Минералогические и органические компоненты аллювиальных почв центральной поймы р. Ока (стр. 1 )

На правах рукописи

МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ И ОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ

АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ПОЙМЫ Р. ОКА

Специальность 03.00.27 – почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата сельскохозяйственных наук

Москва – 2007

Работа выполнена в лаборатории минералогии и микроморфологии почв Почвенного института им. РАСХН

Научный руководитель:

Доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Официальные оппоненты:

Доктор сельскохозяйственных наук

Доктор биологических наук, профессор

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский Государственный Университет

Защита диссертации состоится « 15 » марта 2007 г. в 11 ч. на заседании диссертационного совета Д 006.053.01 в Почвенном институте им. РАСХН ( Москва, Пыжевский переулок, 7),

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Почвенного института им. РАСХН

Автореферат разослан « 13 » февраля 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Любимова

доктор сельскохозяйственных наук Ирина Николаевна

Актуальность

Высокое эффективное и потенциальное плодородие аллювиальных почв (особенно центральной части поймы) по сравнению с автоморфными, близость их к городам и селениям исторически определили особую роль пойменного агроландшафта в развитии сельского хозяйства всего Мира. Агроэкологические особенности аллювиальных почв, однако, нельзя на сегодняшний день считать достаточно изученными для ведения интенсивного сельского хозяйства. Дальнейшего исследования требует также устойчивость пойменных ландшафтов к техногенным нагрузкам в условиях лугово-пастбищной и интенсивной пропашной систем земледелия.

В литературе имеется немного материалов о минералогическом составе и структурных особенностях глинистых минералов в аллювиальных почвах и речном стоке. Данные почвы практически совсем не изучались дериватографическим методом, который позволяет дать некоторую качественную оценку органической составляющей и охарактеризовать энергетику химических связей. Между тем минералогический состав тонкодисперсного вещества и свойства органических компонентов оказывают сильнейшее прямое и опосредованное воздействия на плодородие аллювиальных почв.

Цель работы

Изучить минералогические и органические компоненты аллювиальных почв центральной поймы р. Ока и их влияние на формирование плодородия при различных антропогенных воздействиях.

Задачи

ü  Осуществить комплексные исследования свойств аллювиальных почв центральной поймы верхнего и среднего течений р. Ока:

- гранулометрический состав;

- валовой макро - и микроэлементный составы;

- агрохимические свойства.

ü  Оценить уровень устойчивости аллювиальных почв центральной поймы р. Ока к техногенным воздействиям. Выявить основные тенденции развития изучаемых аллювиальных почв.

ü  Изучить минералогический состав фракции ила, выделенной из аллювиальных темногумусовых почв и определить особенности распределения основных минеральных фаз по профилю и на местности. Зафиксировать отличия минералогического состава аллювиальных почв двух пойм, различающихся характером использования и пойменного седиментогенеза.

ü  Охарактеризовать органическое вещество почв и выделенных из них гранулометрических фракций <1, 1-5, 5-10, >10 мкм. Выявить закономерности в распределении термоактивной и термоинертной частей гумуса (подвергающихся пиролизу в области низких и высоких температур) по гранулометрическим фракциям и профилю. Определить тенденции в распределении энергий химических связей органических веществ по профилям и гранулометрическим фракциям.

Научная новизна

Сравнение агрохимических свойств аллювиальных почв, используемых в качестве сенокосов и пахотных угодий, с результатами исследований прошлых лет (20- и 50-летней давности) выявило значительный уровень устойчивости данных почв к техногенным нагрузкам.

Впервые получена оценка пространственного распределения и варьирования минералогического состава илистой фракции аллювиальных почв (на примере ключевых участков поймы).

Охарактеризовано варьирование термографических характеристик аллювиальных почв и выделенных из них гранулометрических фракций (<1, 1-5, 5-10, >10 мкм) по профилю и на местности. Показано снижение отношения термоактивной части органического вещества к термоинертной (коэффициент термоактивности гумуса) с уменьшением размерности гранулометрических фракций, вниз по профилю и при дегумификации почв. Выявлено снижение термоактивности всего органического вещества с уменьшением размерности гранулометрических фракций. Термическим методом определены значения теплот сгорания, термоактивной и термоинертной частей гумуса, энергетические запасы в органическом веществе аллювиальных почв.

