ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.421.3(571.63)
РАСТВОРЕННОЕ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ЛИЗИМЕТРИЧЕСКИХ ВОД ГОРНО-ЛЕСНЫХ ПОЧВ ЮЖНОГО СИХОТЭ-АЛИНЯ
© 2014 г. Т. Н. Луценко1, В. С. Аржанова1, С. Ю. Братская2
Тихоокеанский институт географии Дальневосточного отделения РАН, 690041, Владивосток, ул. Радио, 7
e-mail: luts@tig.dvo.ru
2Институт химии Дальневосточного отделения РАН, 690022, Владивосток, пр. 100-летия Владивостока, 159
Поступила в редакцию 13.06.2013 г.
Исследованы фракционный состав растворенного органического вещества, химическая природа гуминовых и фульвокислот лизиметрических вод типичных почв высотной поясности горной страны Сихотэ-Алинь (юг Дальнего Востока России). Препараты гуминовых и фульвокислот охарактеризованы элементным составом, инфракрасными спектрами поглощения, содержанием кислых функциональных групп и их рК. Показано, что в верхних горизонтах почв преобладают фульвокис-лоты, а в минеральных — фракция неспецифических растворенных органических веществ. При переходе от почв низкогорных поясов к средне- и высокогорным в гумусовых горизонтах наиболее контрастно уменьшается доля гуминовых кислот, а в составе гуминовых и фульвокислот снижается вклад азота. В рК-спектрах гуминовых и фульвокислот установлено наличие трех категорий карбоксильных и фенольных групп. Показано, что при переходе от низкогорных почв к средне- и высокогорным формируются гуминовые и фульвокислоты с более сильными кислотными свойствами. Установленные характеристики состава растворенного органического вещества и тренды их изменения позволяют более полно и обоснованно рассматривать процессы почвообразования в ландшафтах высотной поясности Сихотэ-Алиня.
Ключевые слова: лизиметры, гуминовые вещества, элементный состав, ИК-спектры, рК-спектры.
Б01: 10.7868/80032180X14060070
ВВЕДЕНИЕ
Александр Павлович Кравков был одним из первых исследователей, оценивших важность изучения растворенного органического вещества почвы. В начале ХХ в. он писал, что "растворимые в воде продукты разложения растительных остатков благодаря своей удобоподвижности должны быть отнесены к одним из важнейших факторов почвообразования" [17, с. 100].
К настоящему времени собран обширный материал по составу растворенного органического вещества (РОВ) почв таежных зон европейской части России, показаны его генезис, разнообразие, лизиметрическими методами изучена мобилизация и миграция в почвах [11, 20, 25]. Установлена важная роль РОВ как источника кислотности подзолистых почв, участника процессов трансформации почвенных минералов, образования комплексов с металлами [12—15, 19].
Геохимическая роль РОВ в почвах особенно важна в условиях муссонного климата юга Дальнего Востока, где за теплый сезон выпадает более 80% годовой нормы осадков. Изучение экосистем в последовательно сменяющихся высотных поя-
сах растительности дает возможность зафиксировать резкое изменение характеристик компонентов ландшафтов разной таксономической принадлежности на сравнительно коротком расстоянии. Комплексные ландшафтно-геохимические исследования геосистем высотной поясности Сихотэ-Алиня выявили контрастные изменения свойств почв и процессов миграции вещества, в том числе с использованием лизиметрических методов, в пределах ландшафтно-геохимической макрокатены горы Облачная [2, 3]. Актуальной и неосвещенной осталась проблема участия РОВ в процессах почвообразования. Носителями транспортных, реакционных, педогенных свойств РОВ почв являются, прежде всего, водорастворимые гуминовые вещества: гуминовые (ГК) и фульвокислоты (ФК) — состав, структура и свойства которых зависят от условий синтеза и реализуются в их поведении в почвах.
Цель данного исследования — провести сравнительное изучение фракционного состава РОВ, особенностей состава, структуры и свойств ГК и ФК лизиметрических вод в типичных почвах основных высотных поясов южного Сихотэ-Алиня
5
705
и оценить связь этих характеристик со спецификой почв.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектом исследования являются РОВ, ГК и ФК лизиметрических вод основных типов почв южного Сихотэ-Алиня. Район работ расположен на южном макросклоне горы Облачная, в пределах данной ландшафтно-геохимической макро-катены (абсолютная высота 1856 м) наиболее полно представлены основные высотные пояса горной страны Сихотэ-Алинь.
Основная площадь массива сложена мощной толщей нижнемеловых терригенно-кремнистых и флишоидных пород — алевролитов и песчаников с незначительной долей вулканогенных образований, представленных комплексом пород кислого состава [4].
Среднегодовое количество осадков в южном Сихотэ-Алине составляет 700—1000 мм. При этом количество осадков на высоте >1000 м больше, чем в низкогорье на 35—40% [24]. Среднегодовая температура воздуха в низко- и среднегорных поясах не превышает 1°С, в гольцовой зоне она составляет от —1 до +5°С.
Исследования проводились на четырех ключевых участках, которые были выбраны как наиболее типичные для высотных поясов Сихотэ-Али-ня [2, 3]:
1. Абсолютная высота 750 м. Пояс кедрово-елово-пихтовых лесов. В древостое доминируют ель аянская и пихта белокорая при значительном участии кедра корейского. Лиственные породы представлены березами: желтой, каменной; кленами, осиной. Напочвенный покров — злаково-разнотравный. Почва — типичный иллювиально-гумусовый бурозем, для профиля характерна высокая степень гумусированности и аккумулятивный тип распределения гумуса, слабо выраженный процесс его иллювиирования.
2. Абсолютная высота 950 м. Пояс среднегорных елово-пихтовых лесов с участием березы каменной и папоротниково-моховым напочвенным покровом. Почва — буротаежная иллювиаль-но-гумусовая. Для профиля характерна высокая и глубокая гумусированность за счет значительной подвижности гумуса.
3. Абсолютная высота 1250 м. Мезосклон северной экспозиции, водораздельная позиция в формации кедрового стланика среди пихтово-еловых лесов с березой каменной. Напочвенный покров — сплошные зеленые мхи, среди них — кустарнички брусники и багульника. Почва — ил-лювиально-гумусовая подзолистая. Здесь сохраняются условия для интенсивного развития А1— Fe-гумусового процесса, но длительное присутствие сезонно-мерзлотного слоя на глубине 80—
90 см ограничивает более глубокую миграцию гумуса по сравнению со среднегорными почвами.
4. Абсолютная высота 1400 м. Пояс высокогорных елово-пихтовых лесов с моховым напочвенным покровом. Почва — иллювиально-гумусовый подбур. Длительное существование сезонной мерзлоты также ограничивает глубокую миграцию гумуса, как и в почвах на высоте 1250 м.
На ключевых участках заложены почвенные разрезы, в которые ниже основных генетических горизонтов вмонтированы лизиметры системы Шиловой. Горизонты: АО (подстилка), А1 — гумусовый, А2 — элювиальный оподзоленный, Bhf — иллювиально-гумусово-железистый. Отбор лизиметрических вод осуществлялся в июле и в конце сентября—начале октября, когда в Приморье завершается сезон дождей.
Лизиметрические воды фильтровали через мембранные фильтры с диаметром пор 0.23 мкм. Концентраты РОВ получены вымораживанием и ротационным испарением в вакууме. Углерод РОВ в водах, концентратах и фракциях определялся бихроматным сжиганием с последующей спектрофотометрией [22].
ГК были отделены от ФК осаждением НС1 при pH 1.5 в течение суток с последующим центрифугированием. Осадки ГК растворяли в 0.1 М растворе NaOH и переосаждали. ГК промывали дистиллированной водой (контроль по хлорид-иону). Кислые супернатанты фракционировались по методике Варшал с соавт. [7]. В ее основе лежит фракционирование фракции ФК по Фор-ситу на угольной колонке с последовательным выделением неспецифических РОВ (амино- и карбоновых кислот, углеводов, фенолов и т.д.). ФК десорбировали 0.1 М раствором NaOH, переводили в Н+-форму на колонке с катионитом Dowex 50W X 10. Осадки ГК и растворы ФК подсушивали при температуре 35—40°C, досушивали над пятиокисью фосфора.
В препаратах ГК и ФК определяли элементный состав на С—H—N-анализаторе Carlo Erba Strumentazione 1106. Масса препарата 0.5—5 мг. Зольность препаратов устанавливали прокаливанием при температуре 600°С в течение часа. Содержание кислорода рассчитывали по разности между массой препарата и суммарным количеством С, H, N с учетом зольности.
Навески препаратов ГК и ФК массой 3 мг использовали для съемки ИК-спектров поглощения на ИК-спектрометре Spectrum BX 1000 Perkin Elmer с Фурье-преобразователем (техника KBr, соотношение препарат : KBr = 1 : 100).
Потенциометрическое титрование препаратов ГК и ФК выполнено в трехкратной повторности в РС-контролируемой системе, включающей рН-метр Orion 920A с комбинированным стеклянным электродом Orion 9102SC и дозирующей
А0 А1
А2
50 см
А0 А1
50 см
В1ЬГ
В2ЬГ|=П г
|=—1-В2ЬГЬ=1
0 20 40 1=1-
А1 А2 А2ВЬГ
В4ЬГ
В
50 см
А0 □ А1 В1ЬГ
В2ЬГ ВЬЮ
0 20 40
Е
- 50 см
1=1
0 20 40 60 80
0 20 40 60
Углерод РОВ, мг/л □ 1 Ш2 П3
Рис. 1. Фракционный состав РОВ лизиметрических вод почв: А — иллювиально-гумусового бурозема; Б — буротаеж-ной иллювиально-гумусовой; В — иллювиально-гумусовой подзолистой; Г — иллювиально-гумусового подбура; 1 — ФК; 2 — ГК; 3 — неспецифические соединения.
Г
ячейкой Dosimat, Ме^оЬт. 6—10 мг препарата растворяли в 10 мл 0.1 М КС1, добавлением 0.1 М КОН доводили рН до 10 для полного растворения. Растворение и потенциометрическое титрование проводили при постоянном токе аргона. Перед титрованием растворов ГК/ФК для достижения полного протонирования рН снижали до 2.5. Результаты потенциометрического титрования с учетом зольности препаратов были обработаны методом функций плотности [6], позволяющим получить рК-спектры ГК и ФК.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Фракционный состав РОВ. Лизиметрические воды содержат весьма высокие концентрации углерода РОВ (40—70 мг/л в органогенных горизонтах), а его распределение по профилю почв свидетельствует об интенсивном движении и аккумуляции органического вещества (рис. 1).
Исследуемые почвы характеризуются различиями внутрипрофильной миграции РОВ. Наибольшей подвижностью отличается РОВ бурота-ежной иллювиально-гумусовой почвы, где даже за пределы изученной мощности (120 см) почвенн
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.