= ХИМИЯ ПОЧВ =
УДК 631.4
СОСТАВ И ГИДРОФОБНЫЕ СВОЙСТВА ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ДЕНСИМЕТРИЧЕСКИХ ФРАКЦИЙ ПОЧВ ПРИПОЛЯРНОГО УРАЛА* © 2015 г. А. А. Дымов1, Е. Ю. Милановский2, В. А. Холодов2, 3
Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, 167982, Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28 2Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы 3Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7
e-mail: aadymov@gmail.com Поступила в редакцию: 15.05.2014 г.
Изучены особенности органического вещества верхних минеральных горизонтов четырех почв Приполярного Урала: подбура иллювиально-гумусового (Entic Podzol), подбура глееватого иллюви-ально-гумусового (Stagnic Entic Podzol), подзола иллювиально-железистого (Albic Podzol), бурозема элювиированного (Leptic Cambisol). Методом денсиметрического фракционирования выделены пулы органического вещества. Концентрации углерода и азота, относительный вклад отдельных денсиметрических фракций в общее содержание элементов в верхних горизонтах почв отражают генетические особенности формирования исследуемых почв. Насыщенность органического вещества азотом растет с увеличением плотности фракций. В верхних горизонтах подбуров (Entic Podzol, Stagnic Entic Podzol) и бурозема (Leptic Cambisol) возрастает доля тяжелой фракции HFb характеризуемой высоким содержанием мелкопылеватой фракции. Для денсиметрических фракций и горизонтов подбура глееватого иллювиально-гумусового (Stagnic Entic Podzol) и подзола иллювиально-железистого (Albic Podzol) определены величины контактных углов смачивания, характеризующие их гидрофобные свойства. Для почвенных горизонтов эти величины изменялись от 60° до 88°, для денсиметрических фракций от 22° до 137°. Выявлено, что гидрофобные свойства исследуемых почвенных горизонтов в значительной степени определяются содержанием фракций свободного и окклюдированного органического вещества.
Ключевые слова: горные почвы, Югыд ва, органический углерод, контактный угол смачивания. DOI: 10.7868/S0032180X15110052
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время обширное число публикаций посвящено особенностям формирования почв в горных ландшафтах [2, 6, 7, 11, 12, 19]. В ряде работ указывается на важную роль органического вещества в генезисе горных почв [4, 9], однако детальные исследования почвенного органического вещества (ПОВ) в горных ландшафтах носят единичный характер [3, 4]. В настоящее время представления о компонентном составе ПОВ претерпевают существенные изменения. Расширение инструментальных методов исследования привело к формулированию новых представлений о составе и пространственной организации ПОВ [14, 18, 42, 47]. При изучении ПОВ широкое распространение получил метод денси-метрического фракционирования почв [1, 20, 33], позволяющий без химического воздействия раз-
* Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ (13-04-00570а, 12-04-90700моб_ст, 13-04-01753а), гранта Президента РФ МК-2905.2015.4 и программы Президиума РАН № 12-П-4-1018.
делить почву на фракции, органическое вещество (ОВ) которых обладает специфичностью по функциональности и генезису. Рядом исследователей показаны преимущества использования поливольфрамата натрия в качестве тяжелой жидкости для изучения ПОВ [16, 34, 38, 48].
В основе денсиметрического фракционирования лежит разделение компонентов почв в тяжелых жидкостях с заданным значением плотности. Обычно для флотации используют диапазон плотности от 1.0 до 2.2 г/см3. Вначале отделяют легкую фракцию меньше заданной плотности (наиболее часто используют значение в интервале 1.4—1.8 г/см3). Считается, что эта фракция в основном представлена слаборазложившимися растительными остатками, не связанными с минеральной частью почвы или агрегатами [34]. На основе этой фракции выделяется отдельный пул ПОВ — близкая по строению, возрасту, функциональности и происхождению часть ПОВ. Этот пул называют "свободное органическое вещество" и обозначают как FPOM (от англ. "free particle or-
ganic matter"). Это наиболее "короткоживущая" фракция ПОВ, ее средний возраст в пахотных аг-роценозах оценивают равным около двадцати лет. Затем при проведении денсиметрического фракционирования в той же навеске разрушают агрегаты, обычно ультразвуковой (УЗ) обработкой, и выделяют вторую легкую фракцию — внутриагре-гатное или, как его еще называют, окклюдированное органическое вещество. Обозначают этот пул OPOM (от англ. "occluded particle organic matter"). Плотность этой фракции задается аналогичной FPOM. Органическое вещество, входящее в состав этой фракции, более устойчиво, по сравнению с фракцией свободного органического вещества. Помимо этого, обычно еще выделяют пул окклюдированного вещества, имеющего большую плотность, в сравнении с OPOM, чаще всего 1.6(1.8)—2.0(2.2) г/см3. В этой фракции преобладают органо-минеральные комплексы, ее часто называют первой тяжелой фракцией HFj (от англ. "heavy fraction 1"). Органическое вещество во фракции HF1 преимущественно связано с положительно заряженными минералами и отличается большей стабильностью и меньшим изменением под действием микроорганизмов, по сравнению с более легкими фракциями. Наиболее тяжелая денсиметрическая фракция (вторая тяжелая фракция — HF2, осаждается при плотности раствора, равняющейся 2.0(2.2) ± 0.03 г/см3) обычно характеризуется низкими концентрациями углерода, который преимущественно представлен производными отрицательно заряженных продуктов микробиологической деструкции лигнинов. Таким образом, органические соединения можно разделить по устойчивости и возрасту на активный молодой углерод, входящий в состав фракций свободного и окклюдированного вещества и устойчивый прочно связанный с минеральной матрицей в составе фракций HF1 и HF2 [33, 36]. Денсиметрическое фракционирование позволяет разделить органическое вещество по активности его участия в биологическом круговороте и времени пребывания углерода в почве [15, 37], выявить факторы, обеспечивающие закрепление и стабилизацию углерода [10, 13, 31]. Важнейшим свойством почв являются свойства поверхности почвенных агрегатов, а именно ее гидрофильные/гидрофобные свойства. Известно, что легкоразлагаемое органическое вещество, так же как и его прекурсор — растительные остатки, в силу своего происхождения имеют большую гид-рофобность и соответственно меньшую смачиваемость по сравнению с почвенной минеральной массой [29]. Однако в процессе трансформации и преобразования в почве, связываясь с минеральной массой, растительные дериваты должны терять это свойство, приближаясь по своим поверхностным свойствам к минеральной составляю-
щей. При этом не ясно, насколько этот процесс выражен. Например, будет ли поверхность орга-но-минеральных ассоциатов наследовать поверхностные свойства растительных остатков или смачиваться аналогично минеральным частицам. В связи с этим для всесторонней характеристики денсиметрических фракций ПОВ наряду с общепринятыми методами весьма интересно оценить смачиваемость (или гидрофильность/гидрофоб-ность) поверхностей этих фракций.
Одним из подходов для оценки смачиваемости является измерение краевого угла (контактного угла) смачивания на границе раздела сред. Существуют методические работы по характеристике искусственных почвенных коллоидов с помощью контактных углов [44, 45]. Отмечено изменение углов смачивания почвенных отдельностей в результате внесения сурфактантов или гидрофобных веществ [30, 40], а также под воздействием пожаров [23]. С помощью углов смачивания оценивали водопроницаемость почв и моделировали ее гидравлические свойства [27, 28]. Относительно простым и экспрессным является прямое измерение контактного угла смачивания на поверхности раздела фаз — метод статической посаженной капли (Static Sessile Drope, SSD). До недавнего времени он был неприменим для пористых веществ и порошков из-за влияния капиллярного впитывания на форму капли. Однако современные методы, используя микровидеосъемку, позволяют оценивать форму нанесенной на изучаемый объект капли в любой момент времени, даже в так называемый "нулевой момент" — когда капля уже находится на поверхности, но влияние на ее форму впитывания незначительно [44]. В последнее время этот метод стал использоваться для определения контактного угла смачивания почв.
Цель данной работы — изучение особенностей органического вещества, физических и химических свойств, в том числе смачиваемости, денсиметрических фракций, выделенных из почв Приполярного Урала.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектом исследования были почвы, расположенные на территории национального парка Югыд ва (Приполярный Урал). Диагностику и классификационное положение почв осуществляли согласно [17, 50]. Два разреза заложены в горно-тундровом поясе: подбур иллювиально-гумусовый (Entic Podzol, разр. 69-11) и подбур глееватый иллювиально-гумусовый (Stagnic Entic Podzol, разр. 1-10). Два разреза заложены под лесной растительностью — разр. 9-09 расположен в поясе лиственничных редколесий (подзол иллювиально-железистый, Albic Podzol), профиль бурозема элювиированного (Leptic
Cambisol, разр. 54-10) вскрыт под ельником разнотравным. Приуроченность почв к различным ландшафтам отражают аналитические характеристики (табл. 1). Почвы сильнокислые, с минимальными значениями рН, приуроченными к верхним минеральным горизонтам. Распределение общего углерода — плавно убывающее с максимальным содержанием органического вещества в грубогумусированных подстилках. Почвы горной тундры существенно отличаются по условиям формирования, приводящим к различиям в содержании углерода и азота в иллювиальных горизонтах. Так, для подбура иллювиаль-но-гумусового (разр. 69-11) содержание углерода в иллювиальном горизонте равняется 2.5%, в то время как для подбура глееватого иллювиаль-но-гумусового, формирующегося в близких к полугидроморфным условиям, содержание углерода существенно больше и составляет 13.2%. Высокие концентрации углерода в верхних минеральных горизонтах часто встречаются в почвах северных ландшафтов [5]. Почвы, развивающиеся под лесными сообществами, отличаются по качественному соста
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.