Главная

Исследовательские группы

Научно-практический журнал
Хвойные бореальной зоны
(в перечне ВАК)

Введение

Глобальный биогеохимический круговорот серы представляет собой сложную систему химических и биохимических процессов, в которых принимают участие соединения серы. Биогеохимические циклы природной серы связаны с ее содержанием в породах, почвах, живых организмах (Рябошапко, 1983; Лукина, 1996). В настоящее время особую актуальность приобретает изучение круговорота серы. В литературе широко обсуждается проблема поступления в атмосферу оксида серы (IV) и сероводорода, которые в больших концентрациях тормозят процессы анаэробного восстановления сульфатов и аэробного окисления сульфидов (Иванов 1983).
Сера в почвах представлена органическими и неорганическими соединениями, соотношение которых зависит от типа почвы и глубины залегания генетического горизонта (Kilmer 1960; Little, 1957). Наиболее доступная растениям сульфатная форма составляет не более 10-25 % общего содержания. Общеизвестно, что помимо серы органических соединений, попадающих в почву с опадом, значительные поступления серы происходят с пылью и кислотными дождями, причем с пылевой фракцией серы поступает в десятки раз больше, чем с атмосферными осадками (Иванов 1983; Израэль, 1989; Маслова, 2004).
Знание потенциальных возможностей почвы в нейтрализации, аккумуляции и трансформации соединений серы необходимо для своевременного выявления и оценки тенденций изменения почвенных свойств (Иванов 1983; Коротков, 1991).
Цель работы – определить содержание и выявить распределение валовой серы в мерзлотных почвах плато Путорана.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Территория исследования расположена на северо-западе Среднесибирского плоскогорья (67 – 70? с.ш., 89 – 90? в.д.). Она охватывает горы западного макросклона плато Путорана. Климат континентальный, гумидный с продолжительной холодной зимой и коротким летом. Среднегодовая температура воздуха -9,7 оС, за год в среднем выпадает около 440 мм осадков. Продолжительность периода с температурой выше 5 оС составляет 80-90 дней, а период с температурой >10 оС – около 60 дней. Безморозный период длится 50-80 дней (Средняя Сибирь, 1964).
Лесные почвы западного макросклона плато Путорана изучены недостаточно. Почвенный покров района специфичен (Ершов,1992, 2004; Фотиев, 1974; Соколов, 1975). Согласно (Ершов,1999), территория отнесена к Западно-Путоранской горной провинции вертикально- и экспозиционно-дифференцированной мезокомбинации подбуров, грануземов и таежных торфяно-перегнойных высокогумусных неоглеенных почв (криоземов). Рельеф низкогорный, абсолютные высоты колеблются в пределах 80-600 м. Поверхность расчленена долинами рек и озерными котловинами.
Почвообразующими породами служат продукты выветривания пород трапповой формации (долеритов, базальтов и др.), имеющие разный генезис и гранулометрический состав. Особенностью химико-минералогического состава траппов является обогащение их железомагнезиальными силикатами и основными плагиоклазами и очень незначительное содержание кварца, высокое содержание кальция, магния и низкое – щелочных элементов и кремнезема (Ершов, 1992). Почвы, развитые на дериватах траппов, не имеют морфологически осветленного (подзолистого) горизонта (даже при наличии всех других факторов почвообразования, способствующих его формированию) (Ершов, 2004).
Криогенные процессы оказывают существенное влияние на состав и свойства почв. В результате воздействия мерзлотных процессов, обусловленных чередованием промерзания-протаивания, в профиле почв возникает целый комплекс механических деформаций почвенной массы, связанных с пучением, криотурбацией, морозобойным растрескиванием, криосолифлюкционными деформациями. Мерзлотные нарушения хорошо наблюдаются в морфологическом строении почв: гумусовые и минеральные клинья (языки-затеки), мерзлотные трещины и полигональная поверхность почв, криогенная структура (сланцеватая, плитчатая) (Фотиев, 1974; Соколов 1975; Ершов,1999).
По лесорастительному районированию район исследования относится к Путоранской горной лесорастительной провинции северо-таежных лесов и горных тундр (Коротков, 1991). Главная лесообразующая порода – лиственница сибирская (Larix sibirica), сменяющаяся на востоке лиственницей даурской (Larix daurica). Преобладают разновозрастные насаждения с преобладанием перестойных, характеризующихся низкой полнотой (0,4). Около 25 % лесопокрытой площади приходится на редины с полнотой 0,2 и менее. Кроме основного древесного эдификатора добавляется ель (Picea obovata), береза (Betula pubescens) с характерным для них травяно-кустарничковым напочвенным покровом (Водопьянова, 1976).
Для изучения почвенного покрова использовался катенный метод исследования, который позволяет рассматривать цепочку сменяющих друг друга от водораздела к подножию склона геохимически сопряженных ландшафтов и приуроченных к ним почв. Объектом исследования послужили криомезоморфные почвы (рис.1). Катены в виде почвенно-экологических профилей закладывались с учетом охвата всего разнообразия почв и растительных сообществ от пойм рек до водораздельных поверхностей. На профилях выбирались участки для закладки постоянных пробных площадей с целью детального изучения компонентов лесных биогеоценозов (древостоя, травяно-кустарникового яруса, напочвенного покрова и почв).      

Рисунок 1 – Схема размещения почвенно-экологических профилей в районе исследования на западном макросклоне плато Путорана (1 – оз. Глубокое, 2 – р. Ирбэ, 3 – р. Горбиачин)

Химические анализы почвенных образцов выполнялись по стандартным методикам (Аринушкина, 1970). Содержание валовой серы определялось объемным методом солями бария в присутствии металлоиндикатора нитхромазо. Содержания минеральной формы серы определяли в 0,2н солянокислой вытяжке. Подвижную форму серу определяли в 0,2н растворе KCl, титрование в солевой вытяжке проводили тем же методом в присутствии свидетеля, для установки конца титрования (Айдинян, 1964).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В регионе повсеместно развиты криомезоморфные почвы – подбуры, формирующиеся на хорошо дренированных участках (нагорные и надпойменные террасы) и каменисто-мелкоземистых породах. Гранулометрический состав почв варьирует от супеси до среднего суглинка с преобладанием фракций песка и крупной пыли (табл. 1). Реакция органогенных и органоминеральных горизонтов кислая и слабокислая (рНн2о 4,0 – 6,5), материнских пород нейтральная или слабощелочная. Почвы характеризуются высокой гидролитической кислотностью (33,5 – 61,6 ммоль/100 г) и низкой степенью насыщенности обменными основаниями в верхних горизонтах. Вниз по профилю почв гидролитическая кислотность снижается до 13,9 – 1,06 ммоль/100 г, а степень насыщенности основаниями возрастает до 68 - 97 % (табл. 2).

Таблица 1 – Гранулометрический состав подбуров (разрез 4М-01)

Горизонт	Глубина, см	Содержание фракций, %; диаметр частиц, мм
		1-0,25	0,25-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005	0,005-0,001	<0,001	<0,01
В1h,f	15–30	11,1	42,1	29,9	4,8	6,2	5,9	16,3
B2f	30–51	5,6	22,9	40,6	10,3	14,8	5,8	30,9
BC	51–69	31,8	28,4	24,1	4,2	7,0	4,5	15,7

Таблица 2 – Физико-химические свойства подбуров (разрез 4М-01)

Горизонт	Глубина, см	рНн2о	Гумус, %	ППП*, %	Гидролитическая кислот-ность, ммоль / 100 г	Обменные катионы, ммоль/100 г		Обменная кислотность по Соколову, моль / 100 г		Железо по Тамму, %
						Ca2+	Mg2+	Al3+	H+
Ov	0-8	4,5	Не опр.	98,0	40,2	14,0	3,0	2,30	1,55	Не опр.
O2	8-15	4,4	“	78,0	61,6	29,0	4,0	7,55	0,35	“
B1h,f	15–30	5,8	3,7	Не опр.	11,2	13,7	2,8	2,13	0	3,1
B2f	30–51	6,2	2,6	“	5,73	26,0	5,2	0,95	0	2,9
BC	51–69	6,7	1,7	“	3,82	23,6	5,3	1,10	0	1,9

Примечание: * – потеря при прокаливании.

В составе почвенного поглощающего комплекса (ППК), как правило, доминируют кальций и магний. Однако в отдельных органоминеральных горизонтах таежно-мерзлотных почв (при рН 4,2 – 4,7) значительную долю в ППК составляет обменный алюминий (11,50 – 17,25 ммоль/100 г). Отмечено, что подкисление почвенной среды приводит к выносу катионов из верхних горизонтов и мобилизации алюминия в почвах (Иванов, 1983).
В составе обменных катионов присутствует водород, содержание которого в органогенных и органоминеральных горизонтах составляет 0,15 – 2,55, в минеральных – не превышает 0,1 ммоль/100 г. Аморфных соединений железа содержится 1,2 – 3,7 % с максимумом в горизонтах Bh,f, что обусловлено как иллювиально-альфегумусовым процессом, так и внутрипочвенным выветриванием (Ершов, 1992). Распределение органического вещества в профиле подбуров аккумулятивное с максимумами в органогенных горизонтах. Содержание гумуса в горизонтах Bh и Bh,f может достигать 14 %, что связано с миграцией гумусовых веществ совместно с полутораоксидами железа вниз по профилю.
Кларк серы (по Виноградову, 1957) – 0,085 %, или 850 мг/кг (Виноградов, 1957). Довольно высокий кларк серы в почвах и легкая растворимость ряда сульфатов определяют ее типоморфность (к типоморфным относятся элементы со сравнительно высокими кларками, образующие растворимые или газообразные соединения этого элемента в ландшафтах). Полагают, что многие почвы бедны серой при содержании ее в гумусовом горизонте менее 0,01 % (Айдинян, 1964), а в торфяных почвах количество ее достигает 1 % и реже - 2-5 % (Иванов, 1983). Распределение серы по профилю обычно коррелирует с содержанием органического вещества, монотонно убывая с глубиной. Однако в подзолистых почвах нередко отмечается эллювиально-иллювиальное распределение серы с двумя максимумами – в поверхностных и иллювиальных горизонтах.
В большинстве случаев только 20 % поступающей серы находится в круговороте почвой – растение. В почвах с преобладанием восстановительных условий сульфат-ион быстро восстанавливается сульфатредуцирующими микроорганизмами до сероводорода, который может связываться с избытком железа и других катионов с образованием нерастворимых сульфидов (Лукина, 1996).
Проведен анализ распределения серы в почвенном профиле подбуров. Установлено, что средняя концентрация валовой серы в криомезоморфных почвах выше кларка в 1,5-2 раза, в подбурах составляет 1290 мг/кг (0,13 %). При этом отмечается уменьшение концентрации общей серы в органоминеральных горизонтах. Минеральная и подвижная формы распределяются достаточно равномерно (рис. 2). Количество резервной серы тесно связано с концентрацией валовой (коэффициент корреляции 0,99). Зависимость содержания минеральной формы от количества общей серы несколько меньше (коэффициент корреляции 0,70), при этом распределение минеральной серы по генетическим горизонтам более равномерное.

Рисунок 2 – Распределение различных форм серы (валовой, резервной, минеральной и подвижной) по генетическим горизонтам в почвенном профиле подбуров (разрез 2П2 (а), 3П2 (b) – ПЭП “Ирбэ”; разрез 5П1 (c) и 6П1 (d) – ПЭП “Глубокое”)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ содержания и распределения различных форм серы в мерзлотных почвах показал, что максимальное количество общей серы характерно главным образом для минеральных горизонтов, что, по-видимому, связано с высоким содержанием элемента в почвообразующих породах, а также с миграцией сульфатов из верхних горизонтов в нижние. Длительное пребывание исследуемых почв в мерзлом состоянии препятствует вымыванию соединений серы из почвенного профиля. Высокие концентрации серы отмечаются в надмерзлотных горизонтах, в которых легкорастворимые сульфаты переходят в нерастворимые сульфиды.
Естественные геохимические барьеры (высокогумусные органогенные и органоминеральные, оглеенные и мерзлые горизонты) почв обеспечивают перевод части легкорастворимых соединений серы в труднорастворимые (резервные). При смене анаэробных условий аэробными происходит окисление сульфидов с образованием растворимых и миграционноспособных сульфатов, при обратной ситуации начинается образование плохо растворимых сульфидов и иммобилизация металлов. Для криомезоморфных почв, характерно высокое содержание минеральной и подвижной форм, что обусловлено как экзогенным поступлением соединений серы, так и сульфидосодержащими материнскими породами.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Айдинян, Р.Х. Содержание и формы соединений серы в различных почвах СССР и ее значение в обмене веществ между почвой и растением / Р.Х. Айдинян // Агрохимия. – 1964. - №10. – C. 98-102.
Аринушкина, Е.В. Руководство по химическому анализу почв / Аринушкина Е.В. – М.: Изд-во МГУ, 1970. – 487с.
Виноградов, А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах / А.П. Виноградов. – М.: Изд-во АН CCCP, 1957. 238с.
Водопьянова, Н.С. Растительность Путорана / Н.С. Водопьянова // Флора Путорана.- Новосибирск: Наука, 1976. – C. 11-31.
Ершов, Ю.И. Основы теории почвообразования. – Красноярск: РИО КГПУ, 1999. – 383 с.
Ершов, Ю.И. Почвы предтундровых лесов Енисейского заполярья, подверженные аэропромышленным выбросам серы / Ю.И. Ершов // География и природные ресурсы. – 1992. – №1. – С. 33-39.
Ершов, Ю.И. Почвы Среднесибирского плоскогорья/ Ю.И. Ершов. – Красноярск: Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2004. – 86с.
Иванов, М.В. Глобальный биогеохимический цикл серы и влияние на него деятельности человека / М.В. Иванов. – М.: Наука, 1983. – 420c.
Израэль, Ю.А. Кислотные дожди / Ю.А. Израэль. – Л.: Гидрометеоиздат, 1989. – 269с.
Коротков, И.А. Лесорастительное районирование предтундровых лесов Сибири / И.А. Коротков // Экологогеографические проблемы сохранения и восстановления лесов севера. – Архангельск, 1991. – С. 303-307.
Лукина, Н.В. Биогеохимические циклы в лесах Севера в условиях агротехногенного загрязнения / Н.В. Лукина, В.В. Никонов // В 2-х ч. Ч.1. Апатиты: изд-во Кольского научного центра РАН, 1996. – 213с.
Маслова, И.Я. Экологическое и агрохимическое значение атмосферной серы техногенного происхождения/ И.Я. Маслова // Сибирский Экологический журнал. – 2004. – №3. – С. 377-390.
Перельман, А.И. Геохимия ландшафта / А.И. Перельман. – М.: Географ. издат., 1966. – 496с.
Рябошапко, А.Г. Глобальный биогеохимический цикл серы и влияние на него деятельности человека / А.Г. Рябошапко. – М.: Наука, 1983. – C.170-253.
Соколов, И.А. О почвах плато Путорана / И.А. Соколов, В.Д. Тонконогов // Путоранская озерная провинция. Труды Лимнологич. ин-та СО АН СССР, т. 22 (40). Новосибирск: Наука, 1975. – C. 115-121.
Средняя Сибирь. – М.: Наука, 1964. – 480с.
Фотиев, С.М. Геокриологические условия Средней Сибири / С.М. Фотиев, Н.С. Данилова, Н.С. Шевелева. – М.: Наука, 1974. – 147с.
Kilmer, V.J. The determination of available sulfur in soils / V.J. Kilmer, D.C. Nearpass // Soil Sci. Soc. Am. Proc. 1960, 24, – P.337-40.
Little, R.C. Sulphur in soils. II. Determination of the total sulphur content of soil / R.C. Little // J. Sci. Food Agric. 1957, 8, – P.271-9.