CC BY
24
УДК 631.47
СОДЕРЖАНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СЕРЫ В МЕРЗЛОТНО-ТАЕЖНЫХ
ПОЧВАХ ПЛАТО ПУТОРАНА
Т.В. Пономарева
Институт леса им. В.Н.Сукачева СО РАН 660036 Красноярск, Академгородок, 50; e-mail: institute@forest.akadem.ru
В статье приведен анализ содержания и распределения различных форм серы в криомезоморфных почвах на северо-западе Среднесибирского плоскогорья (район исследования охватывает западный макросклон плато П у-торана). На Западном макросклоне плато Путорана повсеместно развиты криомезоморфные почвы - подбуры, которые формируются на хорошо дренированных участках (нагорных и надпойме нных террасах), на каменисто -мелкоземистых породах. Установлено, что средняя концентрация валовой серы в криомезоморфных почвах пл ато Путорана выше кларка в 1,5-2 раза и составляет в подбурах 1290 мг/кг. Максимальное количество валовой серы характерно главным образом для минеральных горизонтов. Высокие концентрации серы отмечаются в на д-мерзлотных горизонтах. Для исследованных почв свойственно высокое содержание минеральной и подвижной форм серы, что обусловлено как, экзогенным поступлением соединений серы, так и спецификой обр азования данных почв на сульфидосодержащих породах.
Ключевые слова: мерзлотные почвы, сера, лесные экосистемы
This report reviews analysis of the content and the distribution of various forms of su lphur in cryomesomorphic soils on the north-west of Middlesiberia plateau (area of investigation place on the west mountainside of plateau Putorana). Cryomesomorphic soils (“podburs”) are developed on the wes t mountainside of plateau Putorana everywhere. This soil type form on the good drain plots (mountainous and underflood -lands terraces), on the granitic rocks. It is established that average concentration of gross sulphur in cryomesomorphic soils higher than klark on 50-100 % and come to 1290 mg/kg. Maximum of gross sulphur is typical for mineral levels. High concentration of sulphur are significant in level above frozen earth. It is typical for this soils high content of mineral and mobil forms of sulphur. This fact are caused of exogenous entrance compounds of sulphur and specificity forming of this soil types on sulphide rocks.
Key words: soils, sulfur, forest ecosystems
ВВЕДЕНИЕ
Глобальный биогеохимический круговорот серы представляет собой сложную систему химических и биохимических процессов, в которых пр и-нимают участие соединения серы. Биогеохимич е-ские циклы природной серы связаны с ее содерж а-нием в породах, почвах, живых организмах (Рябо-шапко, 1983; Лукина, 1996). В настоящее время особую актуальность приобретает изучение круг о-ворота серы. В литературе широко обсуждается проблема поступления в атмосферу оксида серы (IV) и сероводорода, которые в больших конце н-трациях тормозят процессы анаэробного восстановления сульфатов и аэробного окисления сульфидов (Иванов 1983).
Сера в почвах представлена органическими и неорганическими соединениями, соотношение к о-торых 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 с о-единений, попадающих в почву с опадом, знач и-тельные поступления серы происходят с пы лью и кислотными дождями, причем с пылевой фракцией серы поступает в десятки раз больше, чем с атм о-сферными осадками (Иванов 1983; Израэль, 1989; Маслова, 2004).
Знание потенциальных возможностей почвы в
нейтрализации, аккумуляции и трансформации с о-единений серы необходимо для своевременного выявления и оценки тенденций изменения почве н-ных 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 сев е-ро-западе Среднесибирского плоскогорья (67 - 70° с.ш., 89 - 90° в.д.). Она охватывает горы западного макросклона плато Путорана. Климат контине н-тальный, гумидный с продолжительной холо дной 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 п о-кров района специфичен (Ершов,1992, 2004; Фоти-ев, 1974; Соколов, 1975). Согласно (Ершов,1999), территория отнесена к Западно-Путоранской горной провинции вертикально- и экспозиционнодифференцированной мезокомбинации подбуров, грануземов и таежных торфяно-перегнойных высо-
когумусных 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 (д о-леритов, базальтов и др.), имеющие разный г енезис и гранулометрический состав. Особенностью хим и-ко-минералогического состава траппов является обогащение их железомагнезиальными сил икатами и основными плагиоклазами и очень незначител ь-ное содержание кварца, высокое содержание кал ь-ция, магния и низкое - щелочных элементов и кремнезема (Ершов, 1992). Почвы, развитые на д е-риватах траппов, не имеют морфологически осве тленного (подзолистого) горизонта (даже при нал и-чии всех других факторов почвообразования, сп о-собствующих его формированию) (Ершов, 2004).
