Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние проблемы и задачи исследований 3
ГЛАВА 2. Овьект и методы исследований 20
2.1. Методика отбора образцов 20
2.2. Методы исследований пород и глеевых горизонтов 21
2.2.1. Методы изучения макро- и микроморфологии 21
2.2.2. Методы изучения физико-химических и химических свойств 21
2.2.3. Методы изучения состава глинистых минералов 22
2.2.3. Методы изучения физико-механических и физических свойств 23
2.2.5. Методы изучения свойств пород и глеевых горизонтов как возможных субстратов для роста растений 24
ГЛАВА 3. Изменение макро- и микроморшологии глинистых ' почвообразущих пород под влиянием оглеения 25
3.1. Макроморфология почвообразующих пород и ее изменения при оглеении 25
3.2. Микроморфология почвообразующих пород и глеевых горизонтов 26
3.3. Микростроение почвообразующих пород и глеевых горизонтов (растровая электронная микроскопия) 32
ГЛАВА 4. Влияние оглеения на химические и физико-химические свойства пород. химический состав ила и изменение состава глинистых минералов 41
4.1. Изменение физико-химических свойств почвообразующих пород при оглеении 41
4.2. Изменение валового химического состава глинистых почвообразующих пород при оглеении 45
4.3. Изменение валового химического состава илистой фракций пород при оглеении. Состав глинистых минералов 46
ГЛАВА 5. Влияние глееобразования на физические и физико-механические свойства пород 54
5.1. Влияние оглеения на гранулометрический состав почвообразущих пород 54
5.2. Изменение макро- и микроагрегатного состава почвообразующих пород при оглеении 58
5.3. Изменение адсорбционной емкости по отношению к воде и удельной поверхности твердой фазы пород при оглеении 71
5.3.1. Методика измерения десорбции паров воды и расчета общей удельной поверхности пород и глеевых горизонтов 71
5.3.2. Методика расчета внешней и внутренней удельной поверхности по изотермам десорбции паров воды 73
5.3.3. Методика определения удельной поверхности пород и глеевых горизонтов по адсорбции азота 74
5.4. Изменение величины усадки и степени набухания пород при оглеении 82
5.5. Влияние глееобразования на показатели пластичности пород и их консистенцию 85
5.6. Изменение реологических свойств почвообразую-щих пород при оглеении 87
ГЛАВА 6. Почвообразующие породы и глеевье горизонты как возможные субстраты для роста и развития растении 97
Выводы 108
Литература
- Методы изучения физико-химических и химических свойств
- Микроморфология почвообразующих пород и глеевых горизонтов
- Изменение валового химического состава глинистых почвообразующих пород при оглеении
- Изменение макро- и микроагрегатного состава почвообразующих пород при оглеении
Введение к работе
Дальнейший подъем сельскохозяйственного производства в Нечерноземной зоне связан с повышением плодородия почв. Эта задача в соответствии с решением ЦК ШСС и Совета Министров СССР "О мерах по дальнейшему развитию сельского хозяйства Нечерноземной зоны РСФСР" (1974), осуществлением Продовольственной программы (1982) и Постановлением ЦК КПСС "О долговременной программе мелиорации, повышения эффективности использования мелиорированных земель в целях устойчивого наращивания продовольственного фонда страны" (1984) предполагает интенсивное мелиоративное строительство в целях рационального регулирования водно-воздушного режима почв. Необходимость этих мероприятий обусловлена широким распространением на территории зоны заболоченных почв, сформированных на различных по генезису и составу тяжелых почвообразующих породах - аллювиальных, моренных, покровных лесовидных, пермских карбонатных озерно-ледни-ковых и др. При близком гранулометрическом составе эти породы могут существенно отличаться по своим свойствам. В настоящее время в почвенной и, особенно, в мелиоративной литературе все тяжелые поч-вообразующие породы обычно объединяют в одну группу, хотя учитывая их разное генетическое происхождение, следует ожидать определенные несходства их химических, физико-химических, физико-механических и других свойств. Вместе с тем эти различия могут существенно трансформироваться под действием современных почвообразовательных процессов.
В гумидных ландшафтах одним из наиболее распространенных процессов почвообразования, оказывающим глубокое влияние на свойства пород, является глееобразование. Влияние этого процесса может быть различным в зависимости от гранулометрического, минералогического состава пород, условий гидрологического режима и других факторов. Поскольку основным следствием "оглеения является обезжелезнение мелкозема и (или) плазмы мелкозема" (Ф.Р.Зайдельман, 1974), можно предполагать, что этот процесс вызовет заметные изменения дисперсности, макро- и микроагрегатного состава, пластичности, адсорбционной способности и других важнейших показателей свойств почвообразующих пород.
Выяснение основных закономерностей трансформации почвообразующих пород актуально в генетическом отношении в связи с расшифровкой формирования профиля гидроморфных почв. Эти исследования имеют важное значение для объективной оценки почвенно-мелиоратив-ной и инженерно-геологической обстановки в гумидной зоне в связи с гидротехническим и мелиоративным строительством, обработкой почв. Такие исследования необходимы для оценки эффективности агротехнических мероприятий в связи с оценкой плодородия почвообразующих пород и глеевых горизонтов, поскольку они в определенных количествах поступают на поверхность почвы в процессе мелиоративного строительства и оказываются субстратом, на котором затем произрастают сельскохозяйственные растения.
В этой связи нами была предпринята попытка изучить влияние глееобразования на свойства широко распространенных в Нечерноземной зоне РСФСР моренных, лессовидных (покровных), аллювиальных, ленточных и пермских карбонатных глин.
Работа выполнялась в 1980-1983 гг. на кафедре физики и мелиорации почв факультета Почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова под руководством доктора сельскохозяйственных наук, профессора Ф .Р .Зайдельмана.
Автор приносит глубокую благодарность профессору кафедры химии почв факультета Почвоведения МГУ Т.А.Соколовой, старшему научному сотруднику Института географии АН СССР Л.К.Целищевой, старшему научному сотруднику кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ С.А.Шобе за помощь при выполнении минералогических и микроморфологических исследований.
Методы изучения физико-химических и химических свойств
Изменения химического, минералогического состава пород, дисперсности, специфика их микростроения за счет обезжелезнения в процессе их оглеения указывают на глубокие изменения происходящие в твердой фазе почвообразующих пород. Поэтому при оценке влияния глееобразования на свойства пород особый интерес представляют сведения об изменении величины их удельной поверхности. В связи с этим интересно отметить, что впервые в работе Ш.Р.Зайдельмана и Р.П.Нароковой (1978) было высказано предположение, что оглеение в зависимости от генезиса пород и водного режима может по разному влиять на величину удельной поверхности почв. При застойном водном режиме в суглинистых кислых и карбонатных породах происходит увеличение, а при проточном - ее уменьшение. Поэтому кажущееся противоречие вытекающее из анализа результатов исследований В.Г.Ви тязева, Е.Д.Никитина (1978), И.С.Кауричева, В.Г.Витязева, А.Рабий (1979), В.Г.Витязева, И.С.Кауричева, А.Рабий (1980) установивших уменьшение величины удельной поверхности при оглеении, и П.М.Сапожникова, П.Н.Березина (1982), П.М.Сапожникова (1981) - наблюдавших ее увеличение, по-видимому, связано с тем, что авторы рассматривали результаты оглеения на фоне различного водного режима.
Изменение свойств твердой фазы почвообразующих пород и почв при оглеении дает основание предполагать, что в этом случае можно ожидать и изменение их деформационного поведения, в частности, реологических свойств. Характеристике реологического поведения почв посвящены многие исследования (Л.П.Абрукова, 1970; Н.И.Бу-равчук, М.Б.Минкин, 1971; Н.И.Горбунов, Л.П.Абрукова, 1974; Л.П.Абрукова, В.А.Исаев, 1981; Г.И.Фукс, Л.П.Абрукова, Я.Б.Бури-баев, 1973; А.С.Манучаров, В.В.Абрукова, 1983 и др.). Анализ известных данных, посвященных изучению этого вопроса позволяет признать, что реологические свойства почв определяются их генезисом, прежде всего дисперсностью, минералогическим составом, а также степенью их увлажнения. Однако в литературе имеются весьма ограниченные работы по характеристике реологических свойств оглеенных пород гумидных ландшафтов. Единственная известная нам работа принадлежит Л.А.Церивадзе (1981), где показана зависимость водных и прочностных свойств глинистых пород Колхидской низменности от степени их оглеения в условиях субтропиков. Кроме того, следует отметить, что И.М.Горьковой (1965) установлено, что в восстановительных условиях в структурообразовании осадочных пород возрастает роль коагуляционного типа структурных связей.
Таким образом, к настоящему времени накоплен значительный материал по изучению влияния глееобразования на свойства почв, главным образом, в их естественном состоянии. Однако оценка влияния оглеения на основные почвообразующие породы остается довольно противоречивой, а для широко распространенных в Нечерноземной зо не РСФСР пород - неизвестной вообще. Вместе с тем выяснение основных закономерностей трансформации свойств почвообразующих пород под влиянием современных почвообразовательных процессов важно в генетическом отношении для понимания сущности формирования гидро-морфных почв, а также для объективной оценки почвенно-мелиоратив-ной и инженерно-геологической обстановки в гумидной зоне в связи с гидротехническим и мелиоративным строительством, сельскохозяйственным использованием гидроморфных минеральных почв.
Анализ рассмотренных данных показывает, что в общей проблеме изучения современных процессов почвообразования недостаточно полно изучено влияния оглеения на важнейшие свойства различных по генезису почвообразующих пород Нечерноземной зоны РШСР. Учитывая научное и прикладное значение оценки влияния глееобразования на их свойства нами была предпринята попытка изучить на примере пермских карбонатных, аллювиальных, ленточных, моренных и лессовидных (покровных) глин: 1. Влияние оглеения на макро- и микроморфологию; 2. основные закономерности изменения их химических и физико-химических свойств при оглеении; 3. химический состав и состав глинистых минералов илистой фракций почвообразующих пород и глеевых горизонтов; 4. Изменение некоторых физических и физико-механических свойств при оглеении (в частности, гранулометрический, макро- и микроагрегатный состав; адсорбционную способность; пластичность; усадку; набухание); 5. влияние глееобразования на их реологические свойства; 6. их особенности, а также особенности глеевых горизонтов как возможных субстратов для роста и развития сельскохозяйственных растений.
Микроморфология почвообразующих пород и глеевых горизонтов
Не вскипает от 10% раствора HGI. Итак, интенсивное оглеение глинистых почвообразующих пород сопровождается изменением первоначальной окраски (бурой, желтовато-бурой) на серовато-сизую и сизую. Наиболее четко цветовые признаки оглеения выражены в глеевых горизонтах, сформированных на пермской карбонатной и аллювиальной глинах. Оглеение ленточной глины наиболее резко выражено по трещинам и ходам корней растений. В моренных и лессовидных (покровных) глинах интенсивно оглеены грани структурных отдельностей. Характерной особенностью глеевых горизонтов на пермской карбонатной глине, кроме окраски, является то, что в них встречаются темно-бурые единичные ортштей-ны, а вынос карбонатов приводит к менее плотному сложению. Тогда как, оглеение аллювиальных, ленточных, моренных и лессовидных (покровных) глин сопровождается некоторым уплотнением сложения, исчезновением конкреции и меньшим количеством темных примазок. Кроме того, оглеение почвообразующих пород сопровождается образо ванием трещин, на стенках которых цветовые признаки оглеения выражены наиболее отчетливо.
По окраске и другим морфогенетическим признакам исследованные глеевые горизонты можно отнести к трем группам (Ф.Р.Зайдель-ман, 1974): глей редуцированный (6 )- на аллювиальных и пермских карбонатных глинах; глей редуцированно-окисленный (б1 )- на ленточных глинах и глей мраморовидный (Оп?г) - на моренных и лессовидных (покровных) глинах.
Для более детального изучения влияния оглеения на макро- и микроморфологические признаки глинистых почвообразующих пород нами проведено описание исследуемых образцов под бинокуляром в шлифах.
Оглеение обусловливает заметное изменение микроморфологии исследуемых пород. Ниже дано описание основных микроморфологических особенностей пород и рассмотрены их изменения при оглеении (рис.2 а-з).
Пермская карбонатная глина- монолитного сложения, неагреги-рованная, малопористая, пылевато-глинисто-карбонатная. При оглеении она становится плазменно-пылеватой, сильнопористой.
Аллювиальная глина- глинистая и железисто-глинистая, чешуйчатой ориентации, плазма в разной степени обогащена железистыми образованиями в виде округлых черновато-красных конкреций. В результате оглеения плазма становится обезжелезненной (в х ни-колях- белесо-желтая). Ориентация чешуйчатая и чешуйчато-волокнистая.
Ленточная глина- пьшевато-шіазменная, с параллельно-полосчатой и параллельно-струйчатой ориентацией. На стенках пор и трещин имеются натеки тонкодисперсной плазмы ярко-бурого цвета. Тре щиноватая. При оглеении исчезает полосчатая ориентация, плазма приобретает более светлую окраску. Неоглеенная и оглеенная ленточная глина насыщена мелкими органическими частичками.
Кислая моренная глина- красно-бурая, плазменно-пылеватая с включениями песчаных зерен, ориентирована в чешуйчатые и волокнистые агрегаты. В результате оглеения плазма приобретает желто-бурую окраску. Содержание плазмы визуально больше. Пор меньше. Глинистые частицы лучше ориентированы, чем в неоглеенной породе. Отсутствуют или меньше Fe -Мп конкреций.
Лессовидная (покровная) глина- монолитного сложения, пыле-вато-плазменная. Агрегированность не выражена. В отдельных участках почвенная масса имеет ооидное строение. При оглеении - пыле-вато-плазменная с включениями песчаных зерен, светло-желтая с четко выраженной чешуйчатой ориентацией глинистых частиц и менее пористая .
Микроморфологический анализ позволяет признать, что оглее-ние рассматриваемых почвообразующих пород сопровождается рядом общих изменений, свойственных всем породам. Так, в глеевых горизонтах появляются оптически ориентированные глины, чаще чешуйчатой ориентации, внутри педов (в основе) и натечной формы по внутрипед-ным порам и межпедным трещинам. Наличие натечных, оптически ориентированных глин свидетельствует об утяжелении гранулометрического состава глеевых горизонтов по сравнению с исходной породой, что согласуется с результатами механического анализа исследуемых образцов. Кроме того, в глеевых горизонтах наблюдается осветление плазмы (в х николях окраска ее светло-желтая, желтая) в результате обєзжелезнения. И наконец, в глеевых горизонтах, сформированных при застойном водном режиме, уменьшается пористость. Следует, однако, отметить некоторые частные особенности изменения микроморфологии, свойственные исследованным глинам.
Изменение валового химического состава глинистых почвообразующих пород при оглеении
Как отмечалось выше оценка влияния глееобразования на свойства почвообразующих пород возможна при условии сопоставимости генезиса и гранулометрического состава образцов исходной почвооб-разующей породы и глеевого горизонта (стр.20). Все выбранные пары исследуемых пород и глеевых горизонтов представлены образцами близкого или тождественного состава по содержанию фракций размером 0,01 мм и распределению фракций (табл.б).
Изучение данных по механическому анализу исходных почвообразующих пород и глеевых горизонтов обращает внимание на одну весьма закономерно повторяющуюся особенность изменения гранулометрического состава почвообразующих пород под влиянием глееобразования в естественных условиях. Всегда при застойном глееобразова-нии на аллювиальных, ленточных, моренных и покровных лессовидных породах и при периодически промывном водном режиме на пермских карбонатных глинах глеевые горизонты при практически тождественном содержании физической глины отличаются более высоким содержа ниєм илистых частиц ( 0,001 мм). При этом резкое изменение и наиболее значительное увеличение содержания ила наблюдается в тех почвообразующих породах, которые в исходном состоянии обладают наиболее стабильной водопрочной структурой (например, пермские карбонатные и аллювиальные глины). Здесь содержание илистой фракций увеличилось весьма значительно и составило 30-45$ по сравнению с исходной породой. Промежуточное значение занимают нейтральные или слабокарбонатные почвообразующие породы (например, ленточные глины), в которых это увеличение составило 12%, Наконец, в глеевых горизонтах на кислых почвообразующих породах (моренные и покровные лессовидные глины) увеличение содержания илистой фракций оказалось незначительным и не превышало 6-4%, т.е. наблюдалась лишь тенденция повышения содержания ила по сравнению с его содержанием в исходной породе (табл.6). Статистическая обработка полученных данных показала, что явление увеличения выхода ила в результате оглеения достоверно (при Р=Ю,95) для пермских карбонатных, аллювиальных и ленточных глин. В остальных случаях, т.е. при оглеении кислых почвообразующих пород (моренные и покровные лессовидные глины) можно предполагать наличие лишь тенденции увеличения содержания ила. Кроме того, учитывая вероятность различного исходного состава аллювия в неоглеенной и оглеенной почвах, дополнительно был изучен образец слабооглеенного слоя, залегающего выше редуцированного глея в профиле дерновой зернистой глеевой почвы. Оба горизонта обладали практически тождественным составом, однако и в этом случае в глеевом горизонте выход ила оказался выше по сравнению с его содержанием в слабооглеенной толще. в результате растворения и выноса карбонатов и гидроокислов железа. Ф.Р.Зайдельманом (1974) было установлено, что следствием оглее-ния, т.е. обезжелезнения мелкозема пород, является распад микроагрегатов и высвобождение элементарных частиц, ранее сцементированных гидроокислами металлов.
Подтверждением такого вывода являются результаты модельных опытов, в которых изучали изменение гранулометрического состава почвообразующих пород при их оглеении в условиях модельного опыта. Для этого образцы пород (воздушно-сухие, растертые и пропущенные через сито = I мм) помещали в стаканы на 500 мл, заливали 1%-ным раствором сахарозы с добавлением нескольких капель сброженного материала над оглеенным субстратом. Повторность опыта 3-4-кратная. Инкубацию таких инокулированных анаэробной микрофлорей образцов пород проводили в термостате при Т 25С в течение 4 мес, после чего извлекали колонку образца сизого цвета и подвергали его механическому анализу. Показано, что при искусственном оглеении почвообразующих пород содержание ила в них выше по сравнению с первоначальным содержанием его в исходных образцах пород (табл.7).
Влияние глееобразования на агрегатный состав почв до последнего времени разными авторами обычно оценивается неоднозначно. Как правило, широко распространено представление о том, что оглее-ние во всех случаях приводит к ухудшению агрегатного состава почв. Вместе с тем А.А.Роде (1933) обратил внимание на то, чтооглеение гумусовых горизонтов в минеральных гидроморфных почвах сопровождается накоплением агрегатов размером 1-0,25 мм, а Н.А.Димо (1940) исследуя минеральные оглеенные почвы Колхидской низменности пришел к выводу об их "скрытоагрегатном" характере, который отчетливо проявлялся после высушивания. По наблюдениям А.Ф.Скворцова (1957) структура горизонтов этих оглеенных почв отличалась длительной сохранностью в анаэробных условиях. Подтверждение этих данных содержатся в работах Г.В.Добровольского, И.П.Бабьевой, А.П.Лобутева (I960), Ф .Р .Зайдельмана CI96I), установивших, что сильнооглеенные горизонты пойменных почв в долинах рр.Клязьмы, Москвы и др. имели те же значения объемного веса и общей порозности, что и аналогичные по механическому составу горизонты неоглеенных почв.
С целью более строгой проверки влияния глееобразования на структурный состав нами были предприняты следующие наблюдения. Используя общепринятый метод исследования структурного состава по Саввинову, были изучены содержание воздушно-сухих структурных от-дельностей и водопрочных агрегатов в.неоглеенных почвообразующих породах и в глеевых горизонтах (табл.8). Результаты ситового анализа при сухом просеивании свидетельствуют о полиагрегатности исследуемых образцов, а также о преобладании в структурном составе пород и глеевых горизонтов агрегатов размером 7 мм т.е. макроагрегатов (Б.Г.Розанов, 1983).
При определении содержания водопрочных агрегатов были получены однозначные и несколько неожиданные результаты. Оказалось, что глеевые горизонты, независимо от генезиса почвообразующих пород на которых они сформировались, содержали больше водопрочных агрегатов, чем неоглеенные породы (табл.8). Выход агрегатов размером с 0,25 мм по сравнению с неоглеенной породой оказался ниже в 3 раза из глеевых горизонтов на аллювиальных и в 2 раза - на пермских карбонатных глинах. При оглеении ленточных и моренных глин наблюдалась лишь определенная тенденция уменьшения содержания агрегатов размером 0,25 мм. На лессовидных покровных глинах оглее-ние не оказывает существенного влияния на содержание водопрочных агрегатов.
Изменение макро- и микроагрегатного состава почвообразующих пород при оглеении
А.Д.Ворониным с соавторами (1978) показано, что величина Se отношения-7 7 резко возрастает в почвах и горизонтах, где в процессе почвообразования создаются условия для организации почвенных частиц в микроагрегаты. Это позволило заключить, что внутри микроагрегатов существуют полости недоступные молекулам азота, но в которых вода может адсорбироваться в широких интервалах относительно давления паров воды, а следовательно и влажностей почвы.
Поверхность этих полостей дает вклад во внешнюю поверхность определенную по адсорбции воды.
Поскольку при глееобразовании происходит распад микроагрегатов и высвобождение тонких фракций в результате растворения цемента и одновременно повышается содержание кальция, магния, органического вещества, то следует ожидать, что такие изменения твердой фазы приведут, по-видимому, к организации высвободившихся почвенных частиц в микроагрегаты. Для оценки степени организации глинистых частиц в микроагрегаты нами использовано отношение —г характеризующее относительную удельную площадь поверхности полостей в микроагрегатах от внешней удельной поверхности (SE) в почвах, испытывающих влияние оглеения.
При оглеении наблюдается закономерное увеличение величины этого отношения (табл.12). Однако степень его увеличения для различных почвообразугощих пород неодинакова.
Оглеение пермской карбонатной глины приводит к возрастанию внутренней удельной поверхности (Si ). По-видимому, это происходит за счет увеличения содержания лабильных силикатов в глеевом горизонте (табл.12), а также в результате выноса карбонатов, не имеющих внутренней поверхности (В.Г.Витязев, 1981). Увеличение же величины отношения „—дает основание полагать, что при оглее-нии создаются лучшие условия для образования микроагрегатов, что является, вероятно, следствием удаления гидроокислов железа и карбонатов, препятствующих сближению и микроагрегации отдельных глинистых частиц в неоглеенной породе. О низкой степени микроагреги-рованности глинистого материала в неоглеенной пермской карбонат-ной глине свидетельствует и то, что отношение близко к I и величина удельной поверхности внутриагрегатных полостей недоступных для молекул азота составляет здесь всего 0,06, тогда как в оглеенном образце она увеличивается до 0,37. Организации оглеен ной почвенной массы в микроагрегаты способствует, вероятно, накопление в них органического вещества, кальция и магния, на фоне периодически промывного водного режима.
При рассмотрении изменений, происходящих при оглеении в твердой фазе аллювиальной глины, обращает внимание значительное увеличение Se свидетельствующее о том, что дисперсность глеевого горизонта выше, чем в исходной породе. Это позволяет предполагать, что при растворении гидроокислов железа происходит распад макроагрегатов. Однако, относительно высокие значения og— Se в оглеенной и неоглеенной аллювиальной глине указывают на то, что здесь при распаде высвобождаются агрегированные частицы, т.е. мелкие микроагрегаты. В пользу этого механизма (распада сцементированных гидроокислами железа агрегатов) свидетельствует уменьшение J на фоне некоторого увеличения содержания лабильных силикатов (табл.5) в глеевом горизонте. Отсутствие изменений в содержании органического вещества в неоглеенной и оглеенной аллювиальной глине при высоких абсолютных его значениях, указывает на превалирующую роль его в образовании мелких агрегатов, в то время как склеивание последних в более крупные образования происходит, по-видимому, преимущественно за счет гидроокисных пленок железа.
Близкие значения величины & для неоглеенной и оглеенной аллюре виальной глины указывает также на то, что при оглеении строение мелких микроагрегатов не претерпевает существенных изменений (или не изменяется вообще).
Отличительной особенностью неоглеенной и оглеенной ленточной глины - наиболее тяжелой по гранулометрическому составу среди исследованных пород, является то, что величина общей удельной поверхности здесь ниже, чем у других глин. Это связано вероятно с низким содержанием в этой породе минералов группы монтмориллонита, обладающих развитой внутренней удельной поверхностью.
