Характеристика состояния карбонатно-кальциевой системы черноземов Каменной степи Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 631.4

ХАРАКТЕРИСТИКА СОСТОЯНИЯ КАРБОНАТНО-КАЛЬЦИЕВОЙ

СИСТЕМЫ ЧЕРНОЗЕМОВ КАМЕННОЙ СТЕПИ

Е.В. Рогожникова

В работе рассматриваются особенности состояния карбонатно-кальциевой системы в обыкновенных черноземах под разными типами растительных сообществ и антропогенным воздействием. Как правило, почвенные растворы пересыщены относительно кальцита. Состояние карбонатной системы черноземов тесно связано с локальными условиями почвообразования, складывающимися в каждом отдельном случае: с положением почвы в рельефе, типом растительности, местными погодными условиями.

Ключевые слова: карбонатно-кальциевая система, чернозем.

Введение

Карбонатно-кальциевая система (ККС) играет важнейшую роль в процессах формирования почвенной кислотности, определяет буферные свойства почвы, поддерживает стабильность органического вещества, в определенных условиях участвует в процессах фиксации углерода в карбонатных новообразованиях, регулирует перераспределение и миграцию веществ в почвенном теле.

ККС почв включает в себя большое число взаимосвязанных равновесий: 1) равновесие между жидкой и газообразной фазами, контролирующее растворение СО2 в почвенном растворе; 2) гомогенное равновесие внутри почвенного раствора, связанное с диссоциацией угольной кислоты; 3) обменные реакции между ППК и почвенным раствором; 4) гетерогенное равновесие осаждения—растворения карбоната кальция в почвенном растворе [4, 5, 7, 11, 16].

В качестве основного показателя, характеризующего состояние ККС, используют степень пересыщен-ности карбонатами почвенных растворов (Q) — отношение реального произведения растворимости кальцита к его термодинамическому произведению растворимости [14, 15].

Для почвенных растворов характерна высокая степень пересыщенности по кальциту, но процессам его осаждения препятствуют многочисленные факторы, стабилизирующие ККС: комплексообразование с органическими веществами, образование ионных пар, присутствие Mg2+, Na+, Mn2+, SO42-. Наиболее достоверными расчетными значениями степени пе-ресыщенности являются результаты, полученные при измерении in situ активностей ионов с применением ион-селективных электродов [5, 7].

В настоящее время в степной зоне происходит изменение климатических и гидрологических условий. Направлено оно в сторону повышения увлажненности и среднегодовой температуры [13]: среднегодовое количество осадков увеличилось на 50 мм, среднегодовая температура воздуха возросла на 1,5° [6, 9].

Из литературных источников известно, что под воздействием 100-летних лесных насаждений проис-

ходит поднятие уровня грунтовых вод как непосредственно под лесными полосами, так и в межполосном пространстве, и непромывной тип водного режима преобразуется в периодически промывной [2, 8]. Это вызывает распространение очагов временно переувлажненных и затопленных почв, что, в свою очередь, может вести к преобразованию автоморф-ных черноземов обыкновенных в полугидроморфные лугово-черноземные почвы.

Временное и локальное переувлажнение почвенного профиля вызывает усиление процессов декальци-фикации почвы. Скорость процессов выщелачивания карбонатов и их накопление определяются главным образом стабильностью карбонатно-кальциевой системы почвенного раствора [12].

Так как процессы трансформации в той или иной мере охватывают всю почвенную толщу, то интересен вопрос о состоянии карбонатной системы в почвах разной степени увлажненности и разного строения карбонатной части почвенного профиля, развивающегося в разных экологических условиях.

Цель данной работы — оценка состояния ККС обыкновенных черноземов под травянистыми и древесными ценозами, а также под влиянием антропогенной деятельности.

Объекты и методы исследования

В качестве объекта исследования были выбраны обыкновенные черноземы заказника Каменная степь Таловского р-на Воронежской обл. Это водораздельная территория между р. Чиглой и балкой Таловой с абсолютными отметками 185—195 м над ур. м.; она характеризуется высокой долей лесных полос по отношению к соседним участкам (около 13% от площади) [10].

Черноземы обыкновенные среднемощные/мощные легкосуглинистые на карбонатных лёссовидных суглинках изучали на следующих участках: 1) залежный участок степи, расположенный на выровненной территории (разр. 1С); 2) дубово-кленовые лесные насаждения 50- и 100-летнего возраста; 3) агроценоз (пашня)

(разр. 1П, разр. 2П); 4) заповедный участок степи с выраженным микрорельефом (разр. 2С, разр. 3С).

Для характеристики актуального состояния ККС в полевых условиях были измерены значения рН, величины э.д.с. В лаборатории в почвенных пастах (при соотношении почва : вода 1 : 0,5) измерена активность Са2+ при помощи ион-селективного электрода, проведен анализ водной вытяжки (почва : вода 1 : 2,5), почвенных растворов, почвенно-грунтовых и грунтовых вод по общепринятым методикам [1].

Общее содержание карбонатов определяли алка-лиметрическим методом, валовое содержание кальция — рентгенофлуоресцентным методом. Результаты обработаны при помощи программы 81аИ81юа 5.0.

По данным полевых измерений и лабораторных анализов рассчитывали степень пересыщенности почвенных растворов равную аСО32--аСа2+/К8р, где аСО32- и аСа2+ — активности карбонат-ионов и ионов кальция, К8р — термодинамическая константа растворимости СаСО3, равная 4,810-9 [11].

Активность СО32- (аСО32-) определяли расчетным методом по уравнению (1) как произведение равновесной концентрации СО2 в жидкой фазе (Ср) и коэффициента активности (/¿о3), определенного по уравнению Дебая—Хюккеля в модификации Девиса с учетом ионной силы (I) раствора и величины заряда частиц, образующихся при диссоциации угольной кислоты г — уравнение (2) [16]:

ю

20

30

ю

15 СаСОо, %

'СО.

= /со3С р,

■18 /со. = ^2

У7 1+/7

+ 0,21

(1)

(2)

Равновесную концентрацию СО3-ионов в почвенном растворе определяли по величине эффективной растворимости СО2 в почвенном растворе (аэф) при различном содержании СО2 в почвенном воздухе (Сг):

Ср = АэфСг . (3)

Значения эффективной растворимости рассчитывали по формуле (4), в которой учитываются фазовые равновесия в системе почвенный воздух — почвенный раствор [15] в зависимости от величины рН последнего:

аэф = а | 1 +

К

10

1 + К1К2

рН

10 " фН

-11

(4)

-50

-100

-150

-200

-250

-300

I 1 ■ о 1 а

Г-

*

■ зЧ, / '4V- 1

! 1 1 \ »

-20

-40

-60

-80

-100

-120

-140

-160

' 1 б

IV 4

1 ............

\ 1

" бЛ

\

у \

] X I

/ V

/ \

где К1 = 4,45-10, К2 = 4,6910-11 — термодинамические константы диссоциации угольной кислоты по первой и второй ступеням соответственно при 20°; а — растворимость СО2 при стандартных условиях.

Для расчета активности СО3-иона в почвенных растворах были приняты следующие концентрации СО2 в почвенном воздухе: на глубине 0—50 см — 0,4% (по объему), 50-75 см — 0,7, 75-100 см — 1, 100150 см — 1,5, 150-200 см — 2 и 300 см — 3%. Такие концентрации углекислого газа в почвенном воздухе характерны для черноземов под лесными полосами и под степной растительностью.

Распределение карбонатов в обыкновенном черноземе под разными ценозами и на пашне (а), в почвах микропонижений и микроповышений (б): 1 — залежь; 2 — лесные полосы; 3 — пашня;

4 — микроповышения; 5 — микропонижения

Результаты и их обсуждение

Содержание карбонатов в почве. В распределении карбонатов в черноземах на выделенных участках были выявлены следующие различия (рисунок): в профиле почв под лесными насаждениями наблюдается повышение содержания карбонатов в горизонтах А и АВ с глубины 40-50 см, на глубине 80-120 см проявляется четко выраженный «висячий» карбонатный горизонт, который со 150 см переходит в консервативную зону — почвообразующую породу с содержанием карбонатов около 9-11%.

В черноземах на заповедных залежных участках степи карбонаты распределены типичным образом: четко выражена зона выщелачивания до глубины 60-70 см, зона пульсационно-миграционных процессов имеет размытую границу в пределах 70-150 см, со 150 см содержание карбонатов практически не изменяется и варьирует в узких пределах 10-12%.

Пахотные черноземы характеризуются более разнообразными кривыми распределения карбонатов по профилю, что, вероятно, связано с динамикой вегетационных циклов выращиваемых культур: с середины лета после уборки урожая в почвах преобладающими становятся процессы физического испарения влаги. При отсутствии корневого дыхания и снижении микробиологической активности доля СО2 в почвенном воздухе снижается, что приводит к смещению кар-бонатно-кальциевого равновесия (ККР) в сторону растворения СаСО3.

Однако равновесные процессы в ККС осложняются не только несбалансированной динамикой СО2 почвенного воздуха по профилю, но и температурным режимом — борозды вспашки формируют наноре-льеф, который обусловливает неравномерность процессов испарения влаги и прогревания поверхности почвы.

Контрастный характер распределения карбонатов наблюдается в разрезах почв микропонижений и мик-

роповышений рельефа (рисунок). В микропонижениях обычно усиливаются процессы декальцирования почвенной толщи, что ясно видно по регрессивно-элювиальному характеру распределения СаСО3. На микроповышениях рельефа выщелачивания карбонатов не происходит, но почвенные профили в целом содержат их меньше по сравнению с черноземами уч. 1 (залежь). На уч. 4 вследствие большого количества микрозападин почвенно-грунтовые воды находятся на небольшой глубине — 2—2,5 м, и почвенный профиль в определенные периоды времени попадает в зону капиллярной каймы, что приводит к развитию гидроморфных процессов.

В среднем за период наблюдений реакция среды грунтовой воды на участке 4 составляет 8,31, поэтому существует возможность развития процессов осолонцевания.

Грунтовые воды на всех участках имеют гидрокар-бонатно-кальциевый состав, рН варьирует от 6,2 до 7,0; почвенно-грунтовые воды, которые образуются во влажные годы, имеют слабощелочную реакцию (рН 8,44-8,04).

Состав почвенных растворов. Почвенные растворы имеют нейтральную реакцию среды, высокое содержание кальция и магния, соотношение Са/Mg изменяется от 1,4 до 12,5, щелочность связана с присутствием НСО3-, только в трех почвенных растворах были обнаружены следы СО32-. Диапазон отношения Са/Mg в водных вытяжках почв равен 1,0-14,5 (табл. 1).

Максимальные количества водорастворимых форм кальция и магния содержатся в гор. Апах. чернозема и составляют 1,79 и 0,39 ммоль-экв/100 г почвы соответственно. В других почвенных разрезах содержание этих элементов составляет около 0,31 и 0,10 ммоль-экв/100 г почвы.

Повышение концентрации водорастворимых форм кальция и магния связано с периодическим переувлажнением почвенного профиля в пахотных черноземах микрозападин. Под воздействием воды обменный кальций, связанный с органическими веществами, переходит в подвижные ионные формы и может мигрировать в нижележащие горизонты. Доля обменного кальция от ЕКО в гор. Апах. данного разреза оставляет 73%, что значительно ниже доли кальция в черноземе уч. 1 — 94%. Содержание №+ в водной вытяжке повышено в 5 раз по сравнению с черноземом залежи и составляет 0,51 и 0,09 ммоль-экв/100 г почвы соответственно. Обменного кальция в гор. А чернозема под лесным насаждением — 88% от ЕКО, в гор. АВ — 82%. Почвенный поглощающий комплекс насыщен кальцием, и в лесных полосах при периодическом его переувлажнении минерализованными грунтовыми водами условия для развития процессов осолонцевания не создаются.

Возможность развития процесса замещения ионов Са ионами № в ППК черноземов на пашне будет проявляться только во влажные годы. Для Каменной степи, как показывают данные наблюдений местной метеостанции, периоды с избытком тепла и недо-

Таблица 1

Состав почвенного раствора чернозема обыкновенного

Разрез Горизонт Глубина, см рН рСа Са2+ НСО3- СО32-

ммоль-экв/л

1С А 5-40 7,4 3,19 6,6 3,2 2,0 -

АВ 40-76 6,43 3,34 5,4 1,6 1,4 -

В1Са 76-90 7,68 4,94 12,2 2,9 0,4 -

В2Са 90-120 7,52 4,19 15,0 1,2 1,0 -

2С А 0-55 6,58 3,56 6,6 3,4 1,4 -

АВ 55-87 6,44 3,59 5,9 4,2 1,9 -

В1Са 87-123 7,52 3,48 8,2 2,0 2,0 -

В2Са 123-150 7,49 3,45 11,6 1,0 2,1 -

3С А 0-60 6,86 3,20 6,8 3,4 1,3 -

АВ 60-84 6,93 3,25 6,6 2,4 0,5 -

В1Са 84-100 7,44 4,68 12,0 3,0 0,5 -

В2Са 100-144 7,45 4,76 14,7 1,3 0,6 -

1П А пах. 0-37 8,48 3,83 6,65 2,45 1,4 0,12

АВ 37-57 7,56 3,37 5,95 2,4 0,13 -

В1Са 57-88 7,95 3,43 6,50 1,35 0,11 -

В2Са 88-130 7,45 3,54 8,20 3,30 0,15 -

2П А пах. 0-33 8,50 -

АВ 33-57 8,47 4,55 1,20 1,7 0,08

В1Са 57-73 7,42 3,47 5,47 1,30 1,3 -

В2Са 73-94 7,61 3,50 4,50 0,80 2,5 -

Примечание. «-» — не обнаружен.

статком влаги чередуются с прохладными периодами повышенного увлажнения с интервалом примерно 4—6 лет. В засушливые периоды будут преобладать процессы накопления карбонатов, формирования карбонатных новообразований; во влажные годы доминирующими становятся процессы декальциро-вания и расширения зоны выщелачивания СаСО3.

Развитие процессов осолонцевания на пашне в микрозападинах по нашему мнению будет происходить периодически, в соответствии с режимом погоды в тот или иной год.

Таким образом, проявление гидроморфизма во влажные годы чередуется с обычным автоморфным режимом функционирования черноземов в засушливые периоды. Наиболее вероятно, что запасы кальция, входящего в ППК, пополняются за счет растворения его минеральных форм в виде почвенных карбонатных новообразований.

Степень пересыщенности карбонатами почвенных растворов весьма изменчива (табл. 2). Общим свойством всех почвенных разрезов является ненасыщенность карбонатами верхнего, органического горизонта А и пересыщенность нижних минеральных горизонтов. В черноземах под лесонасаждениями и на пашне пересыщенными по кальциту являются горизонты АВ. Состояние насыщенности (или ненасыщенности) почвенных растворов карбонатами определяется содержанием свободных форм Са2+ и

2+

СО3. Однако даже при высоких концентрациях Са образование и осаждение кристаллов СаСО3 может и не происходить вследствие низкой концентрации карбонат-ионов, зависящей от парциального давления СО2 в почвенном воздухе.

Согласно данным [3], в черноземах под степной растительностью высокие концентрации СО2 в почвенном воздухе создаются на глубине более 75 см (в горизонтах В1 и В2). В широких лесных полосах из-за наличия мощной лесной подстилки, которая, по-видимому, затрудняет газообмен между атмосферой и верхними горизонтами почвы, высокие концентрации углекислого газа создаются в гор. АВ (в среднем на глубине 50—75 см), что и объясняет пересыщенность растворов карбонатами и отсутствие процессов их выщелачивания в черноземах под лесной растительностью.

Таблица 2

Степень пересыщенности (й) карбонатами почвенных растворов черноземов

Глубина, см Участок 1 (залежь) Участок 2 (лесные полосы) Участок 3 (пашня) Участок 4 (микро-повышение) Участок 4' (микро-понижение)

0-50 0,2 0,2 0,4 0,1 0,7

50-75 0,2 1,5 1,9 0,7 1,6

75-100 6,5 2,8 5,9 1,3 2,3

100-150 4,6 4,7 5,4 3,5 3,1

150-200 6,6 4,4 3,3 3,8 3,7

200-300 5,7 6,3

Проведенные измерения почвенного дыхания в черноземах под травянистой, древесной растительностью и на пашне (чистый пар) показали, что величины дыхания в среднем (за период с мая по сентябрь) составили 130, 40 и 15 мг СО2/м2-ч соответственно.

Разница в величине почвенного дыхания в черноземах под 100-летним лесным насаждением, измеренным непосредственно на лесной подстилке и без нее, несущественна и составляет 1—5 мг СО2/м2-ч. Полученные данные согласуются с приведенными в публикациях и подтверждают тот факт, что скорость деструкции органического вещества под разными типами ценозов различна: биологические процессы в почвах под травянистыми ценозами протекают интенсивнее, и в верхних горизонтах аккумулируется большее количество углекислого газа, чем в почвах под лесной растительностью.

Изменение состояния ККС тесно связано с положением почв по элементам рельефа: в черноземах микропонижений ненасыщенность карбонатами наблюдается в гор. А, а на микроповышениях насыщенными по кальциту являются минеральные горизонты. Карбонатное равновесие в почвах микроповышений смещено в сторону образования осадка СаСО3, что, по-видимому, обусловливается лучшей дренированностью данных участков в сравнении с микропонижениями. При относительно быстром иссушении верхней части почвенной толщи происходит концентрирование почвенных растворов и как следствие выпадение карбоната кальция в рассеянной форме. В большинстве почвенных разрезов, заложенных на микроповышениях, граница вскипания (несмотря на высокую вариабельность и неточность этого показателя) карбонатов находится в гор. А на глубине 30 см; в микропонижениях горизонты А и АВ лишены свободных карбонатов, граница вскипания находится на глубине более 85 см.

Несмотря на относительную однородность состава почвенного раствора, состояние карбонатной системы черноземов чрезвычайно разнообразно и во многом контролируется геоморфологическим положением почвы, которое определяет температурный режим и степень дренированности почвенного профиля.

Состояние карбонатной системы рассматриваемых черноземов тесно связано с балансом веществ, складывающимся в соответствии с теми или иными условиями в каждом отдельном случае: положение в рельефе, тип произрастающей растительности, местные погодные условия.

Выводы

На основании обобщений данных можно сделать следующие выводы:

• временное переувлажнение почв, приуроченных к микропонижениям, вызывает смещение карбонатно-кальциевого равновесия в сторону растворения почвенных карбонатов и выноса кальция в нижние гори-

зонты; на микроповышениях также происходит вынос СаСО3, но этот процесс идет более замедленно;

• интенсификация процесса осолонцевания в черноземах микрозападин на пашне происходит периодически, в соответствии с многолетней динамикой погодных условий, складывающихся в тот или иной год: во влажные годы застаивание влаги в почвенном профиле приводит к выносу обменного кальция в

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М., 1970.

2. Бялый А.М. Влияние лесных полос на формирование грунтовых вод // Почвоведение. 1987. № 9.

3. Вопросы травопольной системы земледелия (сб. статей). Т. 2. М., 1953.

4. Ендовицкий А.П., Минкин М.Б. О корреляционной связи между аналитически определяемыми и расчетными концентрациями СО32- в водных вытяжках // Почвоведение. 1980. № 2.

5. Ендовицкий А.П., Минкин М.Б. Современные проблемы термодинамики карбонатной системы почвенных растворов // Там же. 1986. № 11.

6. Каменная степь: проблемы изучения почвенного покрова (Науч. труды). М., 2007.

7. Кречетов П.П., Николаева С.А. Оценка состояния карбонатно-кальциевой системы черноземов в условиях орошения // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1995. № 2.

8. Лазарев М.М. Преобразование годового водного баланса почвогрунтов системами полезащитных лесных полос // Почвоведение. 2006. № 12.

глубь почвы, обеднению ее карбонатами, в засушливые — процессы карбонатообразования усиливаются, ППК насыщается кальцием;

• в лесных полосах распределение карбонатов по почвенному профилю имеет ясно выраженный максимум на уровне горизонтов АВ и В1, формирование которых, по-видимому, связано с распределением концентраций СО2 в почвенном воздухе.

9. Лесные полосы Каменной степи (сб. статей) / Под ред. И.К. Винокурова. Воронеж, 1967.

10. Мильков Ф.Н., Нестеров А.И., Петров Б.Г. и др. Каменная степь: лесоаграрные ландшафты. Воронеж, 1992.

11. Минкин М.Б., Ендовицкий А.П. Карбонатно-каль-циевое равновесие в почвенных растворах солонцов // Почвоведение. 1978. № 9.

12. Овечкин С.В., Исаев В.А. Периодическое дополнительное почвенно-грунтовое увлажнение как фактор эволюции почвенного покрова // Вопросы гидрологии в плодородии почв. М., 1985.

13. Потапова Л.С. Изменение микроклимата под влиянием полезащитных лесонасаждений на юге Русской равнины // Вопросы преобразования природы Русской равнины. М., 1973.

14. Риббе П.Х., Ридер Р. Дж., Морзе Дж. и др. Карбонаты: минералогия и химия / Под ред. Р. Дж. Ридера; Пер. с англ. М., 1987.

15. Рыскова Е.А., Ковда И.В., Рысков Я.Г. и др. Карбо-натно-кальциевая система степных почв Центрального Предкавказья // Почвоведение. 2001. № 3.

16. Смагин А.В. Газовая фаза почв. М., 2005.

Поступила в редакцию 11.01.09

THE CHARACTERISTIC OF STATE CARBONATE-CALCIUM SYSTEM IN CHERNOZEMS OF THE KAMENNAYA STEPPE

E.V. Rogozhnikova

The features of state systems carbonate-calcium in ordinary chernozems under different types of vegetative communities and anthropogenic influence are considered in this paper. As a rule, soil solutions are supersaturated by calcium. The state of carbonate system is closely connected with the local conditions of soil formation in each separate case: soil position in relief, vegetation type, local weather conditions.

Key words: carbonate-calcium systems, chernozem. Сведения об авторе

Рогожникова Евгения Владимировна, аспирант каф. общего почвоведения.