Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор литературы 8
1.1 Факторы почвообразования мерзлотно-таежных почв 8
1.2 Особенности генезиса и свойств мерзлотных и мерзлотно-таежных почв 14
1.3 Классификация мерзлотно-таежных почв 22
1.4 Состояние соединений железа как типоморфного элемента в мерзлотно таежных почвах 26
1.5 Влияние низких температур и криогенеза на состояние соединений железа в почвах, плодородие почв и систему почва-растение 30
1.6 Пути оптимизации обстановки 37
ГЛАВА 2 Объекты и методика исследования 45
2.1 Объекты исследования 45
2.2 Методика исследования 56
ГЛАВА 3 Экспериментальная часть 60
3.1 Интегральная оценка состояния железа в мерзлотно-таежных почвах как индикатора их генезиса и эволюции 60
3.1.1 Комплексная оценка состояния соединений железа в мерзлотно-таежных почвах 60
3.1.1.1 Фракционный состав соединений железа в мерзлотно-таежных почвах 60
3.1.1.2 Восстановленно-растворимые формы соединений железа в мерзлотно-таежных почвах 72
3.1.1.3 Содержание в почвах положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений железа 78
3.1.1.4 Депонирующая способность мерзлотно-таежных почв к железу (Fe), марганцу (Mn), кальцию (Са) и магнию (Mg) 82
3.1.2 Информационная оценка состояния соединений железа в почвах 88
3.1.3 Энергетическая оценка состояния почв и соединений железа в них 101
3.2 Процессы, определяющие состояние железа в мерзлотно-таежных почв 111
3.2.1 Влияние температуры на процессы ионного обмена в почвах; влияние криогенеза на состояние соединений железа в почвах 111
3.2.2 Вымораживание почвенных растворов как фактор увеличения подвижности соединений железа в почвах 119
3.2.3 Комплексообразующая способность водорастворимых органических веществ разлагающихся растительных остатков по отношению к железу 128
3.2.4 Миграция соединений железа в почвах и образование элювиально-иллювиальных горизонтов 140
3.2.5 Развитие гистерезисных явлений в мерзлотно-таежных почвах как индикатор развития в них почвообразовательных процессов 149
3.3 Агроэкологическая оценка состояния соединений железа в мерзлотно-таежных почвах 155
3.3.1 Влияние криогенеза на состояние соединений железа в мерзлотно-таежных почвах и состояние соединений железа в почвах как индикатор протекающих процессов 155
3.3.2 Влияние криогенеза на состояние соединений железа в почвах и эволюцию мерзлотно-таежных почв 166
Выводы 172
Список использованной литературы 176
- Классификация мерзлотно-таежных почв
- Влияние низких температур и криогенеза на состояние соединений железа в почвах, плодородие почв и систему почва-растение
- Восстановленно-растворимые формы соединений железа в мерзлотно-таежных почвах
- Комплексообразующая способность водорастворимых органических веществ разлагающихся растительных остатков по отношению к железу
Введение к работе
Актуальность темы. Мерзлотно-таежные почвы занимают
значительную часть территории России и являются наименее изученными.
Недостаточно изученными остаются и вопросы состояния железа в этих
почвах. Это сдерживает разработку эффективных способов их
сельскохозяйственного использования для сохранения экологического
равновесия в регионах их развития. Проведенные фундаментальные
исследования мерзлотно-таежных и мерзлотных почв касаются в основном
вопросов их генезиса и не рассматривают как проблемы
сельскохозяйственного использования, так и экологические аспекты. Интенсивное развитие горнодобывающей промышленности приводит к увеличению численности населения, которое нуждается в продуктах питания, а связанные с добычей полезных ископаемых и потеплением климата нарушения экологической обстановки требуют разработки эффективных способов охраны почв. В проведенных исследованиях предлагается интегральная оценка влияния криогенеза на состояние железа в мерзлотно-таежных почвах, позволяющая решать проблемы их хозяйственного использования на различном иерархическом.
Степень разработанности темы. Изучению мерзлотно-таежных почв посвящено значительное количество фундаментальных исследований (Зольников, 1954, 1962; Савич, 1966; Наумов, 1974; Еловская, 1979, 1987; Макеев, 1992; Соколов, 1977, 2006; Горячкин, 1991, 2010; Тонконогов, 2010; Жуланова, 2013 и др. ), однако интегральная оценка состояния железа в этих почвах не проводилась, не оценивалось влияние водорастворимых продуктов разложения растительного опада на элюирование элементов из твердой фазы почв и на образование комплексов железа с органическими лигандами.
Целью исследования является интегральная оценка состояния соединений железа в мерзлотно-таежных почв на примере мерзлотно-таежных и мерзлотных почв Республики Саха (Якутия), Магаданской области, Тувы, Монголии.
Задачи исследования:
-
Комплексная оценка состояния соединений железа в мерзлотно-таежных почвах: оценка фракционного состава соединений железа в почвах, депонирующей способности почв по отношению к железу, оценка содержания положительно и отрицательно заряженных соединений железа в почвах, изучение влияния оглеения на состояние соединений железа в почвах.
-
Оценка процессов, определяющих состояние соединений железа в мерзлотно-таежных почвах: влияние низких температур и криогенеза на состояние соединений железа в почвах, оценка увеличения подвижности соединений железа в почвах при вымораживании почвенных растворов, оценка влияния на подвижность железа комплексообразующей способности водорастворимых органических веществ разлагающихся растительных остатков, оценка факторов, определяющих миграцию соединений железа в мерзлотно-таежных почвах и гистерезисных явлений по отношению к нему.
3. Агроэкологическая оценка состояния соединений железа в мерзлотно-
таежных почвах.
Научная новизна. В работе впервые для мерзлотно-таежных почв
проведена интегральная оценка состояния соединений железа с учетом доли
положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений,
депонирующей способности, изменения подвижности при вымораживании
почвенных растворов, с учетом гистерезиса. Оценено влияние
водорастворимых продуктов разложения растительного опада изучаемых
почв: злакового сена, листьев березы, хвои сосны, лиственницы на
подвижность поливалентных катионов и железа в почвах, на
комплексообразование. Показано, что вымораживание почвенных растворов приводит к увеличению концентрации в них ионов, что является причиной разрушения алюмосиликатов. Установлено, что миграция ионов в мерзлотно-таежных почвах происходит не только под влиянием гравитационного поля, но и под влиянием градиента электрического и температурного полей. Для расчета миграции необходимо учитывать вектора изменения свойств почв под влиянием различных физических полей.
Теоретическая и практическая значимость. Выясненные
особенности состояния соединений подвижных форм железа в мерзлотно-таежных почвах позволяют более обоснованно рекомендовать пути повышения их плодородия и оптимизации экологической обстановки. Материалы рекомендуются к использованию в курсах «География почв» и «Химия почв» для студентов ВУЗов.
Методология и методы диссертационного исследования. Оценка
агрохимических и физико-химических свойств исследуемых почв
проводилась по принятым ГОСТам. Модельные опыты были поставлены
согласно рекомендованным методикам. Статистическая обработка
литературных и полученных экспериментальных данных для вычисления взаимосвязей между свойствами была проведена с помощью программ STRAZ, Microsoft Excel. Принять уровень вероятности Р=0,95.
Основные положения, выносимые на защиту:
1.Наличие многолетней мерзлоты в сочетании с
экстраконтинентальным климатом приводят к существенным специфическим особенностям образования мерзлотно-таежных почв, трансформации, миграции и аккумуляции в них соединений железа. Влияние криогенеза проявляется в изменении селективности констант ионного обмена при низких температурах, в возникновении в почве динамических напряжений и возникновении тиксотропии и выпучивания, в проявлении гальмиролиза минералов при увеличении ионной силы почвенных растворов при промораживании, в усилении миграции веществ к мерзлому слою, что является одной из причин подзолообразования; в подтягивании железа в верхний иссушаемый летом и замерзающий зимой слой.
2. Влияние продуктов разложения растительного опада на образование и свойства мерзлотно-таежных почв определяется реакцией среды (рН) и количеством ионов водорода в мигрирующих водах, окислительно-
восстановительным потенциалом (Eh) и количеством восстановителей в мигрирующих водах, константами устойчивости образующихся комплексов и количеством лигандов комплексообразователей в мигрирующих водах.
3. Состояние соединений железа в почвах более полно характеризуется в дополнении к его фракционному составу также депонирующей способностью почв, содержанием положительно и отрицательно заряженных соединений, скоростью перехода из почвы в раствор, явлением гистерезиса, математическими функциональными взаимосвязями с физико-химическими свойствами почв.
Степень достоверности. Данные обработаны методом вариационной статистики. Все выводы достоверны. Принятый уровень вероятности Р = 0,95.
Апробация работы. Основные положения работы представлены на Международной молодежной конференции «Докучаевские чтения» (Санкт-Петербург, 2013, 2015); на Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2013, 2015); на Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы образования и науки» (Тамбов, 2013); на V Международной научной конференции «Отражение био-гео-антропосферных взаимодействий в почвах и в почвенном покрове» (Томск, 2015); Международной конференции молодых ученых РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (Москва, 2013, 2015), а также на заседаниях и научных кружках кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
Публикации. По результатам работы опубликовано 11 печатных работ, 4 из которых в журналах, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 224 страницах машинописного текста и состоит из введения, 3 глав, выводов, списка использованной литературы, приложений. Работа включает 58 таблиц и 28 рисунков, список использованной литературы составляет 275 наименований. Приложение включает 9 таблиц и 20 рисунков.
Классификация мерзлотно-таежных почв
Изучение почв Северо-Востока началось относительно позже, чем в других регионах Севера России. Длительное время имелись сообщения о почвах лишь отдельных частей региона, имелись сведения водно-температурных режимах почв Забайкалья, сведения о почвах Амуро-Алданского междуречья (Герасимов, 1963; Вторушин, 1973). Самые первые сведения получены о почвах бассейнов рек Анадырь и Пенжина и Чукотского полуострова (Сочава, 1930; Городков, 1938). Позже дана характеристика окультуренных пойменных почв Магаданской области (Пасечник, 1957), мерзлотных засоленных почв Центральной Якутии (Еловская, 1966), почв северной части Якутии (Еловская, 1979), почв Ленского и Олекминского районов Якутии (Зольников, 1957), почв южной Якутии (Петрова, 1971). Специальные почвенные исследования проводятся Почвенным институтом (с 1958 г.), Якутским институтом биологии СО РАН (с 198 г.), Магаданским ИБПСДВО РАН (1971 г.).
Иванова О.Г. (2012) указывает следующие лимитирующие факторы в зоне многолетней мерзлоты: 1) климатические: недостаток сена, сухость, избыток влаги, наличие многолетней мерзлоты; 2) особенности почв - застойное переувлажнение, холодность профиля, высокая кислотность, недостаток NPK и микроэлементов, загрязнение тяжелыми металлами, низкое содержание органического вещества, эрозия, дефляция, криотурбация, солифлюкция, термоэрозия, термокарст, тиксотропия, деградация торфяников, паводки.
С точки зрения автора, повышению плодородия почв способствуют: тепловая мелиорация, осушение, дождевание, экранирование мерзлоты, ландшафтное земледелие, известкование, внесение удобрений, поверхностное улучшение, коренное улучшение.
Дягилева А.Т (2012) отмечает низкую устойчивость мерзлотных почв к химическому загрязнению. По данным Вишняковой О.В. (2012) для гумусовых веществ дерново-таежных мерзлотных почв Забайкалья характерно среднее содержание С-52,5%; Н-4,6%; N-3,1%. Фульвокислоты мерзлотных почв содержали меньше азота, чем гуминовые, но были более окисленными. При пониженной биологической активности в почвах сформировались гуминовые кислоты с развитыми алифатическими цепями.
Будажапов Л.В. (2012) отмечает для криоаридных почв высокий аммобилизационный пул азота.
Десяткин Р.В. (2012) отмечает, что в Центральной Якутии возраст почв соответствует периоду последнего оледенения. Образование вечной мерзлоты усилилось 45-56 тысяч лет назад, затем в межледниковое 37-26 тысяч лет назад повысилась роль степных сообществ. Вновь похолодание наступило 14-22 тысячи лет назад. В почвах развивались криоаридное и криогенное андроморфное почвообразование. В почвенном покрове на суглинистых породах развились палевые, а на легких - оподзоленные почвы; в подчиненных элементах ландшафтов мерзлотные гидроморфные почвы, включая аласные.
Как указывает Бронникова М.А. (2012) для криоаридных почв характерно наличие органо-аккумулятивного криогумусового горизонта кремовато-бурой окраски. В почвах идентифицируются в верхних горизонтах гумусовые и железо-гумусовые кутаны, а в нижних - карбонатные кутаны.
Градиент напряженности физических полей почв и физико-химических свойств приводит и к возникновению градиента микробиологической активности в разных горизонтах (Савич, Скрябина, Жадамбаа, 2015). При этом градиент микробиологической активности возникает и в системе почва-растение. Так, по данным Норовсурэн Жадамбаа (Жадамбаа Н., 2007) вертикальная стратификация актиномицетных комплексов (lg Кос) характеризовалась для хвойных лесов Монголии следующими показателями - листья - 4,2; кора - 4,7; травы - 4,4; опад -5,0; отпад 5,7; подстилка 6,2; почва 6,2; а для лиственных лесов соответственно 4,3; 4,6; 4,5; 4,9; 5,6; 5,6; 5,2. При этом содержание Streptomyces на среде казеин-глицериновый агар в породе составляло 8103 КОЕ/г; а в среде Гаузе 7102 КОЕ/г.
Учитывая, что разные горизонты имеют неодинаковый заряд по знаку и плотности заряда, следует признать, что для прогноза миграции веществ в почвенном профиле необходимо учитывать градиенты различных физических полей.
Так, гумусовые и оглеенные горизонты имеют более низкие значения окислительно-восстановительного потенциала, что обуславливает миграцию к ним катионов. К возникновению электрических зарядов приводит и давления, возникающие в слое между многолетней мерзлотой и замерзающим верхним слоем зимой (так называемый пьезоэлектрический эффект) (Водяницкий, 2006; Савич, Скрябина, Жадамбаа, 2015).
Десяткиным Р.В. было исследованы процессы почвообразования в термокарстовых котловиных аласах. Автор выделяет своебразный аласный процесс почвообразования в широко распространенных в криолитозоне элементах рельефа аласах. Впервые озвучены генетические особенности почв аласов, установлена географическая закономерность распространения почв в разных природно-климатических зонах (Десяткин, 2005).
Почвенное районирование Центральной и Западной Якутии проведено Ананко Т.В. с соавторами (2012). В первом округе выделено 22 района Центрально-якутской древнеаллювиальной равнины. Выделены почвы от нейтральных и щелочных недифференцированных карбонатно-палевых типичных до палевых сильноосолоделых, почвы аласов, солоди, чараны, незакрепленные и полузакрепленные пески (тукуланы), перегнойно-глеевые и торфяно-, торфянисто-глеевые болотные низинные. В отдельных районах выделены почвы, близкие по свойствам к черноземам (Акимов, 1980; Ананко, 2012).
Влияние низких температур и криогенеза на состояние соединений железа в почвах, плодородие почв и систему почва-растение
В работе проведены полевые и лабораторные исследования, поставлены модельные опыты, вычислены математические закономерности взаимосвязей между свойствами почв. В полевых условиях проведено описание разрезов, идентификация почв, отобраны образцы. В лабораторных условиях определены рНKCl (ГОСТ 26483-85), содержание подвижных форм фосфора и калия (ГОСТ 26261-84, ГОСТ Р 54650 2011) содержание гумуса (ГОСТ 26213-91), гидролитическая кислотность (ГОСТ 26212-91), сумма поглощенных оснований (ГОСТ 27821-88), оценено содержание подвижных форм железа по Тамму, суммарное определение железа по Меру Джексону, в вытяжке 0,1 н. CH3COONH4 с рН=4,8 (РД 52.18.289), содержание в почвах положительно и отрицательно заряженных соединений железа (Савич В.И., Сычев В.Г., 2004), депонирующая способность почв по отношению к железу (Савич В.И., Дерюгин И.П.), содержание водорастворимых соединений катионов, оценена микробиологическая активность почв, комплексообразующая способность водорастворимых продуктов разложения растительного опада и почвенных растворов (Мотузова, 1988; Савич, 1989, Карпухин, 2005). Подвижные формы Fe, Mn, Са, Mg выделяли из почвы с помощью ацетат-аммонийного буферного раствора с рН 4,8 в 0,1 н. СН3СООNH4. При определении содержания в почвах соединений железа использовали следующие методики:
Определение аморфного железа по Тамму. Навеску почвы 1-2 г помещают в коническую колбу на 250 мл, заливают 100 мл раствора Тамма (щавелевая кислота -31,5 г) и (щавелевокислый аммоний - 62,1 г), растворяют в 2,5 л дистиллированной воды. Вытяжку закрывают пробкой, взбалтываю в течение часа, отфильтровывают в коническую колбу 250 мл. Затем фильтр с почвой снова помещают в колбу, в которой его взбалтывали, повторяют вышеописанную обработку. Фильтрат обеих обработок переносят в фарфоровую чашку и выпаривают на водяной бане досуха. Затем содержимое чашки сжигают на газовой горелке до исчезновения дыма и прокаливают в муфельной печи при температуре 400-500С в течение 3-5 минут, до перехода черной окраски осадка в коричневую. Затем в чашку приливают 10 мл концентрированной соляной кислоты, закрывают покровным стеклом и оставляют на ночь (или нагревают на водяной бане до растворения осадка). На следующее утро содержимое чашки переносят в мерную колбу на 200-500 мл через фильтр (белая лента), осадок промывают горячей водой, слегка подкисленной соляной кислотой (3 капли на 100 г). На фильтре остается кремнезем, который можно определять весовым методом после прокаливания. Содержимое мерной колбы доводят до метки водой, железо определяют колориметрически (Зонн, 1982).
Суммарное определение несиликатных форм железа по методу Мера Джексона. В пробирку центрифужную объемом 100 мл помещают навеску почвы 2-4 г (навеску можно уменьшить для почв с заведомо известным содержанием несиликатных форм железа). В пробирку приливают 40 мл раствора 0,3 лимонного кислого натрия и 5 мл раствора гидрокарбоната натрия. Содержимое пробирки перемешивают и нагревают на водяной бане (80С), а затем добавляют 1 г сухого Na2S2O4. После этого все содержимое центрифужной пробирки размешивают стеклянной палочкой в течение 15 минут. Такая обработка проводится при температуре 80-85С. В конце перемешивания добавляют 10 мл насыщенного раствора хлорида натрия и нагревают на водяной бане в течение 5-10 минут до образования хлопьевидного осадка. После этого раствор центрифугируют в течение 5-10 минут, при 3000 об/мин, после чего надосадочную жидкость сливают в колбу 250 мл. Эту обработку повторяют еще дважды, перенося раствор в ту же колбу. Доводят до метки дистиллированной водой и перемешивают. Железо в полученном образце можно определять колориметрически роданистым калием или сульфосалициловой кислотой (Зонн, 1982). Депонирующая (возобновляющая) способность почв (исчерпывающее элюирование) используется для оценки содержания подвижных форм ионов в твердой среде. В проведенных исследованиях оценивалось вытеснение Са, Мg из исследуемых почв тремя последовательными вытяжками СН3СООNH4 при рН = 4,8. Такая зависимость дополнительно характеризует обеспеченность почв макро- и микроэлементами, также различными токсикантами. К 5 г почвы последовательно добавлялось 25 мл 1 н. СН3СООNH4, после чего к каждой отфильтрованной фракции еще 3 раза по 100 мл. В фильтрате определяли кальций, магний, железо, калий методом атомно-адсорбционной спектрометрии.
При анализе микробиологической активности исследуемых образцов почв был проведен посев проб почвы на питательные среды (МПА, КАА). Далее был произведен качественно-количественный учет микрофлоры почвы и выделение чистых культур бактерий из проб почв.
В модельных экспериментах оценено влияние низких температур на процессы ионного обмена в почвах, влияние вымораживания на состав почвенных растворов, влияние низких температур, гравитационного и электрического полей на миграцию веществ в почве, изучено влияние чередования условий увлажнения и температурного режима на свойства почв; наличие гистерезиса; оценено влияние водорастворимых органических веществ разлагающихся растительных остатков на элюирование катионов из почв (описание методик приведено в соответствующих разделах).
Измерены электрохимические свойства фракций почвенных растворов, размораживающихся при разных температурах с помощью прибора Digital-Multimeter M. 890G, в мСм/см. Определяли миграцию веществ в почвенном профиле и в модельных опытах под влиянием градиентов гравитационного и электрического полей.
Определено содержание железа, марганца, калия в мг/л в отдельных фракциях воды (размораживающихся с разной скоростью); определяли концентрацию (мг/л) соединений катионов железа, марганца, калия в почвенном растворе замерзающего при разных температурах. Подробное изложение методик приведено в соответствующих разделах.
Для оценки функциональных групп органического вещества почв и степени закомплексованности органических лигандов снимали инфракрасные спектры почв. Для оценки состояния соединений железа в почвах и прочности связи воды в них изучали дериватограммы почв (Савич, Раскатов, 2011). Для оценки цветовой гаммы почв использовали метод компьютерной диагностики в цветовых системах CMYK, RGB, Lab (Савич, Байбеков и др., 2006).
При математической обработке данных использованы программы STRAZ, Microsoft Excel. Структурные взаимосвязи между свойствами почв различных регионов России и Монголии выявляли с помощью многофакторного корреляционно-регрессионного анализа. Уровень вероятности был принят за 0,95.
Восстановленно-растворимые формы соединений железа в мерзлотно-таежных почвах
В то же время, увеличение температуры способствует растворимости осадков, процессам комплексообразования. При разложении растительных осадков энергия освобождается и частично теряется, частично используется для образования более сложных органических веществ и комплексных соединений органических лигандов с двух- и трехвалентными катионами. Одновременно в почвах протекают процессы окисления, связанные с выделением энергии, и процессы восстановления, связанные с поглощением энергии. Совокупность протекающих процессов и возникающие при этом явления синергизма и антагонизма усложняют интерпретацию закономерностей изменения подвижности в почве катионов и в том числе Fe в зависимости от температуры почв.
По полученным нами данным, десорбция железа из исследуемых мерзлотно-таежных почв зависела от температуры десорбента, увеличиваясь с повышением температуры от 1С до 70С. При десорбции железа раствором 0,05 н. HCl, содержание железа в фильтрате составляло при 1С - 1,1 мг-экв/100 г, при 20С - 1,4 и при 70С - 1,7 мг-экв/100 г. При десорбции железа 0,2 н. HCl величины были соответственно равны 3,6; 4,1 и 14,2 мг-экв/100 г. При вытеснении железа из почв раствором 0,05 н. KCl, содержание Fe в растворе при 1С составляло 0,09 мг-экв/100 г; при 20С - 0,12 и при 70С - 0,29. При десорбции 0,05 н. CaCl2 соответственно 0,09; 0,10 и 0,39 мг-экв/100 г. Таким образом, при вытеснении из почвы железа десорбентом HCl, вытеснялось, естественно, больше, чем при вытеснении железа растворами KCl и CaCl2, однако влияние температуры 0,05 н. раствора сказалось на вытеснении железа в меньшей степени, что соответствует энергии гидратации К - 80 ккал/г ион, и Н - 263 ккал/г ион.
Вытеснение железа из почв в зависимости от температуры зависело не только от температуры, но и от катиона, входящего в состав десорбента. Так, при наличии в десорбенте катиона Na, вытеснение Fe при 1С и 60С составляло в относительных единицах соответственно 25,5±6,9 и 40,0±7,8, а при вытеснении ионом Mg соответственно 33,7±8,1 и 38,2±5,5. Зависимость вытеснения железа из почв от температуры десорбентов приведена на следующих графиках.
Увлажнение почв приводит к уменьшению их температуры и к изменению подвижности ионов и в том числе железа. Эффект зависит как от градации температуры, так и от градиента ее изменения, что рассмотрено в опубликованной нами работе (Градиент физических полей и свойств почв как фактор плодородия, Плодородие, 2013). При внесении воды в почву и при оценке теплового эффекта реакций с использованием тепловизора, температура в центре внесения Н2О и на расстоянии 5 см от центра составляла в супеси - соответственно 19,7±0,8С и 22,8±0,2С; в суглинке - 18,0 и 22,8С. То есть в почвах легкого гранулометрического состава градиент был меньше. При этом градиент содержания в почвах водорастворимых соединений железа составлял от -1,0 до +1,2 мг/л. При температурном градиенте 4,6C градиент содержания водорастворимого железа составлял +0,04 мг/л, а при градиенте 4,6 он равнялся +0,06 мг/л. Полученные данные приведены на следующих рисунках.
С нашей точки зрения, одним из факторов почвообразования является наличие многолетней мерзлоты, обуславливающей низкие температуры профиля, снижение биологической активности и биопродуктивности, специфику протекания реакций ионного обмена, изменение растворимости осадков, создание водоупора. Это приводит и к аккумуляции веществ в надмерзлотном слое, к возникновению новых градиентов и геохимических барьеров в почвенном профиле. Частично это обуславливает локальное развитие подзолообразования в надмерзлотном слое при отсутствии промыного типа водного режима.
Значительное влияние на протекающие в почве процессы оказывает как иссушение, так и промораживание. При этом увеличивается концентрация раствора, меняется его состав. При этом сначала в соответствии с произведениями растворимости выпадают в осадок карбонаты, затем сульфаты и хлориды. В оставшемся более концентрированном растворе увеличивается доля Na и Cl. При вымораживании в растворе увеличивается доля СО2, Н2, О2, что в совокупности приводит к разрушению алюмосиликатов.
При замерзании почвенных растворов происходит их вымораживание. Замерзшая часть раствора менее минерализована, незамерзшая часть содержит большие концентрации элементов. Теоретически, это приводит к разрушению минеральной части почв под влиянием большей ионной силы растворов. Однако, неясно как изменяется при этом состояние органических соединений. В разных почвах этот процесс должен иметь свою специфику. Должно меняться и соотношение ионов в растворах (Соколов, 2006).
Температура замерзания раствора зависит от рН, содержания гумуса, ионной силы раствора, наличия в нем поверхностно активных веществ. В связи с этим, разные микрозоны почв замерзают в разное время, что определяет процессы миграции. Увеличение концентрации солей, ионной силы раствора приводит к понижению температуры замерзания и повышению температуры кипения почвенных растворов. Увеличение содержания в почвенном растворе гумусовых веществ приводит к испарению вод при более низких температурах и к замерзанию при более высоких.
Как видно из представленных данных, при вымораживании растворов в них увеличивается содержание калия, однако содержание железа и сопротивление изменяются для легких и более тяжелых почв неодинаково. На отличие изменения состава почвенных растворов при вымораживании для легких и глинистых почв указывал И.А. Соколов (2006). Однако, в исследуемых почвах при вымораживании в незастывших растворах достоверно уменьшение сопротивления и увеличение содержания железа.
Комплексообразующая способность водорастворимых органических веществ разлагающихся растительных остатков по отношению к железу
Изучению влияния криогенных процессов на почвообразовательные посвящено значительное количество фундаментальных исследований (Еловская, 1965; Соколов, 2004; Макеев, 1981; Ногина, 1969; Наумов, 1964; Зольников, 1954; Худяков, 1988). К свойствам почв, тесно связанным с развитием криогенных процессов относят листоватое сложение, высокие показатели пористости в надмерзлотных глеевых слоях, повышение гумуса в этих слоях, повышенную языковатость, фульватный состав гумуса, низкую микробиологическую активность, тиксотропию, сетчатую криогенную структуру, накопление полуторных окислов в верхнем слое до 5000 мг/100 г подвижных форм. Согласно исследованиям ряда авторов в криогенных почвах проявляется синхронность протекания ряда процессов – криосолифлюкции, криотурбации, солифлюкции, турбации, трещинообразования, термокарста, сортировки.
Согласно исследованиям Наумова Е.М. (1993)., в гумидных регионах преобладает мезоморфное Al-Fe-гумусовое почвообразование и гидроморфное глеевое и торфяное почвообразование. В семигумидных районах и семиаридных районах преобладают ксероморфное гумусово-аккумулятивное почвообразование, мезоморфно-метаморфическое и криогидроморфное неглеевое почвообразование.
Худяков О.И. (1988) отмечает, что криогенные процессы приводят к внутрипочвенному перемешиванию горизонтов с породой; циклическое проявление криогенных форм рельефа предопределяет дифференциацию почвенного профиля, выраженную в чередовании зрелых и молодых почв.
Герасько Л.И. (2015) отмечает, что длительное промерзание почв определяет наличие элювиальных горизонтов, контактного и глубинного оглеения. Вследствии длительного оттаивания в почвах отмечается материальная миграция растворов. Криометаморфический горизонт характеризуется структурными преобразованиями на низкотемпературном фоне, заторможенностью биохимических процессов. Почвы с этим горизонтом входят в отдел криометаморфических почв и выделены в классификации почв 2004 г. как светлоземы. В.Д. Тонконогов (2010) выделяет среди них два подтипа - иллювиально-железистых и глинисто-иллювиальных. Почвы характеризуются формированием «двухэтажных» профилей, развивающихся в условиях ослабленного дренажа с преобладанием бокового латерального внутрипочвенного стока. Для почв характерны криогенные деформации, наличие языковатости криогенного происхождения, резко фульватный состав гумуса. Характерным для почв является мерзлотное выветривание , сопровождающееся увеличением в почве лессовидной фракции (Герасько, 2015).
Криогенный вынос продуктов почвообразования в виде растворов и суспензий за пределы профиля и перераспределение внутри профиля идут одновременно и взаимосвязями. Главным результатом физического выветривания является высокая пылеватость почв (Наумов, Градусов, 1964).
Криогенез приводит к оструктурированию почв и агрегированию в связи с утончением пленок незамерзающей воды, вызывающей сближение частиц и их цементацию соединениями почвенных растворов. Однако, криогенные структуры являются неустойчивыми. По данным Е.М. Наумова (1993) в мерзлотно-таежных почвах протекают следующие почвообразовательные процессы: 1. органо-аккумулятивные (торфяный, дерновый, перегнойный, гумусовый, оторфянивание подстилки); 2. элювиальные (выщелачивание, отбеливание, лессиваж); 3. иллювиального накопления (аморфных Al-Fe-гумусовых соединений, карбонатов, ила, пыли); 4. метаморфические (аморфизация, рубефикация, оглинивание, оглеение, коагуляционное оструктуривание; 5. криогенные (растрескивание, пучение, криотурбация, вымораживание крупнозема, цементация льдом, образование плитчатой структуры). Низкие температуры приводят к уменьшению скорости реакций, к изменению селективности поглощения почвами отдельных ионов. Это сопровождается изменением свойств почв. Замораживание почв сопровождается увеличением ионной силы незамерзших растворов, что приводит к увеличению разрушения минеральной части почв (гальмиролиз). Также замораживание почв приводит к восходящей миграции железа в верхний слой, к формированию мерзлотно-таежных почв, увеличению содержания подвижного железа.
Резкое понижением температуры воздуха до отрицательных значений приводит к миграции веществ в воздушную среду воды, илистых частиц и водорастворимых соединений.
Развитие динамических напряжений между слоем многолетней мерзлоты и замерзающим верхним слоем приводит к развитию тиксотропии. Замерзание верхнего слоя приводит к поверхностной миграции ионов по склону. Оттаивание подпахотного слоя приводит к боковой миграции ионов по не оттаявшему подпахотному слою.
Эволюция мерзлотно-таежных почв в значительной степени определяется генетическим аппаратом почв. Ряд авторов выделяет понятия почва-память и почва-момент (Таргульян). Память почв обусловлена минералогическим составом почв, гумусовым состоянием, микробиологической активностью, строением почвенного профиля и структурой почвенного покрова, геохимическими барьерами в почвенном профиле. На более высоком иерархическом уровне - это закономерные взаимосвязи между компонентами ландшафта. На более низких иерархических уровнях - это состав комплексных соединений, строения и состав новообразований, конфигурация и плотность заряда сорбционных центров, состав граней и слоев структурных отдельностей (Савич, 2005).
Кривцов И.В. отмечает наличие в мерзлотно-таежных почвах морфологической памяти о трансформации минерального скелета. По данным автора, крупные фракции гранулометрического состава сохраняют большой объем литогенной памяти. По полученным нами совместно с Норовсурэн Ж. данным, эволюция мерзлотно-таежных почв частично обусловлена «древними» микроорганизмами, находящимися в мерзлых слоях и «оживающих» при их оттаивании в связи с сельскохозяйственным использованием. Ряд работ указывает на память о предыдущих эпохах, зафиксированных в магнитных свойствах почв, что, безусловно, влияет и на трансформацию железа в почвах.