Введение к работе
Актуальность исследований. Среди множества элементов, принимающих участие в почвенно-геохимических процессах, калию принадлежит особая роль. Во-первых, его поведение в почвах адекватно отражает как динамические, так и статические изменения в условиях почвообразования и направленности трансформационных преобразований почвы, в том числе, и тех, которые вызваны антропогенной деятельностью, например, загрязнением почвы нефтью. Во-вторых, калий - активный участник всех почвенно-биологических процессов, поэтому его поведение в почвах в значительной степени определяет качество и уровень состояния экосистем. Вот почему калий, несмотря на широкое распространение калийсодержащих минералов в почвах и высокий кларк в литосфере, относится к тем элементам, которые всегда были в поле внимания теоретиков и практиков. В современном почвоведении и агрохимии важнейшей проблемой при изучении калийного состояния почв считается понимание механизмов его сорбции - десорбции - фиксации. Эти явления всегда рассматривались как с теоретических позиций - в аспекте геохимических превращений калия, так и с практических - в аспекте выявления особенностей калийного режима почв.
Несмотря на имеющиеся публикации, раскрывающие некоторые
аспекты поведения калия в различных типах почв, в настоящее время нет
достаточной информации о роли минералогического состава почв и связи
трансформаций калийсодержащих минералов с интенсивностью и
направленностью почвообразовательных процессов, а также полного
представления о калийном состоянии почв, рассматриваемом как следствие
функционирования совокупности калийсодержащих компонентов. Мало
исчерпывающих данных о закономерностях внутрипрофильного
распределения калия и его форм в зависимости от экологических условий,
типа почвообразования, минералогического, гранулометрического,
химического состава и свойств почв. Не в полной мере выявлена природа
разнокачественности почвообразующих пород и важнейших почвенных
процессов в формировании калийного состояния зональных и
интразональных почв, его внутрипрофильной и пространственной
дифференциации. Явно не достаточно исследованы геохимические аспекты
поведения калия (формодифференцирующие, профиле- и
ландшафтнодифференцирующие процессы). Слабо оценено калийное состояние почв Западной Сибири с позиций химической термодинамики.
Важнейший теоретический и практический интерес в плане понимания поведения калия в почвах представляют и вопросы зависимости динамики калийного состояния почв от меняющихся почвенных режимов. В частности, остаются неясными аспекты поведения калия, определяемые чередованием процессов иссушения - увлажнения почв и их промерзанием. Эта сторона проблемы особенно актуальна для почв земледельческой зоны Сибири,
контрастность погодных условий и континентальность климата которой общеизвестны.
Цель и задачи исследований. Целью работы является выявление механизмов функционирования калийных систем почв, процессов трансформации и дифференциации этих систем и факторов, их контролирующих. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучить минералогический состав крупных и тонких фракций почв с целью выявления его роли в формировании калийного состояния почв;
провести оценку экстенсивных параметров калийного состояния почв и процессов трансформации форм калия при выветривании и почвообразовании;
определить калийдифференцирующую значимость степени дисперсности гранулометрических фракций в формировании калийного статуса почв;
выявить трансформирующие, профиле- и
ландшафтнодифференцирующие процессы, определяющие поведение калия в почвах;
рассмотреть и оценить калийное состояние почв с позиций химической термодинамики и провести экспериментальное изучение влияния гидротермических условий на термодинамические показатели;
оценить возможности технологического воздействия на калийное состояние почв посредством применения удобрений и почвоулучшителей;
выявить особенности трансформации калийного состояния в нефтезагрязненных почвах и оценить способность калийсодержащих компонентов сохранять структурно-функциональную организацию при техногенном воздействии.
Научная новизна. Проведено многоуровневое и многоплановое исследование калийного состояния наиболее распространенных почв бореального и суббореального пояса Западно-Сибирской равнины.
Показано, что центральным блоком калийной системы почв являются калийсодержащие минералы. Их роль в формировании калийного состояния почв определяется кристаллохимическими особенностями, содержанием и степенью дисперсности.
Теоретически и экспериментально обосновано, что калийное состояние является результатом функционирования совокупности калийсодержащих компонентов (калийной системы), характер которой определяется генетическими, геохимическими, физико-химическими особенностями почвы. Калийное состояние почв - есть результат трансформационных преобразований калийсодержащих компонентов почвы, объединенных причинно-следственными связями в единую калийную систему.
Установлено, что природа каждой формы калия индивидуальна: валовой и негидролизуемый калий определяются генезисом
почвообразующей породы, степенью выветрелости, способом отложения; необменный (гидролизуемый 2н НС1) калий и тем более его обменные формы - генетическими особенностями почвы, интенсивностью и направленностью почвообразовательных процессов, гранулометрическим составом.
Впервые на примере почв Западно-Сибирской равнины изучены
особенности географического, внутриландщафтного и внутрипрофильного
распределения основных показателей калийного состояния почв. Выявлены
формотрансформирующие, профиледифференцирующие и
ландшафтнодифференцирущие процессы, определяющие калийное состояние различных типов почв.
Применительно к определенным геохимическим условиям и соответствующим им группам почв показаны темпы и направленность трансформационных изменений основных параметров калийного состояния (содержание валового калия и его форм, термодинамических показателей, калийфиксирующей способности), с учетом которых дана оценка современного калийного состояния, характер и прогноз поведения калия под влиянием агрогенных и техногенных факторов. Впервые экспериментально исследована и оценена специфичность влияния техногенного фактора (нефти) на трансформацию форм калия в почвах нефтегазоносных районов Западной Сибири. Выявлена роль углеводородов нефтяного происхождения в блокировании ионообменных позиций почвенного поглощающего комплекса и в изменении, следовательно, характера протекания процессов сорбции -десорбции калия.
Защищаемые положения. 1. Калийное состояние почв есть отражение многоуровневого процесса трансформации калийсодержащих компонентов и может рассматриваться как совокупность последовательных реакций между формами почвенного калия, интенсивность протекания которых определяется кристаллохимическими особенностями калийсодержащих минералов, химическими и физико-химическими параметрами почв.
2. Калийное состояние почв определяется соотношением
формотрансформирующих, профиле- и ландшафтнодифференцирующих
почвообразовательных процессов. Ведущими факторами, контролирующими
характер протекания этих процессов при бореальном и суббореальном
почвообразовании, выступают биоклиматические условия зоны и набор
элементарных почвообразовательных процессов.
3. Возможности антропогенного воздействия на калийное состояние
почв ограничены устойчивостью функционирования калийной системы,
поскольку хозяйственная деятельность приводит лишь к появлению
временных диспропорций в блоках этой системы: в одних случаях
диспропорции способствуют улучшению режима калийного питания
растений (внесение удобрений и почвоулучшителей), в других - к его
ухудшению (загрязнение нефтью).
Теоретическая и практическая значимость. Изучение совокупности калийсодержащих компонентов почвы, которые связаны между собой причинно-следственными отношениями, но функционирующими по своим законам, позволяют сформулировать представления о калийной системе. Интегральным следствием функционирования такой системы является калийное состояние почвы, параметры которого измеряются количеством той или иной формы калия. Такое представление о калийной системе почв и их калийном состоянии раскрывает перспективы для разработки теории прогнозирования калийного состояния почв при тех или иных антропогенных воздействиях, в том числе, и при их загрязнении, например, нефтью.
Установленные пространственно-географические закономерности природы разнокачественности калийного состояния различных типов почв Западной Сибири дают возможность реализации дифференцированного подхода к обоснованию масштабов применения калийных удобрений и различных видов почвоулучшителей. Приведенная комплексная оценка калийного состояния почв на основе экстенсивных и термодинамических показателей, а также буферных свойств почв по отношению к калию, может быть использована в качестве одного из критериев обоснования ландшафтно-адаптивной системы земледелия. Результаты сопряженных исследований по изучению калийного режима фоновых и загрязненных почв месторождений углеводородного сырья могут быть полезными в целях диагностики степени нефтяного загрязнения, при проведении почвенно-экологического мониторинга и рекультивации нефтезагрязненных почв.
Результаты исследований по использованию органических удобрений внедрены в сельскохозяйственное производство (Информационный листок. Томский ЦНТИ: № 15 - 83; № 92 - 87; № 15 - 87; № 104- 87). Основные теоретические положения работы, касающиеся представлений о калийных системах почв, процессах их трансформации и калийного состояния в целом,. используются в учебном процессе при чтении курса лекций по химии почв, биогеохимии, агрохимии в Томском государственном университете.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликована 91 работа, в том числе 5 монографий и 3 учебных и учебно-методических пособия. Результаты исследований докладывались на Международных научных конференциях: по проблемам антропогенного почвообразования (Москва, 1997), охране окружающей среды и геоэкологическим проблемам почвоведения Сибири (Томск, 1999; 2000; 2001; 2002), на VII и VIII съездах Всесоюзного общества почвоведов (Ташкент, 1985; Новосибирск, 1989), III съезде Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000), на Всесоюзных симпозиумах, научных конференциях и совещаниях по проблемам мелиорации, использования и охраны почв нечерноземной зоны и почв речных долин и дельт (Москва, 1980; 1984), биологическим проблемам Севера (Магадан, 1983; Якутск, 1986), агропочвоведению и плодородию почв (Ленинград, 1983; 1986), биологии почв антропогенных ландшафтов
(Днепропетровск, 1991), по изучению почв и почвенного покрова Сибири (Новосибирск, 1977), на Сибирском семинаре по калию (Новосибирск, 1984), а также научных и научно-практических конференциях по экологии, охране почв (Барнаул, 1983; Томск, 1990; 1991; Абакан, 1992) и математическим методам в почвоведении (Барнаул, 1992). Кроме того, материалы представлены на зарубежных Международных конгрессах и конференциях по проблемам окружающей среды (Cambridge, 1997; Amsterdam, 1997), загрязнению окружающей среды, токсикологии и здоровью (Hong Kong, 1998; Edinburgh, 1998; Montpellier, 1998; Pensacola, 1999, 2000; Brussels, 2000), загрязненным почвам (Leipzig, 2000).
Вклад автора в разработку проблемы. Автору принадлежит постановка проблемы, разработка программы исследований калийного состояния почв и ей реализация на всех этапах работы: в полевых и лабораторных исследованиях, постановке модельных экспериментов, обработке и обобщении информации.
Диссертационная работа выполнена в рамках программы по изучению плодородия почв Западной Сибири. Исследования проведены при частичной финансовой поддержке по проекту «Разработка комплексной программы охраны окружающей среды нефтегазодобывающего региона» (1982-1987), а также при выполнении проекта Министерства образования РФ «Трансформация свойств почв под влиянием нефти» программы «Университеты России» (1992-1995).
Автор благодарен за постоянное внимание к работе и неоценимую помощь своим учителям - доктору биологических наук, профессору Т.П. Славниной, доктору биологических наук, профессору М.Г. Танзыбаеву, всем сотрудникам кафедры почвоведения и экологии почв Томского государственного университета и лаборатории генезиса и бонитировки почв научно-исследовательского института биологии и биофизики при ТГУ. Кроме того, автор благодарен Н.А. Шабуровой и В.Д. Перфильевой за помощь в постановке и проведении полевых опытов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, 23 приложений, изложена на 396 страницах машинописного текста, включая 30 рисунков и 82 таблицы. Список литературы насчитывает 420 наименований, в том числе 53 иностранных.