Практическая значимость и реализация результатов

За 50-ти летний период использования аллювиальных темногумусовых почв под сенокосные угодья деградационных изменений их агрохимических свойств не зафиксировано.

Выявлено заметное ухудшение показателей плодородия агротемногумусовых (распахиваемых) аллювиальных почв за 50 лет их интенсивного использования и стабилизация значений агрохимических свойств в последние 20 лет. Определены некоторые факторы, лимитирующие уровень плодородия агротемногумусовых аллювиальных почв: дегумификация (при этом уменьшается количество как термоактивного, так и термоинертного органического вещества), зафосфачивание, высокое варьирование содержания доступного растениям калия.

Диагностировано отсутствие загрязнения аллювиальных темногумусовых и агротемногумусовых аллювиальных почв верхнего и среднего течений р. Ока тяжелыми металлами. Выявлены тесные связи между содержанием валовых форм некоторых макро - и микроэлементов и гранулометрическим составом аллювиальных почв, позволяющие в дальнейшем осуществлять предварительную оценку валового состава расположенных поблизости почв по гранулометрическим характеристикам.

Создана геоинформационная система почв Дединовского расширения поймы Оки. Система была получена путём наложения почвенной карты 1954 г. на топологическую основу. Осуществлена привязка к сети географических координат. Каждый контур содержит информацию о классификационном положении почв (классификации , 1953 г. и Почвенного института, 2004 г.) и свойствах их горизонтов. Полученная геоинформационная система необходима для осуществления дальнейших почвенно-экологических исследований данного объекта и проведения сельскохозяйственных работ.

Защищаемые положения

1.  Гранулометрический состав аллювиальных почв значительно варьирует в пространстве и по профилю, что обусловлено в большей степени характером седиментогенеза в различные периоды формирования поймы.

2.  Аллювиальные почвы объектов исследования превосходят автоморфные бассейна р. Ока по содержанию валовых форм основных биогенных элементов, что обусловлено в большей степени более тяжелым гранулометрическим составом первых. Исследуемые почвы не загрязнены тяжелыми металлами. Отсутствуют также признаки их накопления.

3.  При длительном использовании аллювиальных темногумусовых почв под сенокосные угодья (50 лет) не происходит ухудшения свойств, определяющих их плодородие. Агротёмногумусовые аллювиальные почвы потеряли 1-2 абс. % гумуса за время своего использования под пашню (примерно 50 лет). Однако за последние 20 лет значительных изменений их агрохимических свойств не произошло, а некоторые, даже улучшили свои показатели.

4.  Минералогический состав илистой фракции значительно варьирует в аллювиальных почвах, что обусловлено как изменением содержания илистой фракции в почве (в большей степени), так и соотношения основных минеральных фаз в иле.

5.  Значения коэффициентов термоактивности гумуса ниже в распаханных почвах (потерявших часть органического вещества за время их интенсивного использования), чем в луговых аналогах. Имеет место некоторое пополнение термоактивной части органического вещества (количественно соответствующей гумусу, определенному методом Тюрина) за счет термоинертной составляющей. Вниз по профилю аллювиальных почв происходит снижение термической активности гумуса. Теплота сгорания органического вещества, рассчитанная на потерю массы образца, возрастает с увеличением размерности гранулометрических фракций.

Апробация

Результаты исследований докладывались на: 57-ой студенческой научной конференции (2-е место), МСХА, г. Москва, 2004 г.; III Всероссийской конференции «Гуминовые вещества в биосфере», СПГУ, Санкт-Петербург, 2005 г.; Конференции, посвященной 100-летию со дня рождения члена-корреспондента АН СССР «Биосферные функции почвенного покрова», Пущино, 2005 г.; Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2005», МГУ им. , 2005; III Международной научно-практической конференции «Экология речных бассейнов», Владимир, 2005; VII Московском международном салоне промышленной собственности «Архимед»-2005; совместном заседании лабораторий минералогии и микроморфологии почв, биологии и биохимии почв, физики и механики почв и агропочвоведения Почвенного института им. , 2006.

