1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Лесоведение
  4. № 4, 2022

Лесоведение, 2022, № 4, стр. 411-418

Пространственная изменчивость элементного состава почв в катене Центрально-Лесного заповедника

П. Р. Енчилик a, И. Н. Семенков a, *

a МГУ им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, Ленинские горы, д. 1, Россия

* E-mail: semenkov@geogr.msu.ru

Поступила в редакцию 15.11.2021
После доработки 13.01.2022
Принята к публикации 02.02.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

В юго-восточной части Валдайской возвышенности исследован сопряженный ряд дерново-подзолистых и торфяно-подзолисто-глеевых почв. В торфяном (Т), органоминеральном (ao) и минеральном (BT) горизонтах изучена вариабельность физико-химических свойств (величины рН, содержания гранулометрических фракций и углерода органических веществ – Сорг) и элементного состава (валовое содержание и обменные, комплексные и специфически сорбированные формы As, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, La, Mn, Mo, Ni, Pb, Rb, Sb, Sr, Ti, U, W, Zn и Zr). Для показателей уровня “почва-память” (содержание Сорг, гранулометрических фракций и валового содержания химических элементов) и величины pH характерны низкие коэффициенты вариации (<30%) за исключением содержания крупного и среднего песка (>50%) и Сорг (>74%) в гор. ВТ. В гор. T повышена вариабельность валового содержания Bi, Co, Cr, Fe, La, Mn, Rb, Sr, Ti, U, W и Zr. Содержание подвижных форм элементов – показатели уровня “почва-момент” – имеет высокую вариабельность. При этом, вариабельность содержания обменных и специфически сорбированных соединений всех изученных элементов снижается с глубиной, а комплексных меняется слабее. Подвижность химических элементов имеет низкую вариабельность, поскольку больший вклад в значение этого показателя вносят не подвижные соединения, а валовое содержание.

Ключевые слова: пространственная неоднородность, кислотность, фракционирование, тяжелые металлы и металлоиды, потенциально токсичные элементы, лесные экосистемы.

Пространственная вариабельность химических свойств почв и концентрации форм элементов – результат разномасштабных почвенных процессов. Память почвы (soil record) отражает запись результата этих процессов в различных характеристиках профиля (Соколов, Таргульян, 1976), т.е. соответствие между наблюдаемыми факторами почвообразования и свойствами почв (Таргульян, Бронникова, 2019). К показателям “почва-память” относят гранулометрический состав, валовое содержание химических элементов и органического углерода почв (Сорг), которые медленно трансформируются или наследуются от материнской породы (Соколов, Таргульян, 1976). К показателям “почва-момент” относят динамические свойства, связанные с существующими в данный момент условиями (Таргульян, Соколов, 1978).

С антропогенным фактором почвообразования связано поступление в почву разнообразных веществ. Если по валовому содержанию элементов часто сложно диагностировать воздействие, то отдельные индикаторные соединения чутко реагируют на изменения. Обменные соединения, которые можно обозначить F1, являются самыми подвижными и легко доступными для растений. Комплексные соединения (F2) представлены в почве прежде всего фульватами и гуматами и отражают интенсивность биологического круговорота веществ и разложения мертвого органического вещества. Сорбированные оксидами Fe и Mn соединения (F3) подвижны лишь в глеевой обстановке, т. к. в кислородной среде входят в состав железомарганцевых конкреций. Все эти три группы соединений принято называть подвижными (Соловьев, 1989, Семенков и др., 2016, 2017, Minkina et al., 2018), т.е. способными участвовать в физико-химической и биогенной миграции в противовес трудно растворимым соединениям многих первичных минералов (F4), находящимся в почве в форме силикатов и оксидов.

Оценка вариабельности почвенных свойств востребована при планировании и анализе результатов мониторинга (Авдеева, Фрид, 2000; Fraterrigo, Rusak, 2008; Козлова, 2009), а также характеристики степени загрязнения по небольшому числу проб. Если вариабельность агропочв и агрономических показателей изучена достаточно подробно, то природным почвам посвящены единичные исследования (Шапорина и др., 2018). Ранее исследована вариабельность физических свойств (плотности, влажности, водопроницаемости) и химических (величины рН, валового состава, содержания обменных катионов) в разных генетических горизонтах дерново-подзолистых почв (Самсонова, 2008, 2014). Однако сравнительный анализ вариабельности элементного состава почвенных горизонтов не проводили. Кроме того, до сих пор дискуссионны методы оценки вариабельности почвенных свойств.

Цель работы – характеристика уровня вариабельности физико-химических свойств и элементного состава горизонтов текстурно-дифференцированных почв в юго-восточной части Валдайской возвышенности. В рамках нашего исследования мы проверяли две гипотезы:

1. От гор. T к гумусовому ao и текстурному BT вариабельность рассматриваемых показателей уменьшается за счет снижения неоднородности материала по мере ослабления педогенного преобразования;

2. Вариабельность показателей уровня “почва-память” ниже вариабельности показателей уровня “почва-момент”.

Настоящее исследование также востребовано в контексте эколого-геохимического мониторинга в Московском регионе, т.к. дает информацию о вариабельности свойств и элементного состава почв фоновых ландшафтов.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

Исследование проведено в Центрально-Лесном государственном природном биосферном заповеднике (ЦЛЗ), где почвообразующие породы обладают низкой водопроницаемостью (Пузаченко и др., 2007), что приводит к заболачиванию пониженных элементов рельефа и возникновению временных водотоков после сильных дождей даже в условиях слабого расчленения территории.

В южной части заповедной зоны ЦЛЗ исследована катена (рис. 1) от хорошо дренированной вершины холма с елово-липовым (Picea abies и Tilia cordata) лесом с примесью клена остролистного (Acer platanoides) и вяза шершавого (Ulmus glabra) (5Е + 4Л + 1К,В) на (1) грубогумусированных подзолистых глееватых почвах (Retisols по (IUSS Working Group WRB, 2014) со следующим набором генетических горизонтов по классификации 2004 года: O–ao–AYEL–ELf–BEL–BT–2BTca–2ВСg,ca–Cca. Выпуклый склон трансэлювиальной позиции также покрыт елово-липовым лесом с примесью клёна остролистного (5Л + 3Е + 1К), произрастающим на (2) дерново-подзолистых оглеенных почвах с горизонтами: О–ao–AYao–AYEL–ELf,g–BEL–BT–2BT(g)–2BC(g)–Cca. Трансаккумулятивно-супераквальный ландшафт заболоченной потяжины с временным водотоком занят ельником с ивой козьей (Salix caprea) (8Е + 2И,Л,К) на (3) торфянистых подзолистых оглеенных почвах (Stagnosols) со следующим набором горизонтов: T–EL–ELg–ELox–BELg–BT–2BTg–2G. Все почвы развиты на двучленных отложениях: покровных суглинках, подстилаемых моренными, местами остаточно карбонатными (Karavanova, Malinina, 2009; Пузаченко и др., 2007). Более детальное описание ландшафтов катены представлено в работе П.Р. Енчилик и др. (2020).

Рис. 1.

Схематический профиль катены. Элементарные ландшафты: A –автономный, ТЭ – трансэлювиальный, ТАС – трансаккумулятивно-супераквальный. Горизонты почв: О – органогенный, АY – гумусовый, EL – элювиальный, ВT – текстурный, С – почвообразующая порода. I – граница между покровными суглинками и моренными отложениями; II – верхняя граница вскипания от 10% HCl.

В девятикратной повторности в июне 2017 г. опробованы верхний горизонт (ao в дерново-подзолистых и Т в торфяно-подзолисто-глеевых) и нижний (BT) в пределах площадок 10 м2 (суммарно 54 пробы).

Величину pH измеряли в суспензии на pH-метре “Эксперт-рН” (Россия) в статических условиях, содержание Сорг – титриметрически по И.В. Тюрину, гранулометрический состав – на лазерном гранулометре “Analysette 22 comfort” (Fritsch, Германия) с выделением 7 гранулометрических фракций G1–G7, обозначенных в порядке увеличения размера частиц (в мкм): G1 – ил (<1); G2, G3 и G4 – мелкая, средняя и крупная пыль (5–1, 10–5 и 50–10 соответственно); G5, G6 и G7 – тонкий, средний и крупный песок (250–50, 500–250 и 1000–500). Подвижные соединения элементов извлечены по методике (Minkina et al., 2018) тремя параллельными вытяжками с инкубацией в течение 18 ч: ацетатно-аммонийный буфер (соотношение почва : раствор 1 : 5, pH 4.8), ацетатно-аммонийный буфер (ААБ) с 1% трилоном Б (соотношение почва : раствор 1 : 5, pH 4.5) и 1 M HNO3 (соотношение почва : раствор 1 : 10). Раствором ААБ экстрагированы обменные соединения (F1). Разница между содержанием элементов в вытяжке ААБ + 1% трилона Б и ААБ характеризует долю комплексных соединений (F2). Разница в содержании элементов в 1 М HNO3 и ААБ соответствует специфически сорбированным (связанным с оксидами Fe и Mn) соединениям (F3). Подвижность рассчитана как отношение суммы содержаний непрочно связанных соединений элемента (F1 + F2 + F3) к валовому. Содержание элементов в почвах и почвенных вытяжках измеряли методами масс-спектрометрии и атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS и ICP-AES) на приборах “Elan-6100” и “Optima-4300 DV” соответственно с двойной повторностью в 5% проб и анализом холостых проб экстрагентов. Для определения валового содержания элементов образцы почв разлагали путем кислотного вскрытия смесью HClO4, HF и HNO3 в открытой системе (Карандашев и др., 2016).

Медианные значения показателей и значимость различий между выборками в гор. ao и BT рассчитаны с помощью Т-критерия Уилкоксона в программном пакете Statistica. Коэффициенты вариации (Cv, %), посчитанные в программном пакете Statistica, разделены на следующие градации: очень высокие (>80%), высокие (50–80%), средние (30–50%), низкие (10–30%), очень низкие (<10%). Соответствие (лог)нормальному распределению оценено с использованием критерия Уилка-Шапиро в программе “R” с использованием в качестве порогового уровня значимости p = 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Физико-химические характеристики и уровни содержания элементов. Дерново-подзолистые и торфяно-подзолисто-глеевые почвы катены по гранулометрическому составу относятся к суглинистым (табл. 1). Во всех почвах с глубиной значения pH увеличиваются, а содержание углерода органических веществ значимо уменьшается (табл. 1), что типично для почв таежной зоны.

Таблица 1.  

Медианные значения и Cv (%) химических свойств, содержания химических элементов в горизонтах почв

Позиция Вся выборка Автономный вершины холма Трансэлювиальный склона холма Трансаккумулятивно-супераквальный потяжины
горизонт  ao (n = 18) BT (n = 27) ao (n = 9) BT (n = 9) ao (n = 9) BT (n = 9) T (n = 9) BT (n = 9)
медиана Cv медиана Cv медиана Cv медиана Cv медиана Cv медиана Cv медиана Cv медиана Cv
Гранулометрические фракции, % G7 0.4* 100 0* – 0.1* 100 0* – 0.4* 100 <0.1 – – – <0.1 –
G6 6.3* 75 4* 100 6.4 92 4.6 100 6.3 60 12 51 – – 0.1* 100
G5 37* 12 26 20 37 8 26 19 37 15 23 17 – – 28 24
G4 38* 18 33* 37 40 13 29 15 38* 22 25* 22 – – 55 8
G3 7 20 9.7* 32 8 14 10 14 7 24 10 12 – – 5* 24
G2 8* 21 19* 42 8 16 21 16 8 26 20 13 – – 7 19
G1 1.4 24 6.3* 32 1.4 17 6.9 12 1.3 31 6.3 9 – – 3.1* 18
pH 5.2 9 5.3 9 5.1 9 4.8 8 5.4 8 5.8 5 4.4 5 5.1 5
Сорг, % 19 27 0.06 100 20 26 0.1 74 18 29 0.1 74 – – 0.1* 100
Валовое содержание, мг/кг As 2.2 29 2.7 23 2.3 30 2.5 21 2.1 30 3.1 18 0.8 48 2.6 28
Bi 0.3 37 0.2* 100 0.4 34 0.2* 100 0.3* 39 0.2* 100 0.2* 100 0.1* 100
Cd 0.9 28 0.2* 25 1 29 0.2* 25 0.9 26 0.2 23 0.6 45 0.1 27
Co 6.8 46 8.8 16 6.5 49 8.8 13 6.9 46 9 13 1.7* 66 7.3 17
Cr 21 14 42 20 20 12 43 11 21 14 45 14 7* 91 30* 11
Cu 12* 20 20 14 11.7 25 21 8 12 13 22 10 10 18 17 11
Fe 5000 25 14 800 15 4700 19 16100 9 6800 25 15600 9 3000* 76 12 000 10
La 17 18 32 10 15 18 31 8 18 14 31 7 7* 78 36 3
Mn 1400* 45 700* 25 1500 53 600 27 1300 18 800 25 100* 92 800 22
Mo 0.7 25 0.4 26 0.8 22 0.4 12 0.6 17 0.4 18 0.4 21 0.3 23
Ni 10* 31 21 23 10.2 14 20.4 14 9.7* 42 24 17 5.1* 49 15.1 20
Pb 38 24 15 7 44 26 16 8 36 14 15 8 34 38 15 4
Rb 44 20 74 10 44 18 80 5 48 21 77 7 7.6* 100 65* 4
Sb 0.9 29 0.3* 79 1.1 25 0.3* 98 0.7 26 0.3 14 0.6 32 0.2 10
Sr 67* 18 99 12 66* 19 90 11 70 17 90 10 23* 79 108 4
Ti 1950 23 3100 8 1700 22 3100* 8 2100* 21 2900 9 200* 100 3100 7
U 1.3 14 1.7* 16 1.2 13 1.6 8 1.4 8 1.6 7 0.5 58 2.2 6
W 0.7 19 0.7 16 0.8 17 0.8 7 0.6 18 0.8 13 0.2* 53 0.6 14
Zn 94* 27 56 26 99 28 66 11 83 21 56 17 36 21 38 10
Zr 230* 24 267* 27 209 25 260 7 244* 22 225 10 14* 100 395 17
Обменные соединения, мг/кг As 0.07* 100 <0.008 – 0.05 100 <0.008 – 0.08* 100 <0.008 – <0.008 – <0.008 –
Bi 0.02* 35 <0.0001 – 0.02 31 <0.0001 – 0.02 39 <0.0001 – 0.02* 53 <0.0001 –
Cd 0.5 34 0.01* 49 0.5 38 0.01* 49 0.5 31 0.01* 36 0.4 20 0.01 53
Co 1.1* 100 0.02* 61 0.8* 100 0.03 50 1.4* 100 0.01* 35 0.6 37 0.02* 33
Cr <0.001 – 0.08* 52 <0.001 – 0.11 55 <0.001 – 0.05* 60 0.06* 100 0.1 24
Cu 0.3* 55 0.4* 44 0.3* 70 0.4* 48 0.3* 28 0.3 24 0.4 45 0.5* 36
Fe 18* 100 47 56 15* 100 49 43 19* 96 24 68 55 87 67 35
La 0.1* 100 3.3* 41 0.2* 100 5.7 36 0.1* 100 2.7 26 0.4 44 3.1 11
Mn 2131 45 7.2* 42 2164 53 7 32 2041 35 6 24 69* 98 8 42
Ni 0.7* 52 0.5* 40 0.7 28 0.4* 44 0.4* 75 0.6 40 0.6 31 0.5* 33
Pb 5.4 48 0.4* 38 5.5 52 0.6 29 5.2* 46 0.5 30 8.2 36 0.3 15
Rb 2.2 54 0.7 26 2.5 48 0.8 23 1.5 54 0.7 20 3.3 37 0.6 20
Sr 15 30 4.6 21 15 35 5 9 17 27 5 14 16 18 3* 19
Ti 0.24* 70 <0.004 – 0.32* 79 <0.004 – 0.23 51 <0.004 – 0.14 87 <0.004 –
U 0.04* 97 0.09 20 0.04* 100 0.08* 20 0.04* 88 0.1* 16 0.08 70 0.08 25
Zn 22 43 0.7 43 27* 49 0.4* 48 19 36 1 40 9 37 1* 25
Zr 0.02* 89 0.03* 68 0.03* 92 0.02* 47 0.02* 88 0.04* 63 0.04 56 0.04 47
Комплексные соединения, мг/кг As 0.2 26 0.09 21 0.2 30 0.1 18 0.2 23 0.1 24 0.3 44 0.1 14
Bi 0.1 35 0.01* 35 0.2 25 0.01* 13 0.1 29 0.01* 48 0.1 33 0.01* 40
Cd 0.3 37 0.05* 66 0.3 36 0.03* 100 0.2 35 0.06 45 0.2 23 0.05 59
Co 3.3 51 3.1 21 4.1 56 3.1 22 3.1 46 3.4 18 0.7 28 2.7 19
Cr 1.3* 31 0.2* 68 1.3 38 0.1 63 1.3 11 0.2* 78 0.3* 43 0.3 36
Cu 4* 35 0.8 46 4* 46 0.5 68 4 21 0.9 20 5 15 1* 36
Fe 1558 25 326 31 1587 29 366 18 1439 22 239 29 3937 40 385 27
La 1.5* 95 1.6 35 1.6 59 1.4 39 1.3* 96 1.7* 35 4 36 1.8 20
Mn 1253* 57 280 41 1623 51 222 49 926* 60 323 22 15 58 347 39
Mo 0.03 37 0.03* 28 0.03 41 0.03* 27 0.03* 32 0.03 24 0.03* 58 0.02* 36
Ni 2.8 38 2.39 66 3.1 27 1* 100 2.1* 49 3.2 42 2.4 15 2.8 50
Pb 25 32 2.2* 34 36 31 2 28 23 16 3* 25 21 30 2 14
Sb 0.01* 100 <0.0005 – 0.01* 85 <0.0005 – <0.0005 – <0.0005 – 0.02 86 <0.0005 –
Ti <0.002 – 2* 76 <0.002 – 4.5 76 <0.002 – 1.5 30 <0.002 – 3.9 35
W 0.01* 94 0.01* 57 0.01* 50 0.01* 67 <0.0008 – 0.01* 3 <0.001 – 0.01* 38
Zn 29 51 0.7 53 30* 51 0.4 74 28 48 1 42 10* 43 0.7* 26
Zr 0.1 48 2.6 14 0.1 55 2.6 9 0.1 44 2.5 21 0.1 65 2.7 12
Сорбированные гидроксидами Fe и Mn соединения, мг/кг As 0.4 31 0.06* 100 0.4 27 0.02* 100 0.4 35 0.05* 97 0.2 56 0.14* 56
Bi <0.0001 – 0.01* 44 <0.0001 – 0.02* 24 <0.0001 – 0.01* 45 <0.0001 – 0.01* 38
Cd 0.3 45 0.02* 46 0.3 49 0.02* 66 0.3 38 0.03 34 0.2 38 0.02* 39
Co 3.1* 61 1.1 24 3.1 69 0.9 18 3 56 1.4 15 0.2 49 1 24
Cr 0.7 68 3 18 0.5 75 2.6 23 0.7 61 3.1 14 <0.001 – 3.2* 13
Cu 3.8* 43 2.4* 17 3.8* 55 2.4* 26 3.9 26 2.3 8 4.2 17 2.8 11
Fe 1362 37 2328 19 1205 33 2163 15 1773 34 1911 18 1885 40 2611 14
La 2* 97 8.1* 24 1.9 63 7.5 33 2* 100 9.3 17 3.3 46 6.9* 10
Mn 947 85 79 34 1002 68 48* 26 387 97 90 20 5 94 93 28
Ni 2.7 39 2.4 45 3.1 29 1.6* 56 2.1 50 3.1 29 1.9 21 2.4 29
Pb 24* 35 3 23 28 37 3.4 20 23 9 3.1 25 16 34 2.5 19
Rb 0.1* 100 <0.001 – 0.1* 100 <0.0001 – 0.3 83 <0.0001 – <0.0001 – 0.1 53
Sb 0.01* 100 <0.001 – 0.02 85 <0.001 – <0.001 – <0.001 – <0.001 – <0.001 –
Sr 7.9 74 1.1 58 8 75 0.55 52 7 73 1 72 8 39 1.5 27
Ti <0.002 – 13 47 <0.002 – 12* 40 <0.002 – 10 25 <0.002 – 23 17
U 0.03 74 0.1 14 0.02 84 0.1 17 0.03 62 0.1 14 0.06 45 0.1* 9
W 0.01* 57 0.01* 29 0.01 53 0.01* 30 0.01* 57 0.01* 10 0.01* – 0.01* 38
Zn 32 49 8.2 18 34 49 9 17 28 48 8 14 10 42 7 14
Zr 0.1 53 0.5* 29 0.07 70 0.4 13 0.09 34 0.5 26 0.01* 100 0.7 22
Подвижность, % As 33 24 5.4 49 33 24 5.3 24 33 24 4.2 41 43 90 10 28
Bi 59 21 15* 40 62* 19 19* 38 52 21 13 44 88* 32 15* 40
Cd 100* 10 55 35 100* 13 38 47 100* 4 57 24 100* 0 67 30
Co 100* 7 50 15 100* 9 45 13 100* 6 52 13 92* 33 52 13
Cr 10* 25 8 28 10* 23 6.2 20 8.1 26 7.8 15 5.7 24 10 6
Cu 69 17 18 25 68 22 16 20 70 13 18 12 95* 13 25 8
Fe 53* 26 18 30 54* 28 17 12 52* 26 15 23 100* 19 25 16
La 25* 72 43 17 27 52 47 10 19* 89 45 10 100* 28 33 8
Mn 100* 0 50* 30 100* 0 46 18 100* 0 60 20 56 70 51 38
Mo 4.5 22 8.1* 44 4.5 27 6.8* 62 4.5 17 6.8 27 7.9* 100 9.1* 29
Ni 65 33 29 43 69 23 13* 66 50 42 30 22 95* 27 35 26
Pb 100* 0 38 18 100 0 39* 12 100* 0 43 16 100* 0 31 10
Rb 5.4* 69 1 16 5.6 68 1.1* 20 3.5 55 1 14 50 53 1 10
Sb 2* 96 <0.01* – 2.7 82 <0.01* – 1* 100 <0.01* – 2.7* 100 <0.01* –
Sr 36 38 6 24 34 36 6 13 38 41 7 18 100* 29 4.4* 23
Ti 100* 24 0.6* 100 100* 23 0.6* 100 100* 27 0.4 22 100* 72 0.8 16
U 5.9* 61 13 20 5.3* 73 14 8 6.3 50 14 15 39 36 10 13
W 2.5* 80 2.8* 31 2.7* 68 2.7* 43 1.7 98 2.7 17 <0.06* – 3.3 21
Zn 86* 15 18 24 88 12 15 20 86 19 18 20 85 21 23 11
Zr 0.1* 67 1.1 22 0.1* 88 1.2* 9 0.1 38 1.4 16 1 75 0.9 15
Диапазоны значений Cv
  >80%
50–80%
30–50%
10–30%
<10
  Содержание элементов ниже предела обнаружения во всех проанализированных повторностях

Примечание. Показатели, отличающиеся значимо более высоким содержанием в соответствующем горизонте почв по парному Т-критерию Уилкоксона, выделены полужирным (p < 0.05) и полужирным курсивом (p < 0.01). Звездочкой (*) отмечены показатели с логнормальным законом распределения; распределение остальных показателей удовлетворяет нормальному закону. Содержание обменных форм Mo (2), Sb (1), W (1), комплексных Rb (0.4), Sr (6), U (0.1) и сорбированных Mo (2) ниже предела обнаружения во всех пробах (мкг/кг). Содержание обменных форм Mn выше, чем валовых, что можно объяснить природной вариабельностью элементного состава почв.

В гор. ao изученных почв относительно гор. BT повышено валовое содержание Mn и Pb, понижено – Co, Cr, Cu, Fe, La, Mo, Ni, Rb, Sr, Ti, U, Zn, Zr. Гор. ao и T значимо (табл. 1) обогащены обменными соединениями Pb, Rb, Sr, Zn, только гор. ao – As, Mn, Ti. В горизонте ao увеличивается содержание комплексных соединений Co, Mn, Pb, Zn, в Т-горизонте – содержание Pb и Zn.

В горизонте BT снижается содержание Co, Fe и Zr. Повышенные значения сорбированных гидроксидами Fe и Mn соединений обнаружены для Pb и Zn в горизонте ao (табл. 1) и Ti в горизонте BT потяжины, а пониженные – для Mn в торфе и Sr в горизонтах BT.

Высокая подвижность элементов наблюдается в верхних горизонтах почв. Наибольшей подвижностью (>50%) отличаются Bi, Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Ti, Zn; наименьшей (<10%) – Cr, Mo, Sb, W, Zr. К нижележащему минеральному гор. BT подвижность всех элементов, кроме W, уменьшается.

Характер распределения значений изученных показателей. В горизонтах почв междуречья и склонов нормально распределены показатель pH и содержание Сорг, большинства гранулометрических фракций и химических элементов. Их распределение сменяется на логнормальное в торфе за счет увеличения его неоднородности и более интенсивного накопления ряда веществ на латеральном биогеохимическом барьере. При этом в гор. ВТ почв потяжины сохраняется нормальность распределения рассматриваемых показателей.

Содержание обменных соединений большинства элементов в гор. ao и BT всех исследуемых ландшафтов имеет логнормальное распределение. Нормальное распределение во всех горизонтах наблюдается только у содержания Rb и Sr, в гор. ao и T – у Cd и Pb, в гор. BT – у Fe и U.

Содержание комплексных соединений большинства элементов в гор. ao и T по всей совокупности образцов имеет логнормальное распределение. Нормальное распределение свойственно только содержанию Bi и Pb. В гор. BT нормально распределено содержание комплексных соединений As, Cu, Fe, La, Mn, Ni, Zn, Zr. Для сорбированных гидроксидами Fe и Mn соединений характерна схожая ситуация.

Нормальное распределение имеют значения подвижности As, Cr, Cu, Ni во всех исследуемых горизонтах, Bi – в органоминеральных горизонтах, As, Cd, Co, Fe, La, Rb, Sr, U, Zn, Zr – в гор. BT.

Уровни вариабельности. Содержание Сорг в почвах значительно снижается с глубиной вплоть до нижнего предела обнаружения, поэтому вариабельность этого показателя, низкая в гор. ao (26–29%), увеличивается в гор. BT (74–100%; табл. 1). В гор. ao и BT содержание пылеватых и илистой фракций варьируют слабо (Cv = 10–30%), а крупного и среднего песка – сильно из-за близости к нижнему пределу обнаружения, что для крупного песка также наблюдали в гор. BТ агросерых почв Брянского ополья (Кротов, Самсонова, 2009).

Величина pH хоть и относится к показателям уровня “почва-момент” характеризуется низкими значения Cv во всех исследуемых горизонтах (5–9%; табл. 1), что согласуется с данными по пахотному P горизонту агро-дерново-подзолистых почв базы “Чашниково” (Московская область), где у величины рН Cv = 4–11% на участке 200 × 200 м (Самсонова, Мешалкина, Дмитриев, 1999; Самсонова, Мешалкина, 2014). Низкая пространственная изменчивость показателя pH отмечена и в других работах (Fu et al., 2013; Bogunovic et al., 2014; Reza et al., 2017).

В гор. ao Cv валового содержания большинства элементов ниже 30%. Средняя и высокая вариабельность свойственна только содержанию Bi, Co, Mn, Ni. В гор. BT Cv содержания большинства элементов опускается ниже 30% (в том числе Cv < 10% для содержания Cu, Fe, La, Pb, Rb, Ti, U) за исключением Bi (Cv > 80%) в обеих рассмотренных позициях и Sb (98%) в автономном ландшафте. В гор. T торфяно-подзолисто-глеевых почв подчиненного ландшафта Сv валового содержания многих элементов существенно увеличивается (табл. 1). Это обусловлено повышенной неоднородностью торфяных почв (Beckwith et al., 2003; Wang et al., 2020), что также подтверждает высокая пространственная изменчивость зольности торфяных олиготрофных глеевых почв северо-востока Сахалина (Липатов и др., 2017).

В гор. ao и T вариабельность максимальна у содержания обменных соединений As, Co, Cr, Fe, La, U, Zr, Pb и Mn. (табл. 1). Высокая пространственная изменчивость содержания обменного Pb (Cv = 75%) отмечена в дерново-подзолистой почве Ленинградской области (Витковская, 2011). В поверхностных горизонтах исследуемых почв ЦЛЗ низкие Cv обнаружены только у содержания обменного Cd в потяжине, Cu на склоне и Sr во всех ландшафтах. В дерново-подзолистой почве Ленинградской области (Витковская, 2011) пространственная изменчивость содержания Cu и Cd была несколько выше (Сv = 33%). В гор. BT всех выборок выявлена средняя и низкая вариабельность содержания обменных форм элементов (табл. 1).

Пространственная неоднородность содержания комплексных соединений слабее отличается по горизонтам почв ЦЛЗ. Она очень высока у комплексных соединений элементов с низким содержанием (Rb, Sb, Sr). Ее высокие значения прослеживаются в гор. ao у Co, La, W, Zn, Zr, а также у Mn (51–60%) в поверхностных горизонтах всех почв. В гор. BT неоднородность содержания комплексных соединений снижается (<30%) у Co, Mo, Sb и Zr. Средней и низкой изменчивостью содержания комплексных соединений во всех исследуемых горизонтах почв характеризуются As, Bi, Fe, Ni, Pb.

Вариабельность соединений фракции F3 контрастно дифференцирована по горизонтам (табл. 1). Так, гор. ao и T отличаются (очень) высокой вариабельностью содержания сорбированных соединений Mn, Rb, Sb, Co, Cr, La, Sr, W, Zr. Более низкая изменчивость содержания характерна для меньшего числа элементов (Cd, Cu, Ni, Fe, Pb, Zn) во всех позициях рельефа. Снижение вариабельности содержания сорбированных форм в гор. BT характерно для Co, Cr, Cu, Fe, La, Pb, U, W, Zn, Zr.

Вариабельность Cu (35%), Ni и Zn (28%) сопоставима с данными по сорбированным формам элементов в пахотных горизонтах агросерых почв Брянского ополья (Карпухина и др., 2012). В гор. BT Cv снижаются до низких значений у содержания сорбированных соединений Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Pb, U, Zn, Zr. Высокая вариабельность характерна только для содержания As (56–100%).

Таким образом, показатели “почва-момент” имеют более высокую вариабельность, чем показатели “почва-память”. Данную закономерность отмечали ранее (Самсонова, Мешалкина, Дмитриев, 1999; Самсонова, Коротков, Лавринова, 2017; Самсонова, 2008). По значениям коэффициента Cv физико-химические свойства серых лесных и дерново-подзолистых почв Выгоничского района Брянской области выстраивались в ряд: рН (11%) < < гумус (33%) < доступные P и K (44–49%) (Самсонова, Коротков, Лавринова, 2017; Самсонова, 2008).

Cv значений подвижности Cr, Cu, Fe и Zn во всех рассматриваемых горизонтах менее 30% (табл. 1). Значения подвижности Rb, Sb, W, Zr имеют Cv > 50% в гор. ao и T; La – в гор. AY; As, Mn, Mo и Ti – в гор. T. Высокая пространственная неоднородность значений подвижности в гор. ao и T объясняется значительным вкладом непрочно связанных (F1, F2, F3) соединений в значениях показателя, что позволяет отнести подвижность в поверхностных горизонтах к уровню “почва-момент”.

В гор. BT изменчивость значений подвижности снижается, не превышая 30% у Co, Cr, Cu, Fe, La, Pb, Rb, Sb, Sr, U, Zn и Zr. Высокие и средние значения Cv имеет только значение подвижности Ti и As (Cv < 100%), Mo, Ni, Bi и Cd (<70%). Снижение Cv значений подвижности в гор. BT, где преобладают прочно связанные соединения, позволяет рассматривать ее в минеральных горизонтах в качестве показателя уровня “почва-память”.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В гор. T и ao почв катены Центрально-Лесного заповедника нормальное распределение характерно для показателя pH и содержания Сорг, а также валового содержания большинства изученных элементов в автономном и склоновом ландшафте. Содержание трех подвижных форм соединений и как следствие подвижность большинства элементов соответствуют логнормальному распределению в гор. ao и T и в меньшей степени в гор. ВТ.

В большинстве случаев для показателей уровня “почва-память” характерны низкие значения коэффициента Cv. Лишь вариабельность содержания Сорг возрастает в гор. BT. Для валового содержания Bi, Co, Cr, Fe, La, Mn, Rb, Sr, Ti, U, W и Zr она высока в гор. T подчиненного ландшафта. В гор. BT всех изученных почв катены значения Cv минимальны.

Показатели уровня “почва-момент” обладают повышенной вариабельностью за исключением величины рН. Вариабельность содержания обменных и сорбированных гидроксидами Fe и Mn соединений снижается от поверхностных горизонтов к текстурному, а комплексных соединений остается неизменной.

Значение подвижности химических элементов обладает низкой вариабельностью. При этом, последняя увеличивается в поверхностных горизонтах ao и T, что позволяет рассматривать ее в качестве показателя уровня “почва-память” в минеральных горизонтах, где преобладают прочно связанные соединения, и уровня “почва-момент” в поверхностных горизонтах, где повышен вклад непрочно связанных соединений в значение показателя.

Список литературы

  1. Авдеева Т.Н., Фрид А.С. Неоднородность плодородия почвенного покрова и ее учет при проведении полевых опытов // Современные проблемы почвоведения. Научные труды Почвенного ин-та им. В.В. Докучаева. М., 2000. С. 337–346.

  2. Витковская С.Е. Пространственная изменчивость параметров плодородия дерново-подзолистой почвы в полевых опытах // Агрофизика. 2011. № 2. С. 19–25.

  3. Енчилик П.Р., Семенков И.Н., Асеева Е.Н., Самонова О.А., Иовчева А.Д., Терская Е.В. Катенарная биогеохимическая дифференциация в южно-таежных ландшафтах (Центрально-Лесной заповедник, Тверская область) // Вестник Московского университета. Серия 5. География. 2020. № 6. С. 121–133.

  4. Карандашев В.К., Хвостиков В.А., Носенко С.Ю., Бурмий Ж.П. Использование высокообогащенных стабильных изотопов в массовом анализе образцов горных пород, грунтов, почв и донных отложений методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2016. Т. 82. № 7. С. 6–15.

  5. Карпухина Н.Ю., Карпухин М.М., Самсонова В.П., Кротов Д.Г. Пространственная изменчивость содержания тяжелых металлов в агросерой почве в масштабе сельскохозяйственного угодья // Агрохимия. 2012. № 8. С. 57–65.

  6. Козлова А.А. Сезонные изменения некоторых свойств почв Южного Предбайкалья, развитых в условиях реликтового микрорельефа // Вестник КрасГАУ. 2009. № 11(38). С. 30–34.

  7. Кротов Д.Г., Самсонова В.П. Пространственная изменчивость гранулометрического состава агросерых почв и агросерых со вторым гумусовым горизонтом // Вестник МГУ. Сер. 17. Почвоведение. 2009. № 1. С. 19–23.

  8. Липатов Д.Н., Щеглов А.И., Манахов Д.В., Завгородняя Ю.А., Розанова М.С., Брехов П.Т. Пространственное варьирование свойств торфяных почв в нефтегазодобывающем регионе на северо-востоке о. Сахалин // Почвоведение. 2017. № 7. С. 874–885.

  9. Пузаченко Ю.Г., Желтухин А.С., Козлов Д.Н., Кораблев Н.П., Федяева М.В., Пузаченко М.Ю., Сиунова Е.В. Центрально-Лесной государственный природный биосферный заповедник. Популярный очерк. М.: Деловой мир, 2007. 84 с.

  10. Самсонова В.П. Пространственная изменчивость почвенных свойств: на примере дерново-подзолистых почв. М.: Изд-во ЛКИ, 2008. 156 с.

  11. Самсонова В.П., Кротов Д.Г., Лавринова Е.Ю. Пространственная изменчивость агрохимических свойств сельскохозяйственных угодий Брянской области // Агрохимия. 2017. № 7. С. 11–18.

  12. Самсонова В.П., Мешалкина Ю.Л. Оценка роли рельефа в пространственной изменчивости агрохимически важных почвенных свойств для интенсивно обрабатываемого сельскохозяйственного угодья // Вестник МГУ. Сер. 17. Почвоведение. 2014. № 3. С. 36–44.

  13. Самсонова В.П., Мешалкина Ю.Л., Дмитриев Е.А. Структуры пространственной вариабельности агрохимических свойств пахотной дерново-подзолистой почвы // Почвоведение. 1999. № 11. С. 1359–1366.

  14. Семенков И.Н., Касимов Н.С., Терская Е.В. Латеральное распределение форм металлов в тундровых, таежных и лесостепных катенах Восточно-Европейской равнины // Вестник МГУ. Серия № 5 География. 2016. № 3. С. 29–39.

  15. Семенков И.Н., Касимов Н.С., Терская Е.В. Поведение форм металлов в зональных почвенно-геохимических катенах // Геохимия ландшафтов. К 100-летию со дня рождения Александра Ильича Перельмана / Под ред. Н.С. Касимова, А.Н. Геннадиева. АПР Москва. 2017. С. 97–144.

  16. Соколов И.А., Таргульян В.О. Взаимодействие почвы и среды: почва–память и почва–момент // Изучение и освоение природной среды. М.: Наука, 1976. С. 150–164.

  17. Соловьев А.Г. Использование комплексных вытяжек для определения доступных форм микроэлементов в почвах // Мониторинг фонового загрязнения природных сред. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. Вып. 5. С. 216–227.

  18. Таргульян В.О., Бронникова М.А. Память почв: теоретические основы концепции, современное состояние и перспективы развития // Почвоведение. 2019. № 3. С. 259–275. https://doi.org/10.1134/S0032180X19030110

  19. Таргульян В.О., Соколов И.А. Структурный и функциональный подход к почве: почва-память и почва-момент // Математическое моделирование в экологии. М.: Наука, 1978. С. 17–33.

  20. Шапорина Н.А., Чичулин А.В., Чумбаев А.С. Пространственная вариабельность  водно-физических свойств темно-серой  лесной почвы в условиях Предсалаирья // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2018. № 10. С. 144–149.

  21. Beckwith C.W., Baird A.J., Heathwaite A.L. Anisotropy and depth related heterogeneity of hydraulic conductivity in a bog peat: I. Laboratory measurements. Hydrol. Process. 2003. № 17. P. 89–101. https://doi.org/10.1002/(ISSN)1099-108510.1002/hyp.v17: 110.1002/hyp.1116

  22. Bogunovic I., Mesic M., Zgorelec Z., Aurisic J., Bilandzija D. Spatial variation of soil nutrients on sandy-loam soil. Soil & tillage research. 2014. V. 144. P. 174–183.

  23. Fraterrigo J.M., Rusak J.A. Disturbance-driven changes in the variability of ecological patterns and processes. Ecol Lett. 2008. V. 11. P. 756–770.

  24. Fu W., Zhao K., Jiang P., Ye Z., Tunney H., Zhang C. Field-scale variability of soil test phosphorus and other nutrients in grasslands under long-term agricultural managements. Soil Res. 2013. V. 51. P. 503–512.

  25. IUSS Working Group WRB. 2015. World Reference Base for Soil Resources 2014, update 2015 International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports. № 106. FAO, Rome.

  26. Karavanova E.I., Malinina M.S. Spatial Differentiation of the Chemical Composition of Solid and Liquid Phases in the Main Soil Types of the Central Forest State Natural Biospheric Reserve. Eurasian Soil Science. 2009. V. 42. № 7. P. 725–737. https://doi.org/10.1134/S1064229309070035

  27. Minkina T., Mandzhieva S., Burachevskaya M., Bauer T., Sushkova S. Method of determining loosely bound compounds of heavy metals in the soil. MethodsX. 2018. V. 5. P. 217–226. https://doi.org/10.1016/j.mex.2018.02.007

  28. Reza S.K., Nayak D.C., Mukhopadhyay S., Chattopadhyay T., Singh S.K. Characterizing spatial variability of soil properties in alluvial soils of India using geostatistics and geographical information system. Arch Agron Soil Sci. 2017. V. 63(11). P. 1489–1498.

  29. Wang M., Liu H., Zak D., Lennartz B. Effect of anisotropy on solute transport in degraded fen peat soils. Hydrol. Process. 2020. V. 34(9). P. 2128–2138. https://doi.org/10.1002/hyp.v34.910.1002/hyp.13717

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Лесоведение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал