Сравнительная оценка методов определения педогенного органического углерода в углесодержащих почвах

Главная

Статья в Elpub

РУС ENG

Вестник Томского государственного университета. Биология. 2017; : 29-43

Сравнительная оценка методов определения педогенного органического углерода в углесодержащих почвах

Соколов Д. А., Кулижский С. П., Лим А. Г., Гуркова Е. А., Нечаева Т. В., Мерзляков О. Э.

https://doi.org/10.17223/19988591/39/2

Аннотация

Дана сравнительная оценка ряда методов по определению содержания углерода педогенного органического вещества в почвах отвалов месторождений каменного и бурого угля. Показано, что традиционные методы оценки, базирующиеся на определении содержания общего или органического углерода, не могут быть использованы из-за наличия в почвах органического углерода литогенных веществ (углистых частиц). Предлагается для дифференциации педогенного и литогенного органического углерода в углесодержащих почвах использовать показатели, отражающие функциональные особенности педогенного органического вещества. Выявлено, что для почв, сформированных на рыхлых почвообразующих породах отвалов буроугольных месторождений, наиболее пригоден показатель, рассчитанный из соотношения содержания углерода и азота (С/N) зональных почв. Установлено, что в почвах отвалов каменноугольных месторождений, сложенных плотными породами, содержание педогенного углерода отражает величина литогенного потенциала гумусонакопления.

Список литературы

1. Соколов Д.А. Специфика накопления и распределения фракций восстановленных продуктов в эмбриоземах Кузбасса // Вестник Томского государственного университета. 2008. № 315. С. 214-217.

2. Соколов Д.А. Специфика определения органических веществ педогенной природы в почвах техногенных ландшафтов Кузбасса // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2012. № 2 (18). С. 17-25.

3. Курачев В.М., Андроханов В.А. Классификация почв техногенных ландшафтов // Сибирский экологический журнал. 2002. № 3. С. 255-261.

4. Кононова М.М. Органическое вещество почвы. М. : Изд-во АН СССР, 1963. 314 с.

5. Гамзиков Г.П. Азот в земледелии Западной Сибири. М. : Наука, 1981. 266 с.

6. Тюрин И.В. Органическое вещество почв и его роль в почвообразовании и плодородии. Учение о почвенном гумусе. М. : Сельхозгиз, 1937. 287 с.

7. Артемьева З.С. Органическое вещество и гранулометрическая система почвы. М. : ГЕОС, 2010. 240 с.

8. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М. : ГЕОС, 2015. 233 с.

9. Соколов Д.А., Мерзляков О.Э., Доможакова Е.А. Оценка литогенного потенциала гумусонакопления в почвах отвалов каменноугольных месторождений Сибири // Вестник Томского государственного университета. 2015. № 399. С. 247-253.

10. Трофимов С.С. Экология почв и почвенные ресурсы Кемеровской области. Новосибирск : Наука, 1975. 300 с.

11. Кусов А.В. Гранулометрическая диагностика внутрипочвенного выветривания обломочного материала в техногенных ландшафтах // Сибирский экологический журнал. 2007. № 5. С. 837-842.

12. Shrestha Raj K., Lal R. Changes in physical and chemical properties of soil after surface mining and reclamation // Geoderma. 2011. № 161. PR 168-176.

13. Рагим-Заде Ф.К. Почвообразующие породы техногенных ландшафтов // Экология и рекультивация техногенных ландшафтов. Новосибирск : Наука, 1981. С. 166-178.

14. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М. : Изд-во МГУ, 1970. 488 с.

15. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М. : Высшая школа, 1973. 400 с.

16. Шишов Л.Л., Дурманов Д.Н., Карманов И.И., Ефремов В.В. Теоретические основы и пути регулирования плодородия почв. М. : Агропромиздат, 1991. 304 с.

17. Андроханов В.А., Курачев В.М. Принципы оценки почвенно-экологического состояния техногенных ландшафтов // Сибирский экологический журнал. 2009. Т. 16, № 2. С. 165-169.

18. Ussiri D.A.N., Jacinthe P.-A., Lal R. Methods for determination of coal carbon in reclaimed minesoils // Geoderma. 2014. № 214-215. PP. 155-167.

19. Семина И.С., Беланов И.П., Шипилова А.М., Андроханов В.А. Природно-техногенные комплексы Кузбасса : свойства и режимы функционирования. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2013. 396 с.

20. Куляпина Е.Д., Курачев В.М. Специфика накопления органических элементов в почвах техногенных ландшафтов // Сибирский экологический журнал. 2004. Т. 11, № 3. С. 345-353.

21. Двуреченский В.Г., Середина В.П. Сравнительная характеристика фракционного и группового состава гумуса в эмбриоземах техногенных ландшафтов горно-таежного пояса Кузбасса // Сибирский экологический журнал. 2015. Т. 22, № 6. С. 952-965.

22. Schmidt M.W.I., Skjemstad J.O., Czimczik C.I., Glaser B., Prentice K.M., Gelinas Y., Kuhlbusch T.A.J. Comparative analysis of black carbon in soils // Global Biogeochemical Cycles. 2001. № 15. РР 163-167.

23. Maharaj S., Barton C.D., Karatkanasis T.A.D., Rowe H.D., Rimmer S.M. Distinguishing "new" from "old" organic carbon on reclaimed coal mine sites using thermogravimetry: I. Method development // Soil Science. 2007. № 172. РЕ 292-301.

24. Rumpel C., Balesdent J., Grootes P., Weber E., Kogel-Knabner I. Quantification of lignite- and vegetation-derived soil carbon using 14Cactivity measurements in a forested chronosequence // Geoderma. 2003. № 112. РЕ 155-166.

25. Griffin J.J., Goldberg E.D. Sphericity as a characteristic of solids from fossil-fuel burning in lake Michigan sediment // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1981. № 45. PP. 763-769.

26. Fernandes M.B., Skjemstad J.O., Johnson B.B., Wells J.D., Brooks P. Characterization of carbonaceous combustion residues. I. Morphological, elemental and spectroscopic features // Chemosphere. 2003. № 51. PP. 785-795.

27. Brodowski S., Amelung W., Haumaier L., Abetz C., Zech W. Morphological and chemical properties of black carbon in physical soil fractions as revealed by scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy // Geoderma. 2005. № 128. РЕ 116129.

28. Rumpel C., Knicker H., Kogel-Knabner I., Skjemstad J.O., Huttl R.F. Types and chemical composition of organic substance in reforested lignite-rich mine soils // Geoderma. 1998. № 86. PP. 123-142.

29. Morgenroth G., Kretschmer W., Scharf A., Uhl T., Fettweis U., Bens O., Huttl R.F. 14C Heasurement of soil in post-mining landscapes // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2004. № 223. РЕ 568-572.

30. Simpson M.J., Hatcher P.G. Determination of black carbon in natural organic substance by chemical oxidation and solid-state 13C Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy // Organic Geochemistry. 2004. № 35. РЕ 923-935.

31. Frouz J., Cajthaml T., Kribek B., Schaeffer P., Bartuska M., Galertovа R., Rojik P., Kristufek V. Deep, subsurface microflora after excavation respiration and biomass and its potential role in degradation of fossil organic substance // Folia Microbiologica. 2011. № 56. РЕ 389-396.

32. Skjemstad J.O., Janik L.J., Head M.J., McClure S.G. High-energy ultraviolet photooxidation - a novel technique for studying physically protected organic-substance in clay-sized and silt-sized aggregates // Journal of Soil Science. 1993. № 44. PP. 485-499.

33. Хмелев В.А., Танасиенко А.А. Почвенные ресурсы Кемеровской области и основы их рационального использования. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2013. 477 с.

34. Соколов Д.А., Кулижский С.П., Доможакова Е.А., Госсен И.Н. Особенности формирования почв техногенных ландшафтов в различных природно-климатических зонах юга Сибири // Вестник Томского государственного университета. 2012. № 364. С. 225-229. URL: http://vital.lib.tsu.ru/vital/access/manager/Repository/vtls:000437235

35. Соколов Д.А., Кулижский С.П. Сингенетичность формирования растительного покрова и окислительно-восстановительных систем в почвах отвалов каменноугольных разрезов // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2013. № 1. С. 22-29. URL: http://vital.lib.tsu.ru/vital/access/manager/Repository/vtls:000446469

36. Госсен И.Н., Соколов Д.А. Оценка содержания гумуса в почвах рекультивированных отвалов угольных разрезов Кузбасса // Вестник Новосибирского государственного аграрного университета. 2014. № 4. С. 33-40.

37. Андроханов В.А., Овсянникова С.В., Курачев В.М. Техноземы: свойства, режимы, функционирование. Новосибирск : Наука, 2000. 200 с.

38. Трофимов С.С., Таранов С.А. Особенности почвообразования в техногенных экосистемах // Почвоведение. 1987. № 11. С. 95-99.

39. Гродницкая И.Д., Трефилова О.В., Шишикин А.С. Агрохимические и микробиологические свойства техногенных почв отвалов (Канско-Рыбинская котловина) // Почвоведение. 2010. № 7. С. 867-878.

40. Тюрин И.В. Органическое вещество почв и его роль в плодородии. М. : Наука, 1965. 319 с.

Tomsk State University Journal of Biology. 2017; : 29-43

Comparative evaluation of methods for determination of pedogenic organic carbon in coal-bearing soils

Sokolov D. A., Kulizhskiy S. P., Lim A. G., Gurkova E. A., Nechaeva T. V., Merzlyakov O. E.

https://doi.org/10.17223/19988591/39/2

Abstract

The research considered determination of carbon reserves of soil organic substances in coal-bearing soils as an important problem of the study of technogenic landscape soils of coal deposits. Basing on the ability of soils of technogenic landscapes to perform the functions of natural undisturbed soils, the total fund of soil organic substance in such soils is said to be formed not only by humic compounds, but also by oxidized carbonaceous particles. Therefore, only developing the methods for differentiating soil organic substance performing the function of humus, and non-transformed lithogenic organic substance can solve the problem of evaluating the state of coal-bearing soils. The aim of the work is a comparative evaluation of the possibility of using traditional approaches and two those which we propose to determine the content of pedogenic organic carbon in soils of coal deposit dumps. Embryosems formed on the surface of coal and brown coal deposit dumps in Kemerovo oblast (N 53^o39'; E 86^o53') and Krasnoyarsk Krai (N 55^o58'; E 90^o23') were objects of the research. Methodically, along with traditional methods based on the content of total and organic carbon determination, we use approaches that rely on functional characteristics of soil organic substance. The first approach is based on the ability of soil organic substances to deposit nitrogen in soils. This approach involves calculation of carbon content of pedogenic organic substances using the parameters of soil nitrogen reserves and its ratio with carbon (C / N) in zonal undisturbed soils. The second approach is based on the ability of soil organic substance to form organic and mineral complexes with clay particles. At the same time, the content of pedogenic carbon is determined by the value of lithogenic potential of humus accumulation (LPHA), which depends on the number of clay particles in soils. Our research has shown that for carbon-containing soils, methods based on determination of total and organic carbon give incorrect results and cannot be used in complex ecological studies of techogenic soils and landscapes. Approbation of the proposed approaches has shown that, the definition of LPHA makes it possible to obtain reliable results for embryozems formed on a dense, stony substrate of coal deposits (See Table 2), since the accumulation of clay particles in such soils is the result of biochemical weathering and their amount is proportional to the reserves of organic substance. For embriozems formed on a loose substrate of brown coal deposit dumps, the results obtained with the help of C / N ratio and nitrogen content in the investigated soils are the most representative (See Table 2). Thus, we can conclude that, even in this approximation, the proposed approaches allow carrying out large-scale studies on evaluating the ecological state and resource potential of coal-bearing soils of technogenic landscapes. The article contains 2 Tables, 39 References.

References

1. Sokolov D.A. Spetsifika nakopleniya i raspredeleniya fraktsii vosstanovlennykh produktov v embriozemakh Kuzbassa // Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. 2008. № 315. S. 214-217.

2. Sokolov D.A. Spetsifika opredeleniya organicheskikh veshchestv pedogennoi prirody v pochvakh tekhnogennykh landshaftov Kuzbassa // Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya. 2012. № 2 (18). S. 17-25.

3. Kurachev V.M., Androkhanov V.A. Klassifikatsiya pochv tekhnogennykh landshaftov // Sibirskii ekologicheskii zhurnal. 2002. № 3. S. 255-261.

4. Kononova M.M. Organicheskoe veshchestvo pochvy. M. : Izd-vo AN SSSR, 1963. 314 s.

5. Gamzikov G.P. Azot v zemledelii Zapadnoi Sibiri. M. : Nauka, 1981. 266 s.

6. Tyurin I.V. Organicheskoe veshchestvo pochv i ego rol' v pochvoobrazovanii i plodorodii. Uchenie o pochvennom gumuse. M. : Sel'khozgiz, 1937. 287 s.

7. Artem'eva Z.S. Organicheskoe veshchestvo i granulometricheskaya sistema pochvy. M. : GEOS, 2010. 240 s.

8. Semenov V.M., Kogut B.M. Pochvennoe organicheskoe veshchestvo. M. : GEOS, 2015. 233 s.

9. Sokolov D.A., Merzlyakov O.E., Domozhakova E.A. Otsenka litogennogo potentsiala gumusonakopleniya v pochvakh otvalov kamennougol'nykh mestorozhdenii Sibiri // Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. 2015. № 399. S. 247-253.

10. Trofimov S.S. Ekologiya pochv i pochvennye resursy Kemerovskoi oblasti. Novosibirsk : Nauka, 1975. 300 s.

11. Kusov A.V. Granulometricheskaya diagnostika vnutripochvennogo vyvetrivaniya oblomochnogo materiala v tekhnogennykh landshaftakh // Sibirskii ekologicheskii zhurnal. 2007. № 5. S. 837-842.

12. Shrestha Raj K., Lal R. Changes in physical and chemical properties of soil after surface mining and reclamation // Geoderma. 2011. № 161. PR 168-176.

13. Ragim-Zade F.K. Pochvoobrazuyushchie porody tekhnogennykh landshaftov // Ekologiya i rekul'tivatsiya tekhnogennykh landshaftov. Novosibirsk : Nauka, 1981. S. 166-178.

14. Arinushkina E.V. Rukovodstvo po khimicheskomu analizu pochv. M. : Izd-vo MGU, 1970. 488 s.

15. Vadyunina A.F., Korchagina Z.A. Metody issledovaniya fizicheskikh svoistv pochv i gruntov. M. : Vysshaya shkola, 1973. 400 s.

16. Shishov L.L., Durmanov D.N., Karmanov I.I., Efremov V.V. Teoreticheskie osnovy i puti regulirovaniya plodorodiya pochv. M. : Agropromizdat, 1991. 304 s.

17. Androkhanov V.A., Kurachev V.M. Printsipy otsenki pochvenno-ekologicheskogo sostoyaniya tekhnogennykh landshaftov // Sibirskii ekologicheskii zhurnal. 2009. T. 16, № 2. S. 165-169.

18. Ussiri D.A.N., Jacinthe P.-A., Lal R. Methods for determination of coal carbon in reclaimed minesoils // Geoderma. 2014. № 214-215. PP. 155-167.

19. Semina I.S., Belanov I.P., Shipilova A.M., Androkhanov V.A. Prirodno-tekhnogennye kompleksy Kuzbassa : svoistva i rezhimy funktsionirovaniya. Novosibirsk : Izd-vo SO RAN, 2013. 396 s.

20. Kulyapina E.D., Kurachev V.M. Spetsifika nakopleniya organicheskikh elementov v pochvakh tekhnogennykh landshaftov // Sibirskii ekologicheskii zhurnal. 2004. T. 11, № 3. S. 345-353.

21. Dvurechenskii V.G., Seredina V.P. Sravnitel'naya kharakteristika fraktsionnogo i gruppovogo sostava gumusa v embriozemakh tekhnogennykh landshaftov gorno-taezhnogo poyasa Kuzbassa // Sibirskii ekologicheskii zhurnal. 2015. T. 22, № 6. S. 952-965.

25. Griffin J.J., Goldberg E.D. Sphericity as a characteristic of solids from fossil-fuel burning in lake Michigan sediment // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1981. № 45. PP. 763-769.

31. Frouz J., Cajthaml T., Kribek B., Schaeffer P., Bartuska M., Galertova R., Rojik P., Kristufek V. Deep, subsurface microflora after excavation respiration and biomass and its potential role in degradation of fossil organic substance // Folia Microbiologica. 2011. № 56. RE 389-396.

33. Khmelev V.A., Tanasienko A.A. Pochvennye resursy Kemerovskoi oblasti i osnovy ikh ratsional'nogo ispol'zovaniya. Novosibirsk : Izd-vo SO RAN, 2013. 477 s.

34. Sokolov D.A., Kulizhskii S.P., Domozhakova E.A., Gossen I.N. Osobennosti formirovaniya pochv tekhnogennykh landshaftov v razlichnykh prirodno-klimaticheskikh zonakh yuga Sibiri // Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. 2012. № 364. S. 225-229. URL: http://vital.lib.tsu.ru/vital/access/manager/Repository/vtls:000437235

35. Sokolov D.A., Kulizhskii S.P. Singenetichnost' formirovaniya rastitel'nogo pokrova i okislitel'no-vosstanovitel'nykh sistem v pochvakh otvalov kamennougol'nykh razrezov // Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya. 2013. № 1. S. 22-29. URL: http://vital.lib.tsu.ru/vital/access/manager/Repository/vtls:000446469

36. Gossen I.N., Sokolov D.A. Otsenka soderzhaniya gumusa v pochvakh rekul'tivirovannykh otvalov ugol'nykh razrezov Kuzbassa // Vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2014. № 4. S. 33-40.

37. Androkhanov V.A., Ovsyannikova S.V., Kurachev V.M. Tekhnozemy: svoistva, rezhimy, funktsionirovanie. Novosibirsk : Nauka, 2000. 200 s.

38. Trofimov S.S., Taranov S.A. Osobennosti pochvoobrazovaniya v tekhnogennykh ekosistemakh // Pochvovedenie. 1987. № 11. S. 95-99.

39. Grodnitskaya I.D., Trefilova O.V., Shishikin A.S. Agrokhimicheskie i mikrobiologicheskie svoistva tekhnogennykh pochv otvalov (Kansko-Rybinskaya kotlovina) // Pochvovedenie. 2010. № 7. S. 867-878.

40. Tyurin I.V. Organicheskoe veshchestvo pochv i ego rol' v plodorodii. M. : Nauka, 1965. 319 s.

Сравнительная оценка методов определения педогенного органического углерода в углесодержащих почвах

Аннотация

Comparative evaluation of methods for determination of pedogenic organic carbon in coal-bearing soils

Abstract

События