ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 1, с. 40-49
ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.413
СОЕДИНЕНИЯ ЖЕЛЕЗА, АЛЮМИНИЯ, КРЕМНИЯ И МАРГАНЦА В ПОЧВАХ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ ТАЕЖНОЙ ЗОНЫ
© 2004 г. М. А. Мурашкина1, Г. Н. Копцик2, Р. Дж. Саузард1, Н. П. Чижикова3
1Факулътет земельных, воздушных и водных ресурсов, Университет Калифорнии, Дэвис 2Факулътет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова 3Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН.
109017, Москва, Пыжевский пер., 7 Поступила в редакцию 14.05.95 г.
Определены содержание и состав соединений железа, алюминия, кремния и марганца в почвах лесных экосистем Национального природного парка "Русский Север" (Вологодская обл.). Наибольшие выветрелость минералов и содержание дитионитрастворимого железа свойственны неглубокопод-золистой остаточно-карбонатной почве, наименьшие - дерново-карбонатной почве. Распределение дитионит-, оксалат- и пирофосфатрастворимых соединений характеризуется резкой элювиально-иллювиальной дифференциацией в подзолистых почвах и аккумулятивным характером в дерново-карбонатной почве.
Соединения железа, алюминия, кремния и марганца играют существенную роль в процессе почвообразования. Оксиды и гидрооксиды железа и алюминия являются важными компонентами почти всех почв и характеризуются высокой реакционной способностью благодаря большой удельной поверхности и высокой доле активных центров. Известна способность этих соединений к адсорбции фосфатов и других анионов. Информация о распределении оксидов и гидроксидов железа и алюминия по профилю необходима для диагностики и классификации почв и при определении степени развития педогенных процессов [7, 9-11].
При анализе содержания и поведения различных соединений железа, алюминия, кремния и марганца важную роль играют количество и кри-сталлохимические особенности минералов - носителей перечисленных выше элементов.
Многочисленные публикации по выветриванию минералов, особенно фиксированных с помощью электронной микроскопии, позволяют проследить механизмы выхода этих элементов из кристаллической решетки минералов. Наибольший интерес для почв бореальной зоны России представляет поведение таких железосодержащих слоистых силикатов как биотиты, хлориты и их переходные формы - смешанослойные образования, как литогенно унаследованные, так и образующиеся в процессе почвообразования. Механизм изменения зерен биотита в сапролитовой зоне был исследован методами рентгеновской дифракции и электронной микроскопии [24]. На начальных стадиях выветривания зерен биотита продукты его выветривания используют структуру биотита в качестве матрицы. Формирующиеся
при выветривании кристаллы гетита образуют беспорядочно расположенные агрегаты в кливаже и на поверхности зерен биотита. Часть гетита присутствует на обломках слюд в виде лейст размером 0.05 мкм.
Многокомпонентность, полидисперсность и гетерогенность минеральной части почв затрудняют анализ поведения железа, алюминия, кремния и марганца при почвообразовании. Более того, разделение различных соединений этих элементов на унаследованные от былых стадий выветривания и образовавшиеся в современный этап почвообразования делает задачу еще более сложной.
При анализе поведения железа желательна информация о наличии минералов-железоносите-лей и их устойчивости в данной среде. Из слоистых силикатов наиболее широким распространением в почвообразующих породах и почвах отличаются биотиты (содержание железа до 30%), хлориты (от 2 до 42%), вермикулиты (от 5 до 17%), глаукониты (от 3 до 7%) [1] и ряд смеша-нослойных образований. Значительным количеством железа обладают минералы группы амфиболов - актинолит (6-13%), антофиллит и роговая обманка, группы пироксенов - авгит, эгирин (34%) и гиперстен (14%), группы граната - андра-дит (31%), островные силикаты - эпидот (1217%). Железо является основным компонентом в таких минералах, как гематит (70%), магнетит (72%), маггемит (72%), ильменит (37%), гетит (63%), лепидокрокит (63%), сидерит (48%) и ряде других минералов, не столь часто встречаемых в осадочных отложениях и развитых на них почвах. Экспериментальное моделирование изменений биотита при низких значениях рН свидетельству-
ют о предпочтительном по сравнению с другими элементами переходе в раствор из биотита калия и железа [6].
Экстрагирование железа, алюминия, кремния и марганца может проводиться различными реактивами. Наиболее широкое распространение нашли три реагента: дитионит-цитрат натрия, ам-монийно-оксалатный буфер (реактив Тамма) и пирофосфат натрия или калия. Раствор дитионит-цитрата почти полностью растворяет оксиды и гидроксиды железа, включая ферригидрит [32]. Однако крупные кристаллы гематита и магнетита полностью не растворяются, что занижает количество свободных соединений в почвах с высоким содержанием литогенных или техногенных оксидов железа [4]. До сих пор не совсем ясно, какие именно фракции алюминия и кремния экстрагируются дитионит-цитратом. Наряду со связанными с органическим веществом формами, возможно, экстрагируются некоторые плохо упорядоченные ал-лофаны, гидратированный алюминий из межпакетных слоев 2 : 1 глинистых минералов [18, 27], а также алюминий и кремний, соосажденные с оксидами железа и/или замещающие железо в этих оксидах [21, 37].
Известно, что реактив Тамма (аммонийно-ок-салатный буфер) растворяет аллофаны, имого-лит, ферригидрит, лепидокрокит, магнетит, железо- и алюмоорганические соединения [14, 19] и алюминий из межпакетных промежутков хлори-тизированного вермикулита [23]. Многие исследователи считают, что реактив Тамма практически не растворяет гематит и гетит [7, 15, 22, 36]. Мало данных о растворимости ферроксигита в почвах, хотя этот минерал широко представлен в верхних горизонтах лесных почв [4]. Водяницкий [2, 3] показал, что растворимость оксидов и гид-роксидов железа реактивом Тамма зависит от многих факторов: степени окристаллизованности и гидратированности, степени агрегации, от контакта минералов железа с глинистыми минералами, с другими железосодержащими минералами и с кальцитом. В любом случае обработка реактивом Тамма захватывает не только аморфные, но и слабоокристаллизованные соединения. Селективность оксалата к аморфным и гидратирован-ным соединениям железа возрастает при обработке в темноте и повышении рН реактива до 4.0 [5, 37]. Оксалатрастворимые алюминий (А1о) и кремний (Б1о) совместно с пирофосфатраствори-мым алюминием (А1п) используются для оценки присутствия аллофанов и имоголита в подзолистых и вулканических почвах [21, 32].
Пирофосфатный реагент используется уже на протяжении многих лет для экстрагирования органических компонентов почвы. Помимо железа, связанного с органическим веществом, пирофосфат натрия извлекает также часть свежеобразо-
ванных наиболее растворимых гидроксидов железа [5, 16]. В частности, растворяются тонкие кристаллы ферригидрита и гетита [28, 29]. Алюминий во многих случаях количественно экстрагируется из гумусовых комплексов пирофосфа-том натрия. Раствором пирофосфата также экстрагируются небольшое количество алюминия из аллофанов [21]. Тем не менее количество пиро-фосфатрастворимого кремния обычно очень низкое, что свидетельствует о незначительном растворении аллофанов многих почв раствором пи-рофосфата [32].
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектами изучения послужили основные типы почв лесных экосистем Национального природного парка "Русский Север" (Вологодская обл.). Краткая характеристика профилей приведена в табл. 1. Более подробно неглубокоподзолистая ос-таточно-карбонатная почва, подзол иллювиально-железистый и дерново-карбонатная типичная почва описаны в наших предыдущих публикациях [8, 12]. Данная работа является продолжением исследований почв Вологодской области и посвящена изучению поведения соединений железа, алюминия, кремния и марганца.
Химическое фракционирование железа, алюминия, кремния и марганца проводили по методикам [38]. Интенсивная разработка аналитических методов в почвоведении США в середине прошлого века была во многом обусловлена требованиями практики. Дело в том, что американская классификация почв опирается на количественные характеристики. Так, одним из критериев классификации почв порядка Сподосол (Броёо-80^) с доминирующим подзолистым почвообразовательным процессом было количество железа, экстрагируемое с помощью дитионит-цитрата [39]. История развития методов извлечения свободных соединений железа из почвы рассмотрена ранее в [13, 31]. Современные методы основаны на применении дитионита натрия в качестве восстанавливающего агента [20]. Агуилер и Джексон [13] извлекали железо с помощью многократной экстракции 0.3 М раствором цитрата натрия как комплексообразователя для железа и буфера, препятствующего изменению рН, при 15-минутном нагревании. Для оптимального эффекта Мера и Джексон [31] рекомендовали извлечение при рН 7.3, поддерживаемого с помощью бикарбоната натрия. Однако эти рекомендации базировались на теоретических рассуждениях и не были подкреплены экспериментальными данными. Модифицированная методика [30], разработанная для лабораторий почвенной съемки США и применяемая там с 1951 г., заменяет 15-минутное нагревание при 80°С на 16-часовое встряхивание образцов в 5-процентном растворе дитионита на-
Таблица 1. Характеристика почв лесных экосистем Национального парка "Русский Север"
Тип леса Почвообра-зующая порода Почва Горизонт Глубина, см Цвет по Манселу (воздушно-сухая почва) Фракция ила1 pH2 C орг2 CaCO3
%3 Преобладающие минералы4 H2O CaCl2 %
Ельник карбонат- Неглубо- Е 6(8)-25 10YR 7/2 4.58 Х-Вм, Гсл, К + Х 4.76 3.96 0.64 0
с сосной ная морена коподзо- В1 25-38 10YR 6/4 25.5 Гсл, К + Х, Х-Вм 5.68 4.67 0.51 1.60
чернично- листая
зелено- остаточно- В2 38-61 10YR 5/4 28.7 Гсл, К + Х, 6.01 5.62 0.48 1.84
мошный карбонат- Сл-См
ная ВСса 61-70 10YR 5/8 21.1 Гсл, К + Х, 7.89 7.51 0.53 11.9
Сл-См
Сосняк озерно- Подзол Ае 4-6(7) 10YR 5/2 1.88 Х-Вм, К + Х, 4.39 3.64 1.49 2.30
зелено- леднико- иллюви- Гсл, Сл-См
мошный вые пески ально-же- ВЬ 6(7)-18 10YR 4/4 1.87 Х-Вм, К + Х, Гсл 4.86 4.77 0.78 0.38
лезистый
ВГ 18-24
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.