авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Физические свойства рекультивационных почвенных конструкций с дифференцированными по гранулометрическому составу слоями

На правах рукописи

Соколова Ирина Владимировна ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕКУЛЬТИВАЦИОННЫХ ПОЧВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫМИ ПО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОМУ СОСТАВУ СЛОЯМИ 06.01.03 – агропочвоведение, агрофизика 03.00.27 – почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

г. Москва 2009 г.

Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор Шеин Е.В.

доктор биологических наук, профессор Щеглов Д.И.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук Мазиров М.А.

кандидат биологических наук Басевич В.Ф.

Ведущее учреждение: Владимирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства

Защита диссертации состоится «14» апреля 2009г. в 15 ч 30 мин в аудитории М-2 на заседании Диссертационного совета Д 501.002.13 при МГУ имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, д.1, стр.12, факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета Почвоведения МГУ.

Автореферат разослан «_» марта 2009г.

Приглашаем вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании Диссертационного совета или прислать отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, по адресу: 119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, Ученый Совет, также по факсу (495) 9393684 и на e-mail: grabus@list.ru

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор биологических наук, профессор Зенова Г.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В условиях современного дефицита земельных ресурсов проблема рекультивации почв и создания техногенных культурных ландшафтов является весьма актуальной (Моторина, 1970;

Етеревская, 1977, 1989;

Бурыкин, 1989;

Андроханов, 2000;

Добровольский и др., 2002;

Шеин, Карпачевский, 2007;

Vepraskas et al, 2006 и др.). Однако при создании различных почвенных конструкций часто не учитываются возможные отдаленные последствия, которые могут возникнуть в связи с особенностями климата, литологии, гидрологии и пр. В результате функционирования конструкций происходят существенные изменения физических свойств и процессов, протекающих в рекультивационном корнеобитаемом слое, и возникает ряд проблем, связанных с дальнейшей эволюцией таких конструкций. В связи с этим возникает актуальная необходимость изучения свойств и процессов в рекультивационных почвенных конструкциях, анализа их современного состояния и прогноза их эволюции с учетом целевого назначения почвенной конструкции и особенностей конкретных условий.

Цель исследования: изучение физических свойств и процессов в рекультивационных почвенных конструкциях с дифференцированными по гранулометрическому составу слоями.

Задачи:

1. Изучить физические свойства слоистых рекультивационных почвенных конструкций по профилю и в масштабе почвенных педов.

2. Выявить основные почвенные процессы, протекающие в слоистых рекультивационных почвенных конструкциях при рекультивации техногенных ландшафтов.

3. Изучить особенности гидрологического режима слоистых почвенных конструкций.

4. Выявить возможные причины изменений структурного состояния черноземов, используемых в почвенных конструкциях в качестве почвенного плодородного слоя.

Научная новизна. Впервые экспериментально выявлены особенности современного водного режима почвенной конструкции с дифференцированными по гранулометрическому составу слоями и показана роль и гидрологическое значение почвенно-гранулометрической границы между слоями конструкции. Показано значение преимущественных потоков в формировании водного режима конструкции и особенности трансформации свойств чернозема, используемого в конструкции в качестве плодородного слоя. Предложена гипотетическая комплексная биогидрофизическая схема трансформации структуры и функционирования технозема в районе КМА.

Практическая значимость. Экспериментально показана возможность и направление трансформации физических свойств черноземного слоя почвенной конструкции.

Указана практическая значимость предсказания особенностей водного режима почвенных конструкций, который является основой для быстрого и необратимого изменения физических свойств почвенной конструкции. Научно обоснована необходимость изучения, методы оценки и предсказания существования преимущественных потоков влаги, наличия локальных временных периодов анаэробиоза на границах слоев, являющихся причиной трансформации структуры черноземов при функционировании почвенной конструкции.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на IX Молодежных Докучаевских чтениях "Почвы России. Проблемы. Решения" (Санкт Петербург, 2006);

на конференции молодых ученых “Ломоносов - 2006” (Москва, 2006);

на Всероссийской конференции «Черноземы России: экологическое состояние и современные почвенные процессы» (Воронеж, 2006), на X Молодежных Докучаевских чтениях (Санкт-Петербург, 2007);

на Всероссийской научной конференции «Пространственно-временная организация почвенного покрова:

теоретические и прикладные аспекты» (Санкт-Петербург, 2007), на международной конференции “Eurosoil 2008” (Вена, Австрия, 2008) и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ. В том числе 1 работа в издании, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 27 рисунков. Состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы из 160 наименований, в том числе 35 на иностранных языках, приложений.

Автор выражает глубокую благодарность д.б.н. А.Б. Умаровой, д.б.н. Е.Ю.

Милановскому, всем сотрудникам кафедры физики и мелиорации почв, а также профессору кафедры агрохимии ф-та почвоведения МГУ д.б.н. Н.В. Верховцевой и профессору кафедры биологии почв ф-та почвоведения МГУ д.б.н. Л.М. Полянской за оказание помощи в проведении экспериментов, ценные советы, консультации и внимание, проявленное к данной работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. Состояние проблемы Современные технологии добычи полезных ископаемых открытым способом предусматривают предварительное снятие и хранение плодородного слоя «почвы донора», который используется для рекультивации нарушенных территорий. На первом, горно-техническом этапе рекультивации снимаются гумусово аккумулятивные горизонты целинных, залежных и пахотных почв и хранятся в течение 3-5 лет, а иногда и 10-25 лет в буртах или гумусовых складах. В дальнейшем на спланированные участки отсыпают плодородный слой мощностью от 20 до 50 см.

На втором, биологическом этапе рекультивации проводятся фитомелиорации.

