Введение
Почва имеет ярко выраженную пространственную неоднородность, которая проявляется в двух основных направлениях: вертикальном и горизонтальном [1, с. 6–14]. Вертикальная неоднородность выражается в формировании генетических горизонтов с различными свойствами [2, с. 180–193]. Горизонтальная неоднородность формируется под влиянием комплекса факторов почвообразования (почвообразующая порода, рельеф, климат, флора и фауна, время), создающих сложную пространственную мозаику даже на небольших расстояниях и может быть как нивелирована, так и усилена антропогенным воздействием [1, с. 22–37]. Учет этого свойства является критически важным для эффективного земледелия, экологического мониторинга и землеустройства.
Почва представляет собой сложную полихимическую систему, в которой содержание отдельных химических элементов может различаться в тысячи раз и более, а сами элементы могут находиться в составе различных по природе и растворимости соединениях, унаследованных от почвообразующей породы или сформированных в процессе почвообразования [3, с. 3].
Почвенный покров юга Тюменской области (без автономных округов) отличается значительным разнообразием, среди зональных типов серые и темно-серые почвы [4, с. 72, 74] занимают второе место по площади после подзолистых – почти 1 млн га (около 6,3 % территории) [5; 6, с. 91]. Их ареалы формируются в лесостепной и подтаежной зонах, а также частично заходят в южную тайгу. Они приурочены к дренированным участкам водоразделов и верхней части склонов под березовыми или березово-осиновыми лесами [7].
Высокий агрономический потенциал серых и темно-серых почв Северного Зауралья исторически обусловил их активное сельскохозяйственное использование. К концу XX в. в пашню было вовлечено более 80 % их площади [6, с. 91]. В настоящее время они рассматриваются как перспективный резерв для расширения пахотного фонда [1, с. 43; 8]. Благоприятные свойства этих почв связаны с почвообразующими породами региона – лессовидными и покровными суглинками, содержащими карбонаты кальция, которые ограничивают развитие оподзоливания [6, с. 75]. Однако данные агрохимического обследования пашен фиксируют крайне неоднородный характер базовых свойств серых и темно-серых почв, что значительно усложняет их идентификацию и разработку научно обоснованных мероприятий по сохранению и повышению плодородия [1, с. 3; 9].
Несмотря на обширную изученность морфологических и основных физико-химических свойств серых и темно-серых почв Зауралья [1, с. 152–154; 10], профильное распределение в них макроэлементов остается недостаточно изученным.
Цель исследования – установление закономерностей данного процесса.
Материалы и методы исследования
В качестве объекта исследования выбраны целинные серые и темно-серые почвы, которые никогда не использовались в пашне. Исследования проводились в 2024 г. на территории особо охраняемых природных территорий (ООПТ) регионального значения (заказники и памятники природы) в зонах (подзонах) южной тайги, подтайги и северной лесостепи, где было заложено восемь почвенных разрезов (рис. 1). В каждом из них изучено морфологическое строение почвенного профиля и выполнен погоризонтный отбор образцов для последующего лабораторного анализа.
Морфологическое строение изученных почв представлено последовательно сменяющимися генетическими горизонтами, в соответствии с типом почвы.
Профиль серой почвы в разрезе 1: грубогумусовый горизонт (АО) (0–6(9) см) → серогумусовый горизонт (AY) (6(9)–24 см) → серогумусово-текстурный горизонт (AYBT) (24–49 см) → текстурный (BT) (49–71(75) см) → переходный горизонт (BTC) (71(75)–95 см) → почвообразующая порода (C) (95–115 см).
Профиль серой почвы в разрезе 2: АО (0–7(9) см) → AY (7(9)–18(20) см) → AYBT (18(20)–32(52) см) → BT1 (32(52)–72 см) → BT2 (72–100 см) → C (100–125 см).
Профиль серой почвы в разрезе 3: АО (0–7(11) см) → AY (7(11)–18(20) см) → AYBT (18(20)–27(32) см) → BT (27(32)–60 см) → C (60–90 см).
Профиль серой почвы в разрезе 4: АО (0–8 см) → AY (8–15(29) см) → AYBT (15(29)–30(35) см) → BT (30(35)–68 см) → C (68–100 см).
Профиль темно-серой почвы в разрезе 5: грубогумусовый горизонт (АО) (0–7(8) см) → темногумусовый горизонт (AU) (7(8)–20(24) см) → темногумусово–текстурный горизонт (AUBT) (20(24)–51(62) см) → текстурный глееватый горизонт (BTg) (51(62)–72 см) → почвообразующая глееватая порода (Cg) (72–100 см).
Рис. 1. Местоположение почвенных разрезов: 1 – памятник природы «Киселевская гора с Чувашским мысом»; 2, 3 – памятник природы «Окрестности дома отдыха “Тобольский”»; 4 – экологическая тропа в г. Тобольске; 5 – заказник «Алабуга»; 6 – заказник «Ереминский»; 7 – памятник природы «Озеро Соленое»; 8 – заказник «Викуловский». Буквами обозначен тип почвы: С – серая, ТС – темно-серая
Профиль темно-серой почвы в разрезе 6: АО (0–8 см) → AU (8–24 см) → AUBT (24–38 см) → BT (38–72 см) → C (72–100 см).
Профиль темно-серой почвы в разрезе 7: АО (0–10(11) см) → AU (10(11)–28(30) см) → AUBT (28(30)–40(45) см) → BT (40(45)–67 см) → C (67–100 см).
Профиль серой почвы в разрезе 8: АО (0–7 см) → AY (7–13(15) см) → (AYВТ) (13(15)–30(34) см) → BT (30(34)–45 см) → C (45–68 см).
Все лабораторные исследования выполнены в химико-экологической лаборатории Тобольской комплексной научной станции УрО РАН.
Отобранные образцы высушивали до воздушно-сухого состояния при комнатной температуре, после чего растирали в фарфоровой ступке пестиком и просеивали через сито с диаметром ячеек 1 мм (для анализа элементного состава) и 2 мм (для анализа других физико-химических свойств).
Определяли гранулометрический состав почв по методу Рутковского, массовую долю органического вещества – фотометрическим методом [11].
Для определения валового содержания макроэлементов проводили кислотное разложение проб в системе микроволновой пробоподготовки MWS-2 speedwave (Berghof, Германия). Навеску почвы массой 4,0 г обрабатывали 6 мл конц. HCl и 2 мл конц. HNO₃ («царская водка») в автоклавах DAP-60K. Разложение проводили по трехступенчатой программе: 1) нагрев до 150 °C в течение 10 мин (мощность 80 %); 2) выдержка при 180 °C в течение 25 мин (мощности 80 %); 3) охлаждение до < 100 °C в течение 10 мин (мощность 40 %).
После охлаждения содержимое автоклавов количественно переносили в мерные колбы на 50 мл, доводя объем до метки дистиллированной водой. Ввиду неполного разложения силикатной матрицы суспензии фильтровали через обеззоленный фильтр «синяя лента». Для минимизации матричных эффектов и приведения концентраций элементов в линейный диапазон калибровки проводили дополнительное разбавление фильтрата в 50 раз.
Определение концентраций элементов (Al, Fe. Mg, Ca, K, Na, Mn, P) проводили методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на спектрометре Optima 7000DV (PerkinElmer, США). Измерения выполняли при следующих аналитических длинах волн (нм): Al – 308,215, Fe – 239,562, Mg – 279,077, Ca –315,887, K – 766,490, Na – 589,592, Mn – 259,372, P – 213,617.
Статистическую обработку и визуализацию данных проводили с помощью программного обеспечения Statistica StatSoft. В качестве описательных статистик использовали медиану, верхний и нижний квартили, минимальное и максимальное значения. При оценке связей между признаками применяли коэффициент ранговой корреляции Спирмена. Критический уровень статистической значимости принимали равным 0,05.
Результаты исследования и их обсуждение
Установлено, что в исследованных серых и темно-серых почвах концентрации железа и алюминия закономерно нарастают вниз по профилю (рис. 2), достигая максимума в текстурном горизонте (ВТ) или почвообразующей породе (С). Количественно это выражается в следующих значениях медиан (мг/кг) по генетическим горизонтам (АО-AY(AU)-AYBT(AUВТ)-BT-C):
Fe: 19045 → 21750 → 27080 → 34040 → 33110 мг/кг,
Al: 21615 → 23330 → 26285 → 29115 → 30660 мг/кг.
Судя по медианам, содержание Fe в горизонте ВT по отношению к горизонту АY(AU) составляет 157 %, а Al – 125 %. Выявленная аккумуляция согласуется с литературными данными [6, с. 81].
В верхних горизонтах серых и темно-серых почв активные процессы разложения органического вещества и гумификации сопровождаются образованием подвижных фульвокислот. Данные соединения разрушают первичные минералы, переводя Fe и Al в подвижные формы, которые мигрируют вниз по профилю с нисходящими токами воды. В текстурном горизонте (ВТ) происходит осаждение мигрирующих соединений, чему способствует изменение физико-химических условий и более тяжелый гранулометрический состав горизонта: глинистые частицы обладают высокой поглотительной способностью и создают узкопористую структуру, которая задерживает коллоидные взвеси, обогащенные Fe, Al и илистой фракцией. В результате текстурный горизонт уплотняется и приобретает более яркую красно-коричневую окраску, обусловленную аккумуляцией оксидов железа (III). Экспериментальные данные подтверждают высокое содержание глинистой фракции в иллювиальной части профиля – медианные значения по генетическим горизонтам составили: 25 → 21 → 19 → 36 → 34 %. Тяжелые почвы по сравнению с легкими имеют богатый минералогический состав, содержат больше валовых и подвижных элементов [12–14]. Определены положительные корреляции средней силы между содержанием глины и концентрациями Fe (r = 0,58) и Al (r = 0,58).
Низкое содержание Fe и Al в органогенных горизонтах по сравнению с почвообразующей породой связано со слабой биологической аккумуляцией. Это подтверждается коэффициентами биологического поглощения, не превышающими единицу. Согласно литературным данным [15, с. 64–65] исследованные макроэлементы по интенсивности биологического накопления образуют следующий ряд: P (55) ˃˃ Mn (7,0), К (7,0) > Ca (3,0) ˃ Mg (2,9) ˃ Na (0,8) > Al (0,2) > Fe (0,06).
Особенности распределения натрия в серых и темно-серых почвах обусловлены периодически промывным типом водного режима, исключающим аккумуляцию легкорастворимых солей в почвенном профиле. В этих условиях Na, обладающий высокой миграционной способностью, легко выносится за пределы почвенной толщи почвенно-грунтовыми водами. Результаты исследования свидетельствуют о низких концентрациях Na по всему профилю, при этом наблюдается тенденция к росту его содержания с глубиной, что отражается в медианных значениях по генетическим горизонтам: 140 → 128 → 175 → 194 → 246 мг/кг.
В профильном распределении калия не выявлено резкого выноса или аккумуляции в каком-либо горизонте. Его содержание остается относительно стабильным по всему профилю, медианы по горизонтам составили: 3818 → 3105 → 3094 → 4043 → 4150 мг/кг. Будучи ключевым биогенным элементом, К активно поглощается растительностью и возвращается в верхние горизонты с опадом. Этот постоянный цикл поддерживает его запасы в гумусовой части профиля, компенсируя потенциальные потери от выщелачивания. Значительная часть К входит в состав устойчивых к выветриванию первичных минералов (полевых шпатов, слюд), которые служат долговременным «буферным» резервом элемента, особенно в почвообразующей породе. Способность глинистых минералов поглощать и прочно удерживать ионы К в кристаллической структуре дополнительно иммобилизует элемент, предотвращая его вымывание нисходящими токами влаги. Таким образом, стабильность профильного распределения К является результатом динамического равновесия между его биогенной аккумуляцией в верхних горизонтах и минералогическим запасанием по всей почвенной толще.
Рис. 2. Содержание макроэлементов в генетических горизонтах серых и темно-серых почв Зауралья (экстракция «царской водкой»). Горизонты: 1 – грубогумусовый, 2 – серогумусовый (темногумусовый), 3 – серо(темно)гумусово-текстурный, 4 – текстурный, 5 – почвообразующая порода
Характер профильного распределения кальция и магния в исследованных серых и темно-серых почвах существенно различался, несмотря на их принадлежность к элементам среднего биологического накопления [15, с. 65]. Са демонстрировал черты биогенной аккумуляции с максимальными концентрациями в верхних органогенных горизонтах и последующим снижением вниз по профилю (медианы: 8001 → 5835 → 4303 → 4007 → 5111 мг/кг). Однако в почвообразующей породе двух разрезов (№ 6 и 8) зафиксировано резкое увеличение содержания Ca до 34120 и 19080 мг/кг соответственно, что объясняется присутствием карбонатных образований, отмеченных при морфологическом описании в виде белых вкраплений диаметром 3–6 мм. В отличие от Ca, распределение Mg имело выраженную аккумулятивную тенденцию с постепенным увеличением концентрации с глубиной (медианы: 3874 → 4117 → 4899 → 6312 → 6407 мг/кг), что свидетельствует о его активной миграции в иллювиальную часть профиля.
Установлены тесные положительные корреляции между содержанием органического вещества и концентрациями фосфора (r = 0,81) и марганца (r = 0,73) в почвенных горизонтах. Наибольшие концентрации этих элементов приурочены к верхним органогенным горизонтам, что количественно отражают медианные значения:
P: 603 → 348 → 168 → 106 → 155 мг/кг,
Mn: 755 → 628 → 448 → 218 → 178 мг/кг,
органическое вещество:
4,2 → 3,8 → 1,9 → 0,7 → 0,7 %.
Данное распределение является классическим примером биогенно-аккумулятивного процесса. Растения поглощают корнями рассеянные в почвенной толще Mn и P, концентрируя их в своей биомассе. Отмирая, растительные остатки возвращают эти элементы на поверхность почвы в виде концентрированного органического материала. Таким образом, растение, как своеобразный насос, перекачивает химические элементы из нижних горизонтов почвы в верхние.
Фосфор имеет особенно тесную связь с органическим веществом. Значительная часть P в верхних горизонтах представлена органическими формами (в составе гуминовых кислот, фитина и др.), которые отличаются малой подвижностью и не подвергаются активному вымыванию вниз по профилю.
Заключение
На основе проведенного исследования установлены закономерности распределения макроэлементов в серых и темно-серых почвах Зауралья:
Для железа и алюминия характерно четкое перераспределение по профилю с аккумуляцией в текстурном горизонте (содержание Fe возрастает до 157 %, Al – до 125 % относительно гумусового горизонта). Этот процесс, связанный с лессиважем, подтверждается корреляцией между содержанием глины и концентрациями Fe и Al.
Фосфор и марганец демонстрируют классическое биогенное накопление в верхних горизонтах, что подтверждается сильной корреляцией с органическим веществом.
Кальций и магний, имея сходные коэффициенты биологического поглощения, проявляют разную миграционную способность: Ca аккумулируется в верхней части профиля, тогда как Mg мигрирует в нижние горизонты. Локальные максимумы Ca в почвообразующей породе связаны с присутствием в ней карбонатов.
Калий характеризуется относительно равномерным распределением по профилю, что объясняется балансом между биогенной аккумуляцией и минералогическим запасанием в составе первичных и вторичных минералов.
Натрий демонстрирует признаки активного выщелачивания, соответствующего периодически промывному водному режиму исследованных почв.