Новообразования легкорастворимых солей и гипса в аридных почвах России и сопредельных стран: диагностика, генезис, антропогенная трансформация Ямнова Ирина Аркадьевна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Морфологическая диагностика солевых и гипсовых новообразований в почвах аридных и семиаридных территорий (обзор литературы) 14

1.1. Микроморфологические особенности легкорастворимых солей в почвах 15

1.2. Микроморфологические особенности гипсовых новообразований в почвах 21

Глава 2 Объекты и методы исследования 41

2.1.Объекты исследования 41

2.2. Методы исследования 56

Глава 3 Характеристика микроморфологических и минералогических особенностей солевых новообразований и гипса в целинных засоленных почвах 65

3.1. Микроморфологические и минералогические особенности солевых новообразований и гипса в засоленных почвах пустынной зоны 66

3.2. Микроморфологические и минералогические особенности солевых новообразований и гипса в засоленных почвах полупустынной зоны 98

3.3. Микроморфологические и минералогические особенности солевых новообразований и гипса в засоленных почвах степной и лесостепной зон 116

Глава 4 Микроморфологические и минералогические особенности новообразований гипса в целинных солончаках и гипсоносных гидроморфных почвах (на примере почв Джизакского стационара) 128

4.1. Проблема гипсонакопления в почвах, состояние проблемы, классификационное положение и процессы его определяющие 128

4.2. Гипс в целинных солончаках и гипсоносных гидроморфных почвах (на примере почв Джизакского стационара) 144

Глава 5 Солевые новообразования как показатель направленности процессов засоления почв 171

5.1. Влияние орошения почв полупустынь Средней Азии на трансформацию новообразований гипса 171

5.2. Проявление вторичного засоления почв Прикаспия после прекращения орошения 174

5.3. Влияние осушения гидроморфных почв субтропической полупустыни (Джизакской степи) на трансформацию гипсовых новообразований 178

5.4. Влияние промывок на фоне глубокого дренажа на почвы солонцового комплекса (солонца и каштановой солонцеватой) северной части Прикаспийской низменности в пределах сухостепной зоны 184

Заключение 199

Выводы 204

Список литературы 209

• Микроморфологические особенности гипсовых новообразований в почвах
• Микроморфологические и минералогические особенности солевых новообразований и гипса в засоленных почвах полупустынной зоны
• Гипс в целинных солончаках и гипсоносных гидроморфных почвах (на примере почв Джизакского стационара)
• Влияние осушения гидроморфных почв субтропической полупустыни (Джизакской степи) на трансформацию гипсовых новообразований

Введение к работе

Актуальность темы. Аридные почвы широко распространены во всем мире, около 20% из них занимают засоленные. В Мире максимальная площадь засоленных почв отмечена в Австралии, в странах Северной и Центральной Азии, в южной Америке (Szabolcs, 1989). Часто среди засоленных почв преобладают щелочные почвы, которые условно были названы солонцами и солонцеватыми почвами. Вместе с тем в Китае, и в странах юго-восточной, южной и западной Азии среди засоленных почв господствуют почвы с нейтральными солями (солончаки и солончаковые почвы). В Европе крупные массивы засоленных почв выявлены на территории бывшего Советского Союза, в Венгрии и Испании, хотя более мелкие ареалы встречаются во многих странах.

На территории России засоленные почвы выделены в 42 субъектах федерации из 89. По данным земельного кадастра (Росгипрозем 01.01 1996 г.) на сельскохозяйственных землях России площадь засоленных (несолонцовых) почв составила 16 304 тыс. га (около 9% площади сельскохозяйственных угодий) и около 23 000 тыс. га представлено засоленными почвами солонцовых комплексов, что составляет примерно 12,5% от площади сельскохозяйственных угодий. Таким образом, около 21% от площади сельскохозяйственных земель России относится к категории засоленных. На пахотных землях засоленные (несолонцовые) почвы составляют 4%, а солонцовые 8,2%. Площади орошаемых земель по данным на 1995 год достигали – 5,2 млн. га. Из них к засоленным относилось 17%, а к солонцовым 19,7%. При этом в площади засоленных и засоленных-солонцовых почв преимущественно включены почвы, содержащие соли в верхнем метре профиля. Глубоко- и потенциально засоленные почвы, которые требуют обязательного учета и которые следует выделять в особую группу засоленных почв, т.к. они представляют большую опасность для развития вторичного засоления, как правило, в кадастрах не учитываются.

В связи с аридизацией климата, процессами опустынивания и развитием вторичного засоления проблема изучения и мелиорации засоленных почв для южных регионов России является актуальной.

Новообразования солей и гипса в аридных и семиаридных почвах определяют их мелиоративное состояние, а также свидетельствуют о направленности процесса засоления и его динамике. Минералогические и морфологические особенности новообразований, их распределение по профилю почв, а также приуроченность к отдельным компонентам микростроения являются индикаторами почвенных процессов как современных, так и реликтовых.

Изучение диагностики, генезиса и распространения солевых и гипсовых новообразований в почвах является актуальной и исследуется во многих странах мира (Феофарова, 1958; Ярилова, 1961; Минашина, 1958, 1986, 2002; FitzPatrick (CD), 2002; Stoops, 1978, 1981, 2003; Porta&Herrero, 1988; R-M.Poch, 1996; Турсина, 1980; Соколова, 1985; Верба, 1990, 1996; Ямнова, 1987, 1990; Шоба 1978, 1980; Губин 1990; Горячкин 2012; Сиземская, 1985, 1989.

