автореферат - Почвенный институт им. В.В. Докучаева

На правах рукописи
ЗУБКОВА Ольга Александровна
СОДЕРЖАНИЕ И ДИНАМИКА СОЕДИНЕНИЙ
МАРГАНЦА И ЖЕЛЕЗА В ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВАХ
ЮЖНО-ТАЕЖНОЙ ПОДЗОНЫ КИРОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Специальность: 03.02.13 - почвоведение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата сельскохозяйственных наук
Москва
2013
Работа выполнена в Государственном научном учреждении Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени
Н.В. Рудницкого Россельхозакадемии
Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук
Шихова Людмила Николаевна
Официальные оппоненты: Лыткин Иван Иванович – доктор с.-х. наук,
ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева,
ведущий научный сотрудник
Уланов Анатолий Николаевич - доктор
с.-х. наук, ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА,
профессор кафедры экологии и зоологии
Ведущая организация: ФГОУ ВПО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева
Защита состоится «26» декабря 2013 года в 11-00 часов в актовом зале на заседании диссертационного совета Д 006.053.01 при ГНУ Почвенном институте
им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии: 119017, Москва, Пыжевский пер.,
дом 7, стр. 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ Почвенного института
им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии
Автореферат разослан «25» ноября 2013 года
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим
направлять по адресу: 119017, Москва, Пыжевский пер., дом 7, стр. 2. Диссертационный совет. Факс: 8 (495) 951-50-37; E-mail: lubimova@agro.geonet.ru
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор сельскохозяйственных наук
И.Н. Любимова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Элементный состав почв – важнейший показатель их химического состояния, свойств и генезиса. Железо и марганец являются одними
из наиболее распространенных и важнейших компонентов почв. Они могут существенно влиять на процессы почвообразования и активно в них участвовать.
Химические элементы также необходимы для жизнедеятельности растений.
Как недостаток, так и избыток Mn и Fe приводит к специфическим заболеваниям растений. Марганец и железо являются элементами с переменной валентностью. Их подвижность может изменяться при смене окислительно-восстановительных условий, что характерно для южно-таежной подзоны.
В подзолистых почвах содержится высокое количество как валовых, так и
подвижных (извлекаемых ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН
4,8) соединений Mn и Fe. Исследованию динамики подвижных соединений Mn
и Fe уделяется мало влияния. Однако изменение их содержания в течение вегетационного периода и под влиянием сельскохозяйственной деятельности может
оказывать влияние на кислотность почвы, процессы гумусообразования, развитие растений и др. В свою очередь, содержание подвижных соединений марганца и железа зависит от типа почвы и ее факторов: кислотности, содержания
и трансформации органического вещества, микробиологической деятельности,
влажности и др.
Степень разработанности темы. Процессы изменения содержания подвижных и кислоторастворимых соединений марганца и железа по профилю
почвы и в течение вегетационного периода до настоящего времени изучены
недостаточно. В научной литературе мало сведений о содержании и закономерностях сезонной динамики подвижных и кислоторастворимых соединений
марганца и железа в подзолистых почвах Северо-Востока Европейской части
России. Имеющиеся научные публикации по этому вопросу касаются, как правило, либо других регионов, либо других типов почв.
Таким образом, изучение содержания и поведения марганца и железа в
почве является важным направлением в исследованиях генезиса подзолистых и
дерново-подзолистых почв.
Цель работы. Исследовать динамику содержания подвижных и кислоторастворимых соединений марганца и железа в подзолистой почве под лесом и в
ее антропогенно измененном аналоге - агродерново-подзолистой почве в течение вегетационного периода.
Задачи исследований:
1. Изучить содержание, запасы и распределение по почвенному профилю подвижных и кислоторастворимых соединений марганца и железа в почвах
под лесом и под пашней.
2. Исследовать сезонную динамику подвижных и кислоторастворимых
соединений марганца и железа, кислотности, влажности почвы, содержания
общего и лабильного углерода гумуса в почвах под лесом и под пашней.
3. Оценить связь между содержанием подвижных и кислоторастворимых
соединений Mn и Fe и свойствами почвы.
1
Научная новизна. Впервые изучено изменение содержания подвижных
и кислоторастворимых соединений марганца и железа в подзолистых почвах
Кировской области в течение вегетационных периодов. Определены их запасы
по горизонтам и по слоям почвы. Исследована связь между изучаемыми элементами и свойств почв, погодными условиями, влияние антропогенной деятельности (сельскохозяйственное освоение) на содержание и динамику данных
элементов в течение вегетационного периода.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные данные позволяют углубить теоретические знания по содержанию, профильной и
сезонной динамике подвижных и кислоторастворимых соединений марганца и
железа в подзолистых и агродерново-подзолистых почвах Кировской области.
Выявленное содержание подвижных и кислоторастворимых соединений марганца и железа и их динамика дополняют данные экологического мониторинга
почв Кировской области. Полученные данные могут быть использованы при
изучении генезиса подзолистых почв, для практического применения почвенноагрохимическими и мелиоративными службами региона.
Положения, выносимые на защиту. 1. В подзолистых почвах содержание подвижных соединений марганца и железа имеет выраженную сезонную
динамику в течение вегетационного периода.
2. Кислоторастворимые соединения марганца и железа являются относительно консервативными в течение вегетационного периода.
3. Сезонная динамика содержания подвижных соединений марганца и
железа имеет общие тенденции в разные годы исследования, несмотря на различия гидротермических условий.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием общепринятых в почвоведении методов отбора и анализа проб и использованием методов статистической обработки данных (дисперсионного и корреляционного анализов). Результаты работы доложены и обсуждены на всероссийских научно-практических
конференциях "Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития", Киров, 2008; "Современные проблемы биомониторинга и биоиндикации", Киров, 2010; "Биологический мониторинг природно-техногенных систем", Киров, 2011; на молодежных чтениях "Почвы в условиях природных и
антропогенных стрессов", Санкт-Петербург, 2011; "Законы почвоведения: новые вызовы", Санкт-Петербург, 2013. По теме диссертации опубликовано 10
печатных работ, в том числе 2 из них в изданиях, включенных в перечень ВАК
РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 200 страницах, содержит 2 таблицы, 62 рисунка. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов. Список литературы включает 175 источников, в т.ч. 16 на иностранных
языках.
Выражаю свою огромную благодарность Л.Н. Шиховой, Е.М. Лисицыну,
И.А. Устюжанину, Е.В. Дабах, А.С. Фриду, Н.Б. Хитрову за участие и содействие в исследованиях, помощь в выполнении отдельных анализов, критические замечания, а также моральную поддержку.
2
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
На основании литературных источников рассмотрено содержание различных соединений марганца и железа в подзолистых и дерново-подзолистых
почвах, в том числе в почвах Кировской области (Сердобольский, 1953; Виноградов, 1957; Зырин и др., 1974; Любимова, 1979; Петухова, Шимко, 1982; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Кузнецов, 1994; Шихова, Егошина, 2004). Показано их распределение по профилю почвы и динамика в течение вегетационного периода (Пономарева, 1964; Антонова и др., 1972; Орлов, 1985; Мотузова,
1999; Канев, 2002; Дабахов и др., 2005; Чернов, Шабанов, 2007; Водяницкий и
др., 2011; Азаренко, 2012).
Охарактеризовано влияние различных почвенных факторов на содержание и поведение марганца и железа: гидротермических условий, окислительновосстановительного потенциала, кислотности органического вещества, а также
воздействие антропогенного фактора и растительности (Кауричев, Орлов, 1982;
Ковда и др., 1959; Крым, 1981; Зонн, 1982; Базилевич, Семенюк, 1984; Перельман, 1989; Ярков, 1961; Яшин и др., 2001; Добровольский и др., 2003; Муха,
2004; Пристова, Забоева, 2007; Ефремов, 2008; Зайдельман, 2009; Небольсин,
Небольсина, 2010; Владыченский и др., 2012; Porter et al., 2004; Millaleo еt al.,
2010). Рассмотрено влияние марганца и железа на почвенные факторы и развитие растений, а также их участие в биогеохимическом круговороте (Пейве,
1961; Авдонин, 1969; Титлянова, Тесаржова и др., 1991; Панин, Королев, 2006;
Лукина и др., 2012; Foy, 1984; Post, 1999).
Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Объекты исследования.
Почвы подзолистого типа занимают свыше 80% территории Кировской
области, среди них широко распространены легкие почвы. Их общая площадь
составляет 3 млн. га. Причем на долю легких подзолистых и дерновоподзолистых почв пашни на двучленных отложениях приходится примерно две
трети распаханных супесчаных и песчаных почв (Тюлин, 1976).