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация представлена на X X стр. машинописного текста, состоит из введения, 7 глав, и выводов, содержит Х X таблиц и Х X рисунков, включает список использованной литературы из X X наименований, в том числе X X на иностранных языках.

Автор благодарен своему научному руководителю за постоянную помощь и поддержку при выполнении работы; , , за ценные советы и замечания при интерпритации результатов исследований; , , В. И. и , и за руководство и содействие на этапе получения фактического материала. С благодарностью я вспоминаю ценные советы и замечания , данные мне при планировании и в начале выполнения данной работы.

Содержание работы

Глава 1. Существующие представления об аллювиальных почвах и пойменных ландшафтах

В данной главе освещена история развития учения об аллювиальных почвах (, 1759; , 1889; , , 1900; , 1909; , 1938; , 1946; , 1948; , 1953; , 1955; , 1956, 1958, 2005). Описаны генезис и классификация пойм (, 1946; , 1954, 1961) и аллювиальных почв (, 1909; , 1953; , 1991; , , 2004). Охарактеризовано разностороннее влияние климата (, 1954; , , 1972; , 2002), минералогии (, 1961, 1965; , , 1972; , , 1974; , , 1977; H. Hambi, 1967; J. W. Herath, R. W. Grinshaw, 1967; A. T. Urushadze, N. P. Chijikova, 1997 и др.) и биотического комплекса (, 1956; , 1958; , 1996; , , 2001; , 2001; , 2002, 2004 и др.) на формирование аллювиальных почв. Рассмотрено использование аллювиальных почв центральной поймы (, 1954; , 1990, 1994, 2004, 2005; , 1997; , 1969, 1991; , 2001).

Глава 2. Объекты и методы исследований

Объектом исследоваий послужили аллювиальные почвы центральной поймы верхнего и среднего течений р. Ока (Московская область), периодически заливаемые полыми водами. Выбраны два участка поймы, находящиеся под разным антропогенным воздействием: сенокосные угодья рядом с с. Дединово ( пойма», 25 тыс. га) и ежегодно распахиваемый участок рядом с с. Сосновска (Агрофирма «Сосновка» — пойма 320 га). Указанные объекты изучались и ранее: на первом – в 1954 г проводились комплексные почвенно-

Рис. 1. Расположение разрезов в ключевом участке (в скобках указаны номера разрезов ключевого участка 7)

мелиоративные изыскания экспедицией «Росгипроводхоз»; на втором – в 1982 г осуществлялись исследования агрохимических свойств (, , и др.) и минералогического состава () аллювиальных почв.

На Дединовском участке поймы по привязкам 1954 г на косимом лугу были заложены разрезы: 1 – на аллювиальной тёмногумусовой гидромета-морфизованной тяжелосуглинистой крупнопылеватой почве и 7 – на аллювиальной тёмногумусовой глееватой тяжелосуглинистой крупнопылеватой (Классификация и диагностика почв России, 2004). Вокруг каждого из них были заложены ключевые участки (рис. 1). Это позволило определить как среднее значение свойств почв (лучше сопоставимое с результатами исследований прошлых лет), так и их варьирование на местности. Разр. 6 заложен на некосимом лугу (недоступном для работы сельскохозяйственных машин) на аллювиальной тёмногумусовой глееватой легкосуглинистой мелко - и крупнопылеватой почве.

На Сосновском участке поймы (Озерский район Московской области, в 35 км выше по течению р. Ока от Дединовской поймы) разрезы были заложены по привязкам 1982 г на распаханной центральной части поймы: 13 – агротёмногумусовая аллювиальная типичная среднесуглинистая мелкопесчаная крупнопылеватая; 14 – агротёмногумусовая аллювиальная гидромета-морфизованная тяжелосуглинистая крупнопылеватая; 15 – та же, среднесуглинистая крупнопылеватая почва. Кроме того исследовались образцы донных отложений, отобранные на участке реки рядом с с. Сосновска. Общее количество отобранных образцов – 65.

