О составе и характере миграции почвенных растворов

О составе и характере миграции почвенных растворов

Первова Н.Е.

Почвенная влага — один из важнейших компонентов почвенного тела. Она играет важнейшую роль в почвообразовании, так как передвижение различных веществ в почвенной толще, в результате которого формируется почвенные профиль, совершается по преимуществу в виде растворов (7). Почвенный раствор является частью сложной неоднородной системы, состоящий из большого числа физически обособленных комплексов или так называемых фаз. В физической химии природных вод большое значение приобрел вопрос об их равновесии. Отмечено, что термодиномическое равновесие в общем не характерно для ландшафта. Биосфера богата свободной энергией, препятствующей установлению равновесия. Резкая неравномерность характерна для многих её частей, в частности для природных вод гумидных зон. Почвенный раствор обычно не находится в таком состоянии, которое соответствовало бы насыщенному состоянию при имеющихся в данный момент внешних условиях. Достижению этого состояния противодействуют постоянные изменения концентрации почвенного раствора в результате нисходящего и восходящего движения воды; быстро меняющегося всасывающего действия корневой системы и.т.д.

Поскольку эти факторы меняются быстро, а для восстановления нарушенного равновесия требуется определенное время, то состояние равновесия — есть предельное состояние почвенной системы, к которому оно стремится и которого не может достигнуть (8). Почвенный раствор следует рассматривать, как квазиравновесный раствор электролитов, содержащихся во влагонасыщенной почве. По содержанию в растворах органических и минеральных веществ косвенно можно судить о размерах и возможной миграции этих соединений в профиле почвы. Большинство химических элементов (Са, М§, К, Ка, С1) мигрируют в ландшафте в ионной и молекулярной формах.

Исследование почвенных растворов неразрывно связано с разработкой и усовершенствованием методов их получения. Выделение растворов связано с определенными трудностями. Основная задача состоит в получении растворов в состоянии, близком к естественному и она довольно сложна.

Широкое применение в практике исследователей получил метод выделения раствора вытеснением замещающими жидкостями. Ценный вклад в разработку этого метода был внесён Н.А. Комаровой (2,3).

Простота аппаратуры, возможность одновременного вытеснения почвенных растворов из нескольких образцов почв делают этот метод наиболее удобным. Методы вытеснения почвенного раствора жидкостями относятся к числу наименее деструктивных, но и они предполагают нарушение естественного сложения почвы при упаковке её в трубку (колонку), не исключают частичного перемешивания вытесняющей жидкости с раствором; требуют большого количества почвы. Также можно отметить сложность в установлении момента окончания вытеснения жидкости и начале «проскока» замещающей жидкости. Поскольку жидкая фаза почвы

представлена неравнозначными категориями влаги, целесообразно сочетание нескольких методов её изучения. Сравнительные исследования позволяют оценивать показания различных методов и более полно охарактеризовать весьма сложную и динамичную природу почвенных растворов. Зависимость состава и свойств растворов от постоянно меняющихся условий внешней среды обязывают изучать их в сезонных циклах (1).

Объектом изучения являются растворы выделанные из почв, находящихся на территории Звенигородкой биостанция МГУ (Подмосковье). Район Звенигорода входит в зону южной тайги, подзону елово-широколиственных лесов. Около 80% площади биостанции приходится на водораздел, который покрыт преимущественно хвойными лесами. Распространены также смешанные леса, березняки и осинники. Наблюдения за поведением и миграцией почвенных растворов на территории ЗБС проводится с 1972 года (4,5,6).

При изучении жидкой фазы почв использовали метод Комаровой (3). В водах определяли pH, Са, Mg, НС03-, К, Ка, Бе, БЮ2. Первая пробная площадь заложена на водоразделе в ельнике зеленомошнике; почва — глубокоподзолистая легкосуглинистая на маломощном пылеватом суглинке, подстилаемом флювиогляциальными отложениями. Вторая пробная площадь заложена на второй надпойменной террасе р. Москвы в смешанном елово-мелколиственном лесу с примесью дуба и клена. Почва — дерново-палево-подзолистая легкосуглинистая на древних аллювиальных песках. Третья пробная площадь находится также на второй надпойменной террасе р. Москвы, но в елово-широколиственном лесу. Почва

— бурая лесная легкосуглинистая на древних аллювиальных песках. Исследуемые почвы различаются строением профиля, распределением гумуса, подвижных соединений, минералогическим составом.