Кировская область расположена в северо-восточной части европейской
территории России, на значительном удалении от морей. Объект исследования
расположен в центральной части области, в Кирово-Чепецком районе, в 15 км
южнее г. Кирова.
Климат центральной части Кировской области характеризуется как умеренно-континентальный с продолжительной холодной зимой и умеренно теплым коротким летом с неустойчивой по температуре и осадкам погодой. Средняя годовая температура воздуха составляет 1,6оС, среднее годовое количество
осадков 550-600 мм (Френкель, 1997).
В Кировской области почвообразующими породами почти повсеместно
являются четвертичные отложения, весьма разнообразные по генезису и соста-
3
ву. В районе исследования породы четвертичной системы представлены в основном флювиогляциальными песками и супесями, покровными суглинками и
глинами, моренными суглинками и песками. В пределах области часто встречаются двучленные отложения, где верхняя толща сложена легкими наносами,
преимущественно флювиогляциального происхождения, а нижняя – тяжелыми
породами разного генезиса (Геологическое строение Кировской области / Под
ред. Кассина, 1941; Тюлин, 1976; Кузницын, 1997).
В качестве объектов исследования были выбраны два ключевых участка,
расположенных на территории Кировской области в 15 км к югу от г. Кирова.
Территория района относится к южно-таёжной подзоне. Почвы ключевых
участков подзолистые, супесчаные, сформированы на водно-ледниковых отложениях, подстилаемых суглинками. Общий рельеф территории волнисто – увалистый; водораздельное плато.
Ключевой участок №1 - ельник – кисличник. В соответствии с «Классификацией и диагностикой почв России» (Шишов и др., 2004) почва на данном
участке относится к подзолистой типичной.
Ключевой участок №2 – пашня под бобовыми травами - козлятник. В соответствии с «Классификацией и диагностикой почв России» (Шишов и др.,
2004) почва на данном участке относится к агродерново-подзолистой. Для общей характеристики изучаемых почв на каждом участке был заложен почвенный разрез (табл. 1).
Таблица 1. Физико-химическая характеристика изучаемых почв
Разрез
(участок)
Горизонт
(глубина,
см)
А0 (0-5)
А2 (5-13)
№1 В (20-48)
(Лес) ВС (48-62)
С (62-110)
D (110)
Ап (0-28)
№ 2 А2В1 (28-46)
(Паш- В2 (46-81)
ня)
ВС (90-110)
С (110)
рНKCl
N,
%
P2О5
мг/кг
K2О
мг/кг
3,54
3,21
3,97
5,37
5,97
5,89
5,16
4,93
3,82
5,5
6,0
1,09
0,04
0,03
0,04
0,02
0,03
0,09
0,04
0,04
0,03
0,02
171
50
25
41
97
296
56
80
195
55
110
150
26
16
26
18
96
46
30
75
20
24
Обменная
кислотность
по Соколову,
cмоль(экв)/кг
Al3+
Н+
4,26
0,18
3,52
0,2
2,85
0,13
0,07
0,09
5,06
0,24
-
Кислоторастворимые
Собщ, % соединения,
мг/кг
Mn
Fe
14,06
484 1072
17
548
1,21
22
1384
0,53
0,15
0,09
0,09
303 1433
0,88
0,27
149 1372
49
2130
0,20
-
-
-
2.1.1. Погодно-климатические условия в годы исследования. Исследования проводили в 2009 и 2010 гг.
4
2009 г. охарактеризовался как теплый, с некоторым недобором осадков на
преобладающей территории области. Зима преимущественно очень теплая и
умеренно снежная. Весна поздняя, холодная в первой и теплая во второй половине с небольшим дефицитом осадков. Лето неустойчивое, с преобладанием
теплой погоды. Осень теплая с дефицитом осадков в первой, с избытком во
второй половине. Среднегодовая температура воздуха по области составила
2-4,5о, что на 1-1,5о выше климатической нормы. Годовое количество осадков в
центральной части области составило от 80 до 90% годовой нормы.
В 2010 г. зима преимущественно умеренно-холодная и холодная, весна
теплая и с дефицитом осадков (температура воздуха в мае на 5,5о выше климатической нормы), лето - преимущественно жаркое с атмосферной и почвенной
засухой, осень – теплая и сухая в первой половине и неустойчивая с частыми
осадками во второй. Среднегодовая температура воздуха по области составила
2-4,5о, что на 1-2о выше климатической нормы. Годовое количество осадков составило 80-100% нормы (Региональный доклад…, 2011 г.).
2.2. Методы исследования. Для изучения сезонной динамики пробы
почвы отбирали с помощью почвенного бура из трех верхних горизонтов.
В почве под лесом: из органогенного горизонта или подстилки (Ао); элювиального (А2), и иллювиального горизонта (В). В почве под пашней: из пахотного горизонта (Ап); переходного (А2В1) и иллювиального горизонта (В2) (ГОСТ
17.4.3.01-83). Отбор проб осуществляли в 2009 и 2010 гг. в период с мая по
июль каждую неделю и с июля по сентябрь каждые 2-3 недели. Размер площадки 20 x 20 м. Повторность отбора пятикратная, метод отбора рандомизированный (случайный). Пробы почв готовились для анализа общепринятыми методами (ГОСТ 17.4.4.02-84). В них определяли следующие показатели: полевую
влажность почвы – термостатно-весовым методом (ГОСТ 28268-89); рН солевой вытяжки – потенциометрически (ГОСТ 26483-85); обменные ионы Al3+ – по
Соколову (ГОСТ 26485-850); содержание общего углерода гумуса – по методу
И.В. Тюрина (Аринушкина Е.В., 1970); содержание лабильного углерода гумуса – в 0,1М нейтральной пирофосфатной вытяжке при соотношении почва :
раствор 1:2 по методике Почвенного института им. В.В. Докучаева (Рекомендации для исследования…, 1984); окислительно-восстановительный потенциал –
потенциометрически (Практикум по почвоведению, 1980); плотность почвы методом режущих цилиндров в пятикратной повторности (ГОСТ 5180-84); подвижный фосфор и обменный калий по А.Т. Кирсанову в модификации
ЦИНАО (ГОСТ 26207-91); азот методом Къельдаля (ГОСТ 17444-76); подвижные соединения железа и марганца – в ацетатно-аммонийном буферном растворе с рН 4,8 методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии (Аринушкина
Е.В, 1970; Практикум по агрохимии, 2001); кислоторастворимые соединения
элементов – в 1 М азотной кислоте при соотношении почва : раствор 1:10 (Методика выполнения измерений массовых концентраций токсичных металлов в
пробах почв атомно-абсорбционным методом, 2001).
5
Глава 3. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ВАРЬИРОВАНИЕ И ДИНАМИКА
СВОЙСТВ ПОЧВ КЛЮЧЕВЫХ УЧАСТКОВ
Пространственное и сезонное варьирование свойств почв под лесом и под
пашней представлено в табл. 2.
Таблица 2. Статистические показатели свойств почв ключевых участков
Свойство
почвы
Влажность, %
рНKCl
Собщ, %
Слаб, %
Влажность, %
рНKCl
Собщ, %
Слаб, %
Статистические показатели
Горизонт
минимальное
максимальное
медиана
значение
значение
Подзолистая почва под лесом
Ао
13,3
45,39
170
А2
2,4
10,3
29,2
В
3,4
9,82
20,5
Ао
3,0
3,57
4,20
А2
2,5
3,21
3,92
В
3,4
3,97
4,37
Ао
2,7
12,7
27,8
А2
0,18
1,38
3,02
В
0,11
0,51
1,11
Ао
0,51
1,93
15,61
А2
0,04
0,30
0,89
В
0,04
0,21
0,63
Агродерново-подзолистая почва под пашней
Ап
3,3
10,7
33,1
А2В1
2,6
7,8
15,9
В2
4,2
20,8
38,5
Ап
3,5
5,5
6,56
А2В1
3,2
4,8
6,48
В2
3,2
3,8
4,37
Ап
0,29
0,90
1,57
А2В1
0,027
0,26
0,70
В2
0,041
0,19
0,48
Ап
0,01
0,12
0,29
А2В1
0,003
0,07
0,18
В2
0,004
0,04
0,20
Хср
S
54,6
10,5
10,3
3,56
3,21
3,97
14,0
1,39
0,54
2,30
0,30
0,25
11,2
2,3
1,6
0,11
0,13
0,10
4,07
0,40
0,14
1,54
0,11
0,08
10,7
8,1
20,5
5,42
4,98
3,82
0,88
0,29
0,2
0,13
0,08
0,05
1,9
1,6
3,0
0,27
0,25
0,11
0,17
0,09
0,05
0,03
0,02
0,02
Примечания. Хср среднее арифметическое; S - усредненное среднее квадратичное отклонение, Собщ – общий углерод гумуса, Слаб – лабильный углерод гумуса.
Влажность почвы. Распределение влажности по профилю отличается в
почвах под лесом и под пашней. В подзолистой почве под лесом наиболее
влажной является подстилка, в агродерново-подзолистой почве под пашней иллювиальный горизонт.
В обеих почвах происходит постепенное снижение влажности в летний
период и ее увеличение в осенний период.
6
Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). Исследования
ОВП проводились с мая по июль 2010 г.
В минеральных горизонтах подзолистой почвы под лесом значения ОВП
в течение сезона варьировали от 335 до 530 мВ. Минимальные значения потенциала наблюдались в конце мая и в середине июля.
ОВ-условия в почве под пашней отличаются от таковых в почве под лесом.
Максимальное значение ОВП в почве под пашней зафиксировано в иллювиальном горизонте. Для всех горизонтов отмечена значительная амплитуда колебаний ОВП: 359 - 466 мВ для горизонта Ап; 369-474 –А2В1 и 473-543 – В2. В пахотном горизонте увеличение ОВП наблюдалось во второй половине мая, а минимальное значение - в первой половине июня. Наименьшее значение ОВП в переходном и иллювиальном горизонтах было зафиксировано во второй декаде мая.
Кислотность. В изучаемой подзолистой почве самые низкие значения
рНKCl характерны для элювиального горизонта, наиболее высокие – для иллювиального. В 2010 г. в горизонте В выявлена обратная корреляция рНКСl с влажностью почвы (r = -0,69).
В дерново-подзолистой почве под пашней также наблюдается достоверная динамика почвенной кислотности в почвенном профиле. Почва под пашней, по сравнению с почвой под лесом, является менее кислой и рНKCl уменьшается в ней вниз по профилю. В 2009 г. в иллювиальном горизонте выявлена
отрицательная корреляция рНKCl с содержанием ионов Al3+ (r = -0,53). В 2010 г.
в горизонте Ап обнаружена достоверная положительная корреляция рНKCl с
влажностью почвы (r = 0,73) и отрицательная – с содержанием Слаб (r = -0,69).
Динамика обменной кислотности в течение вегетационного периода прослеживалась в оба года исследования в обоих типах почв. При этом рН KCl и его
значение в почве под лесом отличается от таковой в антропогенно измененном
аналоге. Характер динамики в 2009 и 2010 гг. различается как в почве под лесом, так и в почве под пашней, что связано с разными гидротермическими
условиями в данные годы. В целом 2010 г. характеризуется менее выраженной
сезонной динамикой рНKCl, чем 2009 г. Однако общим трендом является увеличение рНKCl в середине сезона.
Органическое вещество. Максимальное количество общего углерода
гумуса (Собщ) в почве под лесом приходится на органогенный горизонт. С глубиной профиля его содержание резко уменьшается.
Сезонная динамика содержания общего углерода отличается в годы исследования. В 2009 г. его наибольшее содержание было зафиксировано в подстилке в летний период, в элювиальном горизонте – в летние месяцы и в сентябре. Выявлена корреляция содержания Собщ с влажностью почвы (r = 0,58) в
подстилке. В 2010 г. в горизонте Ао максимум содержания Собщ наблюдался в
конце мая и в августе, в элювиальном – в конце июня и в августе. В горизонте В
динамика Собщ выражена слабо.
Антропогенное воздействие оказывает значительное влияние на содержание и качество гумуса. В почвах под пашней по сравнению с естественными
аналогами количество Собщ снижается.
7
В 2009 г. максимальное содержание Собщ в горизонте Ап наблюдалось в
июне и сентябре. Наибольшее его содержание в переходном горизонте наблюдалось в конце июня и начале октября, в иллювиальном – в июне и во второй
половине сентября. В 2010 г. максимальное содержание Собщ в горизонте Ап
наблюдается весной. Характер динамики содержания общего углерода гумуса в
горизонте А2В1 близок к динамике в горизонте Ап. Сезонное изменение содержания Собщ в горизонте В2 выражено слабо. Выявлена положительная корреляция содержания общего углерода и рНKCl (r = 0,63) в пахотном горизонте.
Таким образом, динамика содержания общего углерода гумуса в почвах
под лесом и под пашней имеет разные тенденции в годы исследования. При
этом можно выделить некоторые общие закономерности: в 2009 г. в обоих типах почв минимальное значение Собщ было в мае, а в 2010 г. снижение произошло в сентябре.
Лабильное органическое вещество является наиболее изменчивой частью органического вещества и оказывает большое влияние на подвижность
элементов. Лабильный углерод гумуса (Слаб) является наименее устойчивым к
процессам минерализации компонентом гумуса.
В исследованных почвах достоверно отмечается профильная динамика
Слаб. В лесной подзолистой почве максимальное количество Слаб наблюдается в
подстилке. В нижележащих горизонтах содержание Слаб резко падает.
Выявлена достоверная динамика содержания Слаб по месяцам в годы
наблюдения. Несмотря на то, что годы исследования были разными, можно
отметить тенденцию увеличения содержания Слаб в середине сезона исследования.
Сельскохозяйственное использование подзолистых почв оказывает значительное влияние на содержание и трансформацию органического вещества, в
том числе и лабильной его части, а также на качество гумуса. Содержание лабильного углерода гумуса в почве под пашней снижается по сравнению с ее целинным аналогом. В почве под пашней отмечается достоверная профильная
динамика содержания Слаб. Максимальное количество лабильного углерода гумуса приходится на пахотный горизонт. В нижележащих горизонтах его содержание снижается.
Отмечается достоверная сезонная динамика содержания лабильного
углерода гумуса во всех исследуемых горизонтах в 2009 и 2010 гг. Несмотря
на разные гидротермические условия в 2009 и 2010 гг. можно отметить общее
направление увеличения содержания лабильного углерода гумуса в весенний
период.
Таким образом, содержание и динамика Слаб в течение вегетационного сезона в почве под лесом отличаются от таковых в ее антропогенно измененном
аналоге. Но, несмотря на отличия, были выявлены и некоторые общие тенденции: увеличение содержания лабильного углерода в весенний период и его
снижение в конце вегетационного периода.
8
Глава 4. ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
МАРГАНЦА И ЖЕЛЕЗА В ПОЧВАХ КЛЮЧЕВЫХ УЧАСТКОВ
В ТЕЧЕНИЕ ВЕГЕТАЦИОННОГО ПЕРИОДА
Динамика содержания подвижных соединений марганца. По литературным данным содержание подвижных соединений Mn в подстилке дерновоподзолистой почвы может достигать 440 мг/кг (Кузнецов, 2004; Шихова Л.Н.,
Егошина, 2004). В изучаемой подзолистой почве под лесом количество подвижных соединений марганца в подстилке составляет 100 - 400 мг/кг. В минеральных горизонтах количество подвижных соединений Mn резко уменьшается: 2 - 30 мг/кг в горизонте А2 и до 20 мг/кг – в горизонте В. Наибольшее содержание подвижных соединений Mn в подстилке закономерно, так как он является элементом - биофилом.
Распределение содержания подвижных соединений Mn по почвенному
профилю несколько отличается от данных других исследователей. По литературным данным, в подзолистых почвах прослеживается 2 максимума содержания Mn: в гумусовом и иллювиальном горизонтах (Мотузова, 1999; Безносиков
и др., 2007). В нашем случае 2-го максимума в горизонте В не отмечено.
Выявлена достоверная динамика содержания подвижных соединений
марганца в течение вегетационного периода во всех исследованных горизонтах
в обоих типах почв (рис. 1 а-е).
В 2009 г. максимальное содержание подвижных соединений марганца в
подстилке подзолистой почвы было зафиксировано во второй половине периода исследования (рис. 1 а). Это связано с усилением процессов трансформации
органического вещества в летний период, когда количество Собщ было
наибольшим, а в конце июня – начале июля произошло увеличение содержания
Слаб. Марганец связан с органическим веществом и высвобождается при его
разложении. Кроме того, увеличение концентрации органического вещества
приводит к восстановлению оксида Mn (IV) (Линник, Набиванец, 1986; Водяницкий, 2009). Переходу марганца в подвижное состояние способствовало увеличение влажности почвы в октябре. По литературным данным, накопление Mn
осенью в подстилке происходит в результате замедления процессов разложения
подстилки (Забоева и др., 1976). На подвижность Mn значительное влияние
также оказывает кислотность почвы. С одной стороны, восстановление оксидов
марганца происходит при рН<5,5 (Millaleo еt al., 2010). С другой стороны, при
повышении рН создаются более благоприятные условия для трансформации
органического вещества (Мишустин, 1972), что способствует увеличению подвижных соединений марганца. В данный период произошло увеличение рНКCl
в лесной подстилке.
В горизонте А2 достоверное увеличение содержания подвижных соединений Mn наблюдается только в конце июля - начале августа (рис. 1 в). Повышение количества подвижных соединений марганца связано с увеличением содержания Слаб в данном горизонте. С одной стороны, гумусовые кислоты, особенно подвижные, образуют с Mn органоминеральные комплексы, способные
9
мигрировать по почвенному профилю (Черных и др., 2001; Водяницкий, 2005;
Небольсин, Небольсина, 2005). Это способствовало их поступлению в элювиальный горизонт из верхнего горизонта. С другой стороны, гумус в условиях
кислой среды способен восстанавливать окись марганца (Ковальский, Андрианова, 1970; Чухров и др., 1990). Кроме того, высвобождение марганца происходит при разложении органического вещества. В иллювиальном горизонте увеличение количества подвижных соединений марганца произошло в конце летнего периода и в осенний период (рис. 1 д).
Ао
Mn,
мин.
мг/кг
ср. арифм
600
макс.
500
400
300
200
100
0
28.3.09 17.5.09 6.7.09 25.8.09 14.10.09 3.12.09
Дата отбора
Mn,
мг/кг
500
А2
Mn,
мг/кг
35
30
25
20
15
10
5
0
13.3.10
Ао
400
300
200
100
0
13.3.10
2.5.10
а
60
Mn,
мг/кг
50
мин.
ср. арифм
макс.
40
30
20
10
0
28.3.09 17.5.09 6.7.09 25.8.09 14.10.09 3.12.09
Дата отбора
В
15
мин.
ср. арифм
макс.
2.5.10
5
10
д
21.6.10
Mn,
мг/кг
30
20
0
13.3.10
мин.
ср. арифм
макс.
А2
г
10
0
28.3.09 17.5.09 6.7.09 25.8.09 14.10.09 3.12.09
Дата отбора
21.6.10 10.8.10 29.9.10
Дата отбора
б
в
Mn,
мг/кг
мин.
ср. арифм
макс.
В
2.5.10
21.6.10
е
10.8.10
29.9.10
Дата отбора
мин.
ср. арифм
макс.
10.8.10 29.9.10
Дата отбора
Рис. 1. Сезонная динамика содержания подвижных соединений марганца
в подзолистой почве под лесом: а, в, д - 2009 г.; б, г, е – 2010 г.
В 2010 г. максимальное содержание подвижных соединений Mn в подстилке было зафиксировано в начале мая и в августе (рис. 1 б). Данный факт
связан с трансформацией органического вещества, так как в начале мая произошло увеличение содержания Слаб, а в августе - Собщ. Химические элементы
10
входят в состав органического вещества и высвобождаются при его разложении. Наибольшее содержание подвижных соединений марганца в горизонте А2
наблюдалось в летний период, в горизонте В - в начале мая и в конце августа
(рис. 1 г, е). Причиной стало их поступление в минеральные горизонты из органогенного горизонта с почвенной влагой. Миграция воды является одной из основных движущих сил трансформации ионов ряда тяжелых металлов (Яшин и
др., 2012). В июне выпало большое количество осадков, а в мае и августе повышению содержания подвижных соединений Mn в минеральных горизонтах
способствовало их увеличение в горизонте Ао.
Таким образом, динамика содержания подвижных соединений марганца
в 2010 г. в лесной подстилке отличается от 2009 г. тем, что их увеличение произошло только в конце лета, а в 2009 г.- в более ранний срок (в середине лета).
Вероятно, это связано с гидротермическими условиями в годы исследования.
В 2010 г. на протяжении двух месяцев: июля и августа, наблюдалась почвенная
засуха (высокая температура и низкое количество осадков). Данные факторы
способствуют угнетению разложения подстилки, а также окислению марганца
(Цыпанова, 1970; Шихова, Егошина, 2004). Но наблюдаются некоторые общие
тенденции: увеличение подвижных соединений марганца произошло в летний
период, уменьшение – в конце весеннего периода и в начале осеннего периода.
Кроме содержания подвижных соединений марганца, также были определены их запасы по горизонтам за оба периода наблюдений. Количественное
распределение запасов подвижных соединений Mn в почвенных горизонтах варьирует в течение вегетационного периода и составляет: в лесной подстилке 0,06-0,50 т/га; в элювиальном горизонте – 0,06-0,59 т/га; в иллювиальном –
0,03-0,94 т/га. В целом наибольшие запасы данных соединений Mn содержатся
в горизонте В, наименьшие – в горизонте А2. Данное распределение определяется различной мощностью горизонтов, особенностями их состава и свойств.
Помимо определения запасов подвижных соединений марганца в горизонтах,
было определено их суммарное количество по слоям почвенного профиля в годы исследования. В целом в слое 0-80 см запасы составляют 0,39-1,96 т/га.
В результате антропогенного воздействия происходят изменения физических, химических и физико-химических свойств почвы. Все это оказывает влияние на содержание и динамику химических элементов. В результате наших исследований выявлено, что содержание подвижных соединений марганца в почве под пашней в целом значительно меньше, чем в почве под лесом и варьирует
в следующих пределах: в пахотном горизонте – 25,9-59,5 мг/кг; в переходном –
5,3-35,1 мг/кг; в иллювиальном – 0,5-16,6 мг/кг. Данные значения не превышают ПДК подвижных соединений Mn для дерново-подзолистых почв с рН
5,1-6,0: 80,0 мг/кг (ГН 2.1.7.2041-06). Наибольшее количество подвижных соединений Mn приходится на пахотный горизонт. Более низкое содержание подвижных соединений марганца в почвах под пашней, по сравнению с почвой
под лесом было отмечено и другими исследователями (Липкина, 1991; Протасова, Щербаков, 2003).
11
Выявлена достоверная динамика содержания подвижных соединений
марганца в течение вегетационного периода во всех исследованных горизонтах
в обоих типах почв (рис. 2 а-е).
100
Mn,
мг/кг
Ап
80
мин.
ср. арифм.
макс.
60
Mn,
мг/кг
Ап
80
мин.
ср. арифм.
макс.
60
40
40
20
20
0
13.3.10
0
28.3.09 17.5.09 6.7.09 25.8.09 14.10.09 3.12.09
Дата отбора
2.5.10
21.6.10
а
Mn,
мг/кг
А2В1
50
мин.
ср. арифм.
макс.
б
А2В1
Mn,
мг/кг
20
10.8.10
29.9.10
Дата отбора
мин.
ср. арифм.
макс.
15
40
30
10
20
5
10
0
28.3.09 17.5.09 6.7.09 25.8.09 14.10.09 3.12.09
Дата отбора
0
13.3.10
2.5.10
в
Mn,
мг/кг
20
В2
мин.
ср. арифм.
макс.
г
15
10
10
5
5
д
В2
Mn,
мг/кг
20
15
0
28.3.09 17.5.09 6.7.09 25.8.09 14.10.09 3.12.09
Дата отбора
21.6.10
0
13.3.10
10.8.10 29.9.10
Дата отбора
мин.
ср. арифм.
макс.
2.5.10
21.6.10
е
10.8.10
29.9.10
Дата отбора
Рис. 2 . Сезонная динамика содержания подвижных соединений марганца
в агродерново-подзолистой почве под пашней: а, в, д – 2009 г.; б, г, е – 2010 г.
В 2009 г. было отмечено 2 относительных максимума содержания подвижных соединений Mn в пахотном горизонте: в конце летнего периода и в
осенние месяцы (рис. 2 а). Причиной является активизация трансформации органического вещества вследствие поступления свежего опада в конце вегетационного периода, в результате чего происходит высвобождение ионов марганца,
входящих в состав растительных остатков, и образование подвижных органоминеральных комплексов. С одной стороны, органическое вещество образует с
ионами металлов растворимые комплексные соединения, что повышает под-
12
вижность микроэлементов в почве (Мамонтов и др., 2000). С другой стороны,
при гумификации органических остатков элемент, не связанный с ними прочно,
быстро освобождается и фиксируется в форме диоксида, пополняя запасы минеральных соединений марганца (Мотузова, 1999). В летний период наблюдалось увеличение содержания Собщ. Повышению подвижности Mn в октябре способствовало увеличение влажности почвы.
Максимальное содержание подвижных соединений Mn в переходном горизонте было зафиксировано в конце октября, что связано с повышением влажности почвы (рис. 2 в). Наибольшее количество подвижных форм Mn в горизонте В2 зафиксировано в конце июня и начале августа (рис. 2 д). Данный факт
связан с трансформацией органического вещества и миграцией подвижных соединений марганца, к которым относятся и органоминеральные комплексы,
вниз по профилю с током влаги. Выявлена достоверная корреляционная связь с
содержанием Собщ в переходном горизонте (r = 0,89).
В 2010 г. увеличение количества подвижных соединений Mn в пахотном
горизонте произошло в мае и во второй половине лета (рис. 2 б). Причиной послужило активизация процессов трансформации органического вещества, так
как содержание Слаб было наибольшим в данные периоды. Именно с лабильными компонентами гумуса образуются наиболее подвижные органоминеральные
комплексы. Наибольшее количество подвижных соединений марганца в переходном горизонте наблюдалось во второй декаде мая и в августе; в иллювиальном горизонте - в мае (рис. 2 г, е). Данное увеличение связано с миграцией органического вещества, содержание и трансформация которого оказывает непосредственное влияние на количество подвижных соединений Mn. Выявлена достоверная связь содержания подвижных соединений марганца с содержанием
Собщ в данном горизонте (r = 0,84).
Таким образом, увеличение подвижных соединений Mn в пахотном горизонте в 2009 г. произошло в конце лета, а в 2010 г. – во второй половине лета.
Вероятно, более высокая температура в июле 2010 г. способствовала активизации биохимических процессов, минерализации растительных остатков и высвобождению марганца. Следовательно, характер динамики подвижных соединений марганца отличается в годы исследования в почве под пашней. Несмотря
на это, общим трендом является увеличение содержания подвижных соединений марганца в конце летнего периода.
Были определены запасы подвижных соединений марганца по горизонтам за оба сезона наблюдений. В горизонте Ап они составили - 1,13-2,12 т/га; в
переходном горизонте- 0,15-1,01 т/га; в иллювиальном горизонте - 0,15-0,67
т/га. Наибольшее количество приходится на пахотный горизонт, наименьшее –
на иллювиальный горизонт. Кроме запасов подвижных соединений марганца по
горизонтам были подсчитаны запасы по слоям в оба года исследования. В целом в слое 0-80 см запасы составляют 1,47-3,57 т/га.
Таким образом, количество подвижных соединений марганца изменяется в почвах под лесом и под пашней в течение вегетационного периода в годы
исследования. При этом характер динамики отличается в годы изучения.
13
Несмотря на это, общим трендом является увеличение содержания подвижных
соединений марганца в конце летнего периода и их уменьшение в начале осеннего периода.
Динамика содержания подвижных соединений железа. Содержание
подвижного железа в подзолистых и дерново-подзолистых почвах составляет
до 280мг/кг (Шихова, 2005). Для данного элемента характерен элювиальноиллювиальный тип распределения (Орлов, 1985). При этом некоторые исследователи отмечают, что максимальное содержание обменного и водорастворимого железа приходится на органогенный горизонт (Структурно-функциональная
организация почв и почвенного покрова европейского Северо-Востока / Отв.
ред. Зайдельман, Забоева, 2001).
В наших исследованиях выявлено, что содержание подвижных соединений железа в подстилке подзолистой почвы под лесом колеблется от 20 до
80 мг/кг; в элювиальном горизонте - от 37 до 214 мг/кг; в иллювиальном горизонте - от 81 до 331 мг/кг. Таким образом, максимальное количество подвижных соединений Fe приходится на иллювиальный горизонт, а минимальное – на
органогенный горизонт. Более высокое содержание подвижных соединений
железа в элювиальном горизонте по сравнению с органогенным горизонтом отмечается и другими исследователями и связывается с разрушением минералов,
накоплением биогенных форм и железа конкреций (Безносиков и др., 1989;
Пристова, Забоева, 2007).
Выявлена достоверная динамика содержания подвижных соединений железа в течение вегетационных периодов в годы исследования (рис. 3 а-е).
В 2009 г. динамика содержания подвижных соединений железа в горизонте Ао выражена слабо (рис. 3 а). Увеличение подвижности произошло только в конце сентября, что связано со снижением рНKCl в данный период. При
подкислении почвы происходит существенное повышение содержания железа в
почве (Митрофанова, 2009).
Максимальное содержание подвижных соединений Fe в минеральных горизонтах отмечено в конце периода исследования (рис. 3 в, д). Данное явление
связано с активным преобразованием органического вещества, в результате чего образуются органические кислоты, влияющие на подвижность железа. Так,
по литературным данным органические кислоты воздействуют на силикатные
минералы и оксиды, образуют органоминеральные комплексы, которые мигрируют в нижележащие горизонты (Водяницкий, 2003; Чернов, Шабанов, 2007).
Кроме того, при трансформации органического вещества происходит высвобождение ионов железа, входящих в его состав. Это также способствует увеличению количества подвижных соединений Fe. В конце периода исследования
отмечалось увеличение содержания Собщ и Слаб в элювиальном горизонте.
В 2010 г. максимальное количество подвижных соединений Fe в подстилке было зафиксировано в мае (рис. 3 б). Вероятно, на увеличение их содержания оказала влияние восстановительная способность подстилок (Сапожников,
1968; Канев, 2011). Кроме того, активное высвобождение подвижных соедине14
ний Fe происходит в результате интенсивных микробиологических процессов
разложения органического вещества. Бактерии, потребляющие органические
соединения, активизируются при оттаивании почвы (Тен Хак-Мун, Федорова,
1972). Выявлена достоверная обратная корреляционная связь содержания подвижных соединений железа с содержанием Слаб (r = -0,79).
Fe,
мг/кг
Ао
80
мин.
ср. арифм.
макс.
Fe,
мг/кг
Ао
100
мин.
ср. арифм.
макс.
80
60
60
40
40
20
20
0
28.3.09 17.5.09 6.7.09 25.8.09 14.10.09 3.12.09
Дата отбора
0
13.3.10
2.5.10
21.6.10
а
А2
Fe,
мг/кг
400
мин.
ср. арифм.
макс.
б
Fe, мг/кг
150
200
100
100
50
0
28.3.09 17.5.09 6.7.09 25.8.09 14.10.09 3.12.09
Дата отбора
Fe,
мг/кг
В
400
300
ср. арифм.
макс.
0
13.3.10
2.5.10
в
мин.
ср. арифм.
макс.
мин.
А2
200
300
10.8.10 29.9.10
Дата отбора
21.6.10
г
Fe, мг/кг
10.8.10 29.9.10
Дата отбора
В
300
200
200
мин.
100
100
0
28.3.09 17.5.09 6.7.09 25.8.09 14.10.09 3.12.09
Дата отбора
0
13.3.10
д
ср. ар ифм.
2.5.10
21.6.10
е
макс.
10.8.10 29.9.10
Дата отбора
Рис. 3. Сезонная динамика содержания подвижных соединений железа
в подзолистой почве под лесом: а, в, д – 2009 г.; б, г, е – 2010 г.
В элювиальном горизонте максимальное содержание подвижных соединений железа было зафиксировано в конце периода исследования (рис. 3 г).
Это связано с увеличением количества С общ, содержание и трансформация которого оказывает непосредственное влияние на подвижность Fe. В иллювиальном горизонте наибольшее количество подвижных соединений данного
элемента наблюдалось в конце мая и в августе (рис. 3 е). В конце мая произошло снижение ОВП, что способствовало восстановлению железа. Увели15
чению содержания подвижных соединений железа также способствует преобразование органического вещества и образование гумусовых кислот. В конце
периода исследования наблюдалось увеличение содержания С лаб. Выявлена
обратная корреляция содержания подвижных соединений Fe с ОВП в горизонте В (r = - 0,75).
Таким образом, в 2009 г. максимальное количество подвижных соединений в подстилке наблюдалось в конце сентября, а в 2010 г. – в мае. Вероятно,
это связано с гидротермическими особенностями в годы исследования. В мае
2010 г. средняя температура воздуха была на 5,5оС выше климатической нормы.
Более высокая температура способствует более быстрому прогреванию почвы и
активизации биохимических процессов, что способствует увеличению подвижных соединений железа. Кроме того, более раннее просыхание почвы в 2010 г.
могло способствовать накоплению железа в подстилке, а не его миграции вниз
по профилю. При этом в 2010 г. также наблюдалось увеличение содержания
подвижных соединений Fe в конце сентября. Во всех исследуемых горизонтах в
оба года повышение их содержания наблюдалось в конце вегетационного периода. Данный факт связан с поступлением свежего опада и усилением микробиологической деятельности в конце вегетационного периода, в результате чего
подвижность элемента увеличивается.
Кроме содержания подвижных соединений железа, также были определены их запасы по горизонтам за оба периода наблюдений. Наибольшие запасы содержатся в иллювиальном горизонте: 7,56-30,8 т/га, минимальные – в лесной подстилке: 0,02-0,05 т/га. В элювиальном горизонте запасы подвижных соединений Fe варьируют в следующих пределах: 0,85-4,88 т/га. Помимо определения запасов подвижных соединений железа в горизонтах, было определено
их суммарное количество по слоям почвенного профиля в оба года исследования. В целом в слое 0-80 см они составили: 3,56-36,0 т/га.
В агродерново-подзолистой почве под пашней содержание подвижных
соединений металла меньше, чем в почвах под пологом леса, что обусловлено
специфическим составом органического вещества и ролью лесной подстилки
(Комплексная химическая характеристика почв Нечерноземья / Под ред. Орлова, 1987). По нашим данным, количество подвижных соединений железа в почве под пашней в целом отличается незначительно по сравнению с почвой под
лесом. Профильная динамика сохраняется. Для агродерново-подзолистой почвы под пашней характерно следующее содержание подвижных соединений Fe:
в горизонте Ап – 18,3-98,1 мг/кг; в горизонте А2В1 – 28,0-121 мг/кг; в горизонте
В2 – 103-309 мг/кг.
Выявлена достоверная сезонная динамика подвижных соединений железа
в годы исследования (рис. 4 а-е).
В 2009 г. в пахотном горизонте динамика содержания подвижных соединений Fe выражена слабо (рис. 4 а). Достоверное увеличение их содержания наблюдалось только в середине мая и в конце июня, что связано с более
низкими значениями рНKCl в мае и увеличением влажности почвы в июне.
На подкисление почвы и увеличение подвижности железа оказывает влияние
16
деятельность почвенной микрофлоры, носящей ярко выраженный сезонный
характер (Аристовская, Зыкина, 1979; Goates et al., 1998; Небольсин, Небольсина, 2010). Весной в почвах под пашней происходит интенсивное развитие
микроорганизмов, что связано с обилием легкодоступного органического вещества (Канев, 2011).
Fe, мг/кг
Ап
50
мин.
ср. арифм.
макс.
Fe, мг/кг
Ап
150
мин.
ср. арифм.
макс.
40
100
30
20
50
10
0
28.3.09 17.5.09
0
13.3.10
6.7.09 25.8.09 14.10.09 3.12.09
Дата отбора
2.5.10
а
Fe, мг/кг
мин.
140
ср. арифм.
120
макс.
100
80
60
40
20
0
28.3.09 17.5.09 6.7.09 25.8.09 14.10.09 3.12.09
Дата отбора
А2В1
б
140
120
100
80
60
40
20
0
13.3.10
Fe, мг/кг
В2
350
300
250
200
150
100
50
0
28.3.09 17.5.09 6.7.09 25.8.09 14.10.09 3.12.09
Дата отбора
10.8.10
29.9.10
Дата отбора
А2В1
Fe, мг/кг
мин.
ср. арифм.
макс.
2.5.10
в
мин.
ср. арифм.
макс.
21.6.10
21.6.10
г
10.8.10
29.9.10
Дата отбора
В2
Fe, мг/кг
400
300
200
мин.
ср. арифм.
макс.
100
0
13.3.10
д
2.5.10
21.6.10
е
10.8.10
29.9.10
Дата отбора
Рис. 4. Сезонная динамика содержания подвижных соединений железа
в агродерново- подзолистой почве под пашней: а, в, г – 2009 г.; б, д, е – 2010 г.
Увеличение содержания подвижных соединений железа в горизонте А2В1
наблюдалось в конце июня и в конце августа – начале сентября, что связано с
их поступлением в переходный горизонт из пахотного с почвенной влагой (рис.
4 в). Из пахотного горизонта нисходящими токами воды выносится большое
количество соединений железа (Цыпанова, 1970). Наибольшая амплитуда коле17
баний содержания подвижных соединений железа отмечается в горизонте В 2
(рис. 4 д). Максимальное количество наблюдалось летом и осенью. Это связано
с увеличением содержания Собщ в иллювиальном горизонте в данный период.
Органические кислоты разрушают железосодержащие силикаты и оксиды (Водяницкий, 2003).
В 2010 г. в пахотном горизонте максимальное содержание подвижных соединений Fe отмечено в конце периода исследования (рис. 4 б). В 2010 г. в течение июля и почти всего августа была засуха, поэтому увеличение влажности
почвы в конце августа могло повлиять на микробиологическую деятельность и
увеличение количества подвижных соединений Fe. Так, по литературным данным наиболее четко зависимость численности и биомассы от влажности прослеживается при выпадении осадков после продолжительной засухи (Campbell,
Biederbeck, 1976).
Наибольшее содержание подвижных соединений железа в переходном и
иллювиальном горизонтах наблюдалось в августе и сентябре (рис. 4 г, е). Причиной послужила активизация преобразования органического вещества, а также
перемещение подвижных соединений Fe из верхнего горизонта в нижележащие
с атмосферными осадками. Выявлена корреляционная связь содержания подвижных соединений Fe с рНKCl в иллювиальном горизонте (r = 0,87). Горизонт
В2 является кислым (рНKCl 3,82), поэтому снижение кислотности могло способствовать усилению микробиологической деятельности и, следовательно, трансформации органического вещества и увеличению подвижности железа
Таким образом, отличие динамики содержания подвижных соединений Fe
в 2010 г. по сравнению с 2009 г. наблюдалось только в пахотном горизонте. В
2010 г. количество подвижных соединений железа увеличилось в конце периода исследования, в 2009 г. – в мае и июне. Причиной послужили разные гидротермические условия в годы исследования. При этом в переходном и иллювиальном горизонтах выявлено общее направление увеличения содержания подвижных соединений железа в конце вегетационного периода.
Были определены запасы подвижных соединений железа по горизонтам
за оба сезона наблюдений. В горизонте Ап они составили - 1,34-4,06 т/га; в переходном горизонте - 1,82-5,08; в иллювиальном горизонте - 4,81-12,6 т/га.
Кроме запасов по горизонтам были подсчитаны запасы по слоям в оба года исследования. В целом в слое0-80 см они составили - 8,62-20,9 т/га.
Таким образом, характер динамики содержания подвижных соединений
Fe отличается в обоих типах почв. При этом выявлено общее направление увеличения содержания подвижных соединений железа в конце периода исследования.
18
Глава 5. ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОТОРАСТВОРИМЫХ
СОЕДИНЕНИЙ МАРГАНЦА И ЖЕЛЕЗА В ПОЧВАХ КЛЮЧЕВЫХ
УЧАСТКОВ В ТЕЧЕНИЕ ВЕГЕТАЦИОННОГО ПЕРИОДА
Динамика содержания кислоторастворимых соединений марганца
(КРСМ). Кислоторастворимые соединения химических элементов можно считать общим резервным количеством, способным переходить в мобильную подвижную форму. Количество данных соединений близко к валовому содержанию элементов в почвах. Так, доля кислоторастворимых форм марганца в почвах колеблется до 80% от валового количества (Ильин, Сысо, 2001). В подзолистых и дерново-подзолистых почвах содержание марганца может достигать
значительных величин (1000 мг/кг и больше) (Кузнецов, 1994; Шихова, Егошина, 2004).
Выявлена достоверная профильная динамика кислоторастворимых
соединений марганца в подзолистой почве под лесом. Она соответствует распределению подвижных соединений элемента по профилю почвы. Наибольшее
количество кислоторастворимых соединений Mn (КРСМ) в подзолистой почве
под лесом приходится на подстилку: от 220 до 1428 мг/кг. В минеральных горизонтах содержится: в элювиальном – в среднем 22 мг/кг, в иллювиальном –
25 мг/кг кислоторастворимых соединений Mn. В 2010 г. содержание КРСМ в
почве под лесом в целом меньше, чем в 2009 г. и их значение колеблется в следующих пределах: в горизонте А0 - 42-511, в горизонте А2 – 5-31, в горизонте
В – 13-31 мг/кг.
Достоверная сезонная динамика кислоторастворимых соединений марганца в 2009 г. выявлена только в органогенном горизонте. Амплитуда колебаний содержания КРСМ небольшая. Максимальное количество кислоторастворимых соединений элемента было зафиксировано в августе и октябре. Это связано с активизацией трансформации органического вещества в результате поступления свежего опада.
В 2010 г. достоверная сезонная динамика данных соединений Mn обнаружена только в лесной подстилке и элювиальном горизонте. Максимальное
количество КРСМ в горизонте А0 было зафиксировано в августе, а в горизонте
А2 – в конце августа. Причиной послужило снижение кислотности в этот период, что способствовало развитию почвенной микрофлоры и активной трансформации органического вещества. Выявлена достоверная прямая корреляция
содержания кислоторастворимых соединений Mn с рНКCL (r = 0,86) в подстилке.
Кроме того, были подсчитаны запасы кислоторастворимых соединений марганца по горизонтам за оба года наблюдений. В подзолистой почве
под лесом они составили: в горизонте Ао - 0,24-1,57 т/га; в горизонте А2 0,19-1,09 т/га; в горизонте В -1,97-2,78 т/га. Таким образом, максимальные запасы КРСМ приходятся на иллювиальный горизонт, минимальные – на элювиальный горизонт. Были подсчитаны запасы КРСМ по слоям за оба года исследований. В целом в слое 0-80 см они составили: 2,65-4,44 т/га.
В агродерново-подзолистой почве под пашней содержание элементов не19
сколько отличается от подзолистой почвы под лесом. По литературным данным, среднее содержание подвижного Mn в пахотных горизонтах почв Кировской области меньше, чем в лесной подстилке (Шихова Л.Н., Егошина, 2004).
Но пахотные почвы богаче валовыми формами металлов (Дубенок и др., 2011).
По нашим данным, содержание кислоторастворимых соединений Mn в целом в
почве под пашней больше, чем в почве под лесом и составляет: в пахотном горизонте - 233-486 мг/кг; в переходном горизонте – 79-407 мг/кг; в иллювиальном – 25-109 мг/кг.
В 2009 г. в пахотном и иллювиальном горизонтах максимальное содержание КРСМ наблюдалось в конце вегетационного периода, а в переходном
горизонте – только в октябре. Причиной стала активизация трансформации органического вещества в результате поступления свежих растительных остатков.
Выявлена достоверная обратная корреляционная связь содержания КРСМ с количеством Слаб в горизонте Ап (r = -0,82) и прямая связь их содержания с количеством Собщ в переходном горизонте (r = 0,88).
В 2010 г. в горизонте Ап увеличение содержания КРСМ было зафиксировано в мае, в июле и в начале августа. В весенний период их количество увеличилось в результате активизации микробиологической деятельности с наступлением теплого периода и усиления трансформации органического вещества.
На увеличение содержания КРСМ в середине исследуемого периода оказало
влияние повышение содержания лабильного углерода гумуса. Это свидетельствует о процессах деструкции гумуса и его разрушающем влиянии на минеральную часть почвы, в результате чего часть валового марганца становится
подвижной (Шихова, Егошина, 2004). В переходном и иллювиальном горизонтах максимальное количество КРСМ наблюдалось в мае. Это связано с их поступлением с почвенной влагой в данные горизонты из пахотного, в том числе
в составе органоминеральных комплексов. Выявлена положительная корреляционная связь содержания данных соединений Mn с количеством Собщ (r = 0,91)
в горизонте А2В1.
Были подсчитаны запасы КРСМ за оба года наблюдений. В горизонте
Ап они варьируют в пределах 9,67-20,1 т/га; в горизонте А2В1: 2,26-11,7 т/га и в
горизонте В2: 1,24-5,52 т/га. Таким образом, максимальные запасы приходятся
на пахотный горизонт, минимальные – на иллювиальный горизонт. Кроме запасов по горизонтам, были подсчитаны и запасы КРСМ по слоям. В целом в слое
0-80 см в течение вегетационного периода они варьировали в следующих пределах: от 14,2 до 33,2 т/га.
Следовательно, и в почве под лесом, и в почве под пашней отмечается
общее направление увеличения содержания кислоторастворимых соединений
марганца в конце летнего периода.
Динамика содержания кислоторастворимых соединений железа
(КРСЖ). Подзолистые и дерново-подзолистые почвы содержат большие валовые запасы железа: 2…6% от веса почвы (Небольсин, Небольсина, 2005; Шихо
20
ва, 2005). В дерново-подзолистых почвах содержание кислоторастворимого железа может достигать 3000 мг/кг и больше (Канев, 2002).
В результате исследований выявлено, что наибольшее количество кислоторастворимых соединений железа в подзолистой почве под лесом (КРСЖ)
содержится в иллювиальном горизонте и варьирует в пределах от 787 до
1770 мг/кг. Минимальное количество КРСЖ приходится на элювиальный горизонт и составляет: 244 - 642 мг/кг. Это закономерно, так как в подзолистых почвах для железа характерно вымывание из элювиального горизонта.
В лесной подстилке КРСЖ содержится 787 – 983 мг/кг. В 2010 г. их количество в лесной почве было выше, чем в 2009 и составило в среднем: в горизонте
А0 – 1246 мг/кг; А2 - 643 мг/кг; В – 1717 мг/кг.
Содержание КРСЖ менее динамичный показатель, чем содержание подвижных соединений железа. В 2009 г. сезонная динамика содержания кислоторастворимых соединений элемента была достоверной только в минеральных
горизонтах. Амплитуда колебаний содержания кислоторастворимых соединений железа в минеральных горизонтах небольшая. В горизонте А2 максимальное значение содержания наблюдалось в августе и сентябре, а в горизонте В –
только в сентябре. Причиной стало активное разложение органического вещества в конце вегетационного периода в результате поступления свежих растительных остатков. Выявлена положительная корреляция содержания КРСЖ с
содержанием Собщ (r = 0,82) в элювиальном горизонте. В 2010 г. сезонная динамика КРСЖ не выражена.
Были подсчитаны запасы КРСЖ по горизонтам за оба года. Их количество варьировало в следующих пределах: в подстилке – 1,18-1,57 т/га; в элювиальном горизонте - 8,59-22,47 т/га и в иллювиальном горизонте – 95,7-199 т/га.
В целом наибольшие запасы данных соединений железа содержатся в горизонте
В. Данный факт связан с тем, что горизонт В является наиболее мощным и в
нем содержится максимальное количество КРСЖ. Кроме запасов КРСЖ по горизонтам, было подсчитано их количество по слоям за оба года. В слое 0-80 см
их содержание варьировало в пределах: 109-229 т/га.
Таким образом, за оба года исследования в подзолистой почве под лесом
прослеживается тренд увеличения содержания кислоторастворимых соединений Fe и их запасов в конце летнего периода.
В почвах под пашней содержание подвижных оксидов железа при окультуривании практически не изменяется (Муха, 2004). Но содержание металлов в
них может увеличиваться в результате использования техники для обработки
почвы, применения удобрений и химикатов (Шихова, Егошина, 2004).
В агродерново-подзолистой почве под пашней содержание КРСЖ в целом
значительно выше, чем в подзолистой почве под лесом. При этом их максимальное количество также приходится на иллювиальный горизонт и колеблется
в пределах: от 1205 до 2048 мг/кг. В пахотном и переходном горизонтах значения КРСЖ отличаются незначительно и составляют: 798-1362 и 811-1386 мг/кг
соответственно. В 2010 г. количество КРСЖ в почве под пашней было выше,
21
чем в 2009 г. и варьировало в пределах: в горизонте Ап – 1367-1968 мг/кг; в горизонте А2В1 – 1314-1888 мг/кг; в горизонте В2 – 2138-3456 мг/кг.
В 2009 г. выявлена достоверная динамика кислоторастворимых соединений железа во всех исследуемых горизонтах. В пахотном и переходном горизонтах максимальное количество КРСЖ было зафиксировано в конце мая. Это
связано с кислотностью почвы, так как значение рНKCl в этот период было минимальным. В иллювиальном горизонте максимальное содержание КРСЖ было
в мае. Причиной стало вымывание подвижных соединений Fe в составе органоминеральных комплексов в нижележащие горизонты и высокая влажность
почвы в иллювиальном горизонте в весенний период. Значительная часть железа в виде органоминеральных соединений приобретает подвижность (Зайдельман, 2009). Выявлена прямая корреляция содержания КРСЖ с содержанием
Слаб (r = 0,80) и влажностью почвы (r = 0,81) в горизонте В2.
В 2010 г. динамика содержания КРСЖ в течение вегетационного периода
является достоверной в пахотном и иллювиальном горизонтах. Наибольшее количество КРСЖ в горизонтах Ап и В2 зафиксировано в августе и сентябре.
Причиной стало активное преобразование органического вещества в результате
поступления свежего растительного опада.
Были подсчитаны запасы кислоторастворимых соединений железа по горизонтам за оба года исследования. Их содержание колебалось в следующих
пределах: в горизонте Ап – 56,7-81,5 т/га; А2В1 – 58,9-84,6 т/га; В2 – 86,8-129 т/га.
Кроме содержания запасов КРСЖ, были рассчитаны и запасы по слоям. Их значение в слое 0-80 см составило 197-291 т/га.
Таким образом, в подзолистой почве под лесом прослеживается общее
направление изменения содержания КРСЖ в течение вегетационных периодов
в годы исследования, а в агродерново-подзолистой почве под пашней характер
динамики содержания кислоторастворимых соединений элемента отличается: в
2009 г. увеличение наблюдалось в весенний период, а в 2010 г. – в конце летнего периода.
ВЫВОДЫ
1. Марганец и железо имеют разный характер профильного распределения в исследованных подзолистой и агродерново-подзолистой почвах Кировской области. Подвижные и кислоторастворимые соединения марганца – аккумулятивный. Подвижные соединения железа – элювиальный тип распределения. Для кислоторастворимых соединений железа характерно относительное
накопление в органогенном горизонте на фоне общего элювиального типа распределения.
2. Содержание подвижных соединений марганца и железа значительно
изменяются в течение вегетационного периода. В подзолистой почве под лесом
наибольшая амплитуда динамического изменения содержания подвижных соединений марганца отмечается в органогенном горизонте (52-457 мг/кг), подвижных соединений железа – в иллювиальном горизонте (29-331 мг/кг). В агродерново-подзолистой почве под пашней амплитуда изменений содержания
22
подвижных соединений марганца выше в пахотном горизонте (27-68 мг/кг), подвижных соединений железа – в иллювиальном горизонте (84-254 мг/кг). Кислоторастворимые соединения марганца и железа являются более консервативными. Их сезонная динамика также наблюдается, но она выражена слабее.
3. В наблюдаемый период (2009-2010 гг.) общим трендом сезонной динамики подвижных и кислоторастворимых соединений марганца в подзолистой
почве под лесом и агродерново-подзолистой почве под пашней является увеличение их содержания в летний период. Общий тренд увеличения содержания
подвижных и кислоторастворимых соединений железа в почвах ключевых
участков отмечается в конце вегетационного периода.
4. Основное влияние на сезонную динамику подвижных и кислоторастворимых соединений марганца и железа в летний период оказывают гидротермические условия и трансформация органического вещества. ОВП повлиял
на изменение подвижных соединений железа в весенний период в иллювиальном горизонте почвы под лесом; кислотность почвы – в подстилке в осенний
период, в пахотном горизонте в весенний период.
5. Максимальные запасы подвижных и кислоторастворимых соединений
марганца в подзолистой почве под лесом приходятся на иллювиальный горизонт, в агродерново-подзолистой почве под пашней – на пахотный горизонт.
Запасы подвижных и кислоторастворимых соединений марганца в подзолистой
почве под лесом в слое 0-80 см составляют 0,39-1,96 т/га и 2,65-4,44 т/га, соответственно; в агродерново-подзолистой почве под пашней - 1,47-3,57 т/га и
14,2-33,2 т/га, соответственно.
6. Наибольшие запасы подвижных и кислоторастворимых соединений
железа в обеих исследованных подзолистых почвах под лесом и под пашней
приходятся на иллювиальный горизонт. Запасы подвижных и кислоторастворимых соединений железа в подзолистой почве под лесом в слое 0-80 см составляют 3,56-36,0 т/га и 109-229 т/га соответственно; в агродерновоподзолистой почве под пашней - 8,62-20,9 т/га и 197-291 т/га соответственно.
Работы, опубликованные по теме диссертации
1. Шихова Л.Н., Зубкова О.А., Русских Е.А., Корякина Е.В. Динамика
запасов углерода в почвенном ярусе лесной таежной экосистемы / Л.Н. Шихова, О.А. Зубкова, Е.А. Русских, Е.В. Корякина // Вестник Удмуртского ун-та.
Серия Биология. Науки о Земле. 2011. Вып. 4. С. 31-39.
2. Шихова Л.Н., Зубкова О.А. Изменение содержания подвижных соединений Mn в подзолистых почвах в течение вегетационного периода / Л.Н.
Шихова, О.А. Зубкова // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2012. № 2 (27).
С. 35-39.
3. Зубкова О.А., Корякина Е.В., Шихова Л.Н. Динамика содержания
лабильного органического вещества в подзолистых почвах разной степени антропогенной нагрузки / О.А. Зубкова, Е.В. Корякина, Л.Н. Шихова // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития. Сб. материалов
23
VII Всероссийской научно-практической конференции в 2 частях. Часть 2.
(г. Киров 1-2 декабря 2009г.). – Киров: ООО "Лобань", 2009. С.102-105.
4. Шихова Л.Н., Зубкова О.А. Марганец в дерново-подзолистых почвах
европейского северо-востока России / Л.Н. Шихова, О.А. Зубкова // Проблемы
региональной экологии в условиях устойчивого развития. Сб. материалов VI
Всероссийской научно-практической конференции с международным участием
в 2 частях. (г. Киров 25-27 ноября 2008г.). – Киров: Изд-во "О-Краткое", 2008.
5. Зубкова О.А., Русских Е.А. Динамика подвижных соединений ТМ в
подзолистых почвах с разной степенью антропогенной нагрузки / О.А. Зубкова,
Е.А. Русских // Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов. Сб.
материалов ХIV Докучаевских молодежных чтений (г. Санкт-Петербург, 1-4
марта 2011 г.). – Под редакцией Б.Ф. Апарина. – СПб.: Издательский дом С.Петербургского государственного университета, 2011. С. 29-30.
6. Зубкова О.А., Русских Е.А., Шихова Л.Н. Динамика содержания органического вещества в подзолистых почвах разной степени антропогенной
нагрузки / О.А. Зубкова, Е.А. Русских, Л.Н. Шихова // Науке нового века - знания молодых. Материалы Всероссийской научно-практической конференции
молодых ученых, аспирантов и соискателей посвященной 80-летию Вятской
ГСХА: Сборник научных трудов. В 3ч. Ч.1. Агрономические науки. – Киров:
Вятская ГСХА, 2010. С. 60-63.
7. Зубкова О.А., Русских Е.А., Шихова Л.Н. Динамика запасов подвижных форм свинца и железа в лесной почве / О.А. Зубкова, Е.А. Русских, Л.Н.
Шихова // Биодиагностика состояния природных и природно-техногенных систем. Сб. материалов X Всероссийской научно-практической конференции с
международным участием в 2 частях. Книга 2. (г. Киров, 4-5 декабря 2012 г.). –
Киров: ООО "Лобань", 2012. С. 80-82.
8. О.А. Зубкова, Е.А. Русских, Е.В. Корякина. Сезонная динамика запасов углерода в почвенном ярусе таежных экосистем / О.А. Зубкова, Е.А. Русских, Е.В. Корякина // Почва как природная биогеомембрана. Сб. материалов
ХV Докучаевских молодежных чтений (г. Санкт-Петербург, 1-3 марта 2012 г.).
– Под редакцией Б.Ф. Апарина. – СПб.: ВВМ, 2012. С. 121-123.
9. О.А. Зубкова, Е.А. Русских. Динамика подвижных соединений кадмия и марганца в пахотной почве / О.А. Зубкова, Е.А. Русских // Законы почвоведения: новые вызовы. Сб. материалов ХVI Докучаевских молодежных чтений
(г. Санкт-Петербург, 4-6 марта 2013 г.). – Под редакцией Б.Ф. Апарина. – СПб.:
Издательский дом С.-Петербургского государственного университета, 2013.
С. 53-54.
10. О.А. Зубкова, Л.Н. Шихова. Динамика подвижных форм железа в
лесной подзолистой почве в течение вегетационного периода / О.А. Зубкова,
Л.Н. Шихова // Инновационные технологии возделывания сельскохозяйственных культур в Нечерноземье. Сб. докл. Всероссийской научно-практической
конференции, посвященной 75-летию образования Владимирского НИИСХ
Россельхозакадемии в 2 т. Т.1 (Суздаль, 2-4 июля 2013 г.). – Под ред. В.В.
Окоркова, Л.И. Ильина. – Иваново: ПресСто, 2013. С. 216-220.
24
Подписано в печать 18.11.2013 г.
Формат 60х841/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 57
Отпечатано с оригинал-макета
Типография ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии
610007, г. Киров, ул. Ленина, 166-а