Определен гранулометрический состав методом Качинского с подготовкой образцов к анализу с использованием пирофосфата натрия и методом Горбунова без предварительной обработки образцов какими-либо химическими реагентами. При их сопоставлении с использованием корреляционного анализа было выявлено, что оба метода определяют одинаковые количества физической глины (рис. 2). Однако по методу Горбунова выделяется на 10% от массы сух. почвы больше ила за счет фракций, относимых по методу Качинского к мелкой и средней пыли.

Определено валовое содержание макро - и микроэлементов с помощью рентгенфлуоресцентного анализатора модели ТЭФА-6111 (США) с использованием государственных стандартных образцов почв.

Агрохимические характеристики почв определяли методами, применяемыми в упомянутых исследованиях прошлых лет: pH водной и солевой суспензий потенциометрически; гидролитическая кислотность по Каппену; содержание гумуса по методу Тюрина в модификации Симакова; ионов Ca2+ и Mg2+ методом Шолленбергера на атомно-адсорбционном спектрофотрофотометре AAS-3 (ГДР); подвижных форм калия по Масловой на

*Здесь и далее: м. п. – мелкая пыль; с. п. – средняя пыль

Рис. 2. Сопоставление содержаний грануло-метрических фракций, определенных метода-ми Горбунова и Качинского (n = 11)

пламенном фотометре Flafo-4 (ГДР); подвижных форм фосфора методом Чирикова и Кирсанова на фотоэлектро-колориметре Specol-221 ГДР; обменного натрия при вытеснении его уксусно-кислым аммонием на пламенном фотометре Flafo-4 ГДР.

В выделенных методом Горбунова фракциях ила был произведен анализ минерало-гического состава. Ориентиро-

ванные препараты исследовали рентгендифрактометрическим методом на аппаратуре фирмы Карл Цейсс Иенна (Германия). Режим работы универсального дифрактометра марки HZG-4A: напряжение на трубке 40 кВ, анодный ток 40 мА, скорость вращения гониометра 20 в мин, излучение медное, фильтро-ванное никелем. Диагностику минералов проводили по общепринятым руководствам. Полуколичественное содержа-ние основных минеральных фаз во фракции менее 1 мкм определено по методике Biscaye (1964, 1965).

Таблица 1. Сопоставление содержаний термоактивного органического вещества, определенного дериватографическим мето-дом (х) и гумуса по Тюрину (у)
Группы образцов (размер фракций, мм)	Уравнение регрессии типа y = ax + b*	Коэффи-циент корреля-ции (r)	Размер выбор-ки (n)
физ. песок (>0,01)	y = 1,04x - 0,22	0,96	27
с. п. (0,01-0,005)	y = 0,99x + 0,82	0,92	27
м. п. (0,005-0,001)	y = 1,02x + 0,69	0,89	28
ил (<0,001)	y = 0,86x + 0,40	0,68	42
почва в целом	y = 1,24x - 0,45	0,91	58
все образцы	y = 1,02x + 0,13	0,90	182

Аллювиальные почвы в целом, выделенные из них фракции ила, мелкой, средней пыли и группу фракций физического песка анализировали дериватографическим методом на приборе марки Q-1500D системы Ф. Паулик, И. Паулик, Л. Эрдеи, завода МОМ, (Венгрия), позволяющем совместно использовать термогравиметри-ческий (ТГ), дифференциально-термогравиметрический (ДТГ) и дифференциально-термичес-кий (ДТА) методы анализа. Изменения свойств образца наблюдались в диапазоне температур 20-1000 ºС в атмосферном воздухе, при скорости нагрева печи 100 /мин.

Произведено сопоставле-ние содержания термоактив-ного органического вещества (сгорающего в низком диапа-зоне температур) с содержанием гумуса, определенным методом Тюрина (табл. 1). Выявлено количественное соответствие этих групп органическиз веществ. При этом, дериватографический метод позволяет определить с большей точностью температуры начала и конца пиролиза термоактивного органического вещества и потерю массы в данном температурном интервале.