Продолжительность мелиоративного периода зависит от климатических и эдафических условий рекультивируемого участка. Главными культурами освоителями являются бобовые и злаковые травы (Етеревская, 1989;

Бурыкин, 1992;

Курачев, 1993;

Андроханов, 2000 и др.).

Такие искусственные конструкции получили название техноземов, впервые описанных Л.В. Етеревской в качестве почвоподобных образований с насыпным гумусовым горизонтом. В дальнейшем исследователями были даны разные опре деления термину «технозем» (Солнцева с соавт., 1990;

Гаджиев, Курачев, 1992 и др.) Используя в работе термин технозем, автор опирается на определение, данное М.И.

Герасимовой с соавторами: «техноземы - искусственные почвоподобные тела, состоящие из одного или нескольких насыпных слоев природного или техногенного грунта с поверхностным плодородным слоем» (Герасимова с соавт. «Антропогенные почвы (генезис, география, рекультивация)», 2003, стр. 127). Особенностью техноземов является то, что насыпные слои в них генетически не связаны друг с другом. На облик и развитие техноземов оказывают влияние химико минералогический состав и сложение пород, а также свойства гумусированного слоя почвы-донора.

Сконструированный профиль технозема часто оказывается многочленным по гранулометрическому составу. Физические и водно-физические свойства гумусового горизонта почвы-донора и насыпных слоев техноземов характеризуются большой вариабельностью. Последние отличаются более высокой плотностью и напряженным водным режимом, наличием специфической техногенной структуры, отчасти сохраняющей свои признаки даже по прошествии времени (Андроханов, Курачев, 2004;

Jorgensen, 1988). Само строение толщи технозема как комбинации слоев, резко различающихся по гранулометрическому составу и сложению, приводит к образованию слоя подвешенной влаги или верховодки, усложняющего водный режим техноземов. Многие авторы отмечают, что существование слоев в почве является одной из причин неравномерности фронта увлажнения, формирования специфических преимущественных путей движения влаги (Дмитриев, 1975, 1985;

Умарова, 2003, 2008;

Hillel, 1988 и др.). Одним из важнейших проявлений переноса влаги и веществ преимущественными потоками является высокая скорость миграции, которая происходит по макропорам и трещинам почвы (Дмитриев, 1985;

Умарова, 2005, 2008;

Шеин, 1995, 2005;

Затинацкий, Хитров и др., 2007;

Bouma, 2006 и др.).

Анализ литературных источников показал, что основной упор делается на определение и поддержания таких факторов плодородия наносного слоя, как содержание органического вещества, его фракционный состав, содержание питательных элементов, необходимых для развития растений, в то время как изучению физических свойств, режимов техноземов и процессов, протекающих в них, в определенных ландшафтных условиях уделяется заметно меньшее внимание.

ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования Объекты исследования Объектом исследования стала почвенная конструкция, сформированная при рекультивации гидроотвала в балке «Березовый лог» Лебединского железорудного карьера Курской магнитной аномалии (КМА, Губкинский р-н, Белгородская обл.).

Конструкция представляет собой 55-60-см черноземный слой (в прошлом гумусовый горизонт чернозема типичного), нанесенный с помощью сухой отсыпки на спланированную поверхность отвала. Окончательное формирование данной конструкции было завершено в 1986 г., и последние 20 лет она находилась в сельскохозяйственном использовании. По Классификации почв России (1997) такие почвоподобные тела объединены в подгруппу реплантоземы в группе квазиземов.

Однако в работе будет использоваться термин технозем, как более распространенный в литературе.

Исследовались два варианта технозема КМА:

1) 60-см черноземный слой, нанесенный на мощный слой песчано-меловой смеси (разрез Г1);

2) 55-см черноземный слой на карбонатном лессовидном суглинке (разрез Г2).

Морфологическое изучение насыпного слоя технозема КМА выявило наличие структуры, сильно отличающейся от классической черноземной зернистой структуры, характерной для почвы, которая была использована в качестве отсыпки: с глубины см, появляются плотные педы с выраженными гранями и ребрами. С глубиной их количество и размер возрастают и в нижней части черноземного слоя (глубина 40- см) структура представляет собой крупные (до 20-40 мм), плотные, хорошо ограненные педы, поверхность которых местами покрыта бурой пленкой. Эти педы складываются в столбчатую структуру (подобие призмы), по граням которой протягиваются корни растений. Выраженность столбчатой структуры также нарастает с глубиной. При этом содержание обменного иона Na в слое 50-60 см разреза Г составляет всего 0.17 мг-экв/100г почвы (0.5% от ЕКО) Методы исследования Результаты полевых исследований, агрегатного анализа и плотности твердой фазы были получены общепринятыми методами (Вадюнина, Корчагина, 1986):

плотность почвы буровым методом, плотность твердой фазы пикнометрически, структурный анализ по Н.И. Саввинову. Результаты гранулометрического анализа были получены с помощью лазерно-дифрактометрического метода (на приборе Analysette22 NanoTec) после предварительной диспергации образцов 4%-ным Na4P2O и ультразвуком. Содержание углерода определялось на экспресс-анализаторе АН 7529. Элементный состав бурых пленок на поверхности почвенных педов определялся с помощью метода лазерного спектрального анализа. Измерения проводились в 5-7 повторностях, при этом площадь исследования этим методом составляла около 1 мкм2.

Для выявления преимущественных путей фильтрации влаги в почве в полевых условиях был применен метод крахмальной метки (Дмитриев, 1971;

Умарова, 2008).

На поверхность почвы устанавливали рамы диаметром 16 см, в которые подавался 2% раствора крахмала. Эксперименты были проведены в двух вариантах. В первом случае для выявления основных путей передвижения влаги в почве сначала в раму подавалась вода (около 5 л на раму), а затем раствор крахмала. Во втором варианте крахмал подавался без предварительной фильтрации воды, что позволило выявить картину начального этапа формирования водных потоков в исследуемом техноземе.

Через некоторое время после окончания впитывания почва снималась послойно (с шагом 5-10 см), на горизонтальных площадках отмечались пути фильтрации воды по появлению синих пятен окрашивания при увлажнении поверхности йодной водой.

Морфология срезов и расположение зон обнаружения крахмальной метки фиксировались с помощью цифрового фотоаппарата и для контроля зарисовывались на полиэтиленовую пленку. В дальнейшем фотографии обрабатывались в графическом редакторе Photoshop.

Для характеристики структуры порового пространства в насыпном слое почвенной конструкции в лабораторных условиях были получены выходные кривые ионов (Шеин и др.,2001). Фильтрационный эксперимент проводился на насыпных образцах (разрезы Г1 и Г2) и на монолитах (разрез Г2). После завершения фильтрационного эксперимента почвенные колонки разбирались на пять слоев, каждый из которых был поделен на три сектора. Были определены влажность и содержание иона калия в водной вытяжке почвенных образцов из каждого сектора.

Для оценки и прогноза водного режима техноземов использовалась математическая прогнозная модель HYDRUS 1D. В качестве экспериментального обеспечения модели были использованы определенные в полевых и лабораторных условиях для отдельных слоев каждого объекта: коэффициенты впитывания, приближающиеся к коэффициентам фильтрации, полученные путем аппроксимации данных о водопроницаемости почвы по уравнению Хортона (Шеин, Карпачевский и др., 2007) и параметры уравнения Ван Генухтена, полученные аппроксимацией основной гидрофизической характеристики с помощью программы RETC. ОГХ определяли методом центрифугирования и методом десорбции влаги над насыщенными растворами солей (Шеин и др., 2001) Адаптация модели проводилась по результатам полевого опыта с заливом экспериментальной площадки, исследованиями послойных динамик давления почвенной влаги с помощью тензиометров и температуры почвы с помощью программируемых термодатчиков, позволивших следить за скоростью и характером проникновения влаги вниз по профилю.

Исследование состава микробного сообщества насыпного слоя проводилось с помощью метода ГХ-МС (газо-хроматографическое масс-спектрометрическое исследование) (Осипов, 1994;

Верховцева и др., 2002).

ГЛАВА 3. Результаты исследования и обсуждение К настоящему времени произошло существенное ухудшение структурного состояния подпахотного слоя и еще в большей степени нижележащих слоев. Полевые исследования показали, что по мере увеличения размеров почвенных педов и выраженности граней с глубиной, происходит увеличение плотности почвы в среднем с 0,9-1,2 г/см3 до 1,3-1,4 г/см3 и соответственное снижение порозности (табл.1).

В обоих вариантах почвенной конструкции отмечается резкое снижение коэффициента структурности вниз по профилю за счет увеличения содержания глыбистой фракции. Исследование водоустойчивости агрегатов показало, что в слое 0-10 см крупные фракции полностью разрушаются под воздействием воды, а в нижней части профиля структура проявляет излишне высокую водоустойчивость на фоне увеличения плотности почв. Причем, в варианте нанесения черноземного слоя на лессовидный суглинок описанные изменения выражены более ярко: содержание глыбистой фракции в нижней части профиля на 9% выше, чем в разрезе Г1 (табл.1), а сами педы отличаются большими размерами. Аналогичная ситуация с трансформацией структуры чернозема встречается и в естественных почвах при увеличении длительности периодов переувлажнения (Никифорова, Степанцова, 2003). Высокое содержание гумуса и глин смектитового типа в черноземах обусловливают их чрезвычайную чувствительность к увеличению увлажнения.

Столь значительные изменения в структуре, наличие межпедных трещин привело к формированию очень высокой водопроницаемости насыпного слоя, особенно, на глубине 40 см и ниже в конструкции на песке (табл.1). Более низкие значения коэффициента впитывания в варианте конструкции на суглинке (по сравнению с разрезом Г1) обусловлены отличающимися условиями по влажности и тяжелым механическим составом подстилающего слоя.

Аналитические исследования показали наличие щелочной среды в профиле разреза Г1, обусловленной, вероятно, свойствами подстилающей песчано-меловой смеси. Отмечено наличие незначительной дифференциации содержания органического и карбонатного углерода в техноземах как на протяжении всего насыпного слоя (табл.1), так и при раздельном рассмотрении поверхности и внутренней части педов (в разрезе Г1 содержание С орг/Скарб на поверхности педов 2.71-2.75/0.86-0.94%, в центральной части педов 2.64-2.68/0.91-0.98%).

Таблица 1. Физические и химические свойства исследованных техноземов Содержание фракций элементарных Водо почвенных частиц (%) Глубина, b, s, Квпит, уст.агр. Скарб, Сорг,, Кстр рНН2О Песок Пыль г/см3 г/см см см/мин 0.25мм, % % % Глина (0.05- (0.002 % (0.002мм) 0.05мм) 1мм) Разрез Г1(на песке) 0-10 1.04 2.62 60.4 0.72 1.8 60.4 4.37 75.26 20.37 8.73 0.69 2. 10-20 1.27 2.65 52.1 0.63 5.1 61.4 3.91 76.22 19.87 8.74 0.73 2. 20-30 1.28 2.67 52.1 0.44 3.0 71.4 3.03 76.78 20.19 8.75 0.77 2. 30-40 1.22 2.68 54.4 0.93 3.9 77.2 2.53 76.88 20.60 8.71 0.78 2. 40-50 1.35 2.68 49.6 1.80 1.0 84.8 2.44 76.61 20.95 8.57 0.63 2. 50-60 1.37 2.66 48.2 2.60 0.9 80.2 1.41 77.86 20.73 8.52 0.76 2. 60- 1.4 2.66 47.3 9.26 - - 96.61 2.86 0.53 9.17 3.57 0. (песок) Разрез Г2 (на суглинке) 0-10 0.89 2.61 66.0 0.55 3.0 61.2 7.80 72.00 20.20 6.72 0.73 3. 10-20 1.25 2.58 51.6 0.46 4.3 62.5 5.50 74.20 20.30 - 0.76 3. 20-30 1.27 2.57 50.6 0.28 2.4 74.0 2.80 76.50 20.70 7.18 0.65 2. 30-40 1.39 2.57 45.9 0.25 0.8 80.1 3.80 76.50 19.70 - 0.61 2. 45-55 1.37 2.58 47.0 0.22 0.7 82.3 2.10 78.10 19.80 7.47 0.80 2. 55- 1.38 2.62 47.3 0.01 - - 8.40 66.10 25.50 7.52 2.29 0. (суглинок) Примечание. b – плотность почвы, s –плотность твердой фазы почвы, - порозность почвы, Квпит – коэффициент впитывания, Кстр – коэффициент структурности, рассчитанный как отношение содержания агрономически ценных агрегатов (0.25-10 мм) к суммарному содержанию фракций 10 и 0.25мм, Скарб и Сорг – содержание карбонатного и органического углерода соответственно.

При этом отсутствует дифференциация гидрофобных и гидрофильных компонентов органического вещества (личное сообщение Е.Ю. Милановского).

Анализ гранулометрического состава для отдельных слоев показал достаточно однородное распределение фракций механических элементов в насыпном черноземном слое (табл.1). В то же время наблюдается четкая дифференциация гранулометрического состава по слоям 0-60см (насыпной слой) и 60-70см (песчаный слой) в конструкции на песке.

В конструкции на суглинке насыпной и подстилающий слой близки по гранулометрическому составу, однако слой лессовидного суглинка отличается более высоким содержанием глины.

Водный режим слоистых конструкций на территории отвалов КМА с резкими границами между слоями резко отличается от водного режима зональных автоморфных почв. Переувлажнение черноземов (даже кратковременное), циклы увлажнения-иссушения ведут к развитию процессов текстурной переорганизации почвенного профиля вплоть до развития слитизации. Наличие межпедных трещин обеспечивает быстрый проскок влаги к границе раздела слоев, где формируется слой подвешенной влаги (или верховодка, в зависимости от подстилающей породы) и временный анаэробиоз. В свою очередь, застой влаги, ее растекание по поверхности подстилающего слоя может обусловить изменение вещественного состава почвы, формирование педов, различающихся по свойствам их поверхности и внутренней части.

Это предположение подтверждается исследованиями гранулометрического и элементного состава поверхности почвенных педов с ржаво-охристыми образованиями и внутрипедной массы. Были отмечены различия в гранулометрическом составе поверхностной и внутренней частей педов конструкции на песке (табл. 2): поверхность педов имеет более легкий гранулометрический состав, что, по-видимому, связано с незначительным выносом тонких фракций с поверхности педов в результате чередования кратковременных периодов переувлажнения и дальнейшим «сбросом» влаги.

В варианте с конструкцией на суглинке таких закономерностей не отмечено, механический состав поверхности и внутренней части педов достаточно однороден.

Таблица 2 Гранулометрический состав внутренней части/поверхности педов в исследованных техноземах Содержание фракций элементарных почвенных частиц (%) Глубина, см Песок Пыль Глина (0.002мм) (0.05-1мм) (0.002-0.05мм) Разрез Г1(на песке) 20-30 0.00/2.13 79.54/81.50 20.46/16. 30-40 0.14/1.99 78.96/81.28 20.90/16. 40-50 0.24/1.38 78.75/82.41 21.01/16. 50-60 0.89/1.13 78.83/82.12 20.28/16. Разрез Г2 (на суглинке) 20-30 2.40/0.50 77.90/79.20 19.70/20. 30-40 2.00/1.90 77.70/78.60 20.30/19. 45-55 0.70/0.30 79.80/79.30 19.50/20. Морфологическое изучение и исследование элементного состава поверхности и внутренней части педов из слоя 50-60 см почвенной конструкции на песке (рис.1) показали, что бурая пленка на поверхности агрегатов является железистой, что может свидетельствовать о периодическом переувлажнении нижней части насыпного слоя данной конструкции.

а) б) Fe Рис.1 Элементный состав поверхности (а) и внутренней части педа (б), разрез Г1, слой 50-60см Определение содержания несиликатных и аморфных форм железа в почвенных конструкциях и расчет такого показателя, как коэффициент Швертмана (доля аморфного железа Feo от несиликатного Fed) позволило выявить ряд закономерностей (табл.3). Отсутствие элювиально-иллювиальной дифференциации профиля конструкции по содержанию железа и повышенное содержание свободного железа на поверхности педов относительно их внутренней части свидетельствуют об автохтонной природе происхождения ржаво-охристых кутан на поверхности структурных отдельностей.

В разрезе Г2 (на суглинке) наблюдается небольшое увеличение доли аморфного железа по мере приближения к границе насыпного и подстилающего слоев, что свидетельствует о более длительном (по сравнению с конструкцией на песке) периоде переувлажнения нижней части черноземного слоя. На поверхности педов имеет место увеличение доли аморфных соединений железа, свидетельствующее о том, что здесь процессы переувлажнения и окисления-восстановления железа на уровне почвенного педа протекают более интенсивно.

Таблица 3. Формы соединений железа в исследованных техноземах Fe, мг/100г Fe, мг/100г Глубина, Глубина, Feo/Fed Feo/Fed см см Feo* Fed** Feo Fed Разрез Г1 (на песке) Разрез Г2 (на суглинке) средний образец 0-10 538 1178 0.46 0-10 588 1241 0. 20-30 558 1218 0.46 20-30 596 1241 0. 40-50 528 1161 0.45 40-50 566 1127 0. 50-60 515 1144 0.45 50-55 572 1110 0. внутренняя часть педов 20-30 515 1070 0.48 20-30 532 1144 0. 40-50 487 1061 0.46 40-50 493 1144 0. 50-60 476 1052 0.45 50-55 510 1127 0. поверхность педов 20-30 670 1290 0.52 20-30 746 1304 0. 40-50 704 1281 0.55 40-50 708 1304 0. 50-60 710 1338 0.53 50-55 704 1247 0. Примечание: * Feo – железо, извлекаемое оксалатной вытяжкой Тамма;

** Fed – железо, извлекаемое дитионитовой вытяжкой Мера-Джексона Для проверки гипотезы о трансформации структуры в исследуемой рекультивационной конструкции вследствие застоя влаги на границе слоев, в полевых условиях был поставлен опыт по выявлению преимущественных путей фильтрации влаги с помощью крахмальной метки. Полученные в результате эксперимента контуры крахмальных пятен представлены на рис.2 и 3.

В варианте конструкции на песке рамы устанавливались на поверхности и на глубине 45 см. При переходе от слоя с комковато-порошистой структурой в слой с ореховатой структурой происходит сильное расчленение потока. Особенно ярко это выражено при подаче крахмала с 45 см. Это связано с тем, что фильтрация осуществляется по граням структурных отдельностей.

Рис. 2 Основные пути фильтрации воды по крахмальному окрашиванию в разрезе Г1 (на песке) На границе с песчаным слоем в разрезе Г1 было отмечено резкое растекание крахмала в стороны с образованием обширных зон сплошного окрашивания, в связи с особенностями создания конструкции носящих слоистый характер.

В варианте Г2 при установке рам с поверхности четкие следы крахмала удалось обнаружить в нижележащих слоях лишь на глубине 15 см в варианте без предварительной фильтрации воды. Глубже и в варианте с предварительной подачей воды наблюдалось лишь капиллярное рассасывание крахмала с образованием очень слабо окрашенных зон, что вызвано более низкой водопроницаемостью данной почвенной конструкции, по сравнению с аналогичной на песчаном слое, и отличающимися начальными условиями эксперимента (более высокая влажность).

Преимущественно вертикальное перемещение влаги уступало место вертикально-латеральному распределению крахмала с проникновением в более тонкие поры. При установке рам на глубине 25 см в случае подачи крахмала после фильтрации воды наблюдается аналогичная ситуация: крахмальная метка четко прослеживается лишь первые 10 см, далее имеет место слабое капиллярное окрашивание. При выявлении начальных путей движения влаги было отмечено разделение потока по граням структурных отдельностей в слое 35-55 см аналогичное разрезу Г1.

Рис. 3 Основные пути фильтрации воды по крахмальному окрашиванию в разрезе Г2 (на суглинке) На границе с лессовидным суглинком растекания крахмала не обнаружено, т.к.

трещины по граням столбчатой структуры переходят в аналогичные, хотя и не столь ярко выраженные, в суглинке. Крахмальная метка «проскакивает» в них и задерживается там. Вероятно, в первые годы функционирования почвенной конструкции вода, поступающая в почву, достаточно быстро проникала вниз по насыпному слою с черноземной структурой и задерживалась на границе с суглинком.

Возникали условия временного переувлажнения нижней части черноземного слоя, в результате чего происходило разрушение зернистой структуры и улучшение гидравлической связи между слоями. В дальнейшем, вероятно, чередование циклов увлажнения-иссушения привело к формированию сходной трещиноватости в нижней части насыпного и верхней части подстилающего слоя.

Для характеристики структуры порового пространства насыпного слоя почвенных конструкций были получены послойные выходные кривые ионов Cl и K на насыпных образцах (рис. 4). C увеличением глубины происходит смещение кривых влево, быстрее наблюдается выравнивание концентрации, однако в дальнейшем требуется значительное время для достижения значений концентрации подаваемого раствора. Это связано с тем, что с увеличением размеров и плотности почвенных педов в нижней части насыпного слоя возрастает доля макропор, становится более выражена трещиноватость. По этим межпедным путям происходит основной массоперенос. Из графиков также видно, что из-за такого «сокращения» порового пространства, а также увеличения скорости фильтрации снижается и сорбция ионов калия – выходные кривые этого иона также смещаются влево с увеличением глубины, увеличивается угол наклона кривых.

C/C C/C а) б) 0. 0. 0. 0. 0.7 0-10 см 0-10 см 0. 20-30 см 0.6 20-30 см 0. Cl- Cl 45-55 см 40-50 см 0.5 0. 0-10 см 0-10 см 0.4 0. 20-30 см 20-30 см K+ K+ 0.3 0. 40-50 см 45-55 см 0.2 0. 0. 0. 0 T T 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 Рис. 4 Выходные кривые ионов Cl и К: а) разрез Г1;

б) разрез Г (С/С0 – относительная концентрация ионов в фильтрате, Т – такт) Послойный и секторный разбор колонок помог выявить зоны преимущественного движения воды и области менее значительного массопереноса.

Определения влажности почвы после колоночного эксперимента показали, что верхняя часть насыпного слоя (0-20 см) обладает более высокой водоудерживающей способностью, в нижней части количество пор, способных удерживать влагу, сокращается, и увеличивается процент макропор, по которым вода беспрепятственно стекает вниз к границе насыпного и подстилающего слоя. Этим объясняется распределение массы корней растений в конструкции: часть корневой системы сконцентрирована в верхней толще плодородного слоя, другая, ориентированная преимущественно вертикально, устремлена к границе слоев, где в определенные периоды будут складываться благоприятные для растений условия по влагообеспеченности.

Неравномерность содержания иона К в водных вытяжках из фрагментов разобранных почвенных колонок верхней части насыпного слоя свидетельствует о том, что фильтрация происходила неравномерно по сложному извилистому поровому пространству. С глубиной значения концентраций вытяжек становятся более выровненными в пространстве, снижаются и в нижней части насыпного слоя (50- см для разреза Г1 и 45-50 см для разреза Г2) становятся минимальными и выровненными по всей почвенной колонке (рис. 5). Вызвано это все той же высокой долей макропор, по которым происходит быстрая фильтрация воды, и низким содержанием более тонких пор, способных задерживать влагу с растворенными в ней веществами.

а) б) сектор 1 сектор сектор 2 сектор Слои в колонке Слои в колонке сектор 3 сектор 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0, 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0, + Концентрация К в вытяж ках, М Концентрация К + в вытяж ках, М Рис. 5. Концентрация иона К в водных вытяжках из фрагментов разобранной колонки. Разрез Г2 слой 0-10см (а) и 45-55см (б) Для монолитов сохраняются те же закономерности, с той лишь разницей, что сохранность сложения и структуры порового пространства, а также более высокие значения плотности (по сравнению с насыпными образцами для тех же слоев) приводят к снижению скорости фильтрации и увеличению количества ионов К, сорбированных в верхней части почвенных колонок, но в целом его содержание остается незначительным.

Для выявления особенностей движения влаги в исследуемых почвенных конструкциях помимо крахмальной метки использовалась «температурная» (Умарова, 2008). Для этого на глубинах 2, 10, 20, 30, 40, 50, 55, 60, 70 см устанавливались программируемые термодатчики, и по ним в процессе заливочного эксперимента, когда на поверхность почвы подавалась теплая вода, отслеживали послойно динамику температуры почвы, а вместе с ней скорость и характер проникновения влаги в профиль. На рис.6 представлены термоизоплеты почвы в процессе заливочного эксперимента для разреза Г1 (на песке). На рисунке пунктирными линиями отмечена зона неравномерного распределения температур на глубине 40-60 см. Такая картина могла получится только в результате быстрого проскока влаги по макротрещинам на глубине 40-60 см к границе с песчаным слоем, ее растекания и кратковременного образования зоны более высокой температуры, чем выше лежащего слоя.

Для прогноза водного режима технозема и его дальнейшей эволюции была привлечена математическая прогнозная модель HYDRUS 1D. В качестве входных параметров использовались параметры аппроксимации ОГХ, значения порозности и коэффициента впитывания для каждого слоя конструкции. В качестве граничных условий задавались: на верхней границе осадки и испарение, на нижней границе свободный отток влаги. Адаптация модели проводилась по результатам полевого заливочного эксперимента. В дальнейшем расчет водного режима проводился для года с 50% обеспеченностью осадков. Результаты расчета представлены в виде хроноизоплет относительной влажности (/НВ) на рис.7.

Из рисунка видно, что хорошо выделяются слой 0-10 см и слой 30-40 см, отличающиеся в периоды выпадения осадков от вмещающей их толщи более высокой увлажненностью. В первом случае это объясняется более плотным подстилающим слоем;

во втором – образованием слоя капиллярно-подвешенной влаги, формирующимся над слоем со сложившейся системой макротрещин. Однако, следует отметить, что воспроизводства водного режима с помощью математической модели, даже при е адаптации по полевым экспериментальным данным, добиться не удалось.

Это произошло вследствие особенностей водного режима технозема, где доминируют преимущественные потоки влаги, которые моделью не воспроизводятся.

Таким образом, если в начале функционирования конструкции (20 лет назад) можно было ожидать наличия слоя капиллярно-подвешенной влаги в нижней части насыпного слоя, непосредственно у границы с песком, то в настоящее время благодаря образованию столбчато-призматической структуры, функционированию преимущественных потоков влаги и развитию трещиноватости эта граница сместилась вверх по профилю. Вероятно, можно ожидать и дальнейшего смещения этой границы вверх по профилю.

Глубина, см Т, °С Граница песчаного слоя Время, мин Рис.6. Хроноизоплеты температуры почвы (°С) в полевом заливочном эксперименте – разрез Г1.

отн Глубина, см 1. 0. - 0. 0. 0. - 0. 0. 0. - 0. 100 150 200 250 Время, сут Рис.7. Хроноизоплеты относительной влажности для разреза Г1 (на песке).

Обеспеченность осадков 50%.

Неподвижность гидроксида железа при щелочной реакции среды исключает возможность иллювиального генезиса ржаво-охристых пятен на поверхности педов. В связи с этим, было выдвинуто предположение, что основной механизм их формирования имеет микробиологическую природу. Определение свободного железа частично подтверждает данное предположение, т.к. на поверхности структурных отдельностей его содержание выше, чем внутри педов, при отсутствии четкой дифференциация по профилю. На рис. 8 представлены результаты исследования сообщества микроорганизмов в насыпном слое разреза Г1 (на песке). Общее содержание микроорганизмов по профилю почвенной конструкции (средний образец) изменяется незначительно, при этом во всех слоях наблюдается преобладание численности аэробов над анаэробными микроорганизмами. Более яркие различия наблюдаются при рассмотрении поверхности и внутренней части педов. На поверхности педов доминируют аэробы: их численность превышает количество анаэробов в 3-4 раза. Внутри педов численность микроорганизмов сокращается, и различия в количестве аэробов-анаэробов становятся незначительны. В исследованной конструкции в насыпном слое складывается доминирующее сообщество микроорганизмов преимущественно из аэробно-анаэробной ассоциации родов Methylococcus, Rhodococcus – Ruminococcus, Clostridium, Butyrivibrio с незначительными вариациями по глубине (например, в слое 0-10см в доминирующий комплекс почвенных микроорганизмов помимо указанных входят также представители рода Nitrobacter). В зависимости от господствующей обстановки в тот или иной момент времени более интенсивно будут развиваться аэробная или анаэробная часть сообщества. В периоды временного переувлажнения нижней части насыпного слоя внутри педов складывается анаэробная обстановка, сохраняющаяся благодаря высокой плотности педов достаточно долгое время даже после освобождения межпедных пор от влаги. Доминирующий консорциум складывается из бактерий-анаэробов родов Clostridium, Butyrivibrio и Ruminococcus. Также развитие получают группа бактерий-железоредукторов и ряд других микроорганизмов, обладающих железоредуцирующей способностью (например, некоторые представители рода Clostridium), из чего можно предположить протекание процесса восстановления иона Fe3+ внутри педов во время их длительного переувлажнения, его перемещения к поверхности педа и дальнейшего выпадения в осадок на окислительно-восстановительном и кислотно-щелочном барьере (ржаво-охристые пятна на поверхности педов).

а) б) 18 микроорганизмов, % 50-60 см микроорганизмов, % Содержание Содержание анаэробы 12 аэробы 10 8 6 4 2 0 поверх- внутрен- средний 0-10 20-30 40-50 50- ность 2 няя часть 1 3 4 5 образец 0-10 см 20-30 см (поверхностьсм 50-60 см 40-50 см 50-60 педов) Глубина, см педов педов Clostridium в) propionicum 9% Аэробы* Butyrivibrio Methylococcus sp.

7S-14-3 39% 4% Анаэробы* Ochrobactrum sp.

Rhodococcus terrae Rhodococcus equi 23% 5% 50-60 см (внутренняя часть педов) Ruminococcus Methylococcus г) sp. sp.

FeRed 5% 19% Clostridium 1% limosum/Cl.supte rminal 23% Clostridium Rhodococcus propionicum terrae 4% 18% Butyrivibrio Butyrivibrio 7S-14-3 1-4- 6% 3% Рис.8 Соотношение численности микроорганизмов в разрезе Г1 (на песке) по профилю конструкции (а), в слое 50-60 см (б) и состав доминирующего сообщества на поверхности (в) и во внутренней части педов (г) из слоя 50-60см Примечание: * - в группу Анаэробы вошли облигатные и факультативные анаэробы, в группу Аэробы вошли строгие аэробы и микроорганизмы, определенные до рода, представители которого могут быть облигатными аэробами или микроаэрофилами.

Переводу железа из состояния Fe2+ в Fe3+ также способствуют бактерии рода Ochrobactrum. Выделяемые анаэробами летучие жирные кислоты и увеличение стадии переувлажнения могут понижать рН на уровне микрозон, тем самым способствуя перемещению железа.

Таким образом внутри педов при длительном господстве восстановительной обстановки и наличии анаэробных микроорганизмов будет протекать локальный процесс глееобразования с выносом железа на поверхность педов. Подчеркнем, что эта гипотеза требует отдельных дополнительных исследований в области микробиологии.

В любом случае, повышение содержания иона Fe, формирующего структурные связи цементационного типа, приводит к формированию чрезвычайно прочных структурных отдельностей, что обусловливает выраженную межпедную порозность почвенного профиля. Это, в свою очередь, определяет резкое увеличение скорости фильтрации по межпедному трещинному пространству.

Таким образом, в техноземах имеются длительные периоды анаэробиоза внутри почвенных педов, сформировавшихся в процессе эволюции черноземного слоя. В результате, даже при не очень высокой влажности почвы сохраняются условия переувлажнения, в особенности, в центральной части педов.

Суммируя все полученные данные, можно предложить следующую схему трансформации структуры и функционирования технозема в районе КМА:

формирование технозема как сочетания слоев различного гранулометрического или структурного состава приводит к формированию временных верховодок на границах слоев. При избыточной влажности на границах слоев и давлении вышележащих слоев происходит разрушение классической черноземной структуры, появляются признаки слитизации. При иссушении профиля, в особенности, при интенсивном потреблении воды корневыми системами растений из пограничной зоны с доступной влагой, происходит растрескивание почвенной массы. При выпадении осадков вода «проскакивает» по макротрещинам и задерживается на границе раздела слоев. При этом корни растений проникают в эту зону за легкодоступной влагой, способствуя увеличению стабильности макротрещин. По мере насыщения почвенных фрагментов влагой в них будет складываться анаэробная обстановка с развитием соответствующего сообщества микроорганизмов. В процессе иссушения конструкции вода из трещин уходит (просачивается в нижележащие слои и активно транспирируется растениями), сохраняя при этом внутри педов длительное господство восстановительной обстановки и превалирование анаэробных микроорганизмов, что способствует протеканию процесса глееобразования на уровне почвенных педов с выносом железа и образования ржавых пятен на их поверхности.

Кристаллизационные связи, образуемые трехвалентным железом в поверхностных слоях педов, способствуют формированию чрезвычайно прочных структурных отдельностей, что обусловливает выраженную межпедную трещиноватость почвенного профиля. Указанные процессы привели за достаточно короткий период времени к глубокой трансформации структуры, процессов и свойств насыпного черноземного слоя.

ВЫВОДЫ 1. В результате 20-летнего периода функционирования почвенной конструкции произошла деградация черноземной зернистой структуры, появились признаки слитогенеза: структура из зернистой превратилась в ограненную столбчато призматическую, увеличилась плотность нижней части насыпного слоя, начала проявляться избыточная водоустойчивость, межпедная трещиноватость.

2. Полевые эксперименты с крахмальной меткой, а также выходные кривые для ионов К и Cl указывают на наличие преимущественных потоков влаги и веществ, как основного механизма передвижения воды в техноземах на данном этапе их эволюции.

Эти потоки связаны с развитыми межпедными трещинами при высокой плотности самих педов в нижней части конструкции (глубина 40-60 см).

3. Водно-физические свойства и водный режим технозема, рассчитанный по адаптированной математической модели HYDRUS и реставрированный по полевым экспериментам с крахмальными метками, указывают на наличие периодов повышенного увлажнения наряду с периодами интенсивного высыхания, обусловленного деятельностью корневых систем растений. Переувлажнение возникает за счет образования подвешенной влаги либо верховодки на границе слоев с различающейся структурой или насыпного черноземного слоя и подстилающей породы.

4. Формирование технозема как последовательности слоев, различающихся по гранулометрическому составу и сложению, наличие резкой границы между почвенным плодородным слоем и подстилающими его породами приводит к формированию специфического водного режима, отличного от водного режима автоморфных естественных почв. В период весеннего сплошного промачивания почвенной конструкции в результате образования зоны капиллярно-подвешенной влаги (конструкция на песке) или благодаря низкой фильтрационной способности слоя, подстилающего насыпной черноземный слой (конструкция на суглинке), может возникать временное переувлажнение слоев.

5. Образовавшиеся на поверхности педов в нижней части черноземного слоя ржаво-охристые железистые автохтонные кутаны, обеспечивающие за счет цементационных связей более высокую стабильность почвенных фрагментов во времени и пространстве, являются следствием периодического переувлажнения конструкции и проявления процесса глееобразования на уровне структурных отдельностей.

6. Процесс переноса иона Fе в пределах крупных почвенных педов от их центральной части к поверхности осуществляется благодаря участию специфической анаэробной и аэробной микрофлоры.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Шеин Е.В., Щеглов Д.И., Соколова И.В., Умарова А.Б. Изменение физических 1.

свойств слоистых рекультивационных почвенных конструкций // Вестник ОГУ.

2006. № 12. Ч. 2. С. 308-312.

Соколова И.В., Шеин Е.В., Щеглов Д.И. Физические свойства слоистых 2.

рекультивационных почвенных конструкций (на примере отвалов Курской магнитной аномалии) // Материалы Всероссийской конференции «Черноземы России: экологическое состояние и современные почвенные процессы». Воронеж.

2006. С. 240-243.

Соколова И.В. Физические свойства рекультивационных почвенных конструкций 3.

с дифференцированными по гранулометрическому составу слоями. // Сборник материалов IX Всероссийской конференции Докучаевские молодежные чтения «Почвы России. Проблемы и решения». Санкт-Петербург. 2006. С. 356- Соколова И.В. Физические свойства слоистых рекультивационных почвенных 4.

конструкций. // Тезисы докладов XIII Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2006». Москва. 2006. С. 153 Соколова И.В. Особенности функционирования слоистых рекультивационных 5.

почвенных конструкций. // Тезисы докладов X Всероссийской конференции Докучаевские молодежные чтения «Почвы и техногенез». Санкт-Петербург. 2007.

С. 81- Соколова И.В., Умарова А.Б., Милановский Е.В., Шеин Е.В., Щеглов Д.И.

6.

Динамические изменения свойств черноземов в условиях эксплуатации рекультивационных конструкций (на примере рекультивационного почвенного покрова Курской магнитной аномалии) // Материалы международной научной конференции «Пространственно-временная организация почвенного покрова:

теоретические и прикладные аспекты». Издательский дом С.-Петербургского государственного университета. Санкт-Петербург. 2007. С.512-514.

7. Умарова А.Б., Шеин Е.В., Соколова И.В., Ландышева А.С. // Преимущественные потоки влаги как один из факторов сохранения пространственной неоднородности почвенного покрова // Материалы научно-практической конференции, посвященной 75-летию Астраханского государственного университета «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования». Издательский дом «Астраханский университет». Астрахань. 2007. Ч.1. С. 180-181.

8. Умарова А.Б., Самойлов О.А., Соколова И.В., Милановский Е.Ю., Кирдяшкин П.И., Иванова Т.В. Преимущественные потоки влаги: формирование и значение в антропогенно-измененных почвах // Материалы международной научно практической конференции «Ноосферные изменения в почвенном покрове».

Владивосток. Изд-во Дальневост. ун-та. 2007. С. 401-403.

9. Соколова И.В. Изменение факторов плодородия почвы-донора при использовании ее в процессе рекультивации земель (на примере отвалов КМА). // Тезисы докладов XI Всероссийской конференции Докучаевские молодежные чтения «Почва как носитель плодородия». Санкт-Петербург. 2008. С. 121-122.

10. Соколова И.В. Деградация чернозема-донора в процессе его использования при рекультивации земель (на примере отвалов КМА) // Материалы международной научно-практической конференции «Плодородие почв – уникальный природный ресурс – в нем будущее России». Санкт-Петербург. 2008. С. 489-490.

11. A. Umarova, E. Shein, I. Sokolova. Subsoil compaction, structure degradation under the effect of specific water regime in soil land reclamation constructions over a period of years // Book of Abstracts, EUROSOIL, 2008. Winfried H. Blum, Martin H. Gerzabek and Manfred Vodrazka (Eds.) Vienna, 2529 August. P. 12. Шеин Е. В., Щеглов Д. И., Умарова А. Б., Соколова И. В., Милановский Е. Ю.

Структурное состояние техноземов и формирование в них преимущественных потоков влаги // Почвоведение. 2009. № 6 (в печати)

 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.