научная статья по теме СФЕРИЧЕСКИЕ МАГНИТНЫЕ ЧАСТИЦЫ КАК МИКРОКОМПОНЕНТЫ ПОЧВ И ТРАССЕРЫ МАССОПЕРЕНОСА Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «СФЕРИЧЕСКИЕ МАГНИТНЫЕ ЧАСТИЦЫ КАК МИКРОКОМПОНЕНТЫ ПОЧВ И ТРАССЕРЫ МАССОПЕРЕНОСА»

ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 5, с. 566-580

УДК 632.125:631.4+538.1

ФИЗИКА ПОЧВ

СФЕРИЧЕСКИЕ МАГНИТНЫЕ ЧАСТИЦЫ КАК МИКРОКОМПОНЕНТЫ ПОЧВ И ТРАССЕРЫ МАССОПЕРЕНОСА*

© 2004 г. А. Н. Геннадиев, С. С. Чернянский, Р. Г. Ковач

Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы

Поступила в редакцию 17.12.2003 г.

Для широкого спектра почв даны оценки современного содержания сферических магнитных частиц (СМЧ). Рассмотрено влияние растительного покрова на аккрецию магнитных сферул почвами. Количественно оценена латеральная вариабельность запасов сферул в почвах. Намечены пути повышения точности и информативности метода СМЧ-трассера при его использовании для оценки параметров латерального массопереноса. Исследованы запасы СМЧ в погребенных, синлитогенных и интенсивно загрязненных почвах.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в географо-генетическом почвоведении остро стоит задача существенного совершенствования подходов к оценкам состояния почвенного покрова и исследованию динамики его трансформации, происходящей под влиянием природных и техногенных факторов. Это в полной мере относится к нарушениям физической целостности почвенного покрова, к процессам латерального массопереноса, частными проявлениями которого выступают эрозия и аккумуляция наносов на поверхности почв. В связи с вышесказанным представляется актуальным поиск и обоснование выбора новых информативных трассеров механической миграции почвенных веществ и их использование для получения количественных данных о скорости и объемах процессов смыва-намыва почв. Как показали наши предшествующие исследования [2-5, 18, 2022], такие трассеры присутствуют в почвенной массе среди микрокомпонентов почв. Ими являются сферические магнитные частицы. Количественные данные о распределении СМЧ в почвах той или иной местности характеризуют выраженность механической миграции почвенной массы и степень природной или техногенной деформации почв и почвенного покрова в целом.

СМЧ являются одними из наиболее устойчивых и инертных микрокомпонентов почвенной массы. В минералогическом отношении они представлены в основном магнетитом, гематитом и вюститом, их размер колеблется в пределах единиц-сотен мкм [1, 15]. В почвах в течение длительного времени они не приобретают заметных

признаков разрушения. Такие особенности СМЧ,

*

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект < 0105-64157) и программы "Университеты России - фундаментальные исследования".

как оболочечное строение, пустотелость, металлический блеск и др., позволяют отличать их от широкого спектра других сильномагнитных минералов. Наиболее полное рассмотрение свойств и генезиса СМЧ в почвах содержится в работе Бабанина с соавт. [1]. Современная атмосфера Земли повсеместно содержит то или иное количество СМЧ преимущественно техногенного (сжигание угля и некоторых других видов топлива), но также и природного происхождения (вулканические извержения, космогенное вещество). Наиболее интенсивная техногенная эмиссия СМЧ в окружающую среду на территориях развитых стран (в том числе России) происходила в течение последних 150 лет, при этом одним из наиболее значительных источников магнитных сферул были паровые локомотивы. В пределах отдельных местностей СМЧ более или менее равномерно выпадают на поверхность почвенного покрова и концентрируются в верхних горизонтах почв в количестве десятков, реже сотен, миллиграмм на килограмм почвенной массы. В течение последних полутора столетий темпы аккреции микроскопических магнитных сферул почвенным покровом увеличивались. Прямые оценки скорости этого процесса единичны. В частности, в Ярославле и его окрестностях ежегодно выпадает от 0.1 до 1.2 г/м2 магнитных сферул [1].

Количественный учет латерального перераспределения СМЧ в почвенном покрове позволяет получить данные об объемах эрозии почв и аккумуляции смытого почвенного материала за определенный период времени - порядка 100-150 лет. Применительно к почвенным исследованиям, прежде всего для изучения эрозии почв, метод СМЧ-трассера был впервые разработан и использован Олсоном и Джоунсом в южном Иллинойсе, США [17, 19]. В совершенствовании метода при проведении совместных российско-амери-

Таблица 1. Обобщенные данные по запасам СМЧ в фоновых почвах различных территорий (мощность учетного слоя - от 30 до 110 см, п - общее количество проанализированных образцов почв)

Местоположение, ландшафт Почвы Землепользование СМЧ, г/м2 п Источник

Московская обл., Сергиево-посадский р-н, южнотаежный Дерново-подзолистые и дерновые Лес Пашня 6-17 6-16 120 [18]

Московская обл., Солнечногорский р-н, южнотаежный Лес Пашня 26-35 5-13 120 [2]

Калужская обл., Боровский р-н, южнотаежный Лес Пашня 6 2 100 Публикуется впервые

Белгородская обл., Белгородский р-н, лесостепной Аллювиальные и дерновые Черноземы и темно-серые лесные Луг Лес Луг 1-3 3-6 1-3 100

Курская обл., лесостепной США, штат Иллинойс, Диксон-Спрингс, лесостепной Дерновые Лесные текстурно-дифференцированные (типичные фраджиудальфы) Луг Лес Пашня 1 21-38 8-19 25 75 [16]

США, штат Иллинойс, Коллинсвилл, лесостепной Террасовые луговые и лесные слитизированные (вертик гаплакволлы): целинные под лугами и лесом, старопахотные Лес Луг Луг (старопахотный участок) 11-156 47 26-33 250 [4]

канских полевых исследований принимали участие два первых автора настоящей статьи. Ими впервые данный метод был апробирован на территории России. Метод включает опробование почв по трансектам-катенам, магнитную сепарацию почвенной массы, а также микроскопическую диагностику и количественное определение содержания СМЧ в почвах.

Преимущества данного метода заключаются в прямой оценке интенсивности процессов смыва-намыва почв, чем он отличается от расчетных методов, базирующихся на анализе факторов эрозии и, соответственно, на ряде допущений и условностей. Метод СМЧ-трассера имеет некоторые преимущества и перед весьма прогрессивным методом радиоизотопного маркирования (главным образом, с помощью 137С$), который при всех его положительных качествах ограничен в географическом плане (приуроченность к радиоактивно-загрязненным территориям) и требует специального дорогостоящего оборудования.

Авторами данной работы накоплен определенный материал по применению СМЧ-трассера для количественной оценки процессов эрозии и аккумуляции смытого вещества на пахотных землях таежной и лесостепной зон [2, 5, 18], а также для оценки скорости разрушения археологических памятников [3, 4, 20-22]. Работы проводились в Московской обл. и на юге американского штата Иллинойс вблизи железных дорог, эксплуатирующихся с середины XIX в. Сферические магнитные частицы были обнаружены во всех исследо-

ванных почвах в количестве от 5 до 160 г/м2 (табл. 1), причем верхние 5-20 см почв содержали от 50 до 95% СМЧ. Минимальный определявшийся размер сферул составил 0.5 мкм (для более тонкой части магнитной фракции отделение сфе-рул от несферических частиц не производилось), а максимальный - 50 мкм. В этом диапазоне наиболее распространенными оказались сферулы размером от 5 до 15 мкм.

В ходе этих исследований было выявлено, что по мере приближения к железным дорогам размеры и концентрация сферул в почвах увеличиваются. На пахотных землях фиксировалось достаточно отчетливое перераспределение СМЧ эро-зионно-аккумулятивными процессами, тогда как для залесенных территорий полученные данные не были столь однозначными. Балансовые расчеты показали, что в одних случаях почвы катен под лесными фитоценозами практически не отличаются от пахотных почв по суммарному содержанию сферул, в других же - содержат в 2-3.5 раза больше СМЧ (табл. 1), что может быть обусловлено различными причинами - неодинаковой интенсивностью выпадения сферул на участках с различными типами растительности, неравномерностью поступления частиц на поверхность почв в связи с локальными особенностями ветрового режима, различным объемом выноса сферул в долинную сеть с территорий, отличающихся по типу землепользования, и др.

На основе всех ранее полученных данных можно сформулировать ряд вопросов, требую-

щих первоочередного решения для совершенствования метода СМЧ-трассера: 1) следует изучить возможность применения метода на значительном (десятки км) удалении от крупных промышленных центров и длительно функционирующих железных дорог; 2) необходимо оценить влияние растительного покрова на объемы поступления СМЧ из атмосферы в почвы; 3) требуется охарактеризовать уровни пространственной вариабельности запасов СМЧ в почвах, приуроченных к участкам с максимально однородными условиями почвообразования; 4) важно выявить информативную значимость особенностей содержания и распределения СМЧ в аккумулятивных звеньях почвенных катен (поймах рек, днищах балок и конусах выноса малых эрозионных форм, где развиты синлитогенные почвы); 5) необходимо исследовать изменчивость темпов аккреции СМЧ почвами во времени.

Настоящая статья посвящена решению этих вопросов с привлечением новых данных о содержании СМЧ в дерново-подзолистых, дерновых, аллювиальных и черноземных почвах. Изложению и анализу полученных результатов предшествует краткое описание методики выделения и учета магнитных сферул почв.

МЕТОДИКА ВЫДЕЛЕНИЯ И КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ

СОДЕРЖАНИЯ СФЕРИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ В ПОЧВЕННОЙ МАССЕ

На полевом этапе исследований особое внимание уделяется технике пробоотбора. При изучении педотопокатен и курганов нами закладывались от одной до четырех параллельных трансект с расстоянием 10-100 м между соседними точками трансекты и 20 м - между трансектами. На каждой из точек с помощью ручного почвенного бура выполнялось по 3 скважины, из которых послойно (обычно через 5 или 10 см) отбирались смешанные образцы. Образцы почв дублирующих трансект не смешивались, а анализировались раздельно. Для оценки пространственной вариабельности запасов СМЧ в почвах пробоотбор осуществлялся методом"конверта".

Лабораторное определение содержания СМЧ в почвах включает две стадии: 1) выделение магнитной фракции почв; 2) количественную оценку доли СМЧ в сос

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

Пoхожие научные работыпо теме «Сельское и лесное хозяйство»