Подсчет площадей термических эффектов (также как и рефлексов рентгендифрактограмм) производился с помощью програмы Adobe Photoshop v.8. Статистические характеристики данных получены с помощью программы Microsoft Excel 2002.

Глава 3. Гранулометрический состав аллювиальных почв

По всему профилю аллювиальные темногумусовые почвы ключевых участков Дединовской поймы имеют тяжелый гранулометрический состав. Доля пылеватых фракций превышает 65% с преобладанием частиц крупной пыли (31-59%, метод Качинского). Содержание ила колеблется от 9 до 27%. Иногда наблюдается резкое снижение содержания крупнопылеватой фракции на фоне увеличения количества илистой и мелкопылеватой (табл. 2). В Сосновской пойме распределение гранулометрических фракций по профилям исследуемых агротемногумусовых аллювиальных почв более неоднородно. Это обусловлено меньшими размерами расширения поймы и следовательно более динамично меняющимся паводковым режимом и характером седиментогенеза. Если в середине центральной поймы (разрез 14) гранулометрические фракции по профилю распределены равномерно, то ближе к прирусловой части (разрез 13) наблюдается заметное накопление крупного, среднего и мелкого песка в верхней части профиля, содержание физической глины при этом остается почти неизменным. Рядом с притеррасной поймой (разрез 15) отмечается резкое повышение содержания физического песка. В слое 62-71 см гранулометрический состав вообще представлен рыхлым песком.

Соотношение фракций в донных отложениях практически одинаково, хотя они были отобраны на разных сторонах реки. При этом оно хорошо сопоставимо с гранулометрическим составом пахотного и подпахотного горизонтов почв, расположенных ближе к прирусловой части поймы.

Для исследования варьирования гранулометрического состава в ключевых участках аллювиальных темногумусовых почв использовался метод Горбунова (более объективно определяющий содержание фракций ила, мелкой и средней пыли). Размах вариации содержания физической глины в верхних горизонтах составляет 13% от массы сух. почвы. Это соответствует отличию более, чем на одну категорию в классификации почв по гранулометрическому составу . В нижних горизонтах участка 1 (65-75 см) размах вариации содержания физической глины возрастает до 18%, что соответствует разнице уже в две категории. Стандртные отклонения содержания физической глины (рис. 3) составляют от 1,6 до 7,6% от сух. почвы. Коэффициенты вариации содержания физической глины на ключевых участках изменяются от 4 до 17% по профилю. Отмечается увеличение данного показателя с уменьшением содержания фракции <0,01 мм в почве. Закономерностей в характере варьирования по профилю содержания гранулометрических фракций

не отмечается, что является характерным для аллювиальных почв.

Таблица 2. Гранулометрический состав аллювиальных почв центральной поймы р. Ока, определенный методом Качинского