Изучаемые природные воды относятся к типу гидрокарбонатных. В составе катионов преобладает кальций. Минимальное содержание кальция отмечено для почвенных растворов, выделенных из глубокоподзолистой почвы ельника. Для двух других почв концентрации кальция в водах несколько больше (табл. 1). Более низкие концентрации кальция в растворах глубокоподзолистой почвы коррелируют с более низкими показателями рН. В сезоне «осень» содержание кальция несколько выше. Очевидно, это явление связано с усиленным вымыванием его из подстилок. В горизонте В1 (35-50см) содержание кальция снижается, что согласуется с данными других ислледований. Содержание иона НСО3- в почвенных объектах колеблется в широких пределах (10,0 — 45,0 Мг/л). Самые высокие концентрации приходятся на растворы из верхних горизонтов бурой лесной и дерново-палево-подзолистой почв. Очевидно, все три параметра (Са, НСО3-, рН) связанны между собой и изменение одного из них ведет к изменению другого. Для изучаемой системы имеются много причин, которые нарушают это соотношение (изменение соотношения твердой и жидкой фазы почвы при выделении рас-

Науки о земле

твора, нарушение газообмена при уплотнении почв, не равномерность в набивке трубок и т.д.).

Содержание железа в почвенных растворах незначительно и определяется только после разрушения органического вещества. Но даже и в этом случае не всегда удавалось определить железо в растворах, очевидно ввиду его чрезвычайно низких концентраций. Миграция железа происходит в составе сложных ком-

плексов с органическим веществом. На концентрации железа в природных водах оказывают влияние: тип растительности, состав опада, характер его разложения и другие факторы.

Наряду с изучением состава почвенных растворов в Подмосковье также проводится длительное исследование жидкой фазы почв на территории почвенного стационара МГУ.

Таблица 1. Содержание основных элементов (мг/л) в почвенных растворах (весна, осень, среднее 2006 - 2008гг).

Сезон Почва, тип растительности

Глубоко-подзолистая, ельник Дерново-глубоко- подзолистая, березняк Бурая лесная, елово-широколиственный лес

Глубина в см

4-35 35-55 3-10 12-36 36-60 2-9 12-36 36-60

рН весна 5.7 6.0 6.0 5.6 6.0 6.2 6.0 6.4

осень 5.6 5.8 6.3 5.4 6.0 6.0 5.7 6.5

НСОз- весна 22.0 18.5 28.7 20.4 13.0 30.8 27.5 15.6

осень 25.0 20.0 30.0 22.0 15.5 26.8 21.0 16.5

СІ- весна 3.8 1.5 4.4 2.2 следы 7.0 5.2 1.3

осень 4.5 2.0 6.0 5.5 следы 7.5 5.8 1.0

Са весна 13.2 11.8 30.0 16.8 11.4 284 24.2 13.0

осень 18.4 12.5 32.5 29.0 13.5 30.0 23.8 15.0

Мд весна 2.8 1.7 7.0 4.5 2.2 7.6 5.4 2.0

осень 3.2 1.5 7.5 6.0 3.8 8.5 7.8 3.5

Ре весна 1.1 0.8 0.7 0.2 0.1 0.9 0.6 0.1

осень 1.5 1.0 1.5 1.0 0.1 1.8 1.2 0.5

К весна 6.4 1.8 4.2 1.6 0.7 5.7 5.7 4.0

осень 7.2 2.5 5.4 2.7 0.8 6.2 6.0 3.8

Ыа весна 5.1 5.4 3.0 2.4 0.8 4.6 3.8 2.0

осень 6.0 6.0 5.5 3.7 1.2 5.0 4.5 3.2

Таблица 2. Пределы колебаний концентраций основных элементов в лизиметрических водах и атмосферных осадках (мг/л) за 2002-2006 гг