Основным направлением на современном этапе исследований является изучение морфологии солевых и гипсовых новообразований на микро- и субмикроуровнях в разных типах почв. Анализ существующей литературы показал, что вопросы о взаимосвязи морфологии и генезиса солевых и гипсовых новообразований с элементарными почвенными процессами и режимами функционирования почв, формирующими засоленные и гипсовые горизонты, нельзя считать решенными.

Цель работы – уточнить диагностику, определить генезис, оценить антропогенную трансформацию новообразований легкорастворимых солей и гипса для выявления направленности солевых процессов в аридных почвах России и сопредельных стран.

Задачи.

1. Систематизировать характеристику солевых и гипсовых новообразований и усовершенствовать их диагностику в почвах аридных и семиаридных территорий на основе обобщения отечественных и зарубежных источников, а также авторских данных

1. Провести типизацию форм гипсовых новообразований в широком географическом ареале; установить связь морфотипов гипсовых горизонтов с характером водного режима и степенью гидроморфности почв.

2. Апробировать картографирование морфотипов гипсовых горизонтов как метода мелиоративной оценки территории и основы для мониторинга засоленных почв.

3. Охарактеризовать легкорастворимые солевые и гипсовые новообразования в засоленных почвах суббореального пояса Евразии как индикаторов почвенных процессов засоления-рассоления на основе комплекса морфологических, минералогических и химических методов.

4. Установить диагностические критерии направленности процессов засоления-рассоления по морфологическим признакам солевых и гипсовых новообразований в засоленных почвах разного химизма территории России и сопредельных стран.

Защищаемые положения

1. Диагностика солевых и гипсовых новообразований в почвах должна опираться на четыре группы показателей, так как каждый из этих показателей несет различные сведения о засолении почв: а) химическая характеристика засоления почв; б) минералогический состав солей в новообразованиях; в) разнообразие морфологических форм новообразований и их приуроченность к элементам микростроения; характер связи определенных минералов солей с глинистой и карбонатной плазмой; г) связь особенностей морфологии солей, как с типом засоления почв, так и с условиями кристаллизации солей.

2. Установлены диагностические критерии палеогеографических условий формирования солевых и гипсовых новообразований и направленности современных процессов засоления-рассоления по изменению морфологических признаков легкорастворимых солей и гипса. Микрокристалломорфологический анализ (степень окристаллизованности, форма и размер кристаллов, форма граней и ребер и др.) позволяет установить, в состоянии роста или разрушения находится кристалл. Так, приуроченность легкорастворимых солей к крупным сквозным порам и четкая (идеальная) форма кристаллов свидетельствует об активном современном соленакоплении; корродированные поверхности кристаллов являются доказательством их разрушения и вымывания.

3. Морфотип гипсовых горизонтов диагностирует характер увлажнения профиля от грунтовых вод в период образования гипсового горизонта и степень гидроморфности почв, что позволяет уточнить классификационное положение гипсоносных почв. Было выделено три морфотипа. 1 - инкрустационный тип является самым распространенным и подразделяется на три подтипа, представленных: мелко- (0,01-0,1 мм), средне-(0,1-1,0) и крупнокристаллическими (>1 мм) гипсовыми кристаллами, размер которых зависит от зоны кристаллизации гипса. Этот морфотип присущ практически всем почвам сероземного ряда, как гидроморфного, так и автоморфного рядов, но формируется он в зоне постоянного капиллярного водонасыщения. 2 - конкреционный морфотип характерен для сероземно-луговых почв при уровне грунтовых вод около 2 м и представлен карбонатно-гипсовыми конкрециями зонального строения; их генезис связан как с упариванием грунтовых вод, так и с периодическим дополнительным увлажнением паводковыми водами. 3 - мучнистый морфотип формируется в солончаках луговых и лугово-болотных при уровне грунтовых вод около 1 м. Образование этого морфотипа обусловлено периодичностью длительного капиллярного увлажнения и быстрого иссушения, в результате которого резко возрастает скорость испарения грунтовых вод. Мучнистый морфотип представлен двумя подтипами: а) псевдосухарчатым, характерным для почв относительно менее увлажненных (при уровне грунтовых вод >1 м) и б) мергелистым, характерным для более увлажненных почвенных разностей (при уровне грунтовых вод менее 1,0 м). Показана индикационная роль морфотипов для оценки и картографирования степени гипсоносности почв.

4. В гидроморфных почвах аридных и семиаридных регионов с коэффициентом увлажнения <1 процесс гидрогенного соленакопления определяется геохимическими особенностями региона.

Научная новизна.

4. Впервые была применена система методов диагностики засоления почв, представляющая собой сопряженное поэтапное микроморфологическое и минералогическое (с учетом химического) исследование новообразований солей на макро-, мезо-, микро- и суб-микроуровнях. Эта система включает химические (анализ водной вытяжки, содержание гипса и карбонатов), микроморфологические (оптическая поляризационная, растровая электронная микроскопия, сопряженная с рентгеновским микроанализатором, а также томографические исследования), и минералогические методы (исследование в иммерсии, рентгендифрактометрия и термический анализ).

5. Впервые на основе перечисленных выше методов дана характеристика солевых и гипсовых новообразований в засоленных почвах, развитых в условиях от крайнеаридных пустынь до лесостепной зоны. Установлено, что в зональном ряду меняется интенсивность соленакопления в солевых горизонтах гидроморфных почв (от 60% легкорастворимых солей в пустынях до 2% в степях). Форма солевых и гипсовых новообразований не связана с биоклиматической зональностью, а определяется условиями минералообразования – в условиях разной степени гидроморфности. Степень засоления зависит от зональности, а химизм зависит от геохимических условий региона.

6. На основе изучения морфологии солевых и гипсовых новообразований установлена направленность процессов засоления-рассоления почв.

7. Впервые для засоленных почв методом микротомографии была получена количественная оценка структуры (связанность пор и количество контактов между объектами) и пористости (открытой и закрытой).

Теоретическая и практическая значимость работы

8. Предложены микроморфологические и минералогические показатели диагностики засоления почв, которые в сочетании с традиционно химическими методами позволяют существенно дополнить характеристику засоления. Эти показатели - минералогический состав солей, разнообразие их форм и локализация их в профиле почвы - позволят более четко оценить водно-физические свойства почв и уточнить комплекс мелиоративных мероприятий, направленных на освоение засоленных почв.

9. Уточненная диагностика солевых и гипсовых новообразований в почвах позволяет оценить направленность процесса засоления-рассоления почв по форме и строению кристаллов солей. Так, корродированная поверхность кристаллов свидетельствует об их разрушении, наличие четко выраженных граней – о прогрессирующем процессе засоления.

10. На основании проведенных исследований и обобщения литературы по характеристике почв аридных территорий предложен список диагностических гидрогенно-гипсовых горизонтов для новой классификации почв России на основе степени гипсоносности почв и формы гипсовых новообразований, служащей индикатором условий почвообразования. Предложено три основных типа гипсовых гидрогенных горизонтов: гипсовый инкруста-ционный CSI; гипсовый конкреционный CSK; гипсовый мергель CSM. Предложения по оптимизации классификации почв позволят дать более четкие рекомендации по сельскохозяйственному использованию засоленных почв

11. Количественные показатели структуры и пористости засоленных почв, полученные с помощью микротомографического метода, могут быть использованы для уточнения математических моделей, описывающих процессы уплотнения и другие мелиоративные особенности почв.

Личный вклад автора в работу.

Диссертационная работа является результатом многолетних исследований автора. Автору принадлежит обоснование проблемы, постановка целей и задач, планирование экспери-5

ментов. Автор принимал участие в сборе полевого экспериментального материала, в получении значительной части лабораторного материала, в обобщении и интерпретации полученных результатов, в подготовке основного числа научных публикаций, многократно выступал с научными докладами. Доля личного участия в совместных публикациях пропорциональна числу соавторов.

Апробация работы.

Материалы, вошедшие в диссертацию, были доложены на III (Суздаль, 2000), IV (Новосибирск, 2004), V (Ростов-на-Дону, 2008), VI (Петрозаводск, 2012), VII (Белгород, 2016) съездах Докучаевского Общества Почвоведов, на Международных и Всероссийских конференциях (С.-Петербург, 2006, 2007, 2011 гг.; Пущино, 2007 г.; Москва, 2012, 2013) и международных конференциях (Улан-Батор, 2005 г.; Ченду, 2008 г.; Прухонице, 2009 г.; Будапешт, 2009 г.; Мехико, 2009 г.; Абу-Даби, 2010 г., Валенсия, 2010 г.; Самарканд, 2014 г.). А также с докладами на Ученом совете Почвенного института им. В.В. Докучаева в 2008, 2010, 2011 гг. Публикации. По теме диссертации опубликовано 85 работ, в том числе: 19 работ в изданиях, соответствующих перечню ВАК; 6 монографий (в соавторстве) и главы в монографиях; 23 - статьи в журналах и сборниках трудов; 41 - материалы конференций. Организация исследований. Исследования проведены в ФБГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева в соответствии с планами научно-исследовательских работ 1971-2012 гг. в отделе генезиса и мелиорации засоленных почв, а также при непосредственном руководстве грантами Российского Фонда фундаментальных исследований (проект № 02-04-48854-а и совместный проект РФФИ и ККРНТ Республики Узбекистан 08-04-90266-Узб_а). Основной материал был собран в ходе полевых исследований 1973-1990 гг. на территории Сырдарьин-ского опорного пункта Почвенного ин-та (Узбекистан), а также в Араратской долине (Армения), Прикаспии, Предбайкалье, Илийской долине (Казахстан), Предуралье; при проведении полевых работ на территории Монголии в 2003-2005, 2008 гг. в составе Совместной Российско-Монгольской комплексной биологической экспедиции РАН и Академии наук Монголии (СРМКБЭ РАН и АНМ) Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН (ИПЭЭ РАН).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и списка используемой литературы. Она включает 241 страницу компьютерного текста, 64 рисунка, 16 таблиц; список литературы состоит из 317 источников, из них 257 на иностранных языках.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему учителю Е.И. Панковой, коллегам и соавторам Т.В Турсиной, Н.Б. Хитрову, Е.Б. Скворцовой, Н.П. Чижиковой, Н.П. Сорокиной^И.И. Лебедевой, М.П. Лебедевой (Вербе), ЛА. Гафуровой, В.П. Белоброву, Г.И. Черноусенко, Д.Л. Голованову, И.Н. Любимовой, ТА. Соколовой, М.И. Герасимовой, П.Д. Гунину, М.Л. Сиземской, А.И. Климентьеву, О.Г. Лопатовской, |Э.Ф. Мочаловой,|М.А. Лебедеву, К.Н. Абросимову, С.Ф. Хохлову.

Микроморфологические особенности гипсовых новообразований в почвах

Гипсовые новообразования в почвах и отложениях связаны с наличием гипса (CaSO4 2H2O), минерала довольно слабой растворимости (2.6 g l-1), или самого процесса гипсообразования. Гипс образуется при высокой концентрации Са2+ и SO42- в почве. Эти ионы появляются в результате растворения сульфатов кальция, содержащихся в породах на территории водосборов, а также изменения известняков, карбонатов биологического происхождения и сульфид-содержащих образований. После образования в почвах и отложениях кристаллы гипса могут переноситься ветром, образуя эоловые гипсоносные или гипсовые почвообразующие породы. Определения общего содержания гипса (степени гипсоносности), недостаточно для прогнозирования его поведения в почве, а также генезиса его образования (Artieda et.al., 2006), особенно в районах залегания почв на гипс-содержащих материнских породах, где наиболее важно понимать различие между педогенным и непедогенным гипсом (Carter & Inskeep, 1988; Stoops & Poch, 1994; Hudnall W, Boxell J, 2010). Микроморфологические исследования, интерпретируя формы гипса, помогают понять распространение и генезис гипсовых свойств почв, включая те, которые невозможно определить в полевых условиях.

Информацию о распространении гипсоносных почв во всем мире, можно получить в опубликованных отчетах (Watson, 1983; FAJ, 1990; Herrero, Bioxadera, 2002). Гипс как унаследованный, так и педогенный, наиболее распространен в почвах аридного или семиаридного климата, так как для его образования требуется сильное испарение, а в условиях гумидного климата он легко выщелачивается. Гипс встречается также в кислых сульфатных почвах (Mees & Stoops, 2010), которые в данной работе нами не рассматриваются.

Морфология кристаллов гипса. Образование кристаллов в природе.

В шлифах гипс легко распознается серой окраской первого порядка, хорошо выраженным расщеплением (параллельно плоскости 010) и положительным знаком. Расщепление и оптический знак помогают отличить гипс от кварца.

Морфология кристаллов гипса очень изменчива, при ее описании используются разные термины. При описании часто пользуются разными методами, применяя при этом интерпретацию 3D форм на основе 2D поперечных сечений. Наиболее распространенные формы гипса в почвах и отложениях аридных и семиаридных районов – призматические, пластинчатые, полу-бипирамидальные, веретенообразные и игольчатые. Существуют и другие формы, например, призматические псевдошестиугольные (гексагональные) (Jafarzadeh, Burnham, 1992).

Веретенообразный гипс представляет собой наиболее распространенную морфологию гипса в почвах и находит описание во многих литературных источниках (Barzanji, Stoops, 1974; Watson, 1979; Stoops, Ilaiwi, 1981; Allen, 1985; Herrero, Porta, 1987; Pankova, Yamnova, 1987; Arricibata et.al., 1988; Eswaran & Ziong, 1991; Herrero, 1991; Jafarzadeh & Burnham, 1992; Poch, 1992; Amit, Yaalon, 1996; Artieda, 1996; Chen, 1997; Poch et.al., 1998; Artieda, 2004). Одни авторы считают, что веретенообразная морфология унаследована от призматической при предпочтительном развитии граней, в результате которого образуется чечевицеобразная форма (Mandado & Tena, 1989, Cody 1991). Другие авторы рассматривают гипсовые линзы как полу-бипирамидальные или псевдо-гексагональные кристаллы с кривыми гранями и округлыми краями (Siesser & Rogers, 1976, Logan 1987). Веретенообразный (чечевицеобразный) гипс встречается в виде отдельных кристаллов или кристаллических сростков, например, пустынной розы. Они могут быть образованы и в результате массивной кристаллизации.

Игольчатые кристаллы встречаются редко. Некоторые авторы считают, что ограниченное пространство является одним из контролирующих факторов развития этой формы кристалла, указывая на тот факт, что, если кристалл растет под ограниченным давлением, например, в почвенной матрице, то он может быть либо игольчатым, либо плитчатым (Eswaran & Ziong, 1991). Ватсон (Watson, 1985, 1989) показывает присутствие игольчатого гипса в подпочвенных корках, указывая на его происхождение в результате смещаемой кристаллизации. Verboom (2003) связывает образование волокнистых натеков гипса при перемещаемой вниз кристаллизации в сильно пористой среде или в результате процессов гидратации/дегидратации. С другой стороны, Jafarzadh and Burnham (1992) считают, что ключевым фактором для образования игольчатого гипса может быть пространство, простирающееся в длину, нежели любой тип его ограничения.

Волокнистый гипс чаще всего встречается в геологических образованиях как часть широких прожилок (Testa, Lugli, 2000). Волокнистый гипс в почвах интерпретируется как унаследованный от материнских пород (Nettleton et.al., 1982, Porta 1998). Кроме того, волокнистый гипс описывается как педогенное осаждение, а волокнистая структура как прожилки (Verboom et.al., 2003).

Экспериментальные исследования.

Ряд публикаций посвящен экспериментальному изучению образования разных форм кристаллов гипса. Здесь обсуждаются только те, которые непосредственно связаны с почвой.

Cody and Shanks (1974) изучали влияние рН, температуры и среды для выращивания кристаллов гипса. Они получили продолговатые призматические кристаллы, выросшие в присутствии силикагеля, а плитчатые кристаллы в присутствии бентонитового геля. Cody (1979) показал, что чечевицеобразный гипс образуется при наличии органического вещества (листья мангрового дерева) при высокой рН и в условиях благоприятных для замедленного роста. Органическое вещество в растворе способствует замедленному росту, более длительному периоду индукции и росту небольшого количества кристаллов. Этот вывод соответствует мнению Порта (Porta et.al., 1986), который показал, что кристаллы гипса, выросшие в свободных растворах, как при наличии песка, так и без него, имеют призматическую и плитчатую структуру, а те, что выросли при наличии соломы зерновых, имеют чечевицеобразную структуру. Cody (1988) объяснил взаимосвязь между чечевицеобразной морфологией кристалла и наличием органики подавлением их роста высокомолекулярными органическими комплексами при щелочной рН, которые фиксируются вдоль ровных плоскостей (010), содержащих молекулы воды. Напротив, Jafarzadeh and Burnham (1992) получили чечевицеобразные кристаллы в песках без органики при рН=3.6. Они показали, что первые кристаллы, образованные в почве, представляют собой небольшие автоморфные плитчатые или ксеноморфные кристаллы, которые постепенно приобретают чечевицеобразную морфологию. В дополнение к образованию чечевицеобразного гипса Cody (1988) указал также на рост спаренных кристаллов в присутствии органических соединений.

Kushnur (1980) рассматривает соотношение Ca:SO4 в растворе как ключевой фактор для морфологии кристаллов гипса, большое превышение кальция над сульфат-ионом способствует росту чечевицеобразных, а не призматических кристаллов. Это связано с тем, что ионы Са2+, располагаемые на плоскостях, соединяются с органическим веществом, тем самым способствуя росту кристаллов в этом направлении. На форму кристаллов гипса влияет и температура. Высокая температура (60С) способствует образованию чечевицеобразных форм гипса, тогда как низкая температура (30С) в отсутствии органического вещества – призматической структуре (Cody, 1979, 1988).

Призматическая форма гипса характеризуется быстрым ростом, поэтому органические молекулы не имеют достаточного времени для взаимодействия с гранями растущего кристалла. Рост удлиненных призматических кристаллов также происходит при низкой рН вследствие адсорбции иона H+ на гранях (010) и (110). Это благоприятствует и росту кристаллов перпендикулярных граням (111) и (103) и параллельным с-оси (Cody, 1979). Эти кристаллы в контексте с окислением пирита (Mees and Stoops, 2010), вероятно, образованы под влиянием рН почвы. Аналогичный вывод сделал Barta (1971), получив игольчатые кристаллы в присутствии геля при рН 7, а плитчатые при рН 8.

Соли (NaCl) в растворе способствуют росту более крупных, но редких кристаллов вследствие повышения растворимости гипса в присутствии галита. Многовалентные ионы благоприятны для роста более крупных и более выраженных призматических кристаллов.

Эксперименты Harouaka et al. (2014) по изучению переменных Са изотопных соотношений в растворе при рН 5.4-5 и при быстром перемешивании этих растворов показали рост плоских таблитчатых кристаллов (10-20 мкм), в то время как при медленном осаждении происходит рост как плоских, таблитчатых кристаллов, так и длинных игл ( 1000 мкм). Эти авторы предполагают, что изменение длины различных граней кристалла контролирует изотопный состав большей части гипсовых кристаллов.

Cantn et al. (2001) изучали формирование очень тонкой гипсовой корочки на гипсоносных мергелях (слой порядка 0,1 мм) после пяти циклов увлажнения–иссушения, а увеличению корочки до 1 мм способствовало 20 циклов увлажнения–иссушения.

Микроморфологические и минералогические особенности солевых новообразований и гипса в засоленных почвах полупустынной зоны

Почвы полупустынной зоны представлены: а) сероземно-луговой сильногипсоносной засоленной почвой – р. 2Г (подгорная равнина - Голодная степь, Узбекистан); б) содово-сульфатно-хлоридным солонцом-солончаком – р. 1А (Араратская равнина, Армения); в) солончаками – р. 1АСТ и р. 15АСТ (западная часть Прикаспийской низменности - район подстепных ильменей и дельта р. Волга)

Сероземно-луговая сильногипсоносная засоленная почва - р. 2Г, сформировалась на лессовидных суглинках в гидроморфном режиме – при близком залегании слабоминерализованных грунтовых вод (УГВ=280 см). Голодная степь находится в сероземной зоне. Подгорная покатость и Ташкентская терраса заняты типичными сероземами на лессах, незасоленными. В нижней части подгорной равнины, в ее сазовой зоне, в том числе на шлейфе Санзарского конуса, расположенного в западной части Голодной степи, распространены главным образом почвы полугидроморфного и гидроморфного типов (лугово-сероземные, сероземно-луговые, солончаки). Характерной особенностью сероземно-луговых почв, формирующихся в условиях грунтового увлажнения при глубине грунтовых вод 2-3 м при затрудненных условиях их оттока, является засоление и гипсоносность.

Особенности распределения солей заключаются в следующем:

1. Высокое содержание гипса с поверхности до 126 см, максимальное содержание – 75% в горизонте 81-126 см.

2. Зона накопления карбонатов находится в нижней части профиля непосредственно под гипсовой зоной, максимальное содержание СО2 карбонатов – 11%.

3. Максимум накопления легкорастворимых солей приурочен к средней части профиля (56-81 см) и достигает 2,4 %, однако высокая степень засоления создается за счет присутствия большого содержания нетоксичных сульфатно-кальциевых солей (гипса) (Таблица 6).

Особенностью морфологического строения профиля является четкая дифференциация на горизонты по цвету, плотности, содержанию и размерам кристаллов гипса. Отличительной особенностью является наличие очень плотного белесого гипсового горизонта 81-126 см, являющегося естественной границей корнеобитаемой зоны. Порядок распределения солей в профиле – в верхней части профиля легкорастворимые соли, затем гипс, в нижней части профиля – карбонаты – говорит о классическом для гидроморфного соленакопления распределении солей в порядке их выпадения из раствора при упаривании грунтовых вод.

Микроморфологические исследования позволили выявить особенности микростроения профиля. Горизонты верхней части профиля характеризуются специфическим микростроением, для которого характерна глинисто-карбонатная масса, обогащенная новообразованиями гипса и карбонатов. Гипс представлен преимущественно идиоморфными кристаллами псевдоромбоэдрального облика, причем все кристаллы покрыты карбонатными пленками; много псевдоморфоз кристаллически зернистого кальцита по гипсу. Карбонаты представлены разнообразными стяжениями. В горизонте максимального скопления гипса многочисленные кристаллы псевдоромбоэдрального облика сцементированы карбонатной плазмой, состоящей из пылеватого кальцита (Рисунок 21А). Поры заполнены гипсом или полностью, или частично в виде гипсан. Нижняя, карбонатная часть профиля представляет собой карбонатную плазму, цементирующую идиоморфные кристаллы гипса, однако в подавляющем большинстве сохранились только очертания кристаллов – это псевдоморфозы кальцита по гипсу с образованием отрицательных кристаллов (Рисунок 21Б).

Анализ микростроения на РЭМе позволил на более детальном уровне рассмотреть особенности строения профиля. Так, в верхнем гумусово аккумулятивном горизонте гипс представлен чечевицеобразными кристаллами в глинисто-карбонатной плазме (Рисунок 22А). Кристаллы покрыты глинистыми пленками, мощность которых с глубиной увеличивается; много псевдоморфоз кальцита по гипсу. Горизонт максимального скопления отличается наличием мощных пленок на кристаллах гипса и псевдоморфоз (Рисунок 22Б). Подгипсовая часть представляет собой принципиально иную структуру – это глинисто карбонатная плазма, состоящая из плазменных чешуек, на поверхности которых располагаются мелкие кристаллы карбонатов в виде присыпки.

Морфология и приуроченность гипсовых новообразований к элементам микростроения отражают процессы, формирующие профиль. Так, крупные идиоморфные кристаллы гипса в верхней части профиля образовались в процессе роста кристаллов в относительно стабильных условиях. Мелкие кристаллы гипса в горизонте максимального скопления явились результатом сезонного колебания уровня грунтовых вод в зоне попеременного иссушения-увлажнения, то есть при быстром выпадении из раствора. Наличие псевдоморфоз кальцита по гипсу указывает на процесс окарбоначивания, накладывающийся на активный процесс гипсонакопления. Кроме того, происходит локальное перемещение глинистого вещества – иллювиирование, диагностируемое по наличию глинистых пленок на поверхности зерен первичных минералов и кристаллов гипса. Минералогический состав солей представлен на Рисунке 23; А – определен рентгендифрактометрическим методом, Б – термогравиметрическим методом. Верхняя, гипсовая часть профиля (до 126 см) состоит из гипса, а нижняя, карбонатная, из кальцита и доломита.

Гипсовая часть профиля представляет собой минеральную массу, состоящую из кристаллов гипса различных размеров (50 – 300 микрон). Кристаллы образуют агрегаты неправильной формы и различной плотности размерами до 1000 микрон, а также гипсаны (Рисунок 24). Пористость составляет 12%. Поры трещиноватые и сферические различных размеров – от 30 до 300 микрон. Структура – плотная. Присутствуют немногочисленные минеральные зерна (предположительно, кварца) размерами до 100 микрон.

Карбонатный горизонт представляет собой плотную массу, состоящую из следующих компонентов: поры составляют 11,36%; гипс – 2,64%; кальцит - 86 %. Общий вид – горизонтальный срез (сечение) фрагмента образца горизонта, где отчетливо прослеживается зональность и выделяются два типа строения – 1) осветленные (ярко-белые) участки, с большим содержанием кристаллов гипса и практически лишенным пор, 2) более серые с низким содержанием гипса и высоким содержанием пор – отрицательных кристаллов (Moldic voids) (поры конгруэнтного растворения кристаллов, Рисунок 24).

В выделенной зоне представлено соотношение порового пространства (розовый цвет) и кристаллов гипса (бирюзовый цвет), занимающих больший объем образца. Поры представлены тремя видами: поры-трещины, «отрицательные кристаллы» и крупные поры сферической формы. Отрицательные кристаллы расположены скоплениями. Пористость составляет 25%, при этом открытые поры – 13%. Поры неправильной (извилистой) формы d 0,3 мм, представляют собой либо ходы корневых волосков, либо ходы микрофлоры – грибных гифов.

Гипс в целинных солончаках и гипсоносных гидроморфных почвах (на примере почв Джизакского стационара)

Засоление и гипсоносность являются определяющими характеристиками почв аридных территорий. Наряду с количественными характеристиками гипсоносности почв, рассмотренными выше - содержанием гипса, глубиной залегания кровли гипсоносного горизонта, а также его мощностью, – существенную роль в формировании почвенного профиля играют такие качественные показатели как форма и размер гипсовых новообразований [Панкова, Ямнова, 1987; Панкова, 1990; Ямнова, 1990; Минашина, Шишов, 2002; Методология…, 2006]. Немаловажным обстоятельством является то, что эти морфологические показатели имеют не только генетическое, но и мелиоративное значение.

В последние годы появилось довольно много работ, посвященных иерархическому подходу к изучению почвы – от макро- до микроуровней [Сорокина, 2000; Скворцова, 2006]. Наше исследование посвящено изучению роли морфологических признаков (характеристик) новообразований гипса как компонента микросложения в формировании профиля почвы. Кроме того, анализируется заложенная в них почвенно-генетическая информация, а также закономерности пространственной упорядоченности морфотипов гипсовых горизонтов.

Характеристика объекта. Почвенный покров изучался на примере Джизакского стационара (Сырдарьинского опорного пункта Почвенного института им. В.В. Докучаева), территорию которого можно рассматривать в качестве модели подгорной пролювиальной Голодностепской равнины Туркестанского хребта. Территория Джизакского опорного пункта (ОП), площадью около 100 га находится на северо-западной окраине поселка Бустон Зарбдарского р-на Джизакской обл. в 17 км восточнее г. Джизак [Кочубей, 1990] в западной части Ломакинского плато.

Согласно схеме природного районирования [Панкова, 1990] на территории Джизакской степи выделен 21 район. По почвенно-литолого-геоморфологическим условиям эти районы объединены в две высотные зоны: верхнюю зону подгорной равнины и нижнюю – шлейфовую зону (Рисунок 1). Для почвенного покрова верхней зоны характерно преобладание почв сероземного типа; почвенный покров шлейфовой зоны представлен преимущественно почвами гидроморфного и полугидроморфного рядов – солончаков, сероземно-луговых и лугово-сероземных разной степени засоления и гипсоносности [Классификация и диагностика… , 1977].

Территория стационара расположена в пределах двух районов: 1) плато с незасоленными и негипсоносными в слое 0-1 м почвами; на склонах плато выделяются сероземно-луговые и лугово-сероземные частично засоленные почвы и 2) днище логообразного временного водотока - сая, с сильно засоленными и гипсоносными гидроморфными почвами.

Климат Джизакской степи, в том числе и территории опорного пункта, оценивается как континентальный субтропический. Продолжительность безморозного периода составляет в среднем 207-217 дней, сумма активных температур 4600-5000о. Годовое количество осадков составляет 300-400 мм, 80% которых выпадает зимой и весной, летом они практически отсутствуют. Зимне-весенних осадков достаточно лишь для произрастания эфемерной степной растительности с коротким вегетационным периодом. Чрезвычайно низкая относительная влажность воздуха вызвана сухими ветрами, часто дующими со стороны пустыни Кызылкум.

Территория ОП расположена на подгорной равнине Туркестанского хребта, формирование которой относится к ташкентскому и голодностепскому циклам. Для отложений голодностепского цикла характерна слоистость, свидетельствующая о водном генезисе этих пород. Отложения ташкентского цикла характеризуются большой облессованностью. По саям выделяются молодые слоистые пролювиальные отложения позднечетвертичного возраста. Территория ОП относится к верхней части подгорной равнины, сложенной лёссовидными суглинками, прорезанными саями, текущими с Туркестанского хребта. Геоморфологическая карта представлена на Рисунке 2. Растительность территории ОП резко дифференцирована в зависимости от рельефа и пород. Так, долины временных водотоков заняты галофитами. Наиболее часто на солончаках встречаются сарсазан (Halocnemum strobilaceum), солерос (Salicornia Rerbacla), кустарниковые солянки (Halostachis caspica, Kalidium caspicum) и многочисленные виды рода солянок Salsola. Растительность лёссовых водоразделов с типичными сероземами представлена сообществами эфемеров и эфемероидов. Среди эфемеров доминируют осока узколистная (Carex pachyatylis) и мятлик луковичный (Poa bulbosa).

Грунтовые воды (от слабоминерализованных до рассолов) на территории ОП залегают на различной глубине: на увале глубже 10 м, в днище саев уровень грунтовых вод поднимается к поверхности [Копикова, и др., 1990].

Структура почвенного покрова . На территорию стационара в 1987 г. нами была составлена почвенная карта М 1:2000 [Кочубей и др., 1990] (Рисунок 3). В ее основу были положены следующие материалы:

1) картографические (топографическая основа М 1:2000 с сечением горизонталей 1 м);

2) аэрофотоснимки М 1:5000 и 1:10 000 весеннего (1987 г.) и осеннего (1986 г.) сроков залета, увеличенные до М 1:2000;

3) два детальных топографических профиля (общей протяженностью 1200 м), секущих основные геоморфологические единицы территории ОП; была проведена инструментальная нивелировка точек опробования. Кроме того, дополнительно было заложено 50 точек вне профилей для более полной характеристики почвенных разностей. Всего заложено 187 почвенных разрезов глубиной до 2 м или до уровня залегания грунтовых вод. Для всех разрезов приведены морфологические описания, определены анализы водной вытяжки и для 122 разрезов - содержание гипса.

Почвы увала развиваются на лёссовых отложениях, однородных пылеватых легких суглинках с преобладанием фракции пыли (0,05-0,01 мм) и невысоким содержанием ила. Лёссовая равнина на изучаемой территории представляет собой участок останца Ломакинского плато между долинами глубоковрезанных саев. Здесь развиваются сероземы обыкновенные и их виды по степени эродированности и намытости.

Поверхность увала слабоволнистая, склоны к саям разной крутизны – до 10-12о. Слабоэродированные сероземы приурочены к выпуклым поверхностям. Седловины и ложбины на увале заняты слабонамытыми сероземами с мощностью гумусового горизонта 30 см и невысоким, свойственным всем сероземам, содержанием гумуса. Сероземы не засолены не только на всю мощность почвенного профиля, но и глубже, хотя редко встречаются почвы глубоко- слабозасоленные (в слое 100-200 см). Грунтовые воды (по данным буровых скважин) залегают на глубине 7-12 м.

Склоны увала со среднеэродированными сероземами и намытыми почвами (на вогнутых участках) прорезаны логами, в которых они распределились следующим образом: в водосборных воронках вершин логов сформировались лугово-сероземные поверхностно-увлажненные, в средней части – луговые намытые, на шлейфах крутых склонов увала – комплексы лугово-сероземных намытых почв. Почвы развиваются под эфемероидной злаковой растительностью. Кроме того, на шлейфах склонов формируется комплекс с участием луговых солончаков. У подножия крутых склонов в неглубоких понижениях под луговой растительностью местами развиваются засоленные лугово-болотные почвы с оторфованным горизонтом мощностью до 20-30 см. Содержание легкорастворимых солей отмечается с поверхности ( 1%), и увеличивается до 5% на глубине 30-50 см.

Долина сая сложена пролювиально-делювиальными отложениями, представленными суглинками от легкого до тяжелого со слабовыраженной слоистостью.

По днищу сая проходит русло пересыхающего ручья с несколькими расширяющимися участками с длительным периодом сохранения воды. Многолетние наблюдения позволяют увидеть их и в состоянии шора. Долина хорошо развита: выделяются пойма, прирусловой вал, высокая пойма, надпойменная терраса, превышение которой над более низкими уровнями долины составляют 2 м; амплитуда высот в пределах поймы – 1 м; высота прируслового вала 50 см. Каждый уровень долины отличается наличием большого разнообразия почв разной степени засоления, гипсоносности и гидроморфности. Пространственная неоднородность почв позволяет выделить пятнистости и комплексы.

Влияние осушения гидроморфных почв субтропической полупустыни (Джизакской степи) на трансформацию гипсовых новообразований

На территории бывшего Джизакского стационара Почвенного института в 2008 г. было проведено повторное исследование гипсоносных почв, характеристика которых была подробно рассмотрена в предыдущей главе 4. В 1990 году на территории стационара был прорыт дренажный канал, что привело к понижению уровня грунтовых вод. Параллельно сохранившимся в сухих условиях разрезам были заложены новые (Рисунок 6).

По результатам повторных полевых и аналитических обследований с использованием дистанционных материалов и ГИС-технологий выявлена динамика гипсоносности почв. Было установлено, что при понижении уровня грунтовых вод (Рисунок 7) морфотип гипсовых новообразований сохраняется, но горизонт распространения «червячков», приуроченных к верхней части капиллярной каймы солончаков, за 20 лет растянулась, а в луговых почвах этими новообразованными формами гипса пронизан весь профиль (Рисунок 8).

Рассмотрим основные тенденции изменения свойств почв на ключевых разрезах – 1-29, 1-87, характеризующих контрастные почвы с различными морфотипами гипсовых горизонтов, заключаются в следующем.

В разрезе 1-29 (в 1987 году – гипсоносный солончак, в 2008 – солончаковая гипсоносная почва) уровень грунтовых вод понизился со 105 см до 200 см, а минерализация уменьшилась в 2 раза - с 17 г/л до 8 г/л. В результате понижения уровня грунтовых вод произошло рассоление верхних 20 см, также произошло засоление второго метра почвы – ранее водонасыщенного горизонта. Такие же процессы произошли в разрезе 1-87, где понизился УГВ, произошло перераспределение солей - засолился второй метр почвы.

На основании аналитических, морфологических и, прежде всего, микроморфологических исследований выявлен процесс метасоматической кальцитизации гипсовых новообразований при сохранении их исходной формы (Рисунок 9).

Предложены механизмы растворения гипса при смене выпотного типа водного режима на пульсационный. Растворение гипса происходит, по-видимому, в обеих фазах пульсационного режима: подъема и опускания грунтовых вод. При подъеме уровня грунтовых вод и восходящем движении солей, гипс растворяется в присутствии хлоридов, обгоняющих другие ионы (прежде всего – сульфаты, а также и катионы). Следствием этого является локальное понижение рН, что, также как и присутствие хлоридов, способствует растворению гипса. В фазе опускания грунтовых вод хлориды и сульфаты вымываются с большей скоростью, чем карбонаты, и в растворе в качестве промежуточного агента появляется сода. При ее взаимодействии с гипсом твердой фазы образуется метасоматический кальцит.

Было установлено, что за 20 лет мелиорации гипсоносных почв произошли существенные изменения основных микропризнаков генетических горизонтов сравниваемых между собой разрезов, что позволяет диагностировать основные тренды элементарных почвообразовательных процессов в связи с кардинальным изменением факторов почвообразования при осушении гидроморфных почв.

В целом произошло уменьшение содержания гипсовых новообразований в горизонтах максимального его скопления.

Сравнительный микроморфологический анализ исследуемых почв с разными морфотипами гипсовых новообразований выявил следующие общие элементарные почвообразовательные процессы, обусловленные 20-летний мелиорацией почв: 1) общее выщелачивание гипса из верхних 50 см всех сравниваемых между собой гипсоносных почв; 2) формирование агрегатов из уплотненного глинистого слабо карбонатного материала с защемленными остаточными кристаллами гипса; 3) интенсификация гумусово аккумулятивного процесса, что выражается в повышении количества органического вещества и растительных остатков в порах; 4) проявление процесса оксидогенеза, что выражается в формировании железистых новообразований в виде мелких стяжений, колец; 5) усиление иллювиирования глинисто-железистых вещества с образованием кутан иллювиирования по магистральным трещинам.

В нижних горизонтах высокое содержание гипсовых новообразований сохраняется, но практически все они имеют следы либо растворения, либо замещения карбонатными псевдоморфозами. В почвах с конкреционным морфотипом гипсовых горизонтов за 20 лет мелиорации количество «дробовин» на микроуровне уменьшилось, содержание мелких кристаллов гипса в основе (твердой фазе) до глубины 50 см резко понизилось, внутрипедный материал стал отличаться повышенным содержанием железисто-глинистой плазмы, которая защемляет оставшиеся крупные ромбовидные кристаллы гипса. Ниже по профилю содержание гипса еще довольно высокое, но практически все кристаллы гипса имеют признаки растворения (Рисунок 10).

В почвах с мергелистым морфотипом гипсовых горизонтов материал стал более рыхлым за счет практически полного растворения гипсовых кристаллов в основе в верхних 20 см, и понижение его содержания ниже до глубины 50 см. В самых нижних горизонтах отмечаются микропризнаки растворения кристаллов гипса вблизи магистральных трещин и прогрессирующего окарбоначивания и/или ожелезнения, наблюдалось в этих почвах 20 лет назад (Рисунок 10).