Горизонт	Глубина взятия образца, см	Содержание фракций, % от сух. почвы; размер частиц, мм	Основное наимено-вание разновид-носей	Дополнительное наименование
1,0- 0,25	0,25-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005	0,005-0,001	<0,001	<0,01
Аллювиальная тёмногумусовая гидрометаморфизованная тяжелосуглинистая крупнопылеватая (разрез 1)
AU1	0-3	0,1	10,8	45,3	12,5	18,2	13,1	43,8	тяж. сугл.	крупнопылеватая
AU2	3-22	0,1	9,3	46,7	15,8	15,4	12,7	43,9	тяж. сугл.	крупнопылеватая
AU(q)1	30-40	0,1	12,2	42,8	12,9	19,6	12,5	44,9	тяж. сугл.	крупнопылеватая
AU(q)2	65-75	0,1	9,0	46,6	11,5	16,8	16,1	44,4	тяж. сугл.	крупнопылеватая
C(ca),q1~ ~	100-110	0,1	9,1	57,5	4,8	18,6	9,9	33,3	сред. сугл.	крупнопылеватая
C(ca),q2~ ~	130-140	0,1	14,0	59,0	12,8	4,2	10,0	27,0	легк. сугл.	крупнопылеватая
Та же, отсюда было значительно ближе. на дневной поверхности вности эрозионных процессов под воздействием агротехногенной нагрузки..ной глееватая легкосуглинистая мелко - и крупнопылеватая (разрез 6)
AU1	0-7	1,2	9,2	33,7	14,4	21,6	19,9	55,9	легк. глин.	мелко-крупнопылев.
AU2	7-25	0,1	0,8	43,2	16,0	19,9	20,0	55,9	легк. глин.	крупнопылеватая
AU(q)	30-40	0,1	4,6	31,2	14,1	23,3	26,8	64,2	легк. глин.	иловато-крупнопылеватая
AU(q),g	65-75	0,1	5,4	31,7	20,5	14,5	27,8	62,8	легк. глин.	иловато-крупнопылеватая
C(ca),g~ ~	90-100	0,1	1,7	7,8	13,3	25,5	51,7	90,4	тяж. глин.	иловатая
Та же, тяжелосуглинистая крупнопылеватая (разрез 7)
AU1	0-10	0,4	7,3	49,1	9,5	21,1	12,5	43,1	тяж. сугл.	крупнопылеватая
AU2	10-20	0,1	9,6	52,3	9,4	13,5	15,2	38,1	сред. сугл.	крупнопылеватая
AU(q)	40-50	0,1	7,8	51,0	11,7	10,8	18,5	41,0	тяж. сугл.	крупнопылеватая
AU(q),g	55-65	0,1	5,9	38,9	17,4	13,3	24,5	55,1	легк. глин.	иловато-крупнопылеватая
C(ca),g~ ~	90-100	0,1	5,7	30,3	10,9	25,2	27,5	64,0	легк. глин.	иловато-крупнопылеватая
Агротёмногумусовая аллювиальная типичная среднесуглинистая мелкопесчаная крупнопылеватая (разрез 13)
PU	0-28	6,8	25,9	34,0	9,1	13,6	10,7	33,4	сред. сугл.	мелкопесч.-крупнопылев.
AU1	28-51	3,0	19,8	43,7	6,8	17,0	9,6	33,5	сред. сугл.	крупнопылеватая
AU2	51-81	0,4	20,1	46,0	8,2	12,4	12,9	33,5	сред. сугл.	крупнопылеватая
AU3	81-100	1,0	12,6	50,0	12,5	7,8	16,2	36,5	сред. сугл.	крупнопылеватая
C(ca),q~ ~	100-118	0,2	14,6	60,5	3,6	12,0	9,1	24,8	легк. сугл.	крупнопылеватая
Та же, гидрометаморфизованная тяжелосуглинистая крупнопылеватая (разрез 14)
PU	0-26	0,4	10,3	44,0	9,8	14,9	20,7	45,4	тяж. сугл.	крупнопылеватая
AU	26-35	0,4	6,3	44,7	15,7	11,5	21,4	48,6	тяж. сугл.	крупнопылеватая
AU(q)	40-65	0,1	8,2	41,5	15,4	15,2	19,5	50,2	легк. глин.	крупнопылеватая
C(ca),g1~ ~	70-80	0,0	8,2	45,9	14,4	13,9	17,7	45,9	тяж. сугл.	крупнопылеватая
C(ca),g2~ ~	125-140	0,1	6,5	52,1	12,6	14,7	14,2	41,5	тяж. сугл.	крупнопылеватая
Та же, среднесуглинистая крупнопылеватая (разрез 15)
PU	0-28	9,8	16,6	36,2	10,7	12,1	14,6	37,4	сред. сугл.	крупнопылеватая
AU	28-40	15,3	23,8	29,5	10,8	10,1	10,4	31,3	сред. сугл.	мелкопесч.-крупнопылев.
D(q)1	40-62	46,8	31,6	12,8	3,0	5,9	0,0	8,8	связнопесч.	мелко-крупнопесчаная
D(q)2	63-71	71,6	21,4	6,2	0,0	0,0	0,0	0,8	рыхлопесч.	крупно-среднепесчаная
C(ca),g~ ~	82-95	12,1	19,8	36,2	11,3	9,7	10,9	31,9	сред. сугл.	крупнопылеватая