой супесчаной (разр. 13) и дерново-карбонатным почвам (разр. 76, 82), где распределение магнитной восприимчивости сильноокристаллизованных соединений железа носит сильноаккумулятивный характер: Sx(Fea-Fe„) 0,66 (табл. 12). Как интересную особенность следует отметить, что важнейшим показателем, определяющим накопление сильноокристаллизованных магнитных соединений железа в верхней части почвенного профиля дерново-карбонатных почв, является глубина залегания карбонатов, с которой тесно связаны степень выщелоченности и оподзоленности.
В соответствии с этим аккумуляция сильноокристаллизованных соединений железа в дерново-карбонатных почвах убывает с увеличением глубины залегания карбонатов: S(FeA-Fe0) от 0,70 в типичной до 0,62 в оподзоленной. мой средней корреляции, где г = 0,687 (достоверен на 0,05 уровне значимости). Для величины x(Fea-Fe0) гор, Ап и Sx(FeA-Fe0) связь еще теснее г - 0,729 (г достоверен на 0,01 уровне значимости). Следовательно, чем выше величина х сильноокристаллизованных соединений железа в профиле почв, тем активнее они накапливаются в гумусовых горизонтах. Что же касается магнитной восприимчивости сильноокристаллизованных форм соединений железа, то она чаще не превышает 10 10"6 м3/кг. В этих пределах находится величина восприимчивости у гематита, гетита, лепидокрокита, ферри гидр ига. Отсутствие накопления сильноокристаллизованных магнитных соединений железа отмечено у болотной низинной торфяно-перегнойной почвы (разр. 77): Sx(Fe FeH) = 0,35. У данной почвы и самая низкая величина % сильноокристаллизованных соединений железа Мх(Ред-Ре0) = 1,2-10"6 м3/кг. Болотная низинная торфяно-перегнойная почва расположена в притеррасной пойме реки, где наблюдается болотный подтип водного режима, отрицательно влияющий на кристаллизацию магнитных оксидов железа. Распределение величины х аморфных+слабоокристаллизованных соединений железа также имеет различный характер. Наиболее высокой величиной показателя аккумулятивности величины x(Fe0) соединений железа отличаются дерново-карбонатные почвы. Наличие карбонатов на небольшой глубине способствует аккумуляции оксалатрастворимых магнитных соединений железа в верхних горизонтах. При этом, чем ближе залегают карбонаты к поверхности, тем интенсивнее накапливаются магнитные оксалатрас-творимые соединения железа в почве. Так, показатель аккумулятивности S(Fe0) в дерново-карбонатной типичной, сильновыщелоченной и оподзолен-ной почвах составляет: 0,68;0,66;0,61 соответственно Аналогичная зависимость отмечена и для средневзвешенной величины % оксалатрастворимого железа в профиле почв (62,9;38,1;34,1)-106 м3/кг. Несколько ниже показатель аккумулятивности x(Feo) для дерново-слабо- и среднеподзолистых суглинистых почв (разр. 2, 1, 20), дерново-сильноподзолистой супесчаной почвы: Sx(Fe0) = 0,51-0,58.
Взаимосвязь пространственного варьирования магнитной восприимчивости и агрохимических свойств почв
Изучение связи варьирования магнитной восприимчивости почв с варьированием их агрохимических свойств проведено с целью выяснения возможности использования магнитной восприимчивости для определения однородности почв по плодородию. В настоящее время однородность почв по плодородию устанавливается путем многократного отбора проб почв и анализа их агрохимических свойств. Известен другой путь определения однородности почв по плодородию - проведение разведочно-уравнительных посевов с дробным учетом урожая на всей исследуемой площади [247]. Трудоемкость подобных подходов порой становится существенным препятствием при изучении однородности плодородия почв. Изучение связи пространственного варьирования магнитной восприимчивости почв с пространственным варьированием их агрохимических свойств провели в нескольких аспектах. Первый заключался в исследовании связи варьирования магнитной восприимчивости почв с варьированием их агрохимических свойств при изменении шага опробования. На рис. 16 показано изменение коэффициентов вариации величин %t рНксі, содержания гумуса и обменного К20 у дерново-среднеподзолистой почвы при изменении шага опробования. Кривые показывают, что вариация величин %, рНксь содержания гумуса и обменного К2О зависит от величины шага опробования. Вариация величины рНксі при увеличении расстояния между изученными свойствами от 5 до 25 м возросла, но очень слабо. При увеличении расстояния между точками до 100 м, коэффициент вариации возрастает резко. Коэффициенты вариации гумуса при увеличении расстояния между точками растут значительно быстрее. Рост коэффициентов вариации гумуса отчетливо заметен и при увеличении шага опробования от 5 до 25 м. Также наблюдается подобная форма кривой коэффициента вариации величины магнитной восприимчиво- сти - коэффициент вариации, которой увеличивается при увеличении расстояния между точками от 5 до 25 м, увеличивается и при дальнейшем увеличении расстояния. Кривая вариации содержания обменного КгО обнаруживает ту же тенденцию, но значительно более выраженную. Таким образом, на рассматриваемой территории варьирование магнитной восприимчивости почв связано с варьированием их агрохимических свойств, причем это явление проявляется уже на расстоянии 5 м.
Второй аспект состоял в сравнении коэффициентов вариации магнитной восприимчивости почв с коэффициентами вариации агрохимических свойств у почв различных выборок. На рис. 17 представлена изменчивость абсолютных величин %} а также агрохимических свойств почв внутри отдельных групп дерново-подзолистых почв. Границы разнородности 2-х групп почв этой выборки очерчены широтным расположением почв. В тоже время почвы внутри каждой группы различаются по гранулометрическому составу, степени оподзоленности и материнской породе. Так разнородность выборки явилась по нашему мнению, ее достоинством, т. к. позволила на первом этапе исследований установить общие закономерности связи, относящиеся к генеральной совокупности в целом. Из рисунка видно, что у дерново-подзолистых почв Красногорского района коэффициенты вариации агрохимических свойств выше, чем у аналогичной группы почв Граховского района. Соответственно изменяются и коэффициенты вариации величины %. У группы почв Красногорского района он составил 66,8%, а Граховского - 44,7%. Вторую выборку составили дерново-среднеподзолистые среднесугли-нистые почвы границы разнородности которых очерчены расположением почв. Внутри каждой группы данной выборки почвы качественно однородны по степени оподзоленности и гранулометрическому составу. Как видно из рис. 18, у дерново-среднеподзолистых среднесуглинистых почв группы I вариация величины % несколько ниже, чем у аналогичных почв группы II. Подобные закономерности изменения вариации отмечены и для степени насыщенности основаниями, суммы обменных оснований и содержания подвижного Р205 и обменного К20. Коэффициенты вариации величины рНксі практически одинаковы у обеих групп. Что же касается коэффициентов вариации гидролитической кислотности, то, он значительно выше у почв группы I. Третью выборку сгруппировали из дерново-среднеподзолистых почв. Этим очерчены границы их качественной однородности. В тоже время почвы между группами различались по гранулометрическому составу. В группу 1 были объединены среднесуглинистые почвы, в группу II - легкосуглинистые почвы (рис. 19). При анализе рисунка видно, что коэффициенты вариации величины % группы II данной выборки несколько ниже, чем у почв группы I. Одновременно и ниже вариабельность агрохимических свойств почв, за исключением вариабельности подвижного Р2О5. В состав четвертой выборки вошли участки поля №№ 3 и 5 Границы разнородности участков очерчены расположением почв Внутри выборки почвы качественно однородны по гранулометрическому составу, степени оподзоленности и материнской породе. Такая однородность выборки позволила, по нашему мнению, на заключительном этапе исследований установить общие закономерности, связи, относящиеся к генеральной совокупности в отдельности. Как это видно из рис. 20, самое низкое варьирование величины X наблюдается у участка № 5 , на этом же участке и самая низкая вариабельность агрохимических свойств почв. Исключение составляют коэффициенты вариации содержания гумуса. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что варьирование магнитной восприимчивости почв наиболее тесно связано с варьированием их физико-химических показателей. В меньшей степени варьирование магнитной восприимчивости связано с варьированием свойств почв, характеризующих запасы элементов питания. По-видимому, это вызвано значительной изменчивостью, нестабильностью содержания подвижных элементов питания в почвах. В заключение исследований провели определение однородности плодородия почв по варьированию магнитной восприимчивости на участках полей 1 и 4 учебно-опытного хозяйства Ижевской ГСХА "Июльское". Почва участков дерново-среднеподзолистая, по гранулометрическому составу сред-несуглинистая. Участки были разбиты на квадраты со стороной в 25 м. Квадраты объединялись в делянки, каждая делянка включала 25 квадратов. Измерение магнитной восприимчивости (ве) проводили прибором ИПК-2 в полевых условиях. В табл. 20 представлены вариационные коэффициенты магнитной восприимчивости исследуемых делянок участков полей № 1 и 4.
На участке поля № 1 исследовались на однородность плодородия четыре делянки, на участке поля № 4 - три делянки. Как видно из данных таблицы, на участке поля № 1, к более однородной по плодородию, определенному по варьированию величины магнитной восприимчивости, относится делянка № 3, к более пестрой - делянка № 4. Делянки №№ 1 и 2 занимают промежуточное положение между делянками №№ 3 и 4. В этой же таблице также представлены коэффициенты вариации агрохимических свойств почв. По варьированию большинства агрохимических свойств делянка № 3 также более однородна по плодородию, а делянка № 4 - более пестрая. Делянки №№ 1 и 2 по однородности плодородия, определенного как по варьированию агрохимических свойств, так и по варьированию магнитной восприимчивости занимают промежуточное положение между делянками №№ 3 и 4. Следовательно, делянка № 3 на участке поля № 1 является более однородной по плодородию. На участке поля № 4, делянки по однородности плодородия, определенного по варьированию магнитной восприимчивости почвы располагаются в следующем порядке: делянка № 2 с коэффициентом вариации величины ав- 18%, соответственно делянки №№ 1 и 3 - 24,2% и 32,7%. По варьированию большинства агрохимических показателей делянка № 2 также более однородная по плодородию среди делянок участка 4. Заключение к главе 6 1. Исследована связь магнитной восприимчивости дерново- подзолистых, серых лесных оподзоленных и дерново-карбонатных почв Среднего Предуралья с их агрохимическими свойствами, Установлено, что характер связи обусловлен генетическими особенностями почв, их грануло метрическими составом и степенью проявления дернового и подзолистого процессов. 2. Показано, что в основном, величина магнитной восприимчивости почв находится в тесной корреляционной связи с комплексом их агрохимических свойств. 3. На характер связи магнитной восприимчивости почв с их агрохимическими свойствами по профилю дерново-подзолистых почв Среднего Пре-дуралья значительное влияние оказывает подзолистый процесс.