Криогенные процессы оказывают сущес твенное влияние на состав и свойства почв. В результате воздействия мерзлотных процессов, об условленных чередованием промерзания-протаивания, в профиле почв возникает целый комплекс механических д е-формаций почвенной массы, связанных с пучением, криотурбацией, морозобойным растрескиванием, криосолифлюкционными деформациями. Мерзло т-ные нарушения хорошо наблюдаются в морфолог и-ческом строении почв: гумусовые и минеральные клинья (языки-затеки), мерзлотные трещины и п о-лигональная поверхность почв, криогенная стру к-тура (сланцеватая, плитчатая) (Фотиев, 1974; Соко-
лов 1975; Ершов,1999).
По лесорастительному районированию район исследования относится к Путоранской горной л е-сорастительной 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 использова л-ся катенный метод исследования, который позволяет рассматривать цепочку сменяющих друг друга от водораздела к подножию склона геохимически с о-пряженных ландшафтов и приуроченных к ним почв. Объектом исследования послужили криоме-зоморфные почвы (рис.1). Катены в виде почвенноэкологических профилей закладывались с учетом охвата всего разнообразия почв и растительных сообществ от пойм рек до водораздельных повер х-ностей. На профилях выбирались участки для з а-кладки постоянных пробных площадей с ц елью 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 (Аринушк ина, 1970). Содержание валовой серы определялось объемным методом солями бария в присутствии мета л-лоиндикатора нитхромазо. Содержани я минеральной формы серы определяли в 0,2н солянокислой вытя ж-ке. Подвижную форму серу определяли в 0,2н растворе КС1, титрование в солевой вытяжке проводили тем же методом в присутствии свидетеля, для уст а-новки конца титрования (Айдинян, 1964).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В регионе повсеместно развиты криомезомор ф-ные почвы - подбуры, формирующиеся на хорошо
дренированных участках (нагорные и надпойме н-ные террасы) и каменисто-мелкоземистых породах. Гранулометрический состав почв варьирует от супеси до среднего суглинка с преобладанием фра к-ций 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 характер и-зуются высокой гидролитической кислотностью (33,5 - 61,6 ммоль/100 г) и низкой степенью насыщенности обменными основаниями в верхних гор и-зонтах. 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)
Г оризонт Г лубина, 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
вад 15-30 11,1 42,1 29,9 4,8 6,2 5,9 16,3
Б21' 30-51 5,6 22,9 40,6 10,3 14,8 5,8 30,9
ВС 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 рНн2 о Гумус, % ППП*, % Гидролитическая кислотность, ммоль /100 г Обменные катионы, ммоль/100 г Обменная кислотность по Соколову, моль /100 г Железо по Тамму, %
Са Мв2+ А13+ Н+
Оу 0-8 4,5 Не опр. 98,0 40,2 14,0 3,0 2,30 1,55 Не опр.
02 8-15 4,4 “ 78,0 61,6 29,0 4,0 7,55 0,35 “
В^ 15-30 5,8 3,7 Не опр. 11,2 13,7 2,8 2,13 0 3,1
В21' 30-51 6,2 2,6 “ 5,73 26,0 5,2 0,95 0 2,9
ВС 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 ма гний. Однако в отдельных органоминеральных горизонтах таежно-мерзлотных почв (при рН 4,2 - 4,7) значительную долю в ППК составляет обме нный алюминий (11,50 - 17,25 ммоль/100 г). Отмечено, что подкисление почвенной среды приводит к в ы-носу катионов из верхних горизонтов и мобилиз а-ции алюминия в почвах (Иванов, 1983).
В составе обменных катионов присутствует в о-дород, содержание которого в органогенных и о р-ганоминеральных 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 БИ,£, что обусловлено как иллювиально-альфегумусовым процессом, так и внутрипочвенным выветриванием (Ершов, 1992). Распределение органического вещ е-ства в профиле подбуров аккумулятивное с макс и-мумами в органогенных горизонтах. Содержание гумуса в горизонтах БИ и Б^ 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 типо-
морфным относятся элементы со сравнительно в ы-сокими кларками, образующие раств оримые или газообразные соединения этого элемента в ландша ф-тах). 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 гор изонтах.
В большинстве случаев только 20 % поступающей серы находится в круговороте почвой -растение. В почвах с преобладанием восстанов и-тельных условий сульфат-ион быстро восстанавливается сульфатредуцирующими микроорганизмами до сероводорода, который может связываться с и з-бытком железа и других катионов с образованием нерастворимых сульфидов (Лукина, 1996).
Проведен анализ распределения серы в почве н-ном профиле подбуров. Установлено, что средняя концентрация валовой серы в криомезомор фных почвах выше кларка в 1,5-2 раза, в подбурах составляет 1290 мг/кг (0,13 %). При этом отмечается уменьшение концентрации общей серы в орган о-минеральных горизонтах. Минеральная и подвиж-
ная 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 распредел е-ние минеральной серы по генетическим гор изонтам более равномерное.
Рисунок 2 - Распределение различных форм серы (валовой, резервной, минеральной и подвижной) по генетическим горизонтам в почвенном профиле подбуров (разрез 2П2 (а), 3П2 ( Ь) - ПЭП “Ирбэ”; разрез 5П1 (с) и 6П1 (а) - ПЭП “Глубокое”)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ содержания и распределения разли чных форм серы в мерзлотных почвах показал, что мак-
симальное количество общей серы характерно главным образом для минеральных горизонтов, что, по-видимому, связано с высоким содержанием эл е-мента в почвообразующих породах, а также с ми-
грацией сульфатов из верхних горизонтов в ни ж-ние. Длительное пребывание исследуемых почв в мерзлом состоянии препятствует вымыванию с о-единений серы из почвенного профиля. Выс окие концентрации серы отмечаются в на дмерзлотных горизонтах, в которых легкорастворимые сульфаты переходят в нерастворимые сульфиды.
Естественные геохимические барьеры (высок о-гумусные органогенные и органоминеральные, ог-леенные и мерзлые горизонты) почв обеспечив ают перевод части легкорастворимых соединений серы в труднорастворимые (резервные). При смене анаэробных условий аэробными происходит окисление сульфидов с образованием растворимых и мигр а-ционноспособных сульфатов, при обратной ситуации начинается образование плохо раствор имых сульфидов и иммобилизация металлов. Для крио-мезоморфных почв, характерно высокое содержание минеральной и подвижной форм, что обусловлено как экзогенным поступлением соед инений серы, так и сульфидосодержащими материнскими породами.
БИБ ЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Айдинян, Р.Х. Содержание и формы соединений с еры в различных почвах СССР и ее значение в обмене веществ между почвой и растением / Р.Х. Айдинян // Агрохимия. - 1964. - №10. - С. 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 СССР, 1957. 238с.
Водопьянова, Н.С. Растительность Путорана / Н.С. В о-допьянова // Флора Путорана. - Новосибирск: Наука, 1976. - С. 11-31.
Ершов, Ю.И. Основы теории почвообразования. - Красноярск: РИО КГПУ, 1999. - 383 с.
Ершов, Ю.И. Почвы предтундровых лесов Енисейского
Заполярья, подверженные аэропромышленным в ы-бросам 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 // Экол о-гогеографические проблемы сохранения и восст а-новления 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 знач е-ние атмосферной серы техногенного происхо жде-ния/ И.Я. Маслова // Сибирский Экологич еский 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 деятельно сти человека /
A.Г. Рябошапко. - М.: Наука, 1983. - C.170-253. Соколов, И.А. О почвах плато Путорана / И.А. Сок олов,
B.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.
Поступила в редакцию 15 мая 2007 г. Принята к печати 27 августа 2008 г.
