ГЕНЕЗИС И ГЕОГРАФИЯ ПОЧВ
УДК 631.4
ВЛИЯНИЕ ГЛЕЕОБРАЗОВАНИЯ НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЛИЗИМЕТРИЧЕСКИХ ВОД И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВООБРАЗУЮЩИХ ПОРОД (МОДЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ)*
© 2014 г. Ф. Р. Зайдельман, Н. Н. Дзизенко, С. М. Черкас
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: frz10@yandex.ru Поступила в редакцию 14.04.2014 г.
Рассмотрено влияние глееобразования и сульфатредукции на лизиметрические воды, поступающие из разных тяжелых почвообразующих пород: речного аллювия, лёссовидных и озерно-аллювиаль-ных отложений. Глееобразование в условиях застойно-промывного водного режима вызывает существенное подкислении вод (на 1.5—2.5 единицы рН), интенсивный вынос железа, кальция, кремния, резкое уменьшение степени насыщенности основаниями, рост гидролитической кислотности. Содержание подвижного алюминия увеличивается по сравнению с исходной породой в десятки раз, при застойном водном режиме изменения физико-химических свойств почв оказываются менее значимыми или не проявляются вообще. Максимальный вынос железа установлен в речном аллювии, далее следует лёссовидная глина, затем озерный засоленный аллювий. В отличие от других элементов установлен существенный подъем выноса кремния не в начале, как это происходит с железом и кальцием, а в конце эксперимента. Высказано предварительное предположение о том, что существенное увеличение концентрации кремния в лизиметрических водах в конце длительного воздействия глееобразования в условиях застойно-промывного водного режима связано с разрушением алюмосиликатов в этих условиях.
Ключевые слова: глееобразование, сульфатредукция, лизиметрические воды, дренаж, застойный и застойно-промывной водные режимы, анаэробиоз, миграция элементов.
DOI: 10.7868/S0032180X14120120
ВВЕДЕНИЕ
Глееобразование — один из наиболее распространенных почвообразовательных процессов на Земле. Однако этим не исчерпывается его значение для теории и практики почвоведения, мелиорации и земледелия. Оно определяется еще и тем, что глееобразование ответственно за возникновение ряда других процессов почвообразования. Например, подзолообразования [11], формирования солодей [14, 17], черноземовидных подзолистых почв, подбелов и ряда других [7].
Широкое распространение глееобразования обусловлено тем, что для его возникновения практически в любой природной зоне необходимы и достаточны три простых и почти повсеместно встречающихся условия: 1) переувлажнение; 2) наличие анаэробной гетеротрофной микрофлоры; 3) присутствие органического вещества, способного к ферментации.
Внимание к глееобразованию можно проследить на всем протяжении становления развития почвоведения как науки. Впервые термин "глей"
* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ, проект № 08-04-00139.
введен в научную литературу Докучаевым [4]. Он использовал этот народный термин в своей магистерской диссертации "Способы образования речных долин Европейской России", опубликованной в 1878 г. Позднее в 1905 г. Высоцкий в статье "Глей" в журнале "Почвоведение" сформулировал диагностические признаки процесса [3]. В дальнейшем изучению глеевых почв были посвящены работы Завалишина [6], Веригиной [1, 2] и др. Существенный вклад в изучение проблемы внесли Блумфильд [27, 28], Ярков [26], Евсеева [5], Кауричев [17—23], Зайдельман [8, 9], Касаткин [18], Сюта [25], в значительной мере разработавшие методы экспериментального моделирования процесса глееобразования.
Этот процесс реализуется в анаэробных условиях на кислых, нейтральных и выщелоченных породах при отсутствии в ней сульфатов. Ранее показано [10, 12, 15], что глееобразование может проявляться в двух различных формах гидрологического режима: застойном и застойно-промывном [13]. В результате такого различия водного режима почв под влиянием глееобразования формируются две принципиально различных группы почв. Во-первых, недифференцирован-
ные интенсивно оглеенные почвы, например, дерново-глеевые, торфяно-глеевые, торфянисто-глеевые и др. Во-вторых, в условиях застойно-промывного водного режима возникают четко выраженные дифференцированные в разной степени оглеения подзолистые, дерново-подзолистые почвы, солоди, черноземовидные подзолистые и многие другие почвы [7, 14]. Почвы, образованные в условиях застойно-промывного режима, независимо от зональной приуроченности, отличаются присутствием мощного подзолистого горизонта (10—25 см и более), наличием Fe—Mn конкреций, гумусовых или глинистых кутан. Все эти признаки, как правило, отсутствуют в почвах с застойным водным режимом.
ИСТОРИЯ ВОПРОСА И ЭЛЕМЕНТЫ МЕТОДИКИ
Предваряя изложение экспериментального материала, полученного в результате моделирования процесса глееобразования, следует подчеркнуть выдающуюся роль этого важного нового методологического способа изучения почвообразования, который получил отражение в трудах Роде [24]. В 1971 г. он писал: "Моделирование может служить серьезным подспорьем для исследования частных макропроцессов. Пример такого моделирования — попытка ряда авторов (Вериги-на, 1953 и др.) в лабораторных условиях воспроизвести процесс оглеения почвенной минеральной массы. Попытки эти во многих случаях удались в том смысле, что было получено изменение цвета почвенной массы, которое характерно для глее-вого процесса. Однако от понимания сущности глеевого процесса мы все же еще очень далеки (с. 72)". Тем не менее, А.А. Роде высоко оценивал значение моделирования почвообразовательных процессов. В этой связи он подчеркивал: "Моделирование микропроцессов должно сделаться, наряду со стационарными исследованиями, одним из самых основных методов изучения сущности почвообразования, а вместе с тем и сущности плодородия почв, поскольку плодородие является следствием процесса почвообразования" (с. 79). Из этого вытекает важное следствие — "необходимость широкого развития метода моделирования, который уже неоднократно с успехом использовался в почвоведении для разработки ряда частных, но очень важных вопросов" (с. 78). Настоящие модельные исследования предприняли с целью изучения "сущности глеевого процесса".
При постановке режимных наблюдений в модельных условиях предусмотрели изучение процесса глееобразования в вариантах застойного и застойно-промывного водных режимов. На первом этапе модельного эксперимента выполняли работы по изучению влияния глееобразования на изменение рН, окислительно-восстановительно-
го потенциала и вынос с лизиметрическими водами трех элементов: железа, кальция и кремнезема. Эксперимент выполняли на трех почвообра-зующих породах: речном легкоглинистом аллювии р. Москва; лёссовидной легкой глине Владимирского ополья; озерном засоленном тяжелосуглинистом карбонатном аллювии Бара-бинской низменности. Подробно методика опыта, характеристика исходных почвообразующих пород и изменение лизиметрических вод на первом этапе эксперимента (40 сливов) изложены ранее [17].
Эксперимент проводили в лабораторных условиях при стабильной температуре 19—21°С в пластмассовых сосудах (13.5 х 13.5 х 30 см), общая масса мелкозема 1700 г, слой почвы 5 см.
В статье приведены данные об изменении свойств лизиметрических вод под влиянием глее-образования и сульфатредукции в условиях застойно-промывного водного режима. Оценке водной фазы трех пород и изменению их химических свойств под влиянием глееобразования посвящено немного работ. В них отражены основные изменения рН лизиметрических вод [16, 25—29] на протяжении короткого периода их взаимодействия с исследуемыми породами. В нашем случае взаимодействие продолжалось на первом этапе в течение 2 лет. За этот первый период было выполнено 40 сливов лизиметрических вод (один слив — 10 сут затопления; 2—3 сут проветривания и подсыхания; новое затопление). Основные выводы, сделанные за первый период, следующие [17]:
1. В бескарбонатных породах глееобразование в условиях застойно-промывного водного режима при наличии органического вещества, способного к ферментации, сопровождается резким подкислением лизиметрических вод (уменьшение до 3—4 единиц рН по сравнению с контролем и на 1.2—1.8 единиц рН по сравнению с начальным значением этого параметра).
2. В условиях сульфатредукции изменения рН лизиметрических вод носят двухэтапный характер. На первом этапе в результате окисления сульфида железа и образования серной кислоты происходит подкисление лизиметрических вод. После завершения этого этапа и прекращения поступления серной кислоты в результате окисления пирита наблюдали подъем значений рН до 8.2—8.4. Это обусловлено значительными естественными резервами карбоната кальция в озерном засоленном аллювии.
Необходимо подчеркнуть, что в модельном эксперименте во всех вариантах в качестве энергетического источника жизнедеятельности анаэробной микрофлоры использовали 1%-ный раствор сахарозы. Такая концентрация для модельных экспериментов с глееобразованием обусловлена двумя факторами. Во-первых, дли-
тельной экспериментальной проверкой целесообразности применения сахарозы в опытах моделирования глееобразования рядом отечественных и зарубежных исследователей [18, 25—28, 30, 31]. Во-вторых, данная концентрация сахарозы соответствует реальному содержанию сахаров в почве в естественном состоянии. Накопление сахарозы этого уровня обычно наступает в конце вегетационного периода.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВТОРОГО ЭТАПА
Изменение химического состава лизиметрических вод под влиянием глеео бразования в условиях застойно-промывного водного режима. На втором этапе работ продолжили наблюдения за изменением содержания железа, кальция и кремния в лизиметрических водах, а также исследовали изменений физико-химических свойств твердой фазы трех упомянутых поч-вообразующих пород.
В этом случае наблюдения за изменением химического состава лизиметрических вод под влиянием глееобразования продолжали до получения 60 проб сливов. В таком объеме общий период наблюдений продолжался в общей сложности три года. Столь длительное наблюдение позволило обнаружить следующие новые явления в динамике химического состава лизиметрических вод. Содержание железа в водах из нейтральных пород (
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.