вариант сезон pH Са++ Мд++ К+ Ыа+ 804-- Ре+++

ЧИСТЫЙ зима 6,7-6,9 12,3-17,4 7,6-9,7 0,4-0,4 6,9-7,8 41,2-54,2 0,5-0,7

весна 6,7-6,9 11,8-16,4 6,3-9,1 0,3-0,4 6,8-7,4 30,4-47,2 0,5-0,8

ПАР лето 6,9-7,1 12,3-18,5 7,9-11,2 0,3-0,5 6,4-7,6 42,4-49,6 0,5-0,7

осень 6,7-7,1 14,8-16,5 8,6-11,6 0,4-0,5 6,8-7,8 42,2-48,4 0,5-0,7

зима 6,8-7,2 14,2-17,8 8,5-12,3 0,4-0,6 7,4-8,6 34,9-68,1 0,4-0,6

ЕЛЬ весна 6,8-7,3 14,3-17,1 7,3-12,8 0,4-0,5 7,2-8,3 38,5-54,1 0,3-2,4

лето 7,0-7,3 13,5-15,9 7,1-12,0 0,3-0,4 8,1-9,0 49,8-58,1 0,4-1,1

осень 6,8-7,1 13,6-16,5 7,4-12,0 0,3-0,4 7,5-8,4 42,7-66,1 0,3-1,0

ЕЛЬ зима 6,7-7,0 12,2-16,0 6,9-12,0 0,4-0,4 7,0-9,0 47,2-52,5 0,1-0,9

весна 6,8-7,0 12,6-15,9 8,2-12,0 0,4-0,5 6,9-8,6 39,6-48,7 0,3-1,0

ДУБ лето 6,8-7,1 11,5-17,0 7,8-12,0 0,4-0,5 7,1-8,6 40,0-52,3 0,4-0,7

КЛЕН осень 6,7-7,1 13,7-16,9 7,9-11,4 0,4-0,6 6,9-8,2 32,8-57,8 0,4-0,6

зима 6,6-7,2 13,6-17,8 8,6-10,0 0,4-0,5 6,7-8,6 41,6-56,0 0,4-2,7

ДУБ весна 6,6-7,2 12,5-16,2 9,8-11,6 0,4-0,5 7,5-8,7 46,2-66,1 0,4-0,7

КЛЕН лето 6,5-7,0 11,5-16,8 7,7-10,7 0,4-0,5 7,4-9,0 44,7-52,7 0,3-0,7

осень 6,4-6,9 13,6-16,5 7,5-11,5 0,4-0,5 7,2-8,6 39,9-53,2 0,1-0,8

зима 6,0-7,0 11,4-17,4 6,9-11,5 0,4-0,6 6,8-7,6 39,8-53,4 0,4-0,7

много- весна 6,8-7,1 10,6-17,2 4,5-12,1 0,4-0,5 7,9-9,0 41,5-54,2 0,4-1,3

летние лето 6,1-6,9 12,0-15,1 7,4-12,1 0,4-0,5 7,6-8,7 25,1-54,2 0,4-1,2

травы осень 6,6-7,2 12,4-21,4 6,8-18,6 0,4-0,5 7,6-8,6 27,4-55,1 0,3-0,9

осадки Средн. годов. 6,4-7,0 6,4-15,0 0,4-2,4 0,3-10,0 0,9-6,0 13,9-49,4 0,1-0,2

Всероссийский журнал научных публикаций, октябрь 2011

95

Одним из перспективных направлений почвоведения является моделирование почвенных процессов и, в частности, создание их физических моделей. Одним из методов физического моделирования является лизиметрический метод.

Факультет Почвоведения им. М. В. Ломоносова располагает уникальной установкой почвенных лизиметров. Лизиметры открытого типа заложены в 1967 г. Площадь каждого 9 кв.м, глубина 2м, объем 18 кубометров. Эти установки позволили создать маленькие модельные экосистемы. Лизиметры засыпаны бескар-бонатным покровным суглинком и заняты различной растительностью: четыре — культурой ели, четыре — смешанными древостоями (ель, дуб, клен) четыре - широколиственными породами (дуб, клен). Луговая растительность также занимает четыре лизиметра, еще два засеяны культурами, входящими в полевой севооборот, два лизиметра — контрольные, поддерживаемые в состоянии чистого пара. За 40 лет наблюдений верхняя часть суглинка под влиянием климатических и биологических факторов претерпела заметные изменения. К 1987 г. под древесными посадками выделился самостоятельный горизонт подстилки. К настоящему времени подстилка в ельнике достигает мощности 5-6 см. Под горизонтом подстилки на всех вариантах опыта с древесными породами лежит слой желтовато-бурого тяжелого суглинка. Под многолетними травами сформировался аккумулятивный горизонт А мощность 5-6 см с повышенным содержанием гумуса.

К настоящему времени под горизонтом А оформляется горизонт В. Таким образом, были смоделированы условия почвообразования, наиболее часто встречающиеся в южной тайге. Отмечено, что на естественые процессы почвообразования оказывает влияние техногенный фактор, главным образом аэральное загрязнение. Одной из задач работы является отслеживание процессов миграции химических элементов с природными водами через двухметровую толщу покровного суглинка (на начальных стадиях почвообразования).

В таблице 2 приведены показатели концентраций основных элементов в лизиметрических водах за несколько лет наблюдений. Преобладающим элементом (как и в природных водах Подмосковья) является кальций. Если расположить катионы в ряд по убыванию концентраций, то за кальцием следует натрий, калий, магний. Растворы имеют слабокислую или нейтральную реакцию. Отмечено относительное постоянство концентраций кальция и магния в растворах. Это обстоятельство можно объяснить установлением равновесия между жидкой фазой почвы и нижней частью покровного суглинка, а также характером химических взаимодействий, имеющих место в почвенной толще. Содержание железа в водах незначительно. Преобладающим анионом в лизиметрических водах является сульфат — ион. Высокое содержание серы как в осадках, так и в природных водах, объясняется техногенными выбросами, характерными для данного района. Наиболее динамичным компо-

нентом лизиметрических вод является гидрокарбонат

— ион. Колебания его концентраций обусловлены динамикой влажности, изменением температуры и характером биохимических процессов в почве. Состав жидкой фазы почвы, несмотря на её динамичность, является характерным показателем, отражающим направление и специфику почвообразовательного процесса.

Выводы

1. Изучение состава почвенных растворов, циркулирующих в трех различных типах леса показало, что основные различия отмечены между глубокоподзолистой почвой ельника и двумя другими почвами.

2. Отмечено некоторое повышение концентрации элементов в осенний период, что обусловлено обогащением состава почвенного раствора за счет веществ, поступающих из свежего опада.

3. Длительные наблюдения за природными водами на модельных лизиметрах показали, что концентрации химических элементов в лизиметрических водах имеют сходство с составом почвенных растворов, мигрирующих в почвах Подмосковья. Это обстоятельство свидетельствует об однотипности влияния биоклиматических факторов на процессы, имеющие место в почвенной толще.

4. Сопряженные исследования жидкой фазы почв позволяют произвести количественную оценку миграции основных элементов с почвенными водами.

Список использованных источников

1. Кауричев И.С., Комарова Н.А., Скрынникова И.Н., Шилова Е.И. «Методы исследования химического состава жидкой фазы почв» Почвоведение, 1963, №6, с.35-47.

2. Комарова Н.А. «Вытеснение почвенных растворов методом замещения жидкостями и использование метода почвенных исследований» Труды Почвенного института им. В.В.Докучаева. Физико-химические свойства почв и методы исследования. 1956, т. 21, с. 5-97.

3. Комарова Н.А. Методы выделения почвенных растворов.

Сб. «Физико-химические методы исследования почв» М. Наука, 1968, с.7-31.

4. Первова Н.Е. «Содержание углерода воднорастворимых органических веществ в лизимиетрических водах и почвенных растворах под различными типами леса. Почвоведение, 1978, № 11, с. 55-68.

5. Первова Н.Е., Евдокимова Т.И. Состав почвенных растворов в подзоне южной тайги. Почвоведение, 1984, № 1, с. 32-39.

6. Первова Н.Е. Копцик Г.Н., Рыжова И.М. Почвы как основа структурно-функциональной организации биогеоценозов. Труды звенигородской биостанции. 2001 , т. 3, с. 22-37.

7. Роде А.А. Основы учения о почвенной влаге. Гидрометеоиз-дат, Ленинград, 1965, т.1, с. 3.

8. Pearson R.W. Introduction to symposium - the soil solution. Soil Sci. Soc. Amer.Proc., 1971, 35, №3, p. 417-420.

Информация об авторе

• Первова Н.Е., к.б.н., научный сотрудник кафедры общего почвоведении МГУ, г. Москва