Введение к работе
Актуальность работы Оксидогенез - широко распространенный ландшафтно-геохимический комплекс процессов, включающий образование, накопление и трансформацию оксидов и гидрооксидов железа в почвах и породах. Оксиды железа играют важную роль в процессах почвообразования, в динамике и судьбе питательных элементов и загрязнителей окружающей среды. Изменчивость соединений железа в зависимости от условий почвообразования, их роль в жизнедеятельности растений и микроорганизмов определяют повышенный интерес к железу как диагностическому элементу многих процессов в почвах (Бабанин, 1983,1986;1995; Водяницкий,1989, 2003; Зонн, 1982; Schwertmann et al.,1988- 1993; Murad, Fischer, 1988; Cornel , Schwertmann, 2003 и многие другие). Оксидогенез железа морфологически ярко выражен в ландшафтах и почвах гумидной зоны. В то же время в почвах степной зоны проявления оксидогенеза маскируются процессами карбонато-и гумусообразования, однако сам процесс формирования и трансформации оксидов железа протекает активно. Для почв степной и полупустынной зон традиционно считалось, что участие соединений железа в почвообразовательных процессах и, следовательно, их диагностическая роль не значительны. Что связано в первую очередь с рядом методических трудностей при диагностике соединений железа в связи с их высокой дисперсностью при небольших концентрациях. В настоящее время использование комплекса современных минералогических и физических методов позволяет обеспечить качественную и количественную оценку соединений железа и процессов оксидогенеза в почвах степной зоны.
Актуальность исследований дополняется тем фактом, что развитие эволюционного почвоведения и современный уровень интеграции палеопочвоведения с палеогеографией, четвертичной геологией и археологией, возникающие требования глубокого и достоверного решения вопросов истории развития природы и эволюции биосферы диктуют необходимость привлечения новых методов исследования и использования новых параметров. Твердофазный почвенный материал формирует память почвенной системы. К числу весьма информативных показателей состояния природной среды в прошлые эпохи, относятся содержание и формы железосодержащих минералов, а также магнитные свойства палеопочв (Thompson and Oldfield, 1986; Бабанин и др. 1995., Maher and Thomson, 1999; Evans and Heller, 2003; Maher 2008; Фаустов, Вирина, 1989, 1998; Большаков 1995; и многие др.). Корректная интерпретация оксидогенеза железа почв связанного с условиями окружающей среды, выявление минералогических показателей памяти почв возможно только после выяснения природы
происхождения и процессов трансформаций железистых минералов в почвах степной зоны, где расположено большое число объектов палеопочвенных исследований, получивших широкое распространение в последние десятилетия. Окончательно не выяснены механизмы формирования намагниченности и магнитной минералогии в породах лессово-почвенных формаций. Актуальность изучения магнитных свойств разновозрастных почв очевидна.
Целью настоящей работы - Установление направленности процесса оксидогенеза обусловленной действием природных и антропогенных факторов в почвах степной зоны юго-востока Европейской части Росси на основе комплекса параметров отражающих состояние соединений железа в почвах.
В задачи исследований входили:
1. Определение состояния железа в почвах и компонентах геохимически сопряженных ландшафтов степной зоны с помощью комплекса физических (Мессбауэровская спектроскопия, магнитные измерения и др.) и химических методов.
2. Изучение состояния твердофазных минеральных компонентов
(оксиды железа, глинистые минералы и др.) в современных, погребенных,
ископаемых почвах и осадках, в разной степени затронутых
почвообразованием в широком временном интервале (голоцен, плейстоцен).
3. У становление пространственно-временных закономерностей
эволюции почвенных свойств с определением направленности и скорости их
изменчивости в связи с динамикой климата степей европейской части России
в голоцене и плейстоцене.
Защищаемые положения
-
Соединения железа играют активную и масштабную роль в почвенно-геохимических процессах степной зоны, что позволяет использовать его состояние в качестве информативного показателя при действии природных и антропогенных факторов. Выраженность процессов оксидогенеза железа определяются типом почв. Величина Fe2+/(Fe2+Fe3+) в почвах отражает интенсивность процессов выветривания. При интенсификации процесса выветривания, происходит накопление несиликатных форм железа, представленных в основном высокодисперсным гетитом, а так же гематитом, лепидокрокитом, магнетитом и маггемитов в зависимости от почвенных условий. Распределение Fe в жидкой фазе (почвенные растворы) - результат современных процессов, определяемых почвенно-геохимическими условиями.
-
В результате почвообразования в условиях степной зоны формируются дисперсные частицы ферримагнитных минералов (магнетита, маггемита).
Содержание последних в почвах составляет, как правило, не более 0.1%, размер частиц преимущественно <0.1 мкм, однако они в первую очередь формируют магнитный профиль степных почв. В процессе образования почвенного (биогенного) магнетита в степных почвах определяющую роль играют железоредуцирующие бактерии. Магнитные свойства степных почв связаны с биоклиматическими условиями.
-
Установлены прямые корреляции величин почвенных магнитных характеристик со среднегодовыми осадками для современных почв степей юго-востока Русской равнины. Содержание почвенного (биогенного) магнетита является «магнитной записью» о предшествующих условиях окружающей среды степей и позволяет получать количественные характеристики климата (атмосферные осадки) в плейстоцене и голоцене.
-
Анализ валентного состояния железа в структуре силикатов и изменение магнитных свойств по профилю почв свидетельствуют об in situ трансформационных переходах соединений железа в ходе почвообразования. Климатические факторы играют определяющую роль в соотношение форм оксидов железа в разновозрастных погребенных почвах степной зоны по сравнению с общей длительностью процесса выветривания, т.е. возрастом почв.
Научная новизна работы и оригинальность исследований заключается в установлении специфических диагностических признаков и закономерностей распределения магнитных соединений железа в почвенном профиле почв степной зоны.
l.Ha основании проведенных минералогических и микробиологических исследований представлен цикл формирования и преобразования оксидов железа в почвах степной зоны при изменяющихся климатических условиях. Обнаружено формирование высокодисперсного почвенного магнетита и рассмотрены пути его формирования, продемонстрирована определяющая роль биогенного фактора в его образовании.
2. Обнаружены прямые корреляции величин магнитных характеристик почв со среднегодовыми атмосферными осадками для современных степных почв европейской части России. Содержание почвенного (биогенного) магнетита может рассматриваться как «магнитная запись» в почве о предшествующих условиях окружающей среды степей. Полученный инструмент позволяет получить количественные характеристики климатических условий для почв степей юго-востока Русской равнины в плейстоцене и голоцене.
З.На основе исследования минералогических и магнитных параметров большого набора почв погребенных под разновозрастными насыпями археологических памятников степей юго-востока Русской равнины получены
количественные характеристики климатических условий в голоцене. Расчеты показали, что в конце IV - первой четверти III тыс. до н.э. климатические условия были засушливей современных. На рубеж Ш-П тыс. до н.э. приходилась наименьшая среднегодовая норма атмосферных осадков. На I век н.э. приходился микроплювиал, который во П-Ш вв. н.э. сменился очередным засушливым периодом. В эпоху развитого средневековья (XII-XIV вв. н.э.) имел место климатический оптимум с максимумом увлажненности за последние 5000 лет.
4. Сопоставление полученных результатов для палеопочв степей
европейской части России с климатическими записями для регионов
Ближнего Востока, зафиксированных в колебаниях уровня Мертвого моря,
свидетельствует о синхронизации глобальных планетарных климатических
колебаний связанных со значимыми изменениями в организации
атмосферной циркуляции над Северной Атлантикой (Северо- Атлантические
колебания- NAO).
5. На основании полученной совокупности магнитных и минералогических
параметров для почвенно-лессовых комплексов территории Терско-Кумской
равнины и Азово-Кубанской низменности количественно реконструирована
динамика климатических условий в плейстоцене за последние 700 тыс. лет. и
получено подтверждение о постепенном похолодании и аридизации климата
в течение плейстоцена.
Практическое значение работы заключается в разработке конкретных методик комплексных инструментальных исследований для качественных и количественных оценок состояния соединений железа в почвах. Предложена схема диагностики, которая показывает возможности экспериментальных исследований и теоретического анализа состояния железа в почвах. Важным результатом работы являются данные о формировании биогенных магнетитов в почвах с преобладающим размером <10 шп, своеобразные почвенные «нанотехнологии» объединяющие биотические и абиотические процессы. Разработанные положения оксидогенеза железа в почвах раскрывают и обосновывают практическое использование магнитных методов измерений в палеоэкологических целях и исследованиях свзанных с вопросами эволюции биосферы.
Конкурсная поддержка работы. Автор участвовал как руководитель и ответственный исполнитель в конкурсных исследованиях по рассматриваемым проблемам, поддержанных Программой фундаментальных исследований Президиума РАН "Происхождение и эволюция биосферы"(2004-2009) и грантами Российского фонда фундаментальных исследований №99-04-48060,
№99-06-80347, №03-04-48135, №04-04-39015-ГФЕН2004 , №07-04-01302 ; № 08-04-01552; № 08-05-00562).
Международными грантами: ENVIR.LG 972730, 1999-2000 гг.; Грант Королевского общества (Royal Society, Великобритания), 2002.; Грант Королевского общества - Royal Society-Russia Joint Project, 2004-2006, Центр магнетизма окружающей среды и палеомагнетизма -(CEMP,Lancaster University), Великобритания.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, были доложены автором на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах : «История развития почв в голоцене» (Пущино,1984); «Применение мессбауэровской спектроскопии в материаловедении» (Ижевск, 1989); 9-ом Международном симпозиуме по биогеохимии окружающей среды (ISEB;MocKBa,1989); «Fe-конкреции в почвах. Состав, генезис, строение» (Тбилиси, 1990); на 5 международной конференции по изучению латеритов (Eurolaf 91, Берлин); Европейских конференциях по изучению глин (Euroclay)-(1991-Германия, 1995- Бельгия, 1999- Польша, 2003- Италия, 2007-Португалия); Конгресс европейского геофизического общества EGS (1997-Австрия, 2001- Франция); III съезде Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000); Всероссийских конференциях «Глины и глинистые минералы» (Воронеж 2004; Пущино, 2006); международной конференции по изучению глин (14 Int. Clay Conference, Италия, 2009), научных семинарах института Агрофизики ПАН (г. Люблин, Польша), 2003, 2009 гг.; в Институте почвоведения Академия наук Китая, (г. Нанькин) 2006. В законченном виде работа апробирована в виде докладов на заседаниях лаборатории эволюционной географии Института географии РАН, на заседании ученого совета ИФХиБПП РАН и на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 работы, в том числе 5 в
коллективных монографиях, 32 работы в изданиях, соответствующих списку
ВАК, 22 статьи в сборниках и материалах конференций.
Личный вклад автора в работу. Диссертационная работа является результатом многолетних (1982-2009 гг.) исследований автора. Автором сформулированы цели работы, поставлены задачи исследования, сделаны итоговые выводы. При непосредственном участии автора в лаборатории геохимии и минералогии почв создан и функционирует в настоящее время уникальный комплекс оборудования по исследованию минерального вещества почв. Автор принимал личное участие в основной части экспедиционных исследований и в получении лабораторного материала, в обобщении и интерпретации полученных результатов, в подготовке всех научных публикаций, многократно
выступал с научными докладами. Большая часть экспериментального материала получена автором или под его руководством в коллективных исследованиях лаборатории геохимии и минералогии почв ИФХиБПП РАН. Работа представляет собой полностью самостоятельное исследование. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, изложена на _ страницах компьютерного текста, включает список литературы из наименований, в том числе _ на иностранных языках, _ рисунка, таблиц и приложения. Благодарности.
Исследования начинались под руководством профессора МГУ Е.М. Самойловой и зав. лабораторией геохимии и минералогии почв Института почвоведения и фотосинтеза (ныне ИФХиБПП РАН) Е.Г. Моргуна при поддержке и помощи сотрудников лаборатории Алексеевой Т.В, Олейника С.А., Рыскова Я.Г, Ковалевской И.С., Осиной Г.М., Калинина П.И., Калачиковой М.В. в проведении экспериментов и экспедиционных работ. Считаю необходимым выразить особую благодарность супруге, единомышленнику и соавтору большинства публикаций, Алексеевой Т.В за помощь в проведении исследований и подготовке публикаций, а также за поддержку на всех этапах работы. Автор выражает благодарность коллективу лаборатории археологического почвоведения ИФХиБПП РАН в лице д.б.н., профессора Демкина В. А., Борисова А. В, Ельцова М.В. за плодотворное сотрудничество и возможность изучения погребенных почв археологических памятников. Полевые исследования голоценовых палеопочв проводились в составе комплексных почвенно-археологических экспедиций с археологами Волгоградско государственного университета - проф. А.С.Скрипкин, И.В. Сергацков., В.М. Клепиков и А.Н. Дьяченко, автор благодарен им за понимание и возможность совместной работы. Отдельно хотелось поблагодарить за предоставленный материал и консультации коллектив лаборатории эволюционной географии Института географии РАН в лице д.г.н., проф. Величко А. А., проф. Морозовой Т.Д, Тимиревой С. Н.. и др. Микробилогический блок исследований был выполнены в ИНМИ РАН Д.Г. Заварзиной. Очень эффективным было сотрудничество с зарубежными коллегами профессором B.Maher и коллективом Центра магнетизма окружающей среды и палеомагнетизма (CEMP,Lancaster University, UK), также коллегами из Института агрофизики ПАН Z. Sokolowsca, M.Hajnos, G. Jozefaciuk и автор выражает им глубокую благодарность. В разное время вопросы, затронутые в диссертации, обсуждались с С. В. Губиным. и Д.Л. Пинским., которым автор высказывает свою признательность. Значительная часть лабораторных и полевых исследований осуществлена при финансовой поддержке РФФИ и международных грантов, без которой выполнение работы было бы невозможным.
