1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Почвоведение
  4. № 12, 2021

Почвоведение, 2021, № 12, стр. 1481-1491

Характеристика мелкозема и ортштейнов агрогенных почв южной части Приморского края: физико-химические, оптические свойства, каталазная и каталитическая активность

Л. Н. Пуртова a, Я. О. Тимофеева a, *

a Федеральный научный центр биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН
690022 Владивосток, пр-т 100 лет Владивостоку, 159, Россия

* E-mail: timofeeva@biosoil.ru

Поступила в редакцию 26.03.2021
После доработки 12.05.2021
Принята к публикации 31.05.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

На основе комплексного изучения двух типов почв, широко используемых в системе земледелия региона, с активным проявлением процесса ортштейнообазования установлены различия физико-химических, оптических свойств и параметров биологической активности. Уровень обогащенности каталазой исследованных почв был низким. Почвы с бóльшим содержанием Cобщ характеризовались низкими значениями параметров интегрального отражения. Выявлены различия в оптических показателях исследуемых почв и ортштейнов в системе CIE-L*a*b*. В ортштейнах отмечено усиление взаимосвязи между оптическими параметрами, а также уменьшение значения L* и увеличение b* по сравнению с почвенной массой. Ортштейны двух типов почв характеризовались высоким уровнем проявления каталитической активности. Между значениями каталитической активности и интегрального отражения установлена тесная отрицательная корреляционная связь. На основе полученных результатов показана потенциальная роль ортштейнов в накоплении углерода в почвах. Спецификой ортштейнов агротемногумусовых глеевых почв являлась активизация каталазной и каталитической активности и формирование многочисленных зон аккумуляции углерода внутри ортштейнов. Обогащенные углеродом зоны представляли собой активные центры окисления элементов с переменной валентностью, что способствовало формированию ортштейнов более крупных размеров.

Ключевые слова: агротемногумусовые подбелы глееватые, Albic Stagnosols (Aric), агротемногумусовые глеевые почвы, Eutric Gleysol (Aric), железо-марганцевые конкреции, гумус

ВВЕДЕНИЕ

Благодаря ферментам почва играет важную общепланетарную роль каталитической матрицы биосферы [38]. Каталаза – фермент, относящийся к классу оксидоредуктаз, который широко используется в качестве диагностического показателя экологического состояния почв [9, 13, 26]. Этот класс ферментов катализирует окислительно-восстановительные реакции и выполняет ведущую роль в биохимических процессах. Окислительно-восстановительные реакции являются основным звеном в процессе синтеза гумусовых веществ в почве и важным показателем их биологической активности [18].

Вопросам изучения каталазной активности почв посвящен обширный ряд публикаций [1, 4, 5, 7–10, 17, 25, 31]. Отличительной особенностью каталазы является высокая активность в широком диапазоне кислотности почвенной среды (${\text{р}}{{{\text{Н}}}_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}$ 4–10) [39].

Исследования каталазной активности почв юга Приморья выявили средний и низкий уровень обогащения поверхностных горизонтов почв каталазой. С продвижением к нижней части профиля активность каталазы уменьшается [3, 26, 28].

Почва на 80–99% состоит из минеральных веществ и наряду с каталазной активностью после длительной термической обработки неоднократно отмечалась высокая каталитическая активность почв. В верхних горизонтах почв основную роль в каталитической активности выполняют ферменты, тогда как в нижних горизонтах преобладает неферментативная каталитическая активность [6, 7]. В каталитической активности почв в реакции разложения перекиси важная роль принадлежит Fe–Mn соединениям. Почвенные микробарьеры с локальным увеличением содержания Fe и Mn представлены Fe–Mn конкрециями. Распространенной разновидностью Fe–Mn конкреций являются почвенные ортштейны. Сочетание условий, необходимых для формирования ортштейнов (контрастная смена окислительно-восстановительных периодов, Fe-содержащий минеральный субстрат, низкая водопроницаемость почв и пород), определяет их обилие в почвах юга Приморского края, где содержание ортштейнов достигает 180 г/кг почвы [41]. Ортштейны состоят преимущественно из (гидро)оксидов Fe и Mn и других минеральных компонентов почвенной массы [35, 40]. Между тем сведения о каталазной и каталитической активности ортштейнов весьма ограничены и требуют экспериментальной и теоретической аргументации. Не уделялось должного внимания и выбору индикационных методов изменения каталитической активности почв и ортштейнов.

К одному из таких методов относится оптический способ исследования. Основа метода состоит в том, что оптические показатели почв и их компонентов, связаны с вещественным составом органо-минеральной части почв и являются индикационными параметрами как в оценке изменения протекания гумусообразовательного процесса, так и устойчивости экосистем в целом. Обусловлено это наличием светопоглощающих комплексов в почве. Ведущими среди них являются гидратированные органо-минеральные поверхностные сорбционные образования частиц твердой фазы почвы. Высокая насыщенность химическими соединениями, в том числе и хромофорными элементами, обеспечивает сорбционным образованиям роль рабочей среды при процессе взаимодействия световых лучей с почвой [19, 20]. Обратная зависимость для пары светоотражение (R) – содержание органического углерода позволяет применять спектрофотометрический анализ при исследовании гумуса и гумусовых кислот, а также при изучении минеральной части почв [19].

Использование системы CIE-L*a*b* для характеристики оптических показателей почв, выраженных в декартовых координатах, позволяет оценить влияние разных пигментов на цвет почвы. Водяницким и Шишовым [2] предложен расчет содержания в почве условного красного пигмента (Hem усл), оценивающего вклад (гидро)оксидов Fe в процессах, протекающих в почве, а также дающего возможность вычленить отдельно вклад черного пигмента – гумуса (L*).

Проведение комплексного исследования ферментативных, оптических свойств и физико-химических параметров наиболее актуально для почв, широко используемых в земледелии региона, в которых отмечается тенденция к сокращению содержания гумуса и усилению процессов минерализации. Кроме того, использование почв в сельскохозяйственном производстве сопровождается активизацией формирования почвенных ортштейнов [30, 40].

Детального изучения взаимосвязи между оптическими параметрами, каталазной и каталитической активностью почв и формирующихся в них ортштейнов до настоящего времени не проводилось. В рамках регионального почвоведения результатов исследований, охватывающих рассматриваемые вопросы практически нет.

Цель работы – выявление особенностей физико-химических, оптических параметров, каталазной и каталитической активности агрогенных почв и формирующихся в них ортштейнов.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследований служили агротемногумусовые подбелы глееватые и агротемногумусовые глеевые почвы, сформированные в долине р. Раздольная (пос. Тимирязевский, Уссурийского района Приморского края). Почвы в течение длительного (более 30 лет) периода использовались в системе земледелия. В работе использованы названия почв согласно классификаций 2004, 2014 гг. [12, 37].

Исследуемые почвы характеризовались следующим строением профиля: агротемногумусовый подбел глееватый (Luvic Albic Stagnosol (Loamic, Aric, Bathyclayic)) – горизонт РU мощностью 25 см, серого цвета, среднесуглинистый, комковатой структуры с ясным переходом в горизонт ELnn,g (25–47 см) – сизо-бурого цвета, плотный, слоистой структуры, среднесуглинистый, содержит ортштейны, переход в нижележащий горизонт постепенный, BTg (47–102 cм) – серо-бурого с сизоватым оттенком цвета, плотный, влажный, тяжелосуглинистый, призматическо-слоистой структуры с обилием мелких ортштейнов, переход в нижележащий горизонт заметный, Сg (102 cм и ниже) – охристо-сизая, плотная, сырая глина с обилием мелких ортштейнов. Профиль агротемногумусовой глеевой почвы (Eutric Gleysol (Epiloamic, Endoclayic, Aric)) дифференцировался на горизонты: РU (0–36 см) – темно-серого цвета, влажный, плотный, тяжелосуглинистый, крупнокомковатой структуры с постепенным переходом в горизонт АU (36–84) – черно-серого цвета, сырой, плотный, тяжелосуглинистый, икрянистой структуры, встречаются ортштейны, переход в нижележащий горизонт заметный, G (84–123) – сизый с охристыми пятнами неоднородной окраски, глинистый, комковато-зернистой структуры, имеются мелкие ортштейны, с заметным переходом в горизонт СG (133 см и ниже) – охристо-сизой окраски, плотная, сырая глина с обилием мелких ортштейнов.

На агротемногумусовых глеевых почвах в последние 10 лет осуществляли посев многолетних бобовых трав.

Кислотность почвенного раствора (${\text{р}}{{{\text{Н}}}_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}$, рНKCl) определяли потенциометрически на рН-метре ОР-264, содержание общего углерода (Собщ) по методу Тюрина, фракционно-групповой состав гумуса по Пономаревой–Плотниковой [24]. Некоторые показатели оценки гумусного состояния почв проведены в соответствии с рекомендациями Орлова с соавт. [23]. Каталазную и каталитическую активность почв и ортштейнов оценивали газометрически [18]. При определении каталитической активности образцы почв и ортштейнов стерилизовали жаром при температуре 200°С в течение 3 ч.

Отбор ортштейнов проводили по почвенным генетическим горизонтам методом мокрого просеивания через мелкоячеистые капроновые сита с диаметром ячеек 0.25 мм после предварительного отмачивания в воде. Дальнейшую очистку ортштейнов вели в лабораторных условиях: промывали в дистиллированной воде, просушивали при комнатной температуре и отделяли от посторонних примесей с помощью электромагнитного сепаратора марки 138Т. Для проведения различных анализов в работе использовали около 2000 образцов ортштейнов.

Перед проведением всех видов аналитических работ почвенный мелкозем тщательно отделяли от ортштейнов при помощи захватного прецизионного пинцета и настольной оптической лупы с 10-кратным увеличением. Такие образцы при изложении материала именуются “почва”.

Изучение оптических свойств почв определяли на спектрофотометре СФ-18. Спектральное отражение (ρ) фиксировали в диапазоне видимого спектра от 420 до 740 нм, с шагом 20 нм. На основе полученных данных рассчитывали параметры интегрального отражения почв (R).

Характеристику оптических параметров почв в системе CIE-L*a*b* и расчет условного красного пигмента (Hem усл) проводили по методике, разработанной Водяницким и Шишовым [2].

Содержание элементов в исследуемых образцах определяли методом энергодисперсионной рентгенфлуоресцентной спектроскопии (EDX) на анализаторе EDX 800HS-P (Shimadzu, Япония), оснащенном родиевым катодом, в формате количественного анализа в вакуумной среде с использованием государственных стандартных образцов сравнения (ГСО 901-76, ГСО 902-76, ГСО 903-76, ГСО 2498-83, ГСО 2499-83, ГСО 2507-83). Измерение содержания элементов проводили в соответствии с методикой М-02-0604-2007 в трехкратной повторности.

Карты распределения элементов внутри ортштейнов получали с помощью электронно-зондового микроанализа c использованием анализатора Electron Probe Microanalyzer JXA-8100, Jeol.

В работе использовали современное научное оборудование Центров коллективного пользования “Биотехнология и генетическая инженерия” на базе ФНЦ Биоразнообразия ДВО РАН и “Приморский центр локального элементного и изотопного анализа” на базе ДВГИ ДВО РАН.

На основе элементного состава почв и ортштейнов рассчитывали коэффициент накопления (EF), показывающий, во сколько раз интенсивность накопления элементов в ортштейнах опережает их накопление во вмещающей почвенной массе (без ортштейнов): EF = Сорт/Спочв, где Сорт и Спочв – содержание элемента в ортштейнах и почве [34].

Математическую обработку данных проводили по общепринятым методикам с применением программ Statistica и Microsoft Exсel 2007. Уровень значимости полученных результатов (Р) не превышал 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследуемые почвы сформированы на территории, для которой характерны высокие значения среднегодовой нормы выпадения осадков (до 800 мм) и показателей радиационного баланса (52.2 ккал/см2) [27]. Почвы содержат плотные, округлые гладкие ортштейны от 1 до 9 мм в диаметре. Наибольшее количество крупных ортштейнов содержится в агротемногумусовых глеевых почвах. Основной объем ортштейнов (80%) представлен фракцией 2–5 мм. Количественное распределение ортштейнов по почвенному профилю обнаруживает тенденцию к наибольшему содержанию в средней части профиля и резкому снижению в нижней (рис. 1). Сокращение количества ортштейнов в нижележащих горизонтах обусловлено повышением роли гидроморфизма и преобладанием восстановительной обстановки на фоне редкого проявления окислительной. Содержание ортштейнов в верхних горизонтах исследованных типов почв не обнаруживает резких различий. Тогда как средняя часть профиля агротемногумусовых подбелов глееватых характеризуется более активным формированием ортштейнов. Вероятно, это является следствием проявления более контрастной смены окислительно-восстановительных периодов. Визуально ортштейны, выделенные из двух типов почв, заметно отличались по цвету. Более темная окраска свойственна ортштейнам агротемногумусовых глеевых почв.

Рис. 1.

Содержание и профильное распределение ортштейнов в почвах.

Гумусообразование в агротемногумусовых глеевых почвах протекает в условиях среднекислой, в агротемногумусовых подбелах глееватых кислой реакции среды (табл. 1). Пахотный горизонт агротемногумусовых глеевых почв мощный (36 см), со средними показателями содержания гумуса (4.55%). В агротемногумусовых подбелах глееватых гумусообразование происходило в более кислых условиях. Содержание гумуса в верхнем горизонте низкое (3.40%). Внутрипрофильное распределение гумуса в исследуемых почвах резко убывающее.

Таблица 1.  

Кислотность и содержание углерода в почвах и ортштейнах (среднее арифметическое значение ± значение среднего квадратического отклонения)

Горизонт ${\text{p}}{{{\text{H}}}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}$ рНKCl Cобщ, %
почва ортштейны почва ортштейны почва ортштейны
Агротемногумусовые глеевые почвы
PU 5.92 ± 0.17* 5.79 ± 0.15 5.00 ± 0.13 3.42 ± 0.12 2.64 ± 0.07 3.96 ± 0.12
АU 6.13 ± 0.21 5.73 ± 0.16 4.79 ± 0.12 3.38 ± 0.11 1.36 ± 0.04 3.97 ± 0.14
G 6.77 ± 0.24 5.61 ± 0.19 5.93 ± 0.18 3.40 ± 0.07 0.47 ± 0.01 1.09 ± 0.03
CG 6.65 ± 0.22 5.66 ± 0.14 5.86 ± 0.18 3.26 ± 0.10 Следы Следы
Агротемногумусовые подбелы глееватые
PU 5.64 ± 0.12 5.72 ± 0.16 4.50 ± 0.15 3.12 ± 0.10 1.97 ± 0.08 0.61 ± 0.02
ELnn,g 5.95 ± 0.17 5.61 ± 0.15 3.60 ± 0.09 3.05 ± 0.08 1.30 ± 0.05 1.61 ± 0.06
BTg 4.88 ± 0.13 5.39 ± 0.15 4.10 ± 0.12 3.22 ± 0.09 0.44 ± 0.01 1.52 ± 0.06
Cg 5.44 ± 0.15 5.32 ± 0.17 4.54 ± 0.13 3.19 ± 0.09 Следы Следы

Значения pH ортштейнов меньше рН почвы. Согласно шкале оценки почв по степени кислотности, разработанной Ознобихиным и Синельниковым [22] для почв Приморского края, показатель ${\text{p}}{{{\text{H}}}_{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}}}}}$ ортштейнов находится в интервале слабокислой реакции среды, рНKCl изменяется в диапазоне от очень сильнокислой, сильнокислой до кислой. Изменение реакции среды водной суспензии ортштейнов по профилю почв не обнаруживает прямой связи с величиной ${\text{p}}{{{\text{H}}}_{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}}}}}$ почв. Значение рНKCl ортштейнов резко отличается от почвенного в сторону увеличения кислотности.

Содержание Собщ в большинстве исследованных ортштейнов превышает значение этого показателя во вмещающих почвенных горизонтах. Результатами работ группы авторов установлено, что углерод (C) в ортштейнах характеризуется как “инертный органический С” который состоит из стабильных ароматических групп и имеет возраст больший, чем С вмещающих почв [33]. Поступление С в состав ортштейнов может происходить в результате захвата органических соединений из вмещающей почвенной массы при цементации Fe–Mn соединений из почвенного пространства и в результате жизнедеятельности особой группы микроорганизмов, участвующих в формировании ортштейнов. В конкрециях почв с выраженным дерновым процессом значительная часть бактерий представлена наноформами с высокой долей жизнеспособных клеток (Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Deltaproteobacteria, Acidobacteria, Planctomycetes) [16]. В конкрециях и ортштейнах почв, сформированных в схожих c исследуемым регионом климатических условиях, идентифицированы преимущественно Burkholderiales, Rhodocyclales, Acidobacteriales, Desulfuromonales, Clostridiales [36].

Для изученных ортштейнов характерно различное распределение С внутри конкреций (рис. 2). В ортштейнах с меньшим содержанием и уровнем накопления Собщ (ортштейны агротемногумусовых подбелов глееватых) установлено преимущественное нахождение С во внутренней зоне конкреций (рис. 2, Б). Углерод во внутренней зоне характеризуется дисперсным распределением со слабым проявлением локализации элемента. Вблизи мест аккумуляции этого элемента отмечено слабое накопление Mn, концентрация последнего увеличивалась по направлению к внешней зоне ортштейнов. В ортштейнах агротемногумусовых глеевых почв, наоборот, выявлено наличие многочисленных, ярко выраженных зон обогащения C по всей поверхности среза ортштейнов. Зоны накопления С находятся в “рубашке” из Fe-содержащих соединений (рис. 2, A). Наличие единичных зон локализации C внутри ортштейнов идентифицировано ранее в образцах, выделенных из почв заповедных территорий [40].

Рис. 2.

Карты распределения элементов в ортштейнах агротемногумусовых глеевых почв (а) и агротемногумусовых подбелов глееватых (б).

Исходя из содержания Собщ и количества ортштейнов в отдельных горизонтах исследуемых почв, установлено, что в ортштейнах сосредоточено от 1.9 до 20.9% от величины содержания Собщ в почвах в целом. Коэффициент накопления (EF) С в ортштейнах варьировал от 0.3 до 3.5. Уровни EF C в ортштейнах двух верхних горизонтов профиля оказались выше в ортштейнах агротемногумусовых глеевых почв (PU 1.5, AU 2.9) по сравнению с ортштейнами агротемногумусовых подбелов глееватых (PU 0.3, ELnn,g 1.2). С учетом массы формирующих ортштейнов и тенденции накопления С в их составе можно утверждать, что ортштейны исследованных почв сдерживают вынос С за пределы почвенного профиля и увеличивают запас этого элемента в почвах.

Различие в содержании Собщ в почвах и ортштейнах явилось одной из основных причин отличий параметров их оптических свойств. Результаты ранее проведенных исследований спектральной отражательной способности почв (ρ) показали плавный рост ρ с увеличением длины волны спектра от сине-фиолетовой к красной области [20]. На поверхности структурных отдельностей агротемногумусовых глеевых почв была хорошо выражена органо-минеральная с глянцевым блеском пленка, придающая более насыщенный темный цвет. Это во многом способствовало уменьшению координат светлоты (L*) этих почв по сравнению с агротемногумусовыми подбелами глееватыми (табл. 2). Существенные различия прослеживались в параметре Hem усл, что связано с преобладанием разных форм Fe (окисных (Fe(III)) в агротемногумусовых подбелах глееватых и закисных (Fe(II)) в агротемногумусовых глеевых почвах) и обусловлено различиями окислительно-восстановительных режимов почв. В агротемногумусовых подбелах глееватых создается контрастный окислительно-восстановительный режим в верхних и переменный в нижних горизонтах [15]. Тогда как в агротемногумусовых глеевых почвах в верхних горизонтах складывается резко контрастный окислительно-восстановительный режим и преимущественно восстановительный в нижних горизонтах, чему способствует их формирование в условиях переувлажнения, вызванного как близким уровнем залегания грунтовых вод, так и более низкой пропускной способностью подстилающих пород.

Таблица 2.  

Оптические показатели почв и ортштейнов в системе CIE-L*a*b (над чертой – почва, под чертой – ортштейны)

Горизонт L* а* b* Hem усл
Агротемногумусовые глеевые почвы
PU $\frac{{54.5}}{{53.2}}$ $\frac{5}{5}$ $\frac{6}{8}$ $\frac{{0.15}}{{0.89}}$
АU $\frac{{49.5}}{{51.5}}$ $\frac{5}{5}$ $\frac{2}{5}$ $\frac{{0.20}}{{0.20}}$
G $\frac{{63.4}}{{51.5}}$ $\frac{5}{5}$ $\frac{{25}}{6}$ $\frac{{0.20}}{{0.20}}$
CG $\frac{{70.8}}{ - }$ $\frac{5}{ - }$ $\frac{{12}}{ - }$ $\frac{{0.50}}{ - }$
Агротемногумусовые подбелы глееватые
PU $\frac{{62.9}}{{59.5}}$ $\frac{5}{5}$ $\frac{4}{{14}}$ $\frac{{0.67}}{{0.11}}$
ELnn,g $\frac{{73.1}}{{56.7}}$ $\frac{5}{5}$ $\frac{{10}}{{14}}$ $\frac{{0.12}}{{0.11}}$
BTg $\frac{{62.1}}{{56.5}}$ $\frac{5}{{10}}$ $\frac{8}{{10}}$ $\frac{{0.13}}{{0.76}}$
Cg $\frac{{66.1}}{ - }$ $\frac{{15}}{ - }$ $\frac{{12}}{ - }$ $\frac{{0.12}}{ - }$

Примечание. Цветовые характеристики (координаты): L* – светлоты, а* – красного компонента, b* – желтого компонента, Hem усл – условного красного пигмента. Прочерк – не определяли.

Результаты исследований Росликовой [29] доказали преобладание фульвокислот в составе гумуса конкреций и ортштейнов дальневосточного региона, что может оказать влияние на оптические характеристики. Фульвокислоты отражают в 3–4 раза больше света, чем гуминовые кислоты и селективно отражают свет (оранжево-красная область) [11]. Возможно, фульвокислоты способны увеличивать красноту почвы (а*) [2]. Более темная окраска гуминовых кислот связана с увеличением количества сопряженных связей в молекулах и более интенсивным поглощением света. Показатель красного компонента (а*) оставался стабильным во всех горизонтах исследованных почв за исключением горизонта Сg в агротемногумусовых подбелах глееватых, где было отмечено его увеличение в 3 раза. Бóльшие показатели а* характерны для ортштейнов нижней части профиля агротемногумусовых подбелов глееватых и верхней части профиля агротемногумусовых глеевых почв. По интенсивности проявления желтого компонента (b*) общих закономерностей в изменении не установлено. В ортштейнах выявлено увеличение параметра b* по сравнению с вмещающей почвой, за исключением горизонта G агротемногумусовых глеевых почв. Максимальные значения L* установлены для горизонта ELnn,g агротемногумусовых подбелов глееватых, что обусловлено активным выносом красящих соединений из этого горизонта. Увеличение значения L* в горизонте CG агротемногумусовых глеевых почв, вероятно, вызвано как резким уменьшением содержания Собщ, так и увеличением содержания закисных форм Fe. Для ортштейнов установлено снижение значения L* по сравнению с почвенной массой. Это на наш взгляд, связано с большим содержанием Собщ и окисных форм Fe в составе ортштейнов. По величине Hem усл между ортштейнами и вмещающими почвами установлена ярко выраженная обратная зависимость, что объясняется различным вкладом соединений Fe связанных с глинистыми минералами (определяется Hem усл) в окраску почв и ортштейнов. Результатами ранее проведенных исследований установлено наличие незначительного количества глинистых минералов (каолинита, иллита) в ортштейнах исследуемого региона [41].

Исследованием взаимосвязи между цветовыми характеристиками и содержанием Fe, как элемента, во многом определяющего окраску почв, установлена более тесная связь Fe с параметрами b* и Hem усл в агротемногумусовых подбелах глееватых. В почве коэффициент корреляции (r) для пары b*–Fe2O3 составил 0.80, в ортштейнах –0.61, для пары Hem усл–Fe2O3 в почве r –0.86, в ортштейнах r 0.62.

Содержание Fe2O3 и MnO в ортштейнах существенно превышает уровень содержания в почвенном мелкоземе (табл. 3). Несмотря на большую величину содержания Fe, EFMn в ортштейнах на порядок больше, чем у Fe. Преобладание накопления в ортштейнах Mn отмечается при бóльшем уровне окислительно-восстановительного потенциала почв [2, 43]. Однако ярко выраженное проявление процесса оглеения нижних горизонтов исследуемых почв и уровень накопления Mn в ортштейнах этих горизонтов указывают на нахождение соединений Mn в форме, наиболее подходящей для накопления в составе ортштейнов. Это подтверждается способностью Mn соединений сохранять подвижность в более широком диапазоне Eh и выступать в роли окислителя Fe(II) внутри ортштейнов [35, 42].

Таблица 3.  

Содержание и накопление Fe и Mn в почвах и ортштейнах (%)

Горизонт Fe2O3 EFFe** MnO EFMn
почва ортштейны почва ортштейны
Агротемногумусовые глеевые почвы
PU 5.47 ± 0.21* 18.44 ± 0.84 3.37 0.24 ± 0.01 3.12 ± 0.11 13.00
АU 7.44 ± 0.29 19.57 ± 0.92 2.63 0.11 ± 0.01 4.90 ± 0.16 44.54
G 6.67 ± 0.27 15.11 ± 0.66 2.26 0.10 ± 0.01 5.37 ± 0.23 53.70
CG 6.43 ± 0.33 11.90 ± 0.50 1.85 0.13 ± 0.01 1.38 ± 0.05 10.61
Агротемногумусовые подбелы глееватые
PU 6.29 ± 0.29 18.06 ± 0.73 2.87 0.18 ± 0.01 4.78 ± 0.23 26.56
ELnn,g 6.70 ± 0.21 19.29 ± 0.82 2.88 0.18 ± 0.01 4.99 ± 0.21 27.72
BTg 7.07 ± 0.31 19.51 ± 0.91 2.76 0.09 ± 0.01 5.83 ± 0.24 64.78
Cg 7.14 ± 0.26 17.38 ± 0.70 2.43 0.09 ± 0.01 1.66 ± 0.04 18.44

* Cреднее арифметическое значение ± значение среднего квадратического отклонения. ** EF – коэффициент накопления элементов в ортштейнах.

Величина интегрального отражения (R) по профилю исследуемых почв изменялась неравномерно (табл. 4). Низкие значения R установлены для горизонта AU агротемногумусовых глеевых почв. Для которого свойственно большее содержание гумуса фульватно-гуматного типа (СГК/СФК 1.07). Преобладание в составе гумуса гуминовых кислот во многом способствовало уменьшению параметра R. Большее содержание гумуса с преобладанием гуминовых кислот в этих почвах, на наш взгляд, связано с многолетним высевом бобовых трав. По мере уменьшения содержания гумуса и увеличения в его составе фульвокислот (СГК/СФК от 0.80 до 0.29) в агротемногумусовых подбелах глееватых значение показателя R увеличивалось. Резкий рост R зафиксирован в горизонте ELnn,g, что обусловлено направленностью основного почвообразовательного процесса, который сопровождается обеднением этого горизонта соединениями, определяющими окраску почв. Уменьшение R в нижележащем горизонте (ВТg) связано с аккумуляцией соединений Fe и активизацией формирования ортштейнов [8, 30]. В ортштейнах величина R была меньше, чем во вмещающих почвах, в связи с активным накоплением Собщ.

Таблица 4.  

Интегральное отражение, каталазная и каталитическая активность почв и ортштейнов

Горизонт Интегральное отражение, R, % Каталазная активность, Ка, см3 О2/(г мин) Каталитическая активность, КАA, см3 О2/(г мин)
почва ортштейны почва ортштейны ортштейны
Агротемногумусовые глеевые почвы
PU 24.0 23.7 2.32 ± 0.11* 20.19 ± 1.45 92 ± 4
АU 18.8 19.2 1.24 ± 0.04 24.51 ± 1.70 172 ± 8
G 33.4 19.3 0.31 ± 0.01 46.00 ± 2.87 230 ± 14
CG 43.5 – 0.10 ± 0.01 – –
Агротемногумусовые подбелы глееватые
PU 33.8 30.9 2.45 ± 0.14 – 40 ± 1
ELnn,g 47.9 28.3 0.71 ± 0.04 – 65 ± 3
BTg 37.8 27.6 0.42 ± 0.02 – 106 ± 4
Cg 32.3 – 0.70 ± 0.03 – –

* Среднее арифметическое значение ± значение среднего квадратического отклонения.

Результаты исследований каталазной активности (Ка) не выявили резких отличий между двумя типами исследованных почв. Верхние горизонты почв характеризовались низким обогащением каталазой, с глубиной уровень Ка уменьшался. Подобная закономерность установлена ранее для большинства типов почв региона [26]. Расчет Ка в ортштейнах агротемногумусовых подбелов глееватых был невозможен, так как величины Ка в контрольном варианте (обработка жаром) превышали значения в образцах без обработки. Это свидетельствовало о преобладании в ортштейнах катализаторов неферментативной природы. Величина Ка в ортштейнах агротемногумусовых глеевых почв превышала почвенный уровень от 9 до 150 раз. С одной стороны, высокий уровень Ка ортштейнов указывает на активное участие микроорганизмов в процессе трансформации C внутри ортштейнов. С другой, в совокупности с данными по содержанию Cобщ, углерод в ортштейнах этих почв способствует активизации Ка в окислительно-восстановительных процессах, что может объяснить формирование в агротемногумусовых глеевых почвах ортштейнов более крупного размера (до 9 мм).

Накопление в ортштейнах Мn-содержащих соединений, являющихся своеобразными катализаторами процесса разложения Н2O2, способствует усилению проявления каталитической активности (KАА), уровень которой в ортштейнах был высоким и достигал максимальных значений в ортштейнах, формирующихся нижней части профиля. В ортштейнах агротемногумусовых глеевых почв уровень KАА в среднем в 2 раза выше по сравнению с ортштейнами агротемногумусовых подбелов глееватых. Связано это с более активным накоплением Собщ в ортштейнах агротемногумусовых глеевых почв, для которых наряду с KАА (неферментативной) свойственно проявление и ферментативной активности (Ка). В целом, полученные результаты подтверждают данные исследований Зубковой с соавт. [7] о бóльшей каталитической активности морфонов темноокрашенных образцов по сравнению со светлоокрашенными.

Установлены тесные корреляционные связи между содержанием гумуса и величиной Kа (r от 0.80 до 0.99), что подтверждает значительное влияние микроорганизмов на процессы трансформации органического вещества в исследованных почвах.

В агротемногумусовых глеевых почвах между содержанием гумуса и оптическими показателями корреляционная связь проявлялась неоднозначно и общих тенденций не установлено. В этих почвах R более тесно связано с параметрами L* (r 0.99) и Hem усл (r 0.84). Уменьшение содержания гумуса в агротемногумусовых подбелах глееватых способствовало снижению коэффициента корреляции между R и L* (r 0.79) и изменению направленности связи между R и Hem усл (r –0.39). Между величиной Ка и R бóльший уровень корреляционной связи, имеющий отрицательные значения, установлен в более гумусированых почвах (r –0.75).

В ортштейнах по сравнению с вмещающей почвенной массой прослеживалось усиление взаимосвязи между оптическими параметрами, что связано с накоплением в ортштейнах соединений, усиливающих темную окраску (rR–L* от 0.98 до 0.99; rR–b* от 0.67 до 0.99; rR–Hem усл от –0.99 до –0.66). Ортштейны характеризовались более тесной связью между величинами R и КАА (r –0.90). Вероятно, это обусловлено влиянием большого содержания ионов Мn, накапливающихся в ортштейнах, уменьшающих интегральное отражение и усиливающих каталитическую активность. Полученные результаты указывают на возможность применения параметра R для оценки неферментативной активности ортштейнов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Различия физико-химических параметров и показателей проявления биологической активности исследованных почв определили направленность гумусообразования, дифференциацию оптических параметров и отразились в специфике формирования ортштейнов.

Активное поступление легкоразлагаемого органического вещества и его трансформация в условиях среднекислой реакции среды способствовали накоплению Собщ в верхнем горизонте агротемногумусовых глеевых почв до средних показателей содержания гумуса. Преобладание гуминовых кислот в составе гумуса верхней части профиля отразилось в уменьшении значений R. Величина R характеризовалась тесной взаимосвязью с показателями L* и Hem усл. В агротемногумусовых подбелах глееватых гумусообразование протекало в условиях кислой реакции. Почвы характеризовались меньшим содержанием Собщ и преобладанием фульвокислот в составе гумуса. Направленность основного почвообразовательного процесса отразилась в увеличении значения R (особенно в горизонте ELnn,g) и способствовала некоторому уменьшению коэффициента корреляции между R и L*, а также изменению направленности связи между R и Hem усл. Взаимосвязь между параметрами R и Hem усл была во многом обусловлена спецификой окислительно-восстановительных режимов почв и, соответственно, преобладанием различных форм соединений Fe. Отличительных особенностей по интенсивности проявления желтого (b*) и красного (a*) компонентов в исследованных типах почв не установлено. Для исследованных почв свойственен низкий уровень обогащения каталазой.

Ортштейны являлись своеобразными аккумуляторами C с высоким уровнем проявления каталазной и каталитической активности. Накопление C в ортштейнах способствовало сокращению его выноса за пределы почвенного профиля. Это отразилось на оптических параметрах ортштейнов. По сравнению с вмещающей почвенной массой в ортштейнах установлено уменьшение значений R и L* и увеличение параметра b*. Различный вклад соединений Fe в окраску почв и ортштейнов отражался обратной зависимостью в величине Hem усл ортштейнов и почв. Накопление в ортштейнах соединений, определяющих темную окраску, сопровождалось усилением взаимосвязи между оптическими параметрами.

Увеличение содержания Собщ в ортштейнах агротемногумусовых глеевых почв, вероятно, связано с дополнительным поступлением гумусовых соединений способных к комплексообразованию с Fe и Mn. Распределение элементов внутри ортштейнов этих почв и высокий уровень обогащения каталазой подтверждал активное участие микроорганизмов в процессе трансформации C внутри ортштейнов и ведущую роль зон аккумуляции C в окислении элементов с переменной валентностью, преимущественно Fe. Тогда как в ортштейнах агротемногумусовых подбелов глееватых основная часть С входила в состав минеральных комплексов и была сосредоточена во внутренней зоне.

Список литературы

  1. Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Методология исследования биологической активности почв на примере Северного Кавказа. Научная мысль Кавказа. Изд-во СКНЦВШ, 1999. № 1. С. 32–37.

  2. Водяницкий Ю.Н., Шишов Л.Л. Изучение некоторых почвенных процессов по цвету почв. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2004. 85 с.

  3. Голодяев Г.П. Биологическая активность горно-лесных почв южного Приморья // Вопросы численности, биомассы и продуктивности почвенных микроорганизмов. Л.: Наука, 1972. С. 240–246.

  4. Девятова Т.А., Щербакова А.П. Биологическая активность черноземов центра Русской равнины // Почвоведение. 2006. № 4. С. 502–508.

  5. Звягинцев Д.Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых ее показателей // Почвоведение. 1978. № 6. С. 48–54.

  6. Зубкова Т.А., Карпачевский Н.О. Каталитическая активность почв // Почвоведение. 1979. № 6. С. 115–121.

  7. Зубкова Т.А., Карпачевский Л.О., Гончарова И.Ф. Каталитическая активность в морфонах и кутанах дерново-подзолистой почвы // Вестник МГУ. Сер. Почвоведение. 1981. № 4. С.25–31.

  8. Иванов Г.И. Почвообразование на юге Дальнего Востока. М.: Наука, 1976. 201 с.

  9. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 2003. 204 с.

  10. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Акименко Ю.В., Даденко Е.В. Методы биодиагностики наземных экосистем. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2016. 356 с.

  11. Караванова Е.И. Оптические свойства почв и их природа. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2003. 151 с.

  12. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.

  13. Колесников С.И., Дульцев А.Н., Вернигорова Н.А., Казеев К.Ш., Акименко Ю.В., Тер-Мисакянц Т.А. Биодиагностика устойчивости рисовых почв Кубани к химическому загрязнению // Известия ВУЗов Северо-Кавказский регион. 2017. № 2. С. 57–62.

  14. Колесников С.И., Тлехас З.Р., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Изменение биологических свойств почв Адыгеи при химическом загрязнении // Почвоведение. 2009. № 12. С. 1499–1505.

  15. Костенков Н.М. Окислительно-восстановительные режимы в почвах периодического увлажнения. М.: Наука, 1987. 192 с.

  16. Лысак Л.В., Кадулин М.С., Конова И.А., Лапыгина Е.В., Иванов А.В., Звягинцев Д.Г. Численность, жизнеспособность и таксономический состав наноформ бактерий в железо-марганцевых конкрециях // Почвоведение. 2013. № 6. С. 707–714.

  17. Мартиросян И.А., Геворкян М.Г. Оценочные определения каталазной активности почв // Почвоведение. 2005. № 1. С. 98–103.

  18. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под. ред. Д.Г. Звягинцева. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991. 304 с.

  19. Михайлова Н.А., Орлов Д.С. Оптические свойства почв и почвенных компонентов. М.: Наука, 1986. 118 с.

  20. Михайлова Н.А., Пуртова Л.Н. Оптико-энергетические методы в экологии почв. Владивосток: Дальнаука, 2005. 166 с.

  21. М-02-0604-2007 “Методика выполнения измерений массовой доли кремния, кальция, титана, ванадия, хрома, бария, марганца, железа, никеля, меди, цинка, мышьяка, стронция, свинца, циркония, молибдена, в порошковых пробах почв и донных отложений рентгеноспектральным методом с применением энергодисперсионных рентгенофлуоресцентных спектрометров типа EDX фирмы Shimadzu”. СПб., 2007. 17 с.

  22. Ознобихин В.И., Синельников Э.П. Характеристика основных свойств почв Приморья и пути их рационального использования. Уссурийск: Изд-во Приморского с.-х. ин-та, 1985. 72 с.

  23. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Розанова М.С. Дополнительные показатели гумусного состояния почв и их генетических горизонтов // Почвоведение. 2004. № 8. С. 918–926.

  24. Орлов Д.С., Гришина Л.А. Практикум по химии гумуса. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1981. 287 с.

  25. Павлова Н.Н., Мельникова Т.В., Кулиш Ю.В. Оценка изменений биологической активности городских почв в районе расположения радиационно-опасных объектов (на примере г. Обнинска) // Проблемы региональной экологии. 2010. № 6. С. 34–38.

  26. Пуртова Л.Н., Бурдуковский М.Л. К оценке экологического состояния лугово-бурых почв Приморья // Вестник Крас ГАУ. 2016. № 7. С. 12–18.

  27. Пуртова Л.Н., Костенков Н.М. Энергетическое состояние почв Дальнего Востока России. Владивосток: Дальнаука, 2003. 136 с.

  28. Пуртова Л.Н., Щапова Л.Н., Иншакова С.Н., Емельянов А.Н. Влияние фитомелиорации на плодородие агроабраземов Приморья // Аграрный вестник Урала. 2012. № 10. С. 10–12.

  29. Росликова В.И. Марганцево-железистые новообразования в почвах равнинных ландшафтов гумидной зоны. Владивосток: Дальнаука,1996. 291 с.

  30. Тимофеева Я.О., Голов В.И. Железо-марганцевые конкреции как накопители тяжелых металлов в некоторых почвах Приморья // Почвоведение. 2007. № 12. С. 1463–1471.

  31. Хазиев Ф.Х. Концептуальная модель формирования ферментативной активности почвы // Почвоведение. 1979. № 12. С. 129–130.

  32. Щапова Л.Н. Микрофлора почв юга Дальнего Востока России. Владивосток: Изд-во ДВО РАН, 1994. 172 с.

  33. Elberling B., Breuning-Madsen H., Knicker H. Carbon sequestration in iron-nodules in moist semi-deciduous tropical forest soil // Geoderma. 2013. V. 200–201. P. 202–207. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2013.03.001

  34. Gasparatos D. Sequestration of heavy metals from soil with Fe-Mn concretions and nodules // Environmental Chemistry Letters. 2013. V. 11. P. 1–9. https://doi.org/10.1007/s10311-012-0386-y

  35. Gasparatos D., Massas I., Godelitsas A. Fe-Mn concretions and nodules formation in redoximorphic soils and their role on soil phosphorus dynamics: Current knowledge and gaps // Catena. 2019. V. 182. P. 104106. https://doi.org/10.1016/j.catena.2019.104106

  36. Hu M., Li F., Lei J., Fang Y., Tong H., Wu W., Liu C. Pyrosequencing revealed highly microbial phylogenetic diversity in ferromanganese nodules from farmland // Environ. Sci.: Processes and Impacts. 2015. V. 17(1). P. 213–224.

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

  38. Mc Laren A.D. Soil as a system of bound enzymes // Chem. Industry. 1974. № 7. P. 28–30.

  39. Schonbaum G.R., Chance B. Catalase. The Enzymes. N.Y.: Academic Press, 1976. 276 p.

  40. Timofeeva Y.O., Karabtsov A.A., Semal’ V.A., Burdukovskii M.L., Bondarchuk N.V. Iron-manganese nodules in Udepts: the dependence of the accumulation of the trace elements on nodule size // Soil Sci. Soc. Am. J. 2014. V. 78(3). P. 767–778. https://doi.org/10.2136/sssaj2013.10.0444

  41. Timofeeva Y., Karabtsov A., Ushkova M., Burdukovskii M., Semal V. Variation of trace elements accumulation by iron-manganese nodules from Dystric Cambisols with and without contamination // J. Soil Sedim. 2021. V. 21(2). P. 1064–1078. https://doi.org/10.1007/s11368-020-02814-w

  42. Yu X., Fu Y., Brookes P.C., Lu S. Insights into the formation process and environmental fingerprints of iron-manganese nodules in subtropical China // Soil Sci. Soc. Am. J. 2015. V. 79. P. 1101–1114.

  43. Yu X., Wang Y., Zhou G., Peng G., Brookes P.C., Lu S. Paleoclimatic fingerprints of ferromanganese nodules in subtropical Chinese soils identified by synchrotron radiation-based microprobes // Chem. Geol. 2020. V. 531. P. 119357. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2019.119357

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Почвоведение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал