Подзолистые почвы преобладают на песчаных отложениях территорий, где среднегодовое количество осадков превышает 700 мм, и насчитывают приблизительно 485 млн га во всем мире. Они распространены в основном в умеренных и бореальных регионах Северного полушария: Скандинавии, на северо-западе России и в Канаде. Помимо «зональных» подзолов, встречаются и «внутризональные» подзолы как в умеренной зоне, так и в тропиках. Большинство зональных подзолов сформированы под пологом хвойно-доминирующих растительных сообществ. Онежский район Архангельской области расположен на южной границе подзоны глееподзолистых и подзолистых иллювиально-гумусовых почв Северной тайги Европейско-западно-сибирской таежно-лесной области подзолистых и дерново-подзолистых почв, в почвенном покрове которой широко распространены глееподзолистые почвы на суглинистых породах, Al-Fe-гумусовые подзолы на песчаных отложениях в сочетании с болотно-подзолистыми и торфяно-болотными почвами [1]. Для Архангельской области характерно преимущественное распространение подзолов и подзолистых почв (67 %) [2], однако данных о составе и свойствах почв области недостаточно.
В условиях нарастающего промышленного освоения северных территорий и трансграничного загрязнения немаловажным представляется установление состава и свойств наиболее распространенных типов почв как важного компонента окружающей среды, участвующего в накоплении и перераспределении загрязняющих веществ, в том числе тяжелых металлов.
Цель исследования: характеристика состава подзолистой почвы Онежского района Архангельской области.
Материалы и методы исследования
Исследованию были подвергнуты почвы елово-соснового леса, отобранные в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84 [3] в Онежском районе Архангельской области в сосново-еловом лесу на склоне холма (N63050.114’ E38025.003’ – N63050.338’ E38024.948’) осенью 2017 г. путем однократного отбора (рис. 1). Отбор проб производили таким образом, чтобы лицевая сторона почвенного профиля открывалась на наиболее освещенную восточную сторону для описания морфологического строения и определения цвета влажной почвы. Подготовка проб к последующему анализу включала высушивание до воздушно-сухого состояния и удаление неразложившихся остатков растений. Определение гранулометрического состава почвы осуществляли ситовым методом с применением аналитической просеивающей машины серии Retsch AS 200 Control в соответствии с инструкцией. Элементный состав почв был определен методом рентгено-флуоресцентного анализа с помощью энергодисперсионного рентгенфлуоресцентного спектрометра типа EDX (Shimadzu) в соответствии с аттестованной методикой рентгено-флуоресцентного анализа [4]. Подготовка проб к анализу включала дополнительное измельчение в шаровой мельнице до фракции примерно 71 мкм и таблетирование с использованием поливинилового спирта в качестве связуещего. Содержание органического вещества, подвижного фосфора и общего азота в почве определяли по ГОСТ 26213-91, ГОСТ Р 54650-2011 и ГОСТ 26107-84 [5–7] соответственно в аккредитованной испытательной лаборатории. С помощью цветовой шкалы почв Манселла (версии 2009 г.) [8] определяли цвет влажной почвы при прямом естественном освещении в соответствии с методикой [9]. ИК-спектры высушенных и измельченных в агатовой ступке проб записаны с использованием ИК-Фурье-спектрометра Vertex 70 (Bruker, Германия) и приставки нарушенного полного внутреннего отражения с алмазной призмой GladiATR(Pike Tech., USA). В качестве фона использовался атмосферный воздух.
Рис. 1. Точки отбора проб на склоне холма: 1 – профиль № 1, 2 – профиль № 2, 3 – профиль № 3
Результаты исследования и их обсуждение
В геологическом плане территория исследования расположена в пределах Нижне-Онегорецкой депрессии, а в морфологическом плане на слабоволнистой равнине, сложенной песчано-глинистыми отложениями. Почвы района исследования сформированы на морских четвертичных отложениях (литологический состав – песок), что обеспечивает их промывной режим и формирование подзолов. Характеристика состава и свойств почвы приведены в таблице и на рис. 2, морфологическое строение профилей почвы приведено на рис. 3. Исследованные профили почвы имеют строение B-E-BHF-C, характерное для подзолов, сформированных в автоморфных условиях на песчаных породах, и различается мощностью выделенных диагностических профилей.
Рис. 2. Распределение частиц почвы по фракциям
Наибольшее содержание органического вещества характерно для грубогумусового горизонта (53,4 ± 1,6 %), наименьшее – для подзолистого (0,41 ± 0,08 %) и иллювиально-железистого (0,46 ± 0,09 %). Содержание подвижной формы фосфора убывает в ряду: грубогумусовый горизонт (174 ± 35 мг/кг), иллювиально-железистый горизонт (83 ± 17 мг/кг), подзолистый горизонт (1,00 ± 0,35 мг/кг) (таблица). Содержание питательных веществ в подзолах низкое вследствие высокой степени выщелачивания. Питательные вещества растений сосредоточены в верхнем, грубогумусовом горизонте, где они высвобождаются в результате разложения органических остатков. Накоплению фосфора в иллювиально-железистом горизонте способствует возможность формирования железо- или алюмосиликатов.
Характеристика состава и свойств подзолистой почвы
|
Показатель |
Грубогумусовый горизонт |
Подзолистый горизонт |
Иллювиально-железистый горизонт |
|
Органическое вещество, % |
53,4 ± 1,6 |
0,41 ± 0,08 |
0,46 ± 0,09 |
|
Фосфор (подвижная форма), мг/кг |
174 ± 35 |
1,00 ± 0,35 |
83 ± 17 |
|
Общий азот, % |
– |
0,017 ± 0,010 |
0,014 ± 0,010 |
|
Цвет сухой почвы (по шкале Манселла) |
2,5/1 7,5YR Black |
5/8 10YR Yellowish brown |
8/1 2,5Y White |
|
Цвет влажной почвы (по шкале Манселла) |
2,5/1 10R Reddish black |
4/4 7,5R Brown |
6/2 10 YR Light brownish gray |
Анализ распределения частиц почвы по фракциям (рис. 2) показал преобладание крупной фракции в составе грубогумусового горизонта, что объясняется наличием слаборазложившихся растительных остатков. Разложение органических веществ и гомогенизация грубогумусового горизонта подзолистой почвы происходят под воздействием ферментной системы грибов, мелких членистоногих и насекомых.
Продуктом продолжительного процесса разложения становятся гумусовые кислоты, способствующие миграции питательных элементов вниз по профилю почвы. Для грубогумусового горизонта наблюдается увеличение массы частиц размером 100–250 мкм в связи с наличием в его составе песчаной фракции, которая также может формировать агрегаты с участием органического вещества. Для иллювиально-железистого горизонта, как и для подзолистого горизонта, характерно преобладание фракций 100, 250 и 45 мкм, при этом самые мелкие фракции преобладают в составе подзолистого горизонта, что можно объяснить процессами разрушения структур почвы в ходе подзолообразования.
Анализ ИК-спектров исходных горизонтов почвы показал присутствие характеристических полос Al-O-Al, Si-O, O-Si-O, ярко выраженных для подзолистого, иллювиально-железистого и, в меньшей степени, грубогумусового горизонтов почв, соответствующих их минеральной составляющей (рис. 3). ИК-спектры подзолистого и грубогумусового горизонтов имеют полосу поглощения в районе 462 см-1, свидетельствующую о наличии оксидов железа. Минеральная составляющая может принимать участие в иммобилизации катионов путем ионного обмена (за счет групп Al-O(H)) и сорбции на положительно заряженных участках дефектных кристаллических решеток. Для грубогумусового горизонта характерным является наличие органических кислородсодержащих групп в составе почвенных компонентов (характеристическая полоса поглощения 1030 см-1), присутствие характеристических полос ионизированных -COO- групп (1370 см-1) и С=С ароматических структур (1600 см-1), что позволяет предположить взаимодействие органической составляющей почвы с ионами металлов по механизмам ионного обмена и комплексообразования.
Рис. 3. ИК-спектры образцов почвы
Отношение интенсивностей характеристических полос поглощения длин волн 1730 и 1620 см-1 составило 1,0080; 1,0007 и 1,0014 для грубогумусового, подзолистого и иллювиально-железистого горизонта соответственно. Это свидетельствует о большем числе протонированных карбоксильных групп в составе компонентов, слагающих грубогумусовый и иллювиально-железистый горизонты, в то время как в подзолистом карбоксильные группы компонентов преимущественно связаны с катионами.
Катенарное исследование состава подзолистой почвы, сформированной на склоне холма, позволило выявить миграционные процессы в элементарном ландшафте. Они нашли свое отражение в строении и составе диагностических профилей почвы: на вершине холма преобладают процессы вымывания элементов и органического вещества, что приводит к формированию диагностических профилей разной мощности (рис. 4). Осаждение продуктов выветривания из органогенного горизонта обычно приводит к разной степени цементации слоев в пределах профиля почвы. Эти цементированные слои могут образовывать барьеры для вертикального проникновения корней деревьев и воды, что приводит к водонасыщенности слоя выше цементированного слоя. Нарастание мощности иллювиально-железистого горизонта в нижней части склона может привести к формированию водоупора и, в дальнейшем, оторфовыванию почвы.
Рис. 4. Схема строения почвенных профилей: 1 – грубогумусовый, 2 – подзолистый, 3 – иллювиально-железистый горизонт, 4 – материнская порода
Рис. 5. Схема распределения относительного содержания элементов в профилях № 1, № 2, № 3
Анализ содержания элементов в почве показал, что в иллювиально-железистом горизонте наблюдается накопление Mg, Ca, Al и Fe, а в подзолистом – снижение содержания Ca, Fe и Mg и увеличение содержания Si и Al, что согласуется с общими закономерностями формирования элементного состава подзолов [10]. Преобладание Al в подзолистом горизонте обусловлено наличием в Онежском регионе алевритов, к которым относятся полевые шпаты, содержащие в своем составе нерастворимые соединения с Al (рис. 5) [11].
Катенарное иследование показало влияние типа элементарного ландшафта на элементный состав и мощность диагностических горизонтов формирующихся в нем почв. Наблюдается вымывание легкорастворимых элементов из подзолистого горизонта и накопление их в подстилочно-торфяном и иллювиально-железистом горизонтах.
Выводы
С применением современного оборудования и общепринятых методик впервые охарактеризован состав и физико-химические свойства диагностических горизонтов подзолистой почвы Онежского района Архангельской области. Показано, что наибольшее содержание органического вещества характерно для грубогумусового горизонта, наименьшее – для подзолистого и иллювиально-железистого. Содержание подвижной формы фосфора убывает в ряду: грубогумусовый горизонт, иллювиально-железистый горизонт, подзолистый горизонт. В иллювиально-железистом горизонте характерно накопление Mg, Ca, Al и Fe, а в подзолистом наблюдается снижение содержания Ca, Fe и Mg и увеличение содержания Si и Al, что согласуется с общими закономерностями формирования элементного состава подзолов. Исследование структуры почв методом ИК-спектроскопии показало наличие двух групп активных центров связывания катионов металлов, характерных для органических и минеральных компонентов почвы. Впервые дано описание цвета сухой и влажной почвы с использованием цветовой шкалы почв Манселла. Фракционный состав почв отражает процесс подзолообразования: в грубогумусовом горизонте преобладают крупные фракции (соответствует медленному разложению растительных остатков), для подзолистого горизонта характерно максимальное количество мелких фракций (соответствует процессу разрушения и вымывания минеральной и органической составляющей), в подзолистом наблюдается укрупнение частиц за счет цементирования их Fe-гуминовыми комплексами. В ходе катенарного исследования подтверждено влияние типа элементарного ландшафта на элементный состав и мощность диагностических горизонтов подзолистой почвы. Полученные сведения могут найти свое применение в целях мониторинга подзолистых почв Онежского района, информация о химическом составе может быть полезна при прогнозировании удерживающей способности почв по отношению к катионам, в том числе тяжелых металлов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-35-00552. Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования научным оборудованием «Арктика» Северного (Арктического) федерального университета.
Библиографическая ссылка
Кузнецова И.А., Мироненко К.А., Бедрина Д.Д. ХАРАКТЕРИСТИКА СОСТАВА ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ ОНЕЖСКОГО РАЙОНА // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 12-2. – С. 288-293;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37303 (дата обращения: 07.12.2024).