Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние изученности вопроса и постановка проблемы 7
Глава II. Объекты, методы и принципы исследований 14
2.1. Объекты исследований 14
2.2. Принципы и методы исследований 18
2.3. Окислительно-восстановительные системы почв техногенных ландшафтов как объект исследований 24
Глава III. Природные условия формирования и развития окислительно-восстановительных систем 30
3.1. Влияние рельефа 31
3.2. Влияние климатических условий 34
3.3. Влияние растительности 37
Глава IV. Характеристика свойств почв, определяющих окислительно-восстановительное состояние 44
4.1. Гидрофизические свойства 45
4.2. Органическое вещество 57
4.3. Кислотность почвенного раствора 64
Глава V. Специфика распределения в почвах фракций восстановленных (окисляемых) веществ
5.1. Валовое количество восстановленных веществ 68
5.2. Фракция трудноокисляемых соединений 68
5.3. Фракция среднеокисляемых соединений 71
5.4. Фракция легкоокисляемых соединений 75
Глава VI. Специфика распределения в почвах фракций окисленных (восстанавливаемых) веществ 83
6.1. Валовое количество окисленных веществ 84
6.2. Фракция трудновосстанавливаемых соединений 87
6.3. Фракция средневосстанавливаемых соединений 90
6.4. Фракция легковосстанавливаемых соединений 93
Выводы 98
Список литературы 100
Приложения 111
- Окислительно-восстановительные системы почв техногенных ландшафтов как объект исследований
- Влияние климатических условий
- Органическое вещество
- Фракция трудноокисляемых соединений
Введение к работе
Ежегодно в Кузбассе на поверхность выносится до 3 миллиардов тонн твердых отходов [Захаров, 2006]. Большую часть этих отходов составляют вскрышные и вмещающие породы, извлекаемые при добыче угля. Если принять во внимание, что 2-3 % этой массы представляют собой органическое вещество (углистые частицы), то объем выносимых на поверхность восстановленных веществ в Кузбассе составит как минимум 60 миллионов тонн в год. На поверхности, попадая в окислительные условия, эти вещества начинают окисляться. Процесс окисления сопровождается образованием новых соединений, способных накапливаться или мигрировать, и, тем самым, осложнять экологическую обстановку в естественных ландшафтах. Площадь территории, подверженной влиянию техногенных ландшафтов, составляет не менее 200 тыс. га [Водолеев, Андроханов, Клековкин, 2007]. Значительная часть таких территорий охватывает речные долины гумидной горно-таежной зоны; здесь сосредоточено до 2/3 объема добычи угля в Кузбассе [Сорокин, 2006].
Для предотвращения экологических последствий, инициированных добычей угля и формированием техногенных ландшафтов, необходимо оценить масштабы процессов окисления и восстановления, найти способы нейтрализации негативных последствий.
Известно, что окислительно-восстановительные системы почв способны к закреплению и детоксикации продуктов окисления. Например, в процессе гумусообразования фенольные вещества способны объединяться в полимеры, сходные по свойствам с гумусовыми кислотами [Bollag, 1983; Cheng, Harper, Lehmann, 1986]. Поскольку окислительные процессы в техногенных ландшафтах протекают одновременно с почвообразованием и, по сути, являются их специфической составной частью, то крайне важной становится необходимость исследования этих явлений одновременно.
Цель исследований. Выявить и оценить особенности процессов преобразования окислительно-восстановительных систем при эволюции эмбриоземов в техногенных ландшафтах Кузбасса.
Задачи исследований:
1. Определить групповой состав окислительно-восстановительных
систем в различных типах эмбриоземов.
2. Установить зависимость между групповым составом окислительно-
восстановительных систем и этапами эволюции эмбриоземов.
3. Выявить условия, определяющие активность и направленность
формирования педогенных окислительно-восстановительных систем в
почвах техногенных ландшафтах.
Научная новизна. Впервые изучено окислительно-восстановительное состояние различных типов почв (эмбриоземов) техногенных ландшафтов. Определена природа и направленность протекающих в эмбриоземах окислительно-восстановительных процессов. Показана их гетерогенность. Выделены 4 типа преобразований (хемогенные, биогенные, литогенные, педогенные) и их переходные варианты. Выявлена специфика внутрипрофильной дифференциации группового состава окислительно-восстановительных систем в различных типах эмбриоземов. Показана связь между этапами эволюции почв и особенностями окислительно-восстановительных процессов.
Защищаемые положения:
1. Формирование педогенных окислительно-восстановительных систем
при почвообразовании протекает поэтапно, сингенетично стадиям эволюции
эмбриоземов.
2. Сущность трансформации компонентов исходной литогенной
окислительно-восстановительной системы в конечную педогенную
заключается в постепенной смене окислительно-восстановительных
процессов одной природы другой.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что применение в экологических целях разработанных в данной работе методов, позволяет оценить окислительно-восстановительное процессы в техногенных ландшафтах как важнейшие параметры, определяющие их почвенно-экологическое состояние, более полно прогнозировать динамику этого состояния в зависимости от разрабатываемой технологии рекультивации.
Апробация работы. Изложенные в работе материалы докладывались на заседаниях совета молодых ученых ИПА СО РАН (Новосибирск 2006, 2008); научной сессии посвященной 40-летию ИПА СО РАН (Новосибирск, 2008), Международной конференции «Экология южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2006), Международной научно-практической конференции «Мировые инновационные технологии восстановления нарушенных и загрязненных земель техногенных регионов» (Кемерово, 2008).
Личный вклад автора. Автором выполнены все полевые и экспериментальные исследования, проанализированы полученные материалы, а также разработаны методы определения фракционного состава окислительных и восстановительных веществ почв. Кроме того, автором предложена типизация окислительно-восстановительных процессов по происхождению.
Благодарности. Автор считает своим долгом выразить благодарность за многочисленные консультации и поддержку, оказанную при выполнении и написании работы, научному руководителю, заведующему лабораторией рекультивации почв ИПА СО РАН доктору биологических наук, профессору В.М. Курачеву, всем сотрудникам лаборатории рекультивации почв за помощь и содействие при выполнении работы. Кроме того, автор признателен за помощь в организации и проведении полевых работ заместителю директора ИПА СО РАН доктору биологических наук В.А. Андроханову.
Окислительно-восстановительные системы почв техногенных ландшафтов как объект исследований
Известно, что процесс почвообразования представляет собой способ преобразования исходного субстрата [Курачев, Кандрашин, Рагим-заде, 1994]. Этот процесс протекает в определенных условиях, называемых факторами почвообразования, и характеризуется глубокой и всесторонней трансформацией состава и свойств почвообразующих пород. При изменении факторов почвообразования преобразуются также и процессы, сопровождающие трансформацию компонентов почвы. Это отражается не только на интенсивности и направленности почвенных процессов, но и на свойствах компонентов почвы и слагающих эти компоненты химических элементов. При этом, в различных условиях, изменение свойств элементов может быть обратимым. Одним из таких свойств является валентность элемента. В почвах содержится достаточно много элементов с переменной валентностью, которые в определенных условиях способны отдавать или присоединять электроны, образуя тем самым окислительно-восстановительные пары. В числе таких пар Fe3+ - Fe2+, Mn2+ - Mn4+, Cu+ -Cu2+, Co2+ - Co3+, N5+ - N3+, S6+ - S2" и другие. Эти пары называют элементарными окислительно-восстановительными системами [Кауричев, Орлов, 1982], в сумме, а также при участии органических веществ они образуют более сложную почвенную окислительно-восстановительную систему. Особенностями этой системы, отличающими ее от других, не почвенных, окислительно-восстановительных систем являются сложность компонентного состава этой системы и неоднородность протекающих в ней процессов, не только по направленности, но и по природе.
Сложность компонентного состава почвенных окислительно-восстановительных систем заключается в том, что соединения, входящие в их состав, неодинаковы по устойчивости к окислению или восстановлению. Причем эти вещества могут переходить из одних фракций по устойчивости в другие.
К системным связям, объединяющим компоненты исследуемых систем, можно отнести окислительно-восстановительные процессы, протекающие в почвах и сопровождающиеся переходом веществ из одного состояния в другое. Суть этих процессов заключается в том, что при окислении одних веществ обязательно восстанавливаются другие. Так, например, при окислении восстановленных веществ в почвах в большинстве случаев восстанавливается кислород воздуха (О0 О2"), и наоборот, при восстановлении веществ в почве часто окисляется кислород, входящий в состав молекул углекислого газа и воды (О2" О0). Этот пример позволяет судить о том, что окислительно-восстановительные системы почв являются открытыми системами, на входе этих систем находятся такие вещества как кислород воздуха, органические остатки живых организмов, минералы почвообразующих пород, а на выходе — углекислый газ, вода, гумусовые и другие вещества.
Направленность окислительно-восстановительных процессов выражается в том, что в определенных условиях в почвах могут накапливаться или расходоваться те или иные продукты. Если происходит накопление восстановленных продуктов, то в почвах наблюдается преобладание восстановительных процессов, если количество этих продуктов уменьшается, то отмечается преобладание окислительных процессов. По соотношению процессов окисления и восстановления в почвах И.С. Кауричев [Кауричев, Орлов, 1982] выделяет 3 типа окислительно-восстановительных режимов. Это почвы с абсолютным господством окислительных процессов, почвы с абсолютным господством восстановительных процессов и почвы с контрастным окислительно-восстановительным режимом.
Специфика окислительно-восстановительных процессов в исследуемых почвах техногенных ландшафтов во многом определяется природой этих процессов. Так, если в естественных почвах компоненты окислительно восстановительных систем трансформируются в результате преимущественно педогенных процессов, то в эмбриоземах не менее важную роль играют и хемогенные процессы. Поэтому преобразование вовлекаемых в почвообразование веществ возможно по двум путям: педогенному и/или хемогенному. Учитывая такую специфику процессов, протекающих в молодых почвах отвалов каменноугольных разрезов, компоненты окислительно-восстановительных систем по их природе можно разделить на следующие группы: педогенные, биогенные, литогенные и хемогенные.
Литогенные компоненты представляют собой вещества, способные к окислению или восстановлению, образующиеся в результате литогенеза до почвенных этапов развития почвообразующих пород [Реймерс, 1990]. Эти вещества в исследуемых почвах содержатся в аргиллитах, алевролитах, песчаниках, углях и других породах, отсыпаемых при формировании техногенного ландшафта. Иными словами, изначально практически все соединения, входящие в состав отсыпаемых пород, можно отнести к литогенным. В дальнейшем, в результате действия различных процессов гипергенеза, литогенные вещества преобразуются либо в хемогенные, либо в педогенные соединения. Собственно литогенные соединения, в достаточно «взрослом» техногенном ландшафте (30-40 лет), способны сохраниться только в центре крупных гранулометрических фракций или в камнях, где также как и в недрах земли преобладают процессы восстановления [Андроханов, 2005].
Большинство литогенных соединений, участвующих в окислительно-восстановительных процессах, относятся к восстановленным (окисляемым) веществам. Но среди них есть и такие, которые в определенных условиях способны к дальнейшему восстановлению. Поэтому они называются окисленными (восстанавливаемыми) соединениями. Биогенными компонентами называют те вещества окислительно-восстановительных систем, которые образуются в результате биологических процессов. Формирование таких веществ, как правило, происходит внутри живой клетки [Уайт и др., 1981], и поэтому к биогенным соединениям относят довольно широкий спектр различных веществ. Это могут быть населяющие почву живые организмы, их продукты, выделяемые в процессе жизнедеятельности, а также остатки организмов, не утратившие анатомического строения.
Хемогенные компоненты в почвах образуются в результате химических превращений соединений любой природы, протекающих без участия биогенных или педогенных процессов. В почвах эти вещества, как правило, формируются при окислении, реже при восстановлении соединений литогенной, биогенной или педогенной природы. Важной особенностью хемогенных веществ, как компонентов окислительно-восстановительных систем, является то, что преобразование их, направленное на установление окислительно-восстановительного равновесия, происходит через образование целого ряда устойчивых в данных условиях соединений, способных, как к окислению, так и к восстановлению.
Влияние климатических условий
Климатические условия являются одним из ведущих факторов, определяющих окислительно-восстановительное состояние почв любого ландшафта. Роль климата в процессе функционирования окислительно-восстановительных систем заключается в обеспечении поступления на поверхность почвы тепла и влаги. Климат района исследований резкоконтинетальныи с продолжительной холодной зимой и коротким жарким летом. Климатические условия района исследований во многом формируются под влиянием атмосферных потоков, вторгающихся с Северного Ледовитого и Атлантического океанов [Гумусообразование..., 1986].
Огромное влияние на обособление климата и формирование местной циркуляции воздушных масс оказывает неоднородный рельеф территории [Трофимов, 1975]. Отроги горных систем Салаира и Кузнецкого Алатау, имеющие меридиональную протяженность, препятствуют продвижению воздушных масс, поступающих с северо- и юго-запада, вызывая тем самым конденсацию осадков на подветренных горных и предгорных склонах, а также прилегающих к ним равнинных участках.
Вторжение арктических и континентальных воздушных масс, со свойственной им сухостью, в летнее время формирует ясную и жаркую погоду. Прорывы атлантических циклонов, напротив, приносят прохладный и влажный воздух. В зимний период погодные условия определяет Сибирский максимум области высокого давления Азиатского антициклона. При этом вторжение атлантических и средиземноморских циклонов в это время вызывают обильные снегопады и оттепели [Глебова, 2005а]. Поэтому для предгорий Кузнецкого Алатау характерна большая мощность снежного покрова 80-120 см, иногда достигает 200 см.
Значительная высота снежного покрова обеспечивает поддержание положительных температур на поверхности почвы в течение всего года, что определяет высокую микробиологическую активность. Поэтому в результате деятельности микроорганизмов на поверхности естественных почв редко выделяется горизонт биогенной аккумуляции восстановленных веществ или лесной подстилки. Подобное явление позволяет предположить, что в верхних горизонтах дерново-глубокоподзолистых почв преобладают окислительные процессы биогенной природы.
По особенностям почвенно-климатических соотношений участки Ольжерасского каменноугольного разреза располагаются в пределах V гидротермической зоны [Трофимов, 1975]. По условиям атмосферного увлажнения относятся к очень влажному гидроряду [Волобуев, 1963], коэффициент увлажнения в разные годы колеблется в пределах 1,7-2,3. Значение гидротермического коэффициента по Г.П. Селянинову составляет 1,8-2,0, что по условиям влагообеспеченности характеризует район как избыточно увлажненный. Среднегодовое количество осадков в районе г. Междуреченска составляет 600-800 мм, и увеличивается по мере приближения к Кузнецкому Алатау. Таким образом, на участках объекта исследований годовое количество осадков может достигать 1000 мм [Агроклиматические..., 1973]. Наибольшее количество атмосферных осадков (10-17% годовой нормы) выпадает в июле. Количество осадков за холодный период составляет около 30% годовой нормы.
Такое распределение осадков в течение года обеспечивает постоянное высокое увлажнение почв, приводящее к переувлажнению нижних горизонтов почв и, как следствие, к преобладанию здесь восстановительных процессов. Результатом развития таких процессов в иллювиальных горизонтах зональных почв является формирование новообразований, таких как роренштейны, кутаны, а иногда ортштейны [Генезис..., 1988].
Важным фактором, определяющим скорость и направленность окислительно-восстановительных процессов, является также и температурный режим территории. Так, сумма температур выше +ЮС в районе исследований находится в пределах 1500-1700С, и не превышает 1800С. Сумма отрицательных температур ниже -10С составляет в среднем 1800С и менее. Среднегодовые температуры колеблются от -1 до -1,5С [Гумусообразование..., 1986]. Продолжительность периода с температурой выше 10С составляет 110-115 дней, продолжительность безморозного периода 115-125 дней. По условиям теплообеспеченности исследуемые участки можно отнести к III умеренно холодному терморяду [Волобуев, 1963].
Наиболее теплым месяцем является июль, имеющий среднюю многолетнюю температуру +18С и абсолютный максимум +38С. Самым холодным месяцем является январь, имеющий среднюю многолетнюю температуру -19С и абсолютный минимум -52С [Справочник ..., 1965].
Однако эти параметры климатических условий района исследований определяют особенности окислительно-восстановительных систем лишь зональных почв. В отношении почв техногенных ландшафтов эти вышеперечисленные особенности климатической обстановки менее информативны. Напомним, что исследуемым почвам техногенных ландшафтов свойственно преобладание склоновых поверхностей, а также высокая каменистость почвообразующих пород. В совокупности эти факторы создают на поверхности и профиле почв значительную разнокачественность гидротермических режимов, определяя тем самым различные условия протекания окислительно-восстановительных процессов. Так, на хорошо прогреваемых и менее увлажненных южных склонах [Рагим-заде и др., 1977] окислительные процессы идут более интенсивно, нежели на северных и северно-восточных. И наоборот, восстановительные процессы преобладают там, где накапливаются поступающие на поверхность осадки, что благоприятствует развитию восстановительных процессов биогенной и педогенной природы. Во всех случаях определенное сглаживание разнокачественности гидротермических условий, и, соответственно, скорости и направленности окислительно-восстановительных процессов во многом определяется состоянием растительного покрова ландшафта.
Органическое вещество
Роль органического вещества заключается в активном его участии в большинстве окислительно-восстановительных реакций. При этом само органическое вещество в естественных почвах является результатом окислительно-восстановительной трансформации продуктов биогенной природы. Поступающие в почву органические соединения биогенной природы в результате внутрипочвенных процессов полностью или частично изменяются. Поэтому, в конечном счете, преобразованное органическое вещество таких почв оказывается смесью компонентов биогенной и педогенной природы.
Несколько иначе обстоит дело в эмбриоземах. При отсыпке отвалов органическое вещество, содержащееся в породе, имеет исключительно литогенное происхождение. В последствии, в результате развития в субстрате сообществ живых организмов, на поверхность и в глубь техногенного элювия начинают поступать органические вещества, имеющие биогенное происхождение. Дальнейшее превращение органических (восстановленных) веществ литогенной и биогенной природы в результате окислительных процессов происходит по двум направлениям. Первое из них - это педогенное биохимическое преобразование веществ или гумификация, посредством которой образуются гумусовые соединения. Второе -химическое окисление или хемогенное преобразование, в результате которого формируются не гумусовые вещества, а органические соединения, сходные с ними по свойствам. Эти вещества по причине их химического происхождения мы называем хемогенными. Таким образом, если в естественных почвах гумусообразование возможно только из веществ биогенной природы, таких как лигнин, флавоноиды и другие [Орлов, 1990], то в почвах техногенных ландшафтов оно возможно еще и из веществ литогенной природы, например углистых частиц [Комисаров, Логинов, 1971].
Компонентный состав образовавшихся в таких условиях гумусоподобных веществ эмбриоземов имеет очень сложную природу и структуру, что является причиной неоднородности этих веществ по свойствам и функциям. Поэтому для понимания роли почвообразования в трансформации компонентов окислительно-восстановительных систем необходимо научиться отличать органические соединения педогенной от непедогенной природы.
Наиболее важной особенностью, отличающей гумусовые вещества от других органических соединений, является их способность прочно связываться с минеральной частью почвы, в частности с фракциями физической глины. Поэтому, учитывая, что практически весь гумус почвы должен быть сосредоточен в физической глине [Крупенников, 1967], то, наряду с прямым определением гумуса в мелкоземе, были получены и расчетные данные по содержанию в мелкоземе физической глины (табл. 3).
При анализе материалов выяснилось, что расчетное количество гумуса в естественных почвах меньше значений, полученных при анализе мелкозема прямым путем по Тюрину. В среднем по профилю, за исключением биогенного горизонта Ад, содержание гумуса оказалось меньше на 15%. Следовательно, во фракции физической глины содержится не 100, а 85% гумуса, что согласуется с данными полученными другими исследователями [Кобцева, 2008]. Возможно, подобное распределение гумуса в гранулометрических фракциях является зональной особенностью. Поэтому для характеристики этих явлений предлагается отношение количества гумусовых веществ в какой-либо гранулометрической фракции, пересчитанной на мелкозем, к общему количеству гумуса в мелкоземе называть коэффициентом гранулометрической специфичности (КГС) гумуса. Этот коэффициент можно применить и к восстановленным веществам, углероду и другим веществам, содержание которых в какой-либо гранулометрической фракции отличается от другой, более крупной.
Применяя расчет КГС гумуса к исследуемым почвам, мы получаем следующие данные по содержанию в них гумуса (табл. 3). Оказалось, что содержание гумуса в профиле эмбриоземов значительно превышает таковое в зональных почвах. Подобное явление замечали также и другие исследователи [Етеревская, 1974; Комиссаров, Стрельцова, Кузнецова, 1979; Фаткулин, 1980; Гумусообразование..., 1986; Андроханов, Куляпина, Курачев, 2004]. Этот феномен объясняется тем, что в отличие от зональных почв, где для формирования гумусовых веществ используются только биогенные восстановленные продукты, в профилях эмбриоземов это формирование происходит также еще и из восстановленных литогенных веществ, преобразованных хемогенным путем. Напомним, что расчет гумуса по содержанию углерода во фракции физической глины позволяет не учитывать восстановленные продукты биогенной и литогенной природы, не связанные с минеральной частью, а также вещества, способные сохраниться в центре более крупных гранулометрических фракций. Однако и этот прием не позволяет отделить восстановленные соединения хемогенной природы от педогенной, поскольку, будучи производными литогенных веществ, все они могут быть связаны с минеральной частью и встречаются во всех гранулометрических фракциях. Сходство веществ хемогенной природы с веществами педогенного происхождения не случайно. Обе эти группы веществ являются продуктами одних и тех же, преимущественно окислительных, процессов, приводящих к трансформации компонентов литогенных окислительно-восстановительных систем в педогенные. С известными оговорками, можно считать, что в эмбриоземах хемогенные вещества наряду с биогенными участвуют в процессах гумусообразования [Flaig, 1988] и являются поэтому потенциально гумусовыми или предгумусовыми веществами (ПГВ).
Учитывая эти особенности ПГВ, становится понятным, что для вычисления педогенной составляющей органических веществ нужно использовать другие свойства гумусовых соединений. Такими свойствами считается способность различных групп гумусовых веществ растворяться в растворах слабых кислот или щелочей. Известно, что по способности их к растворению в различных растворах [Кононова, 1963; Пономарева, Плотникова, 1980; Дергачева, 1987; Дергачева, 1989] педогенные восстановленные продукты (гумус) делят на три группы. Это гуминовые кислоты (Сгк), растворимые только в щелочных растворах и осаждаемые в кислых растворах, фульвокислоты (Сфк), растворимые как в щелочных, так и в кислых растворах, и гумины (Сгум) - вещества, нерастворимые или не гидролизуемые [Кононова, 1951; Драгунов, 1957; Haworth, 1971; Felbeck, 1971; Stevenson, 1982а]. Основываясь на предположении о том, что в своем развитии эмбриоземы стремятся к климаксному состоянию [Андроханов, Куляпина, Курачев, 2004], можно предположить, что соотношение фракционного состава восстановленных веществ педогенной природы в почвах техногенных ландшафтов должно соответствовать таковому в зональных почвах.
Исследования, проводимые с образцами дерново-глубокоподзолистых почв, подтвердили это предположение. Они показали, что соотношение Сгк/СфК, в горизонтах, обогащенных восстановленными веществами, соответствует среднему соотношению этих фракций, отмечаемому в эмбриоземах. Это соответствие позволяет говорить о схожести педогенных окислительно-восстановительных систем почв техногенных ландшафтов с окислительно-восстановительными системами зональных почв. В таком случае, следует, что отношение гидролизуемой и негидролизуемой частей гумусовых веществ в дерново-глубокоподзолистых почвах также должно соответствовать таковому в эмбриоземах. Однако, анализ, проводимый на содержание негидролизуемой части гумусовых веществ,в зональных почвах показал, что содержание углерода этой группы составляет в среднем 21% от общего содержания углерода в физической глине (табл. 4). В то же время, в образцах эмбриоземов этот показатель колеблется от 68 до 80%, то есть в 3-4 раза превышает значения в дерново-глубокоподзолистых почвах. Поэтому, гумусово-аккумулятивный эмбриозем, в соответствии с классификацией почв техногенных ландшафтов [Андроханов, Курачев, 2002], по-видимому, будет правильнее называть грубогумусово-аккумулятивным и, что превышение содержания углерода негидролизуемого остатка в эмбриоземах является следствием его не педогенной, а хемогенной природы.
Фракция трудноокисляемых соединений
Фракцией трудноокисляемых восстановленных соединений условно называют часть восстановленных веществ, являющихся наиболее устойчивой к окислению [Заявка на приоритет..., 2008].
В таких сложных окислительно-восстановительных системах, какими являются эмбриоземы, к этой фракции относятся вещества различного происхождения. Основным свойством этих веществ, из-за которых их относят к трудноокисляемым соединениям, является высокая степень их восстановленности [Путохин, 1958].
Исследования показывают, что фракция трудноокисляемых соединений в почвах техногенных ландшафтов имеет преимущественно литогенную природу. Например, во вскрышной породе содержание (горизонт С) трудноокисляемой фракции достигает 44% (прил. 1, рис. 1). Это значительно больше, чем в профилях эмбриоземов (прил. 2-3). Также и в естественных почвах (прил. 1, рис. 2). Содержание трудноокисляемых восстановленных веществ в элювиальных горизонтах в три - девять раз ниже, чем в породе. Во вскрышной породе отвалов содержание этих соединений превышает таковое в естественных почвах во много раз .
Анализ углистых частиц показывает (прил. 1, рис. 1), что в образцах угля количество трудноокисляемых восстановленных веществ составляет более половины (52-59%) от валового количества. Это позволяет нам считать, что значительная часть трудноокисляемых восстановленных веществ в профилях эмбриоземов обусловлена наличием углистых частиц.
Во всех профилях эволюционного ряда эмбриоземов дифференциация содержания фракции трудноокисляемых восстановленных соединений по профилю повторяет распределение фракции валового количества восстановленных веществ (рис. 8, 11). Однако в дерновом эмбриоземе наблюдается дифференциация трудноокисляемой фракции, несколько напоминающая таковую в естественных почвах. Отмеченное свидетельствует о том, что в дерновых эмбриоземах, и, тем более в гумусово-аккумулятивных, окислительно-восстановительные системы в большей степени становятся педогенными, нежели литогенными.
Содержание трудноокисляемых соединений в различных объектах исследований. также и тем, что доля фракции трудноокисляемых восстановленных соединений в валовом количестве восстановленных веществ в почвах техногенных ландшафтов практически выравнивается с таковой в зональных почвах. Например, в слое 0-10 см, в профиле дернового эмбриозема доля трудноокисляемой фракции равна таковой в верхнем горизонте дерново-глубокоподзолистой почвы (прил. 1, рис. 2; прил. 3, рис. 1).
Заметим также, что долевое содержание этой фракции к другим восстановленным веществам увеличивается в верхнем десятисантиметровом слое в эволюционном ряду эмбриоземов и уменьшается в почвенных профилях с глубиной. Это говорит о том, что формирование педогенной окислительно-восстановительной системы сопровождается замещением трудноокисляемых соединений литогенной природы веществами, имеющими биогенную природу.
Фракцией среднеокисляемых восстановленных соединений условно называют те восстановленные вещества, которые не способны к окислению в 50% сернокислом растворе 0,4 н двухромовокислого калия без нагревания. И окисляются в этом же растворе в течение 5 минутного нагревания при 150 С [Заявка на приоритет..., 2008]. Проведенные исследования по определению содержания среднеокисляемых восстановленных веществ показали, что эта фракция включает в себя вещества педогенной и хемогенной природы, её доля оказывается значительной как в окислительно-восстановительных системах зональных почв, так и в системах эмбриоземов (прил. 1-3). Такая картина свидетельствует о том, что подобные восстановленные вещества медленно трансформируются не только в почвах техногенных ландшафтов, но и в естественных, что, возможно, является фациальной спецификой почвообразования.
Высокие значения количества среднеокисляемой фракции во всех анализируемых образцах обусловлены ее сложной природой. Так, в образцах угля и вскрышной породы содержание этой фракции велико, по-видимому, вследствие частичного окисления фракции трудноокисляемых соединений (прил. 1, рис. 1). Однако наибольшее содержание этих веществ отмечается в эмбриоземах (прил. 2-3).
Доля фракции среднеокисляемых восстановленных веществ в эмбриоземах колеблется в пределах 52-70% от суммы всех восстановленных соединений и оказывается обратно пропорциональной сумме других фракций (прил. 2-3). Внутрипрофильная дифференциация доли этой фракции может быть нерегулярной. Так, в инициальном эмбриоземе эта доля уменьшается вниз по профилю, до глубины 20-30 см, и увеличивается на глубине 40-50 см. В органо-аккумулятивном эмбриоземе доля этой фракции увеличивается до глубины 20-30 см и снова уменьшается на глубине 40-50 см. В дерновых и гумусово-аккумулятивных эмбриоземах наблюдается нарастание доли фракции среднеокисляемых соединений вниз по профилю.
Похожие диссертации на Окислительно-восстановительные процессы в почвах техногенных ландшафтов
