Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЕННЫХ ОРТШТЕЙНОВ

Тимофеева Я.О. 1
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Биолого-почвенный институт Дальневосточного отделения РАН
Рассмотрены особенности общих физических и физико-химических свойств почвенных ортштейнов в почвах различного генезиса. Получены данные о величине влажности, плотности твердой фазы, порозности и реакции среды ортштейнов. Ортштейны характеризуются большей плотностью твердой фазы, меньшей влажностью и порозностью. Реакция среды ортштейнов по сравнению с почвенной массой более кислая. Установлено дифференцированное влияние процесса оглеения на физические свойства ортштейнов. При усилении оглеения нижней части почвенного профиля влажность и порозность ортштейнов увеличивается. Анализ почвенных ортштейнов и мелкозема свидетельствует об отсутствии прямолинейной зависимости между свойствами вмещающих почвенных горизонтов и ортштейнов.
кислотность почв
физика почв
ортштейны
1. Бабанин В. Ф., Иванов А. В., Пухов Д. Э., Шипилин А. М. Магнитные свойства конкреций подзолистой поверхностно-оглеенной почвы // Почвоведение.  2000.  № 10.  С. 1224-1232.
2. Зайдельман Ф. Р., Никифорова А. С. Генезис и диагностическое значение новообразований почв лесной и лесостепной зон.  М.: Изд-во Моск. ун-та, 2001.  216 с.
3. Ковалева Н. О., Ковалев И. В. Особенности органического вещества железисто-марганцевых конкреций серых лесных почв (по данным 13 С ЯМР-спектроскопии) // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, Почвоведение.  2003.  № 2.  С. 25-32.
4. Лакин Г. Ф. Биометрия.  М.: Высшая школа, 1990.  344 c.
5. Практикум по почвоведению / отв. ред. И. С. Кауричев.  М.: Колос, 1973.  279 с.
6. Росликова В. И. Марганцево-железистые новообразования в почвах равнинных ландшафтов гумидной зоны.  Владивосток: Дальнаука, 1996.  292 с.

Введение

Ортштейны представляют собой плотные, минеральные стяжения и являются самостоятельными природными телами с определенным внутренним строением, составом и свойствами, которые существенно отличаются от почвенных. Всестороннее изучение ортштейнов имеет большое теоретическое значение для выявления местных особенностей процессов почвообразования и функционирования почвенного покрова в целом.  На основании результатов исследования ортштейнов можно судить об интенсивности и направленности процессов трансформации первичных и вторичных минералов, аккумуляции элементов в почве, поглощении ионов из почвенного раствора твердыми частицами и обратный переход из твердой фазы и т.п. Формирование ортштейнов сопровождается усложнением их организации, изменением существующих и появлением новых характерных особенностей. 

Физико-химические и физические свойства ортштейнов определяются направленностью основного почвообразовательного процесса и корректируются в зависимости от накладывающихся. Как и в почве, характеристики физических и физико-химических показателей в ортштейнах зависят от элементного состава, содержания влаги, органических и минеральных составляющих, характера упаковки частиц и структурных отдельностей и т.д.  Немногочисленные исследования свойств выявили сходство между величиной показателей в ортштейнах и вмещающих горизонтах почв. Однако в большинстве случаев изучение свойств ортштейнов проводилось выборочно на одном, редко двух типах почв, а порой даже на отдельных горизонтах почвенного профиля. В настоящее время в почвоведении установлен и утвержден целый ряд параметров, характеризующих форму и вещественный состав ортштейнов, на основании которых можно определить условия их формирования [2, 6]. Имеющиеся результаты экспериментальных исследований физических и физико-химических свойств ортштейнов весьма разрозненны, и определение каких-либо зависимостей по ним достаточно проблематично.

Задачей настоящей работы является изучение основных физических и физико-химических свойств ортштейнов, выделенных из разных типов почв.  

Материалы и методы исследований

Изучение отдельных свойств ортштейнов проводилось на материале, выделенном из трех типов почв (бурозем оподзоленный, агротемногумусово-глеевая типичная, аллювиальная слоистая типичная), с отличными показателями рассматриваемых параметров. Ортштейны выделяли из почвы методом мокрого просеивания через мелкоячеистые (0,5 мм) капроновые сита с предварительным отмачиванием в воде и последующей декантацией. Дальнейшая очистка ортштейнов от посторонних примесей проводилась в лабораторных условиях с помощью электромагнитного сепаратора марки 138Т (Россия) при силе тока 10 А, что стало возможным за счет высокого содержания в ортштейнах высокодисперсных гидроксидов железа, обладающих магнитными свойствами [1]. Для изучения основных физических свойств ортштейнов были определены: естественная влажность (весовым методом), плотность твердой фазы (весовым методом) и порозность отдельных агрегатов (парафиновым методом) [5]. Определение порозности отдельных агрегатов выполнено на ортштейнах и почвенных отдельностях размером 4 – 5 мм, ортштейны такого размера формируются лишь при определенном сочетании условий конкрециебразования, поэтому установить эту величину во всех опытных образцах не представлялось возможным.

Данные, полученные в результате исследований, подвергали статистической обработке с использованием формул и компьютерных программ Statistic и Excel [4].

Результаты исследований и их обсуждение

Результаты определения физических свойств ортштейнов и их сравнение с аналогичными свойствами почвенного мелкозема представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Физические свойства ортштейнов и вмещающих горизонтов различных типов почв

Значения естественной влажности отражают влажность образца на момент отбора. Влажность ортштейнов всегда меньше влажности почв. При проявлении процессов оглеения содержание влаги в ортштейнах увеличивается, и разница между величиной влажности в почвах и ортштейнах сокращается.

Плотность твердой фазы ортштейнов оказалась выше плотности твердой фазы почвенной массы. При этом для ортштейнов, сформированных в различных горизонтах профиля, отмечается неоднородность по рассматриваемому признаку. Ортштейны гумусо-аккумулятивных горизонтов отличаются самой низкой величиной этого показателя. Плотность твердой фазы ортштейнов, также как и почв, увеличивается в нижних минеральных горизонтах бурозема оподзоленного и агротемногумусово-глеевой типичной почвы. В аллювиальных слоистых почвах на фоне увеличения плотности твердой фазы вниз по профилю в почвенном материале закономерного увеличения этого показателя в ортштейнах не происходит. Как правило, ортштейны с максимальной плотностью твердой фазы формируются в средней части профиля. Близкие показатели плотности твердой фазы ортштейнов, сформированных в разных типах почв, вероятно, обусловлены их единым происхождением, а также более высоким, по сравнению с почвенным мелкоземом, содержанием конкрециеобразующего компонента и его частичной окристаллизацией.

Порозность является одним из важнейших свойств почвы, характеризующих ее водный и воздушный режимы. Значения порозности отдельных агрегатов показывают, что в ортштейнах поры занимают значительно меньший объем. В ортштейнах бурозема оподзоленного величина порозности снижается с продвижением к нижней части профиля вслед за уменьшением порозности почвенных агрегатов. В агротемногумусово-глеевой типичной почве порозность ортштейнов размером 4-5 мм в нижней части профиля, наоборот, увеличивается.

Физические свойства ортштейнов находятся в непосредственной зависимости с условиями их формирования. Оглеение приводит к увеличению порозности и влажности ортштейнов. Причиной этому могут быть два противоположно направленных процесса. Первый связан с активной миграцией основных конкрециеобразующих элементов в анаэробных условиях в виде слабо окристаллизованных соединений и их осаждением на поверхности ортштейнов. Второй, наоборот, вызван диффузией коллоидных гидроксидов Fe и Mn из ортштейнов в почву. Накопление или потеря таких форм конкрециеобразующих элементов вызывает ощутимые изменения физических свойств ортштейнов, которые становятся более похожи на свойства почвенного мелкозема.

Физико-химические свойства почв определяются процессами, происходящими в основном между ее твердой и жидкой фазами (почвенным раствором). При уменьшении концентрации раствора часть веществ поступает в него из твердой фазы почвы, и, наоборот, при увеличении концентрации часть веществ выпадает из раствора, присоединяясь к твердой фазе. Одной из важнейших характеристик почв является ее реакция среды (рН). Кислотность почв обусловлена наличием водородных ионов в почвенном растворе и содержанием обменных ионов H+ и Al+ в почвенном поглощающем комплексе. При определении кислотности выделяют два ее вида - активную или актуальную (кислотность непосредственно почвенного раствора) и потенциальную (кислотность почвенного раствора плюс дополнительное количество ионов H+, поступивших в раствор из слоя компенсирующих ионов при эквивалентном обмене).

Ортштейны, являясь биоминеральными телами, относятся к твердой фазе почв. Их взаимодействие с почвенным раствором определяется качественным составом и, в первую очередь, содержанием слагающих Fe, Mn-соединений и зависит от контрастности окислительно-восстановительного режима. Учитывая отличительные особенности ортштейнов, можно сказать, что актуальная кислотность этих новообразований определяется концентрацией ионов Н+, входящих в состав поверхностных комплексов адсорбированных на внешней поверхности ортштейнов, а потенциальная кислотность дополняется ионами Н+, входящими в состав новообразованного вещества ортштейнов.

Результаты определения кислотности различных типов почв и ортштейнов показывают, что значения pH ортштейнов меньше почвенной величины (табл. 1).

Таблица 1

Реакция среды ортштейнов и вмещающих горизонтов почв

Горизонт, глубина, см

рН

почва

ортштейны

водное

солевое

водное

солевое

М

+ σ

М

+ σ

М

+ σ

М

+ σ

Бурозем типичный

А1 4-12

5,98

0,27

5,56

0,30

5,74

0,16

5,01

0,28

А1В12-28

6,17

0,36

5,36

0,31

4,77

0,20

3,53

0,21

В 28-57

6,07

0,33

5,31

0,19

5,02

0,32

3,79

0,26

Бурозем оподзоленный

А1 0,5-10

5,72

0,08

4,72

0,20

4,51

0,24

3,70

0,27

Е 10-40

6,08

0,27

4,51

0,22

4,78

0,19

3,52

0,23

В 40-79

5,88

0,22

4,46

0,19

5,16

0,26

3,36

0,20

Подбел темногумусовый типичный

А1 1,5-12

6,18

0,08

4,96

0,15

6,07

0,22

4,51

0,24

Е 12-25

5,74

0,19

4,55

0,28

5,45

0,19

4,08

0,32

ЕВg 25-32

5,71

0,17

4,73

0,14

5,20

0,12

4,03

0,20

Вg 32-118

6,04

0,21

4,61

0,07

5,59

0,19

4,14

0,26

Примечание: М – среднее арифметическое, σ – среднее квадратическое отклонение.

Кислотность водной суспензии ортштейнов находится в интервале кислой и слабокислой реакции среды, а солевой – в диапазоне очень сильнокислой, сильнокислой и кислой. Реакция среды водной суспензии ортштейнов мало отличается от уровня водного рН вмещающих горизонтов, однако, разделение кислотности ортштейнов по профилю почв не обнаруживает прямой связи с величиной pH почвенного мелкозема. Солевой рН ортштейнов резко отличается от почвенного в сторону увеличения кислотности, что обусловлено высоким по сравнению с почвенной массой содержанием железистых минеральных коллоидов, которые при взаимодействии с раствором нейтральной соли образуют хлориды.

Природа кислотности ортштейнов так же, как и почв, зависит от совокупного действия множества факторов. Наиболее значимыми являются: минералогический состав, наличие свободных солей, содержание и качество органического вещества. Минералогический состав ортштейнов отличается от почвенного преобладанием Fe-гидроксидов различной степени окристаллизованности, откуда Fe в результате реакций катионного обмена переходит в раствор, подкисляя его. Целенаправленной идентификации свободных солей в составе ортштейнов не проводилось, и в настоящий момент невозможно достоверно определить их влияние на величину pH. Содержание органического вещества в ортштейнах ниже, чем в почвенном мелкоземе. По имеющимся данным, гумус ортштейнов характеризуется фульватным составом и в два раза большей ароматичностью макромолекул по сравнению с гумусовыми кислотами почв [3]. Также в ортштейнах обнаружено незначительное количество тканей высших растений, функциональные группы и составляющие органические кислоты, которых могут дополнять подкисление реакции среды [3].

Заключение

Анализ изученных физических параметров показывает, что ортштейны представляют собой прочные компоненты почвенной массы за счет плотной упаковки конкрециеобразующих материалов, а также за счет более упорядоченной внутренней организации. От почвенного мелкозема они отличаются меньшей влажностью и порозностью и большей плотностью твердой фазы. Для ортштейнов характерно увеличение кислотности и снижение величины рН. Кислая реакция среды ортштейнов отчасти способствует проявлению аккумулирующей способности новообразований в отношении ряда металлов (Co, Pb, Ni, Cu).

Работа выполнена при поддержке грантов Президиума ДВО РАН №12-III-В-09-192, № 12-III-Д-09-035, №12-III-В-06-086.

Рецензенты:

Голов Владимир Иванович, д.б.н., главный научный сотрудник лаборатории почвоведения и экологии почв Федерального государственного бюджетного учреждения науки Биолого-почвенного института Дальневосточного отделения РАН, г. Владивосток.

Пуртова Людмила Николаевна, д.б.н., ведущий научный сотрудник лаборатории почвоведения и экологии почв Федерального государственного бюджетного учреждения науки Биолого-почвенного института Дальневосточного отделения РАН, г. Владивосток.


Библиографическая ссылка

Тимофеева Я.О. ФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЕННЫХ ОРТШТЕЙНОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=7544 (дата обращения: 20.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074