Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Бурые лесные почвы и особенности их минералогического состава (обобщение литературных данных) 4
1.1 Свойства, генезис и классификация типа бурых лесных почв' 4
1.2 Механический состав бурых лесных почв 11
1.2.1 Механический состав собственно бурых лесных почв 12
1.2.2 Механический состав бурых лесных почв с дифференцированным профилем 15
1.3. Минералогический состав тонкодисперсных фракций бурых лесных почв 18
1.3.1 Глинистые минералы в собственно бурых лесных почвах 18
1.3.2 Глинистые минералы в бурых лесных почвах с дифференцированным профилем 22
ГЛАВА II. Природные условия предгорий дагестана и северной Осетии 29
ГЛАВА III. Объекты и методы исследования 43
Ш.І Объекты исследования 43
Ш.2 Методы исследования 54
ГЛАВА ІУ. Некоторые вопросы диагностики глинистых минералов 61
Глава V. Глинистые минералы в бурых лесных почвах на разных породах 64
У.І Бурые лесные почвы на карбонатных породах 64
У.2. Бурые лесные почвы на глинистых сланцах 81
У.З Бурая лесная почва на песчанике 108
У.4 Бурые лесные почвы на глинистых отложениях 134
ГЛАВА VІ. Влияние содержания и минера логического состава илистой фракции бурых лесных почв на содержание обменного калия и емкость катионного обмена 178
Выводы 207
Список литературы
- Механический состав собственно бурых лесных почв
- Минералогический состав тонкодисперсных фракций бурых лесных почв
- Методы исследования
- Бурые лесные почвы на глинистых сланцах
Введение к работе
Северный Кавказ - зона распространения бурых лесных почв. Исследование содержания, состава и свойств глинистого материала в бурых лесных почвах представляет большой теоретический и практический интерес. Проблемы генезиса и классификации этих почв в настоящее время не разработаны и остаются дискуссионными. Известно, что одним из важнейших процессов, формирующих профиль бурых лесных почв, является процесс оглинивания - т.е. образования глинистого материала in situ . Поэтому познание природы и механизма процесса оглинивания на основании детального изучения содержания и состава глинистых минералов является необходимым звеном в решении вопросов генезиса и классификации бурых лесных почв.
Бурые лесные почвы разной степени оподзоленности широко распространены на Северном Кавказе и используются как в сельском, так и лесном хозяйстве. В Продовольственной программе нашей страны (Материалы майского пленума ЦК КПСС, М., 1982) для районов Северного Кавказа одной из основных задач отмечена необходимость осуществления мер по дальнейшей интенсификации земледелия и садоводства. В связи с этим для повышения продуктивности бурых лесных почв необходимо глубокое исследование основных параметров их плодородия, в том числе их сорбционных характеристик и режима калийного питания растений. Сорбционные свойства и обеспеченность почв калием являются прямой функцией содержания и состава глинистых минералов.
Настоящая работа посвящена изучению содержания, состава и свойств глинистых минералов в бурых лесных почвах Северного Кавказа, развитых на разных почвообразующих породах.
Изучение глинистого материала в бурых лесных почвах Северного Кавказа предполагало решение следующих