CC BY
24
УДК 631.4 : 631.41
ОКСАЛАТОРАСТВОРИМОЕ ЖЕЛЕЗО В ОКУЛЬТУРЕННЫХ ОСУШАЕМЫХ
ПОЧВАХ МОРЕННОЙ РАВНИНЫ
О. А. Анциферова
OXALATE-EXTRACTABLE IRON IN CULTIVATED DRAINED SOILS OF
MORAINIC PLAIN
O. A. Antsiferova
Исследования проведены в условиях пахотного поля с контрастным почвенным покровом на холмисто-моренной равнине в Зеленоградском районе Калининградской области. Изучено содержание оксалаторастворимого железа по методу Тамма в трех группах почв: буроземы на вершинах холмов и глееватые на склонах, дерново-глеевые почвы в понижениях. Почвы осушаются системой гончарного дренажа. Для суглинистых буроземов на вершинах характерно биогенное накопление оксалаторастворимого (аморфного) железа в пахотном горизонте и слабое варьирование его вниз по профилю. В полугидроморфных буроземах склонов абсолютное содержание оксалаторастворимого железа выше по сравнению с вершинами холмов в связи с резко контрастным окислительно-восстановительным режимом. Количество Fe^ составляет 22-26 % от содержания валового железа. В дерново-глеевых почвах понижений глеевые карбонатные горизонты (особенно Gr) имеют минимальное количество аморфного железа при сопоставимом с буроземами содержанием валового. Такое явление связано с малой подвижностью железа в щелочной среде. Во всех группах изученных почв обнаружены зоны накопления оксалаторастворимого железа. Это вторично окисленные горизонты на кайме грунтовых вод или верховодки, где происходит частая смена окислительно-восстановительных условий. В периоды развития переувлажнения и восстановительных условий осуществляется мобилизация почвенного железа, а при просыхании почвы и окислительных условиях - осаждение и сеграгация. Высокие значения оксалаторастворимого железа в профиле глеева-тых и глеевых осушенных почв указывают на потенциальную способность части этого железа редуцироваться и мигрировать с дренажным стоком, что может быть причиной отложения охры в полостях дрен и дне водоприемников (открытых каналов).
оксалаторастворимое железо, валовое железо, буроземы, оглеение, дерново-глеевые почвы
The studies have been carried out in an arable field with contrasting soil cover on the hilly-morainic plain in the Zelenograd district of the Kaliningrad region. The content of oxalate-extractable iron has been researched by the Tamm method in the three groups of soils: brown soils on the tops of hills, gleyic soils on slopes, soddy gley soils in depressions. Soils are drained with a system of clay drainage. Loamy brown soils on tops are characterized by biogenic accumulation of oxalate-extractable (amor-
phous) iron in the arable horizon and its weak variation down the profile. In semi-terrestrial brown soils on slopes, the absolute content of oxalate-extractable iron is higher compared to the top of the hills in connection with sharply contrasting redox regimes. The amount of oxalate-extractable iron is 22 - 26 % of the gross content. In soddy gley soils of depressions, gley carbonate horizons (especially Gr) contain a minimum amount of amorphous iron with a content of gross iron comparable to that of brown soils. This phenomenon is associated with low mobility of iron in an alkaline medium. In all groups of soils under study, areas of accumulation of oxalate-extractable iron have been discovered. These are re-oxidized horizons on the edge of groundwater or upper water, where there is a frequent change of redox conditions. During the periods of development of waterlogging and reducing conditions there is a mobilization of soil iron, and at drying of the soil and oxidizing conditions, there occurs deposition and segregation. High values of oxalate-extractable iron in the profile of gleyic and gley drained soils indicate the potential ability of part of this iron to reduce and migrate with drainage flow. This may be the cause of ocher deposits in the cavities of the drains and in the bottom of the water intakes (open channels).
