Состояние карбонатов в черноземах Каменной степи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.27, кандидат биологических наук Рогожникова, Евгения Владимировна

• Рогожникова, Евгения Владимировна
• кандидат биологических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Рогожникова, Евгения Владимировна

Введение

Глава 1. Обзор литературы по вопросу изученности карбонатных jq новообразований в степных почвах

1.1. История изучения карбонатов в степных почвах

1.2. Морфология карбонатных новообразований

1.3. Механизм формирования карбонатного профиля

1.4. Эволюция карбонатного профиля степных почв

1.5. Карбонатно-кальциевая система почв

1.5.1. История изучения карбонатно-кальциевой системы почв

1.5.2. Динамика и распределение С02 в почве

1.5.3. Динамика состава почвенных растворов черноземов

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1. Объекты исследования

2.2. Методы исследования

2.2.1. Химические методы анализа

2.2.2. Изотопный анализ углерода и кислорода карбонатов

2.2.3. Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ 47 Морфологический анализ карбонатных новообразований. Растровая ^ электронная микроскопия

2.2.5. Расчетные методы

Глава 3 Характеристика условий почвообразования

3.1. Геоморфологическое положение и рельеф

3.2. Климат

3.3. Гидрогеологические условия

3.4. Почвообразующие и подстилающие породы

3.5. Растительность

Глава 4 Преобразование черноземов при изменении экологических условий

4.1. Преобразование черноземов под влиянием лесной растительности

4.1.1. Влияние лесных полос на грунтовые воды

4.1.2. Изменение свойств черноземов под лесными насаждениями

4.1.3. Особенности газового режима черноземов под лесными полосами

4.1.4. Особенности водного режима черноземов под лесными полосами

4.2. Влияние распашки на водный режим черноземов

Глава 5 Результаты исследования

5.1. Общая характеристика исследуемых почв

5.1.1. Морфологические признаки исследуемых черноземов

5.1.2. Химические и физико-химические свойства исследуемых черноземов

5.1.3. Состав почвенно-грунтовых вод

5.1.4. Состав водной вытяжки и почвенных растворов

5.1.5. Содержание и распределение карбонатов

5.1.6. Запас карбоната кальция в почвах

5.1.7. Запас кальция (СаО) в растениях

5.1.8. Оценка длительности гидроморфной стадии развития черноземов

5.1.9. Оценка запасов углерода карбонатов и органического вещества

5.2. Состояние карбонатно-кальциевой системы

5.3. Морфология карбонатных новообразований

5.4. Изотопный состав карбонатных новообразований

5.4.1. Изотопы углерода и кислорода в почвах

5.4.2. Результаты изотопного анализа углерода и кислорода карбонатов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Состояние карбонатов в черноземах Каменной степи»

Актуальность

Изучение эволюции почв является одной из основных задач теоретического почвоведения. От глубины ее решения зависит понимание закономерностей географического распространения почв, процессов развития почвенного покрова и природной среды в целом.

Информативным объектом для изучения истории развития почв являются почвенные новообразования. Новообразования являются историческими «маркерами», по которым можно судить о типе почв, их происхождении, истории и этапах развития, давать временные оценки развития почвенных свойств.

Карбонатные новообразования выступают в роли важнейшей морфологической и классификационной составляющей почвы. Считается, что различные новообразования соответствуют определенным типам и подтипам почв, а внутри подтипа в почвенном профиле существует определенная последовательность смены зон карбонатных новообразований.

В литературе последних десятилетий активно обсуждаются механизмы формирования различных морфологических форм, соотношения педогенных и литогенных карбонатных новообразований, возможности использования карбонатных новообразований для оценки возраста и условий формирования почв (Лебедева, 1983; Овечкин, 1985; Бутова, Щеглов, 1997; Ковда, Сычева, 2007).

Комплексное исследование карбонатов с помощью инструментальных и морфологических методов позволяют эффективно использовать результаты для палеореконструкции условий в палеопочвоводении, археологическом почвоведении и других областях (Демкин, Иванов, 1987).

Изотопный состав карбонатных новообразований позволяет оценивать соотношение педогенных и литогенных карбонатов в почвах, характеризовать процессы фиксации углерода из атмосферы в почвенном органическом веществе и карбонатах (Рысков, Мергель, 1993, 1995; Рысков, Демкин, 1996; Хохлова, Ковалевская, 1996; Хохлова, Мергель, 1997, Хохлова, 2007).

Почвенные карбонаты являются важным звеном в карбонатно-кальциевой системе почв. Процессы растворения-осаждения карбонатов (карбонатно-кальциевая система) контролируют многие химические и физико-химические свойства черноземов: рН, состав почвенного раствора, катионный обмен (Минкин, Ендовицкий, 1995).

При растворении карбонатов в почвенный воздух, а затем и в атмосферу, переходят дополнительные количества углекислоты (помимо СО2, образующегося в результате деструкции органического вещества) (Смагин, 2005).

Лабильные формы карбонатов участвуют в сезонных циклах миграции, инертные, более древние формы карбонатов, образуют карбонатные горизонты степных почв, но такие мощные изменения условий почвообразований как изменение климата, орошение и др. могут привести к активизации данного карбонатного пула (Рысков, Мергель, 1993).

Таким образом, почвенные карбонаты являются не только «запасником» углерода (наряду с органическим веществом) в почвах, но и регулятором баланса углерода в атмосфере.

Как известно, активная антропогенная деятельность на территории Центрально-черноземной полосы приводит к трансформации природной обстановки. На территории агроландшафтов повышается уровень грунтовых вод, что увеличивает вероятность образования мочаров, и расширение ареалов их распространения среди автоморфных степных почв.

Переувлажнение и подтопление приводит к изменению ряда свойств черноземов, в том числе, к усилению процессов декальцификации (вынос карбонатов кальция). Вынос карбонатов может приводить к обеднению почвенных растворов кальцием, смещению обменных реакций между ППК и почвенным раствором в сторону уменьшения доли обменного кальция. Снижение содержания кальция, как коагулирующего вещества, может привести к пептизации органических веществ, повышению дисперсности частиц и доли илистой фракции и другим изменениям черноземов в сторону их деградации.

Процессы трансформации черноземов под лесонасаждениями при изменении гидрологических условий изучены недостаточно. В литературе практически нет сведений о состоянии карбонатно-кальциевой системы в степных почвах под лесонасаждениями. Недостаточно полно исследованы вопросы трансформации карбонатной части профиля черноземов, под влиянием временного переувлажнения.

В работе была проведена оценка вариабельности содержания карбонатов в почвенном профиле черноземов. Исследованы субмикроморфологические особенности строения карбонатных новообразований. Выявлены особенности распределения кальция в некоторых компонентах биогеоценоза. Также была сделана попытка количественной оценки доли углерода карбонатов, участвующей в ежегодных циклах миграции. Проведен расчет суммарной продолжительности гидроморфной стадии развития данных черноземов обыкновенных.

Результаты исследования распределения и миграции карбонатов в почвах, на примере черноземов обыкновенных и лугово-черноземных почвах Каменной степи, могут быть экстраполированы и на другие территории степной зоны Русской равнины, которые характеризуются сходными условиями почвообразования (слабой дренированностью, карбонатностью почвообразущих пород и их тяжелым гранулометрическим составом).

Цель и задачи исследования

Целью работы является комплексная оценка состояния карбонатного материала черноземов Каменной степи при различных сочетаниях экологических условий.

Задачи исследования заключались в:

1) Количественной оценке форм карбонатных новообразований;

2) Комплексной оценке некоторых химических и физико-химических свойств обыкновенных черноземов и лугово-черноземных почв и их влияния на состояние карбонатного материала в почвах;

3) Изучении состояния карбонатно-кальциевой системы по степени пересыщенности почвенных растворов и водных вытяжек;

4) Определении запасов карбонатов кальция в почвах, оценке возможности использования данного параметра для диагностики почвенных процессов;

5) Выявлении особенностей процессов миграции и трансформации карбонатов кальция в черноземах под влиянием различных эколого-гидрологических условий;

6) Количественной оценке содержания кальция в различных компонентах биогеоценоза;

7) Расчете доли педогенной и литогенной составляющих карбонатного материала почв по результатам изотопного анализа.

Состояние карбонатного материала оценивалось — содержанию и распределению карбонатов в профиле, морфологии карбонатных новообразований на разных уровнях организации почвенной массы. Оценка состояния карбонатно-кальциевой системы (ККС) данных почв проводилась на основе измерения рН, щелочности, активности кальция, парциального давлением углекислого газа в почвенном воздухе.

Научная новизна

Впервые получена детальная характеристика и проведен сравнительный анализ химического состава почвенных растворов, почвенно-грунтовых вод и показано их влияние на миграционную способность карбонатов в черноземах обследуемой территории.

Исследованы особенности морфологии карбонатных новообразований, установлена взаимосвязь между процессами трансформации карбонатного материала и химического состава почвенных растворов и почвенно-грунтовых вод.

Показано влияние переувлажнения на процессы трансформации карбонатной части профиля черноземов территории Каменной степи. Оценено состояние карбонатно-кальциевой системы в черноземах обыкновенных в различных сочетаниях экологических факторов. Результаты \ исследования позволяют определить направление преобразования черноземов на территории НИИ Сельского хозяйства Центральночерноземной полосы имени В.В. Докучаева.

Научно-практическая значимость исследования

Данные изотопного анализа карбонатов обследованной территории могут быть использованы при балансовых расчетах цикла углерода.

Полученные данные могут быть использованы при прогнозе дальнейшей эволюции данных почв, позволяют представить основные этапы и скорость трансформации черноземных почв в условиях повышенного атмосферного и грунтового увлажнения, и в значительной степени оценить изменение агроландшафтав целом.

Апробация

Основные положения диссертации представлены на молодежной научной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2006» (Москва

2006), в материалах всероссийской научной конференции XII Докучаевские молодежные чтения «Почвы и продовольственная безопасность России» (Санкт-Петербург, 2009), в материалах юбилейной всероссийской научной конференции X Докучаевские молодежные чтения «Почвы и техногенез» (Санкт-Петербург, 2006).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 2 статьи и 3 тезисов докладов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, включая 12 страниц приложений, содержит 13 таблиц, 45 рисунков. Список литературы включает 150 источников из них 17 на иностранном языке.

Заключение диссертации по теме «Почвоведение», Рогожникова, Евгения Владимировна

Выводы

1. По степени минерализации почвенно-грунтовые воды рассматриваемой территории пресные и солоноватые. По качеству нейтральные и слабощелочные гидрокарбонатно-кальциевого и гидрокарбонатно-сульфатно-кальциевого типа. Общая минерализация грунтовых вод находится в пределах 1,6- 1,8 г/л. Локально на территории Каменной степи встречаются грунтовые воды гидрокарбонатно-магниевого типа (отношение Ca/Mg = 1 — 1,5). Периодическое поднятие к поверхности капиллярной каймы грунтовых вод и при высоком содержании магния в водах могут спровоцировать интенсивный вынос карбонатов кальция из почвенного профиля.

2. Выяснено, что при застаивании слабоминерализованных грунтовых вод со следующим компонентным составом в почвенном профиле: соотношении Ca/Mg менее 1,5 и Ca/Na менее 1, возможно развитие процессов засоления. Близкое залегание слабоминерализованных слабощелочных солоноватых сульфатно-гидрокарбонатно-кальциевых вод приводит к повышению общей минерализации и доли натрия в составе почвенных растворов.

3. Развитие процессов засоления и декальцификации в черноземах под лесными насаждениями при близком залегании солоноватых гидрокарбонатно-магниево-кальциевых вод маловероятно.

4. Кальций, содержащийся в травяной растительности, составляет около 1% от того количества кальция, которое аккумулировалось в гумусовом горизонте почвы или 0,1% от количества кальция, содержащегося в почвенных карбонатах в виде СаСОз. Кальций, содержащийся в лесной подстилке и древесных корнях растений, составляет примерно 15% от общего содержания кальция в гумусовом горизонте (в слое мощностью 0100 см) и 2% от запаса СаО содержащегося в почве в виде СаСОз.

5. Почвенные растворы исследуемых черноземов пересыщены относительно СаСОз. Максимальная степень пересыщенности достигает величин порядка 100, минимальное значение - 2,9. Вклад ассоциации ионов и образования ионных пар в формирование пересыщенных относительно кальцита почвенных растворов составляет около 78%.

6. На распределение углерода в почвенной толще в форме органического вещества почвы или карбонатов наибольшее влияние оказывает уровень грунтовых вод и тип растительности, затем антропогенная деятельность. Под степной растительностью запас углерода гумуса превосходит, более чем в 3 раза, запас углерода в форме СаСОз. Под лесной растительностью это отношение близко к 2. В случае периодического поднятия к поверхности грунтовых вод аккумуляция углерода в почвенной толще в виде гумуса и карбоната кальция происходит с практически равной интенсивностью.

7. По морфологическому описанию исследованных почв, установлено что на долю миграционных форм СаСОз приходится примерно 20-25% от всех форм карбонатных новообразований, на долю сегрегационных новообразований (в форме белоглазки) — 35-40%, журавчиков - 45-35%. Признаков развития процессов разрушения и перекристаллизации карбонатных нодулей под влиянием грунтовых вод в настоящее время на наблюдается.

8. Доля педогенных карбонатов кальция в исследованных почвах составляет 80%. Из всей массы углерода карбонатного материала, находящегося в почве только небольшая часть (5-12%) задействована в сезонных миграциях веществ в почвенном профиле. Величина «активного» углерода карбонатов варьирует от 1,4 до 3,2 кг/м (или 5,2 и 11,8 кг

С02/м ).

9. Проведенные расчеты показали, что возможная суммарная длительность гидроморфной стадии развития современных автоморфных черноземов составляет приблизительно 3400 лет. В течение этого периода времени происходило обогащение почвообразующей породы карбонатами кальция. Отношение запасов СаСОз в почвенной толще и в почвообразующей породе составляет 1,25. Аккумуляция карбонатного материала в почвенном профиле происходила, главным образом, не при испарении грунтовых вод в щдроморфную стадию почвообразования, а при участии почвенной биоты и растительности. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

Заключение

Исследования черноземов Каменной степи под лесными насаждениями, пашней и заповедной степи показали наличие гидроморфных признаков только в микропонижениях и на полях вблизи лесных полос. Гидроморфные процессы в почвах диагностировались по наличию слитости, пленок органических веществ по граням структурных отдельностей, отсутствию в средней части почвенного профиля выделений карбонатов в виде белоглазки, наличию признаков оглеения.

Анализ полученных данных по распределению карбонатов показывает, что за более чем 100-летний период существования, лесные полосы существенно преобразовали микроклимат данной местности и создали предпосылки для развития переувлажненных участков территории, и вместе с тем развитию мочаров. Однако гидроморфные условия проявляются периодически, так как сами лесные насаждения замедляют или полностью исключают проявление латеральной миграции почвенно-грунтовых вод на территории. Влияние системы лесных полос сказывается не только на изменении гидрологических условий (поднятии уровня грунтовых вод) данной местности, но и преобразовании химических и физико-химических свойств степных черноземов обыкновенных.

Карбонатно-кальциевая система участвует в поддержании динамических кислотно-основных равновесий, стабилизирует реакцию среды и определяет компонентный состав общей щелочности для черноземных почв.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Рогожникова, Евгения Владимировна, 2010 год

1. Адерихин П.Г., Богатырева З.С. Воздействие защитных лесных насаждений на содержание и состав органического вещества обыкновенных черноземов Каменной степи. Почвоведение, 1974, №5, с. 43-53.

2. Айдинян Р.Х. Зольный обмен между древесной растительностью и черноземными почвами Каменной степи. Почвоведение, 1953, №9, с. 47-61.

3. Алехин В.В. Центрально-черноземные степи. Изд-во «Коммуна» 1934.-96 с.

4. Алнфанов В.М,, Гугалинская Л.А. и др. Палеокриогенные особенности морфогенеза черноземов Каменной степи. Почвоведение, 2001, №8, с. 909-917.

5. Афанасьева Е.А. Происхождение и эволюция черноземных почв. Почвоведение, 1946, №6.с.379-384.

6. Афанасьева Е.А. Режим мощных черноземов под травянистыми и древесными ценозами. Почвоведение, 1966, №6, с. 1-11.

7. Афанасьева Е.А. Происхождение, состав и свойства черноземов. Черноземы СССР, 1974, с. 182-225.

8. Ахтырцев Б.П., Ахтырцев А.Б. Почвенный покров Среднерусского Черноземья. Воронеж: Изд-во Воронежского ун-та, 1993.214с.

9. Ачканов А.Я., Николаева С.А. Вторичный гидроморфизм почв степных ландшафтов Западного Предкавказья. Почвоведение, 1999, № 12, с. 1424-1432.

10. Байко А.С. Воздействие лесных полос на почвы Каменной степи//Вопросы травопольной системы земледелия, т. 2. Изд-во АН СССР, 1953.

11. Барбер С.А. Биологическая доступность питательных веществ в почве. М.: Агропроиздат, 1988. — 376 с.

12. Барон В.А., Токарев Н.И. Расчет равновесного состава почвенного раствора и твердой фазы солей по данным водной вытяжки // Почвоведение, 1979, №4, с. 37-45.

13. Бобрицкая М.А. Зольный состав листьев дуба разного возраста в лесных полосах Каменной степи. -Почвоведение, 1953, №7, с 17-24.

14. Бутова Л.С., Щеглов Д.И., Парфенова О.А. Антропогенная трансформация карбонатного профиля обыкновенных черноземов ЦЧП. М.: Тез.докл.Межд.конф. "Проблемы антропогенного почвообразования" (16-21 июня 1997 года), 1997, Том.2,

15. Буяновский Г.А. Особенности режима С02 в газовой фазе сильнокарбонатных почв. Почвоведение, 1972, №9 с. 83 - 88.

16. Быстрицкая ТЛ., Волкова В.В. Снакин В.В Почвенные растворы черноземов и серых лесных почв. -М:.Наука, 1981.- 148с.

17. Быстрицкая ТЛ., Герасимова М.И. О годовом цикле современного черноземного процесса. -Почвоведение, 1988, №б, 1 5-16.

18. Бялый А.М. Влияние лесных полос на формирование грунтовых вод. Почвоведение, №9,1987, с 32-39.

19. Вадюнина А.Ф., Корчагина 3.A. Методы исследования физических свойств почв. 3-е изд., перераб.н доп. - М.: Агропроиздат, 1986.-416 е., ил.

20. Вопросы травопольной системы земледелия, т. 2. Изд-во АН СССР, 1953. 659 с.

21. Воробьева Л. А., Замана С.П. Природа щелочности почв и метод се определения, Почвоведение, 1984, №5, с. 134-139.

22. Воробьева Л.А. Химический анализ почв. М.:, Изд-во МГУ, 1998. -272с.

23. Высоцкий Г.Н., Гидрологические и геобиологические наблюдения в Велико-Анадоле//Почвоведение, 1899, №1-4.

24. Гаррелс P.M., Крайтс Ч.Л. Растворы, минералы, равновесия. М:, Мир, 1968. - 368 с.25