Введение к работе
Актуальность работы
В почвах и ландшафтах подзолистой зоны алюминий является одним из ти-поморфных элементов. К настоящему времени факторы, определяющие мобилизацию, миграцию и аккумуляцию алюминия относительно хорошо изучены для территорий с преобладанием подзолистых альфегумусовых почв. Для текстурно-дифференцированных почв подзолистой зоны (подзолистых, болотно-подзолистых) на суглинисто-глинистых отложениях в трудах А.А.Роде, В.О.Таргульяна, В.Д. Тонконогова и других исследователей экспериментально установлена значительная абсолютная потеря алюминия из элювиальных горизонтов и, вместе с тем, отмечается, что вопрос о зонах и формах аккумуляции алюминия, вынесенного из элювиальной толщи, пока остается неясным. Несмотря на большой фактический материал, до сих пор не существует четких представлений о том, какие конкретно подвижные соединения алюминия присутствуют в суглинистых почвах подзолистой зоны, что существенно затрудняет интерпретацию процессов, происходящих в этих почвах с участием алюминия. Недостаточно исследованным остается вопрос о формах и масштабах миграции А1 в геохимически сопряженных элементарных ландшафтах подзолистой зоны.
И.С.Кауричевым показано, что в суглинистых подзолистых и болотно-подзолистых почвах алюминий в растворе представлен алюмо-органическими комплексами, но в литературе практически отсутствуют сведения о том, какие соединения в твердой фазе являются источником этого элемента в растворе. Не изучена роль процесса хлоритизации в иммобилизации соединений алюминия в суглинистых подзолистых и болотно-подзолистых почвах. Мало известно о буферной роли в отношении протона подвижных соединений алюминия, как в твердой фазе, так и в почвенных растворах и о скоростях и динамике растворения подвижных соединений этого элемента в условиях кислой среды. Последний аспект непосредственно связан с проблемой токсичности определенных соединений А1 в условиях кислой среды в отношении наземной и аквабиоты.
В данной работе сделана попытка ответить на эти недостаточно изученные вопросы, чрезвычайно важные, как для решения генетических проблем почвоведения, так и для прогноза возможности образования при техногенном воздействии на экосистемы соединений А1 в формах и концентрациях, токсичных для биоты.
Сказанное определяет актуальность исследований.
Цель исследования
Цель исследования заключалась в установлении закономерностей мобилизации, миграции и аккумуляции соединений алюминия в почвах и других компонентах ландшафта ненарушенных (фоновых) территорий южной тайги и в оценке буферной роли соединений алюминия в отношении протонной нагрузки. Основные задачи исследования:
-
идентифицировать соединения, в составе которых подвижный алюминий присутствует в твердой фазе почв и оценить содержание и запасы подвижных соединений алюминия в почвах разных экосистем и геохимически сопряженных элементарных ландшафтов южной тайги;
-
выявить реакции и условия, при которых подвижный алюминий переходит в раствор и иммобилизуется из раствора в различных горизонтах почвенных профилей и в почвах геохимически сопряженных элементарных ландшафтов;
-
выяснить происхождение почвенных хлоритов в составе тонких фракций элювиальных горизонтов подзолистой и торфянисто-подзолисто-глееватой почв, разработать критерии степени хлоритизации и степени полимеризации аквагидрок-сокомплексов алюминия в межпакетных промежутках почвенных хлоритов, оценить роль процесса хлоритизации в миграции алюминия в профиле подзолистых и болотно-подзолистых почв;
-
определить фракционный анализ состав соединений алюминия в почвенных растворах и поверхностных водах, оценить количество алюминия в составе жидкой фазы почвы на момент отбора проб и провести сравнительный анализ концентрации и количества алюминия в почвенных растворах с концентрацией алюминия в поверхностных водах различных экосистем;
-
на основании анализа данных по концентрациям А1 в почвенных растворах и поверхностных водах ориентировочно оценить ежегодный вынос алюминия из подзолистых и болотно-подзолистых почв;
-
изучить динамику перехода алюминия из подвижных соединений в составе твердой фазы почв в раствор кислоты и оценить буферную роль соединений алюминия в составе твердой фазы и почвенного раствора в отношении протона. Научная новизна
Впервые для суглинистых почв в геохимически сопряженных элементарных ландшафтах ненарушенных (фоновых) территорий южно-таежной подзоны проведена идентификация подвижных соединений алюминия с использованием системы современных методологических подходов. Эта система включает: изучение под-
вижных соединений А1 методом селективного растворения, создание термодинамических равновесий, исследование динамики растворения соединений А1 в кислоте, фракционирование соединений А1 в почвенном растворе, сравнительный анализ концентрации и количества алюминия в почвенных растворах и поверхностных водах.
Впервые определен запас подвижных соединений А1 в преобладающих компонентах почвенного покрова ненарушенных (фоновых) территорий южной тайги и выявлены основные закономерности их пространственного распределения в профилях различных почв и в геохимически сопряженных элементарных ландшафтах.
Показано, что аллювиальные дерново-глееватые почвы поймы ручья являются зоной существенной аккумуляции подвижных соединений А1.
Впервые предложено разделять понятия «степень хлоритизации» и «степень полимеризации» аквагидроксокомплексов алюминия в межпакетных промежутках почвенных хлоритов и разработаны численные критерии для оценки этих показателей.
Впервые дана оценка роли процесса иммобилизации алюминия в горизонте Е подзолистых и болотно-подзолистых почв при образовании почвенных хлоритов.
Выявлены основные закономерности формирования фракционного состава соединений алюминия в почвенных растворах почв разной степени гидроморфизма. Впервые для суглинистых подзолистых почв показана принципиальная возможность миграции алюминия в составе алюмокремниевых соединений в почвенном растворе. На основании анализа данных по концентрациям А1 в почвенных растворах и в поверхностных водах сделаны ориентировочные расчеты ежегодного выноса алюминия из подзолистых и болотно-подзолистых почв.
Впервые для суглинистых подзолистых почв изучена динамика растворения подвижных соединений А1 в кислоте и дана оценка буферной роли этих соединений в отношении протона. Практическая значимость
Полученные результаты могут быть использованы при разработке вопросов генезиса и классификации почв, занимающих разные позиции в геохимически сопряженных элементарных ландшафтах и при анализе элементарных почвообразовательных процессов в широко распространенных почвах фоновых территорий южно-таежной подзоны.
Данные о факторах, определяющих миграцию и аккумуляцию А1 в форме алюмоорганических соединений, необходимы для получения полной и объектив-
ной информации о цикле углерода в условиях ненарушенных территорий южнотаежной подзоны.
Полученные данные, могут быть успешно использованы при составлении прогнозных моделей и оценке риска появления соединений алюминия в токсичных формах и концентрациях в почвенных растворах и поверхностных водах при возможном антропогенном воздействии.
Результаты работы могут быть использованы в лекционных курсах и практических занятиях по химии почв и биогеохимии. Основные защищаемые положения
-
В составе твердой фазы почв ненарушенных территорий южной тайги подвижный алюминий представлен группами соединений: алюмоорганическими комплексами, прослойками гидроксида алюминия в составе почвенных хлоритов и алю-мокремниевыми соединениями, близкими к протоимоголиту.
-
В контрастных по водному режиму и составу растительности экосистемах алюминий характеризуется разной подвижностью, различными масштабами выноса и разными формами миграции. В почвенных растворах и ручьях экосистем с преобладанием торфянисто-подзолисто-глееватых почв существенным компонентом являются токсичные мономерные соединения алюминия, а в экосистемах с преимущественным распространением подзолистых почв практически весь алюминий находится в комплексах с органическим веществом или в виде алюмокремниевых соединений.
-
Подвижные соединения алюминия в твердой фазе почвы и соединения алюминия в почвенном растворе являются существенным источником буферности в отношении протона в торфянисто-подзолисто-глееватой и в подзолистой почвах ненарушенных территорий южной тайги.
4. Почвенные хлориты в элювиальных горизонтах торфянисто-подзолисто-
глееватой и подзолистой почв образованы аградационным путем в процессе совре
менного почвообразования, и их формирование в пределах подзолистых горизон
тов является одной из основных причин резкого снижения концентрации алюминия
в почвенном растворе при переходе от органоминеральных горизонтов к горизон
там Е.
Обосновано разделение понятий степени хлоритизации и степени полимеризации аквагидроксокомплексов алюминия в межпакетных пространствах трехслойных алюмосиликатов и предложены численные критерии их оценки.
5. Значительная часть алюминия, мобилизованного в почвенный раствор из минеральной части почвы и из алюмоорганических соединений, не выносится в глубинные слои, а перераспределяется в профиле почв и в ландшафте. Выявлены зоны аккумуляции подвижных соединений алюминия: подзолистый горизонт подзолистых почв трансэлювиальных элементарных ландшафтов, гумусово-аккумулятивный горизонт аллювиальных дерново-глееватых почв трансаккумулятивных элементарных ландшафтов и донные отложения ручьев. Апробация работы
Материалы, вошедшие в диссертацию были доложены на II (Санкт-Петербург, 1996) и III съездах Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000), на Международной конференции «Глины и глинистые минералы» (Пущино, 2006), на рабочих совещаниях по проекту INCO «Impacts and risks from anthropogenic disturbances on soils, carbon dynamics and vegetation in podzolic ecosystems» (Бангор (Великобритания), 2006; Турин (Италия), 2008), на Международной конференции «Clays, Clay Minerals and Layered Materials» (Звенигород, 2009), на V Международной конференции «Эволюция почвенного покрова: история идей и методы, голо-ценовая эволюция, прогнозы» (Пущино, 2009), на Ломоносовских чтениях МГУ имени М.В.Ломоносова (Москва, 2010), на заседании кафедры химии почв (2010). Личный вклад автора в работу
Диссертационная работа является результатом исследований автора за период с 1995 по 2010 гг. Автору принадлежит постановка проблемы, целей и задач исследования, планирование и проведение полевых и лабораторных экспериментов, обработка данных, интерпретация и обобщение полученных результатов. Публикации
По теме диссертации опубликованы 42 работы, в том числе 1 монография, 3 учебных пособия, 26 работ в изданиях, соответствующих списку ВАК, 6 статей в сборниках и материалах конференций, 6 тезисов докладов на Международных и Всероссийских конференциях. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 10 глав, выводов, изложена на 385 страницах компьютерного текста, включает список литературы из 359 наименований, в том числе 227 на иностранных языках, 47 рисунков, 59 таблиц и приложения. Благодарности
Автор благодарен директору ЦЛГПБЗ Н.А.Потемкину, зам. директора по научной работе А.С.Желтухину, с.н.с. В.И.Желтухиной и в.н.с. Е.С.Шапошникову за
всестороннюю помощь в организации полевых исследований, возможность пользоваться архивными материалами, доброжелательное отношение и интерес к нашей работе.
Автор выражает благодарность своим учителям, коллегам и друзьям С.Я.Трофимову, Л.А.Воробьевой, Г.В.Мотузовой, Е.И.Горшковой, М.Л.Сиземской, М.К.Сапанову, К.А.Меняйло, Е.И.Каравановой, А.Б.Умаровой, А.В.Кирюшину, Н.Ю.Барсовой, А.А.Степанову за помощь, поддержку, консультации и ценные советы. Автор благодарен Д.В.Ладонину и О.В.Пляскиной, за предоставленную возможность и помощь при работе в Химико-аналитическом центре факультета почвоведения МГУ. Автор выражает благодарность студентам и аспирантам кафедры химии почв Ю.Г. Максимовой, Н.Н. Маряхиной, И.В. Ишковой, Е.С. Русаковой, И.П. Макарычеву и В.А.Гроховскому за помощь во время летних полевых работ в ЦЛГПБЗ.
Автор глубоко признателен своему другу и учителю Татьяне Алексеевне Соколовой за науку, постоянную искреннюю поддержку и участие, возможность всестороннего обсуждения идей и результатов исследования, ценные советы и критические замечания.