oxalate-extractable iron, gross iron, brown soils, gleying, soddy gley soils
ВВЕДЕНИЕ
Роль железа в кислых гумусированных почвах гумидных ландшафтов сопоставима с ролью кальция [1]. В почвоведении принято выделять группы почвенного железа: валовое, силикатное, несиликатное. Среди несиликатных соединений различают окристаллизованные, аморфные и подвижные формы. Аморфные соединения железа увеличивают уровень рН-зависимых зарядов почвенного поглотительного комплекса и фосфорфиксирующую способность почв, являются хорошим структурообразователем в кислых почвах [2, с. 12; 3, с. 180]. Ведущую роль играет аморфное железо в глееобразовании. Доказано, что результатом интенсивного развития оглеения является несбалансированный вынос железа [4]. Соотношение различных его форм в почвах служит диагностическим признаком гидроморфизма [4, 5], в связи с чем исследование почвенного железа в почвах -актуальная проблема [2, 4-10]. Выделяют аморфные соединения методом Тамма, используя оксалатный буфер [3]. При этом в вытяжку переходит как собственно аморфное, так и частично слабоокристаллизованное железо. Поэтому почвоведы называют железо, выделяемое методом Тамма, оксалаторастворимым (Fe^).
Исследования показали, что в почвах различной степени гидроморфизма имеются определенные особенности Fe^. В автоморфных - это соединения железа (III), которые могут легко создавать комплексы с органическими веществами. В минеральных гидроморфных показатели оксалаторастворимого железа отражают количество железа (III), способного быстро раствориться и редуцироваться (биохимическим путем) в условиях застойного водного режима. В почвах с высоким содержанием органического вещества на значения Fe^ оказывает большое влияние восстановленная сера [8, 9].
Что касается Калининградской области, то изучение почвенного железа здесь находится на начальной стадии [11, 12]. Сведений о содержании аморфного железа в почвах региона нет. Целью исследования является сравнительный анализ аморфного (оксалаторастворимого) железа в осушенных почвах разной степени гидроморфизма в условиях пахотного поля.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования проводились в Зеленоградском районе Калининградской области на ключевом участке «Перелески» (физико-географический район Самбий-ской холмисто-моренной равнины). Почвы осушены гончарным дренажем со сбором вод в открытые каналы. Последняя реконструкция дренажа проведена в 1975 г.
Почвенные разрезы заложены на основных элементах рельефа (вершины холмов, склоны, замкнутые понижения). Диагностика почв проведена по классификации 1977 г. [13]. Образцы почв отбирались по горизонтам. Анализ аморфного железа выполнен по методу Тамма. Параллельно изучались основные физические и физико-химические показатели [3]. Содержание валового железа определено рентгенфлуоресцентным методом. Все анализы выполнены в четырехкратной по-вторности. В статье представлены средние значения содержания железа.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Почвенный покров ключевого участка контрастный. Основными факторами дифференциации являются рельеф и литологические особенности (гранулометрический состав и химизм почвообразующих пород). К настоящему времени проанализированы образцы из семи разрезов. Три из них характеризуют разнообразие почв на вершинах холмов в пределах одного поля. Разрез 511 - бурозем окультуренный легкосуглинистый на моренных валунных суглинках, подстилаемых с глубины 210 см водно-ледниковыми песками. Разрез 510 - бурозем окультуренный глееватый осушенный легкосуглинистый на моренных валунных суглинках. Разрез 514 - бурозем окультуренный эродированный (среднесмытый) глееватый осушенный супесчаный на валунных супесях, подстилаемых неоднородными водно-ледниковыми отложениями (многочленный профиль). Оглеение в почвах развивается вследствие снижения коэффициента фильтрации над заиленными иллювиальными горизонтами или на контакте с тяжелой подстилающей породой.
Типичным представителем почв на склонах холмов является разрез 515 -бурозем окультуренный глееватый осушенный легкосуглинистый на валунных моренных супесях и суглинках. Весной и в сырые периоды осени в профиле ежегодно фиксируется верховодка. Почва переувлажнена намывными склоновыми водами.
В понижениях на различных участках поля было заложено три разреза (534, 522, 533). Все почвы - осушаемые дерново-глеевые на неоднородных отложениях. Они заболочены грунтовыми и намывными склоновыми водами. Глинистые и тяжелосуглинистые слои под пахотным горизонтом являются причиной ежегодного поверхностного затопления почв. В разрезе 533 до глубины 50 см встречаются крупные роренштейны.
Пахотные горизонты всех изученных почв кислые (в среднем рН^ 4,5) ввиду интенсивного применения кислых минеральных удобрений (прежде всего аммонийной селитры) и длительно не проводившегося известкования. В подпахотных горизонтах буроземов на вершинах холмов и склонах реакция среды сильнокислая, потому что породы сильно выщелочены в условиях промывного и застойно-промывного водного режима. Дерново-глеевые почвы сформировались на карбонатных породах, и поэтому в глубоких горизонтах реакция среды щелочная.
Содержание гумуса в почвах повышений и склонов варьирует в пределах 1,9 - 2,5 %. Дерново-глеевые понижения различаются по этому показателю в пахотном горизонте (0 - 20 см): в разрезе 533 - 6,7 %, в разрезах 534 и 522 -3 - 3,5 %. Чем более длительный период поверхностного затопления, тем меньше гумуса.
Рассмотрим содержание валового и оксалаторастворимого железа в буроземах на вершинах холмов (табл. 1).
Таблица 1. Аморфное железо в буроземах на вершинах холмов Table 1. Amorphous iron in the brown soils on the tops of hills
Разрез Горизонт, Валовое Аморфное Доля аморфных
глубина, см железо железо по Тамму соединений от количества валового железа, %
% Fe2O3
511 Ап 0 - 20 3,42 0,56 16,4
В130 - 55 4,20 0,43 10,2
В2 55 - 90 4,19 0,40 9,5
С 90 - 130 4,26 0,43 10,1
С 130 - 150 4,50 0,42 9,3
С 150 - 170 3,77 0,43 11,4
С 170 - 190 3,23 0,40 12,4
D 210 - 240 2,18 0,10 4,6
510 Ап 0 - 20 3,43 0,55 16,0
В130 - 50 4,67 0,63 13,5
B2g' 50- 80 4,64 0,56 12,1
B3g' 80 - 100 5,35 0,50 9,3
С£' 100 - 120 4,80 0,50 10,4
С£' 120 - 140 4,74 0,51 10,8
514 Ап 0 - 20 2,15 0,40 18,6
В 30-50 0,54 0,10 18,5
песок серый
В 30-50 песок 0,77 0,28 36,4
железистый
D1 80-100 2,21 0,08 3,6
D1 100-135 3,02 0,49 16,2
Во всех почвах наблюдается биогенная аккумуляция аморфного железа. Это типично для буроземов равнинных областей [2, с. 68]. Распределение по профилю суглинистой толщи довольно ровное. Доля Feокс по отношению к валовому варьирует с глубиной незначительно, отражая особенности миграции.
Контрастное распределение железа наблюдается в слоистом профиле разреза 514. В подпахотном песчаном слое количество оксалаторастворимого железа связано с окислительно-восстановительным режимом. В слабооглеенном сером песке его меньше, чем в зоне ожелезнения над плотным слоистым пылеватым суглинком. Современный контрастный окислительно-восстановительный режим и периодическое переувлажнение вызывают мобилизацию почвенного железа и накопление именно аморфных форм. Аналогичный процесс, но менее выражен-
ный, характерен для нижней части суглинистого пласта над слоем песка (на глубине 100 - 135 см). А вот в самой толще пылеватой линзы количество Реокс очень мало, что связано со слабым водообменном и преобладанием силикатного железа.
Глубина появления признаков оглеения в буроземах склонов на ключевом участке в среднем 46 см. По всему профилю почв начиная с горизонта В1 наблюдаются специфические новообразования: охристые пятна и шаровидные скопления аморфной гидроокиси железа. Периодическое ежегодное переувлажнение, контрастный окислительно-восстановительный режим (сопровождающийся огле-ением большей части профиля), влияние верховодок приводят к накоплению больших количеств аморфного железа в буроземах склонов (табл. 2). Его содержание падает только в глубинных сильноглееватых горизонтах, что связано, скорее всего, с выносом проточной верховодкой.
Таблица 2. Аморфное железо в буроземах глееватых на склонах холмов
Table 2. Amorphous iron in gley brown soils on slopes
Разрез Горизонт, глубина, см Валовое железо Аморфное железо по Тамму Доля аморфных соединений от количества валового железа, %
% Ре20э
515 Ап 0 - 20 3,60 0,80 22,2
В130 - 44 3,57 0,80 22,4
В2£' 44 - 63 3,67 0,83 22,6
В3ё"' 63 - 85 3,09 0,77 24,9
ВС^" 85 - 110 3,23 0,85 26,3
110 - 135 3,60 0,40 11,1
Особенностью профиля дерново-глеевых почв является наличие геохимических барьеров, определяющих смены величин БЬ и рН, а также пород различного состава (бескарбонатных карбонатными). Также расположение почв в замкнутых понижениях обеспечивает приток вод, содержащих железистые коллоидные соединения. Поэтому, как отмечал еще С. В. Зонн, «в пограничных зонах происходит выпадение железа, как из растворов, так и особенно вследствие коагуляции коллоидных систем, обогащенных железом» [2, с. 40]. Ярко выражено такое явление в почве разреза 522 (табл. 3).
Наиболее длительный период поверхностного затопления и переувлажнения наблюдается в почвах разрезов 534 и особенно 522. Это сопровождается глубоким анаэробиозом в гумусовом горизонте. При высыхании поверхности происходит выпадение охристых пленок аморфной гидроокиси железа на поверхности почвенных агрегатов и в полостях корневин. Поэтому гумусовые горизонты этих почв содержат высокие абсолютные количества Беокс (табл. 3).
В глеевых горизонтах (особенно в карбонатных слоях) количество аморфного железа низкое. Сравнение участков с разной степенью оглеения в глинистой линзе разреза 534 показало сильную обедненность Беокс сизого глея. Однако значительные различия обнаружились по количеству валового железа. При одинаковом глинистом составе илистой фракции несколько больше в породе первичного розово-красного цвета, поэтому и содержание железа там выше. В процессе огле-ения происходит обезжелезнение породы, что отражается на ее окраске (морфологический признак). Значения валового железа уменьшаются.
Таблица 3. Аморфное железо в дерново-глеевых почвах понижений Table 3. Amorphous iron in soddy gley soils of depressions_
Разрез Горизонт, глубина, см Валовое железо Аморфное железо по Тамму Доля аморфных соединений от количества валового железа, %
% Fe2O3
534 Апg 0 - 15 4,35 0,98 22,5
АВg 15 - 26 4,27 0,66 15,5
G1mr 26 - 60, сизый участок 6,41 0,15 2,3
G1mr 30 - 50, розово-красный 9,17 0,54 5,9
G2o 60 - 105 5,06 0,31 6,1
G3o 105 - 150 2,44 0,08 3,3
Сg са, fe 150 - 165 3,57 0,07 2,0
533 Ап 0 - 10 4,26 0,64 15,0
Апg 10 - 20 4,12 0,61 14,8
G1 23 - 35 3,69 0,55 14,9
G2 35 - 50 4,06 0,60 14,8
G2 50 - 67 4,00 0,44 11,0
G3 67 - 83 2,08 0,15 7,2
Gr4 83 - 96 4,26 0,29 6,8
Gr5 са 96 - 115 2,68 0,19 7,1
G6 са 140 - 160 1,93 0,15 7,8
522 Ап£' 0 - 10 5,07 1,00 19,7
АВ^' 10 - 30 4,53 0,91 20,1
Bg 40 - 60 4,70 0,83 17,7
Bfe 40 - 60 12,29 3,11 25,3
G^ 95 - 138 3,28 0,18 5,5
G2r са 138 - 145 3,20 0,16 5,0
ВЫВОДЫ
1. Для суглинистых буроземов на вершинах характерно биогенное накопление аморфного железа в пахотном горизонте и слабое варьирование его вниз по профилю.
2. В полугидроморфных буроземах склонов абсолютное содержание аморфного железа выше по сравнению с вершинами холмов в связи с резко контрастным окислительно-восстановительным режимом.
3. В дерново-глеевых почвах понижений глеевые карбонатные горизонты (особенно Gr) содержат минимальное количество аморфного железа при сопоставимом с буроземами количеством валового железа. Такое явление связано с малой подвижностью железа в щелочной среде.
4. Во всех группах изученных почв обнаружены зоны накопления аморфного железа. Это вторично окисленные горизонты на кайме грунтовых вод или верховодки, где происходит частая смена окислительно-восстановительных усло-
вий. В периоды развития переувлажнения и восстановительных условий наблюдается мобилизация почвенного железа, а при просыхании почвы и окислительных условиях - осаждение и сеграгация.
5. Высокие значения оксалаторастворимого железа в профиле глееватых и глеевых осушенных почв указывают на потенциальную способность части этого железа редуцироваться и мигрировать с дренажным стоком. Отмеченное может быть причиной отложения охры в полостях дрен и на дне водоприемников (открытых каналов).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Дюшофур, Ф. Основы почвоведения, эволюция почв (опыт изучения динамики почвообразования) /Ф. Дюшофур. - Москва: Прогресс, 1970. - 591 с.
2. Зонн, С. В. Железо в почвах / С. В. Зонн. - Москва: Наука, 1982. - 206 с.
3. Воробьева, Л. А. Химический анализ почв /Л. А. Воробьева. - Москва: Изд-во МГУ, 1998. - 272 с.
4. Зайдельман, Ф. Р. Процесс глееобразования и его роль в формировании почв / Ф. Р. Зайдельман. - Москва: Изд-во МГУ, 1998. - 316 с.
5. Schwertmann, U. Occurrence and formation of iron oxides in various pedoen-vironment / U. Schwertmann // Iron in soils and clay minerals. NATO. Dordrecht: Reidel. 1988. Р. 267- 308.
6. Favre, F. Iron reduction and changes in cation exchange capacity in intermittently waterlogged soil / F. Favre, D. Tessier, M. Abdelmaula and at. //Eur. J. Soil Sci. 2002. V. 53. P. 175-183.
7. McKeague, J.A. Dithionite-and oxalate-extractable Fe and Al as aids in differentiating various classes of soils / J.A. McKeague, J.H. Day //Can. J. Soil Sci. 1966. V. 46. P. 13-22.
8. Водяницкий, Ю. Н. Дискуссионные вопросы интерпретации результатов химической экстракции соединений железа из почв / Ю. Н. Водяницкий, С. А. Шоба // Почвоведение. - 2014. - № 6. - С. 697-704.
9. Водяницкий, Ю. Н. Биогеохимия железа в переувлажненных почвах (аналитический обзор) / Ю. Н. Водяницкий, С. А. Шоба // Почвоведение. - 2013. -№ 9. - С. 1047-1059.
10. Мотузова, Г. В. Действие растворов 0.1 н. серной кислоты, Тамма, Мера-Джексона на соединения железа в дерново-подзолистой почве / Г. В. Мотузова, А. К. Дегтярева, В. В. Морозов // Вестн. Моск. ун-та. - Серия 17. Почвоведение. -1991. - № 1. - С. 67-72.
11. Анциферова, О. А. Железомарганцевые конкреционные новообразования в почвах западной части Калининградской области / О. А. Анциферова // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. - 2014. - № 1. -С. 73-78.
12. Анциферова, О. А. Валовое железо в почвообразующих породах и почвах Замландского полуострова / О. А. Анциферова // Геохимия ландшафтов (к 100-летию А. И. Перельмана): Всероссийская научная конференция: материалы. - Москва, 20-22 октября 2016 г. - Москва, 2016. - С. 93 - 96.
13. Классификация и диагностика почв СССР / сост. В.В. Егоров [и др.]. -Москва: Колос, 1977. - 224 с.
Haynubiu wypnan «H3eecmuH KfTY», № 55, 2019 г.
REFERENCES
1. Duchaufour F. Osnovy pochvovedeniya, evolyutsiya pochv (opyt izucheniya dinamiki pochvoobrazovaniya) [Fundamentals of soil science, evolution of soil (experience of studying dynamics of soil formation)]. Moscow, Progress, 1970, 591 p.
2. Zonn S. V. Zhelezo v pochvakh [Iron in soils]. Moscow, Nauka, 1982,
206 p.
3. Vorobyova L. A. Khimicheskiy analiz pochv [Chemical analysis of soils]. Moscow, MGU Publ., 1998, 272 p.
4. Zeidelman F. R. Protsess gleyeobrazovaniya i yego rol' v formirovanii pochv [The process of gleying and its role in soil formation]. Moscow, MGU Publ., 1998, 316 p.
5. Schwertmann U. Occurrence and formation of iron oxides in various pedoen-vironment. Iron in soils and clay minerals, NATO, Dordrecht, Reidel., 1988, pp. 267- 308.
6. Favre F., Tessier D., Abdelmaula M. and at. Iron reduction and changes in cation exchange capacity in intermittently waterlogged soil. , 2002, vol. 53, pp. 175-183.
7. McKeague J.A., Day J.H. Dithionite-and oxalate-extractable Fe and Al as aids in differentiating various classes of soils. Can. J. Soil Sci., 1966, vol. 46, pp. 13-22.
8. Vodyanitsky Yu. N., Shoba S. A. Diskussionnyye voprosy interpretatsii rezu-l'tatov khimicheskoy ekstraktsii soyedineniy zheleza iz pochv [Discussion questions of interpretation of the results of chemical extraction of iron compounds from soils]. Pochvovedeniye, 2014, no. 6, pp. 697-704.
9. Vodyanitsky, Yu.N., Shoba S.A. Biogeokhimiya zheleza v pereuvlazhnen-nykh pochvakh (analiticheskiy obzor). [Biogeochemistry of iron in waterlogged soils (analytical review)]. Pochvovedeniye, 2013, no. 9, pp. 1047-1059.
10. Motuzova G. V., Degtyareva A. K., Morozov V. V. Deystviye rastvorov 0.1 n. sernoy kisloty, Tamma, Mera-Dzheksona na soyedineniya zheleza v dernovo-podzolistoy pochve [The action of 0.1 n. solutions of sulfuric acid, Tamm, Mera-Jackson on iron compounds in sod-podzolic soil]. Vestn. Mosk. un-that., ser. 17, Pochvovede-niye, 1991, no. 1, pp. 67-72.
11. Antsiferova O. A. Zhelezomargantsevyye konkretsionnyye novoobrazova-niya v pochvakh zapadnoy chasti Kaliningradskoy oblasti [Ferromanganese nodules in soils of the western part of the Kaliningrad region]. Vestnik Baltiyskogo federal'nogo universiteta im. I. Kanta, 2014, no. 1, pp. 73-78.
12. Antsiferova O. A. Valovoye zhelezo v pochvoobrazuyushchikh porodakh i pochvakh Zamlandskogo poluostrova [Gross iron in parent rocks and soils of the Zam-land Peninsula]. Materialy Vserossiyskoy nauchnoy konferentsii «Geokhimiya land-shaftov (k 100-letiyu A.I. Perel'mana)» [Materials of the All-Russian scientific conference "Geochemistry of landscapes (on the 100th anniversary of A.I. Perelman)"], Moscow, 2016, pp. 93-96.
13. Klassifikatsiya i diagnostika pochv SSSR [Classification and diagnostics of soils of the USSR]. Sost. V. V. Egorov i dr. Moscow, Kolos, 1977, 224 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Анциферова Ольга Алексеевна - Калининградский государственный технический университет; кандидат сельскохозяйственных наук, доцент;
Е-mail: anciferova@inbox. ru
Antsiferova Olga Alekseevna - Kaliningrad State Technical University; PhD in Agricultural Sciences, Associate Professor; E-mail: anciferova@inbox. ru
