ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2015, № 5, с. 99-106
ЭВОЛЮЦИЯ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ
УДК 631.43 7+551.89
МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ В ОЦЕНКЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ И ПРОФИЛЬНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ПОЧВ, ОБУСЛОВЛЕННАЯ ПАЛЕОЭКОЛОГИЧЕСКИМИ ФАКТОРАМИ1
© 2015 г. И.М. Вагапов, А.О. Алексеев
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Пущино, Россия
e-mail: vagapovim@mail.ru
Поступила в редакцию 14.11.2014 г.
Объектами исследования являлись голоценовые почвы, сформированные на разных элементах рельефа и в условиях разных природных зон, а также палеопочвы, в том числе погребенные под курганными насыпями. Целью работы было выявить закономерности и механизмы формирования структуры пространственной неоднородности почвенных свойств и почвенного покрова, обусловленных палеоэкологическими факторами, на основе показателя магнитной восприимчивости (МВ). Впервые выявлены закономерности пространственной изменчивости показателя МВ в почвах разных элементов палеокриогенного микрорельефа. Роль последнего в формировании сильномагнитных минералов Fe сопоставима с влиянием зональных условий почвообразования и выражается в дифференциации водно-воздушных условий, характер варьирования которых обуславливает неоднородность свойств почв на уровне подтипа. Вариография позволила выявить характерные размеры однородных структур, наличие которых связывается с палеокриогенным микрорельефом и его структурообразующими элементами. Пространственное распределение МВ, обусловленное па-леокриогенным микрорельефом, имеет вид кольцеобразных, ритмически повторяющихся структур. Профильное распределение МВ в палеопочвах степной зоны, определяемое в первую очередь содержанием почвенного магнетита, может быть использовано в качестве "магнитной записи" палеоэкологических факторов степей и позволяет получать количественные характеристики климата (атмосферные осадки). Кроме того, топоизоплеты пространственного распределения МВ могут давать представления как об этапах конструирования грунтовых погребальных сооружений (курганов), так и о материалах, используемых при этом.
Результаты могут быть использованы при изучении структуры почвенного покрова и его картографировании, мониторинге почвенных характеристик в связи с развитием технологий "точного" земледелия.
Ключевые слова: голоценовые почвы, палеопочвы, палеокриогенный микрорельеф, вариография.
Введение. Пространственная и временная изменчивость факторов почвообразования, а также различные по интенсивности внутрипочвенные процессы обусловливают закономерное изменение почвенных свойств, как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях [17, 24]. С середины 1960-х гг. эта неоднородность стала объектом пристального внимания, что, с одной стороны, привело к появлению работ теоретического характера, направленных на осмысление причин и форм проявления многообразия почв в простран-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 14-04-31725 мол_а).
стве, особенно в микро- и мезопространстве, а с другой стороны, к необходимости разработки соответствующих методов изучения пространственной вариабельности как отдельных почвенных свойств, так и факторов, их определяющих и от них зависящих [18].
Для исследования закономерностей и механизмов формирования структуры пространственной неоднородности почвенных свойств и почвенного покрова, обусловленных палеоэкологическими факторами, был использован показатель магнитной восприимчивости (МВ), который дает информацию о протекании ряда элементарных
почвенных процессов [12] непосредственно in situ и позволяет выражать ее через объективно измеряемую физическую величину [20].
В последние два десятилетия научное направление, связанное с изучением магнитных свойств почв и пород получило активное развитие. Подробные обзоры полученных результатов представлены в работах, обобщающих достижения в этой области исследований [1, 4, 6, 27, 29, 30]. Магнитная восприимчивость почв, в первую очередь, отражает количество железосодержащих соединений, их состав, строение и дисперсность. Магнитные свойства почв во многом определяются биоклиматическими условиями. Известно, что при интенсификации процесса выветривания в ходе почвообразования происходит накопление несиликатных форм железа, представленных в основном высокодисперсным гетитом, а также гематитом, лепидокрокитом, магнетитом и маг-гемитом, в зависимости от почвенных условий. В результате почвообразования возможно формирование дисперсных частиц 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 почв. В процессе образования почвенного (биогенного) магнетита определяющую роль играют железоредуцирующие бактерии [1].
Показатель МВ определяется в полевых условиях без какой-либо специальной подготовки образца, что дает возможность проводить массовые исследования и получать картину, соответствующую природной.
Материалы и методы. Объектами исследования являлись почвы, сформированные на разных элементах рельефа и в условиях разных природных зон в пределах центра и юга ВосточноЕвропейской равнины. Исследования проводились в Среднерусской провинции дерново-подзолистых почв на пашне и под лесом (Вологодская область), в Вятско-Камской провинции дерново-подзолистых почв (Республика Чувашия), в Окско-Донской провинции серых лесных почв, черноземов выщелоченных и оподзоленных (Тульская область) и в Донской провинции темно-каштановых и каштановых почв (Ростовская область). Кроме современных почв, разрезы вскрывали горизонты погребенных криоморфных почв, подкурганных палеопочв и многочисленные палеокриогенные образования.
Детальные исследования пространственного и профильного распределения МВ были выполне-
ны на степных почвах юго-востока европейской части России, а именно на темно-каштановых, каштановых, светло-каштановых и бурых полупустынных (Ставропольский край, Волгоградская, Ростовская и Астраханская области, Республика Калмыкия). Кроме современных почв региона проведено комплексное изучение широкого спектра свойств голоценовых палеопочв археологических памятников (курганов) ряда ключевых объектов Нижнего Поволжья, Северных и Южных Ерге-ней, Заволжья. На каждом из ключевых участков проведено исследование МВ почв педохроноря-дов, включавших несколько временных срезов (в том числе современных) в хроноинтервалах от 5 тыс. л. н. до современности. Для отдельных курганов с целью оценки скоростей формирования почвенных профилей были проведены детальные исследования закономерностей пространственного варьирования МВ курганных насыпей.
Как известно, почва является объектом, обладающим высокой пространственной неоднородностью и, в то же время, характеризуется непрерывностью и постепенностью изменения своих свойств [17]. Выбор подходов и методов к изучению их пространственного варьирования зависит от уровня структурной организации почвы, на котором оно рассматривается [24]. В данной работе была использована система крупных разрезов-траншей с площадью стенок более 20 м2, которые позволяют увидеть характер изменения границ между горизонтами, количество трещин, морфонов, новообразований в зависимости от положения в микрорельефе.
В ходе полевых исследований проводилось определение величин объемной магнитной восприимчивости каппаметром КТ-6 по регулярной сетке с размерами ячеек 20 х 20 см. Такая сеть покрывала все основные морфоны профилей почв. В ареале дерново-подзолистых почв, где расстояния между элементами палеокриогенного комплекса составляли от 50 до 200 м, закладывались разрезы небольшого размера, но частота расположения точек опробования в них была больше.
В лабораторных условиях измерялись величины удельной магнитной восприимчивости на приборе Kappabridge Ы^-2, определялись валовые формы Fe2Oз и ТЮ2 с помощью рентгенофлуорес-центного анализатора "Спектроскан МАКС-GV" по методике измерений массовой доли металлов и оксидов металлов в порошковых пробах почв.
Для исследования закономерностей пространственного варьирования МВ и оценки возможного влияния на современный почвенный покров палеокриогенных структур применялась варио-
графия [15, 19, 23, 26, 28 и др.]. Для каждой горизонтальной линии опробования (вдоль траншеи) строилась экспериментальная семивариограмма -график зависимости полудисперсии МВ от расстояния между точками опробования (h). Аппроксимация семивариограмм осуществлялась в программах Surfer 7.0 и Vesper 1.6, степень соответствия оценивалась по величине среднеквадратической ошибки.
Результаты и их обсуждение. Известно, что современный почвенный покров в своих свойствах несет признаки суровых перигляциальных условий [5, 9, 13, 22], которые обусловливают значительную пространственную и профильную изменчивость почвенных свойств на разных уровнях их структурной организации [3, 10]. Детальный анализ современных почв, сформированных на разных элементах палеокриогенного микрорельефа (блочных повышениях и межблочных понижениях), показал, что они отличаются как по ряду морфологических, так и аналитических свойств. Как правило, почва в межблочье отличается более вытянутым гумусовым профилем, содержит большее количество углерода органического вещества, углерода микробной биомассы, подвижных форм фосфора и одновременно не содержит карбонатов, характеризуется низким содержанием обменных катионов и обладает низкими значениями pH, в отличие от почвы блока. Такие различия определяются интенсивностью и направленностью процессов выщелачивания, оглеения, оподзоливания и гумусонакопления, которые, в свою очередь, изменяют магнетизм соединений железа.
Дерново-подзолистые почвы, в которых железо является типоморфным элементом, имеют четко
дифференцированный магнитный профиль, что хорошо проявляется на участке под лесом. Картина распределения величин МВ показывает, что максимумы значений МВ приурочены к более дренированным блочным повышениям, тогда как в почвах межблочных понижений преобладают восстановительные условия, связанные с продолжительным застоем вла
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.