научная статья по теме КОЛЛОИДНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ ГРАНУЛО-ДЕНСИМЕТРИЧЕСКИХ ФРАКЦИЙ ПОЧВ Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «КОЛЛОИДНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ ГРАНУЛО-ДЕНСИМЕТРИЧЕСКИХ ФРАКЦИЙ ПОЧВ»

ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 1, с. 61-70

= ФИЗИКА ПОЧВ

УДК 631.417.2;631.414

КОЛЛОИДНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ ГРАНУЛО-ДЕНСИМЕТРИЧЕСКИХ

ФРАКЦИЙ ПОЧВ*

© 2015 г. Г. Н. Федотов1, З. С. Артемьева2

1 Институт экологического почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы

e-mail: gennadiy.fedotov@gmail.com 2РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49 Поступила в редакцию 18.10.2012 г.

При помощи растрового электронного микроскопа проведено изучение грануло-денсиметрических фракций, выделенных из чернозема, серой лесной и дерново-подзолистой почв. Исследования подтвердили, что легкие фракции плотностью <1.8 г/см3 и размером частиц >53 мкм в основном представлены растительными остатками, однако в них присутствуют и минеральные частицы, покрытые достаточно толстыми слоями органо-минеральных пленок, и углистые вещества. Показано, что илистая фракция представляет собой совокупность ультрамикроагрегатов глинистых минералов размером <1 мкм, покрытых гидрофильным органо-минеральным гелем, а органическое вещество фракции "остатка" включает устойчивый высокоароматизированный (лигниноподобный) материал, а также угли и углеподобные вещества.

Ключевые слова: растровая электронная микроскопия почв, фрактальные кластеры гумусовых веществ, изучение грануло-денсиметрических фракций.

DOI: 10.7868/S0032180X15010049

ВВЕДЕНИЕ

За последние несколько десятилетий было опубликовано большое число работ [4, 5, 8], связывающих свойства почв и их деградацию с количеством легкоразлагаемого органического вещества (ЛОВ). Предложены различные методы выделения этой фракции органического вещества (ОВ) почв [4, 5, 8—10], достаточно адекватно отражающие обнаруженную корреляцию для разных почв.

Для детализации представлений об ОВ почв в ряде работ [1—3, 6, 11—15] органо-минеральные соединения исследовали более подробно, проводя их выделение методом грануло-денсимет-рического фракционирования. Этот метод позволяет разделять почвенный образец на легкие фракции (ЛФ), остаток и илистую фракцию.

Остановимся на существующих представлениях о выделяемых этим методом ЛФ [2]:

1. Полагают, что во фракции <1.8 г/см3 с размером частиц >53 мкм преобладают фрагменты растительного происхождения.

2. Считают, что ОВ легких фракций пылевато-го размера (плотностью <1.8 г/см3, <53 мкм) содержит микробиологически трансформированный растительный материал и представлено, в ос-

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ,

проект 13-04-00140.

новном, собственно гумусовыми веществами, частично продуктами неполной гумификации органических остатков и углистыми частицами.

3. В составе фракции 1.8—2.0 г/см3 не удалось обнаружить отдельных растительных фрагментов. Полагают, что в этой фракции преобладает ОВ, включенное в состав биофитолитов, а фракцию назвали "фитолитовой".

Было также показано, что при деградацион-ных изменениях почв как в ЛФ, так и в иле уменьшается содержание органического вещества, но темпы этого уменьшения значительно больше в ЛФ [1, 2, 11, 14]. В результате, содержание С орг в ЛФ , доля СЛф в общем уровне накопления углерода в почве (С общ) и отношение содержания С орг в ЛФ и в иле (СЛФ/СИл) было предложено рассматривать в качестве индикаторов состояния органического вещества в почвах.

Следует отметить, что представления о выделяемых этим методом фракциях складывались на основе их изучения, в основном, методами химического анализа и оптической микроскопии. Авторы, считая почву органо-минеральной системой, исходили из того, что основным результатом почвообразовательных процессов является образование продуктов органо-минерального взаимодействия, которые метод грануло-денсиметриче-ского фракционирования позволяет выделять в малоизмененном состоянии, и, в дальнейшем, ис-

следовать природу и свойства твердой фазы этих соединений. Однако при этом недостаточно внимания уделялось роли консолидирующих компонентов почвы, а точнее, покрывающим и связывающим почвенные частицы органо-минераль-ным коллоидным соединениям (гелям).

К настоящему времени представления о структурной организации почв меняются. Из коллоидно-химической модели почв [17] следует, что ор-гано-минеральные гели, основой которых являются фрактальные кластеры из супермолекул гумусовых веществ (Ф-кластеры) [16], покрывают и связывают почвенные частицы, превращая почву в единую систему. При этом супермолекулы гумусовых веществ (ГВ) и Ф-кластеры обладают различными гидрофильно-гидрофобными свойствами, которые, как и мощность слоев гелей, объединяющих почвенные частицы в разных точках почвенного образца, могут сильно варьировать.

Разделение подобной системы в жидкостях, отличающихся по плотности, на частицы с разными удельными весами в полной мере осуществить не удается, так как невозможно полностью разрушить физическими и физико-химическими методами почвенные гели. В результате фракционироваться будут не частицы, а агломераты из частиц, имеющие определенный удельный вес, на которые может распадаться почвенный образец под влиянием определенных механических воздействий, способных разрушить связывающий гелевый слой и оторвать агломераты с более низким удельным весом, чем используемая жидкость.

Следует также добавить, что грануло-денси-метрическое фракционирование не является процессом разделения частиц по плотности в чистом виде. Наличие большого количества пустот в сухих почвенных образованиях и возможность или невозможность их заполнения используемыми жидкостями будет существенно влиять на результат, и, следовательно, большое значение в этих процессах приобретает степень смачиваемости поверхности почвенных частиц, а, точнее, находящихся на этой поверхности органо-минераль-ных гелей используемыми для фракционирования жидкостями.

Все вышеизложенное говорит о сложности и неоднозначности процесса грануло-денсиметри-ческого фракционирования почв и необходимости углубления наших знаний по этому вопросу.

Целью работы являлось уточнение представлений о роли коллоидной составляющей почв на грануло-денсиметрическое фракционирование путем изучения выделяемых почвенных фракций методами электронной микроскопии, микроанализа и химического анализа.

При этом следует отметить, что данных по прямому наблюдению Ф-кластеров в почвенных

образцах при помощи растровой электронной микроскопии (РЭМ) до настоящего времени получено не было. Поэтому для правильной трактовки результатов изучения на РЭМ различных грануло-денсиметрических фракций на первом этапе работы было необходимо выяснить вопрос о реальности существования и возможности наблюдения Ф-кластеров в почвенных образцах.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Для выяснения первого вопроса использовали образцы зональных почв из коллекции факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова: подзол иллювиально-железистый, подзолистая, дерново-подзолистая и серая лесная почвы, черноземы различных типов, светло- и темно-каштановая почвы, бурая полупустынная почва, серозем, краснозем и торфяная почва, а также образцы, отобранные из гумусово-аккумулятивных горизонтов дерново-подзолистой почвы из окрестностей поймы р. Яхрома, и типичного курского чернозема.

Объектами для исследования фракций, выделенных грануло-денсиметрическим методом, в южно-таежной подзоне дерново-подзолистых почв послужили дерново-подзолистые почвы Московской обл., которые охватывают основные варианты гранулометрического и литологического разнообразия. Были исследованы верхние гор. А1 лесных почв: дерново-сильноподзолистой легкосуглинистой почвы на маломощном легком суглинке, подстилаемом флювиогляциальными песками (Звенигородская биостанция), дерново-сильноподзолистой легкосуглинистой почвы на тяжелом покровном суглинке (УОПЭЦ Чашни-ково), слабодерново-среднеподзолистой средне-суглинистой почвы на моренном суглинке (стационар "Малинки" института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова, дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы на двучленных покровных суглинках с подстиланием флювио-гляциальных отложений (Зеленоградский стационар Почвенного института им. В.В. Докучаева). В зоне серых лесных почв была исследована серая лесная почва со вторым гумусовым горизонтом тяжелосуглинистая на мощном лёссовидном суглинке (опорный пункт Почвенного института им. В.В. Докучаева "Иваньково"). В зоне черноземов были исследованы верхние гор. А1 целинных почв: неполноразвитого, типичного и выщелоченного заповедника "Приволжская лесостепь".

Для изучения органического вещества почв был использован модифицированный вариант грануло-денсиметрического метода [14], разработанного ранее [20]. Легкие фракции были выделены по упрощенной схеме с помощью бромоформ-этанольной смеси плотностью 2.0 и 1.8 г/см3 после того, как из почвы после предварительного 15-минутного воздействия ультразвука на поч-

венную суспензию (выходная мощность генератора 180—200 ватт, частота излучения 22 кГц) был удален ил. Масса фракций плотностью <1.8 г/см3 с помощью сита с диаметром 53 мкм была разделена на 2 подгруппы: свободной (не входящей в состав микроагрегатов), размером >53 мкм и агрегированной, размером <53 мкм. Ранее было показано, что выделение свободного ОВ (ЛФСВ) после удаления илистой фракции принципиально не влияет на количество и качественный состав ЛФСВ, выделяемого по полной схеме (до удаления илистой фракции) [14].

Углерод определяли методом мокрого сжигания по Тюрину в модификации, принятой в лаборатории биохимии почв Почвенного института им. В.В. Докучаева. Азот определяли микрометодом Кьельдаля, в модификации Шаймухаметова

[19].

Электронно-микроскопические исследования проводили на растровом электронном микроскопе JEOL-6060А (фирмы JEOL, Япония) с вольфрамовым катодом. Микроанализ был выполнен на энергодисперсионном рентгеновском анализаторе ЕХ-2300 Ви (фирмы JEOL, Япония). На образцы перед исследованием напыляли платину, используя установку JFC-1600 (фирмы JEOL, Япония).

Характерной особенностью получения информации при помощи РЭМ является изменение интенсивности частей изображения при их различной высоте. Настройка проводится таким образом, чтобы наиболее высокие части наблюдаемой области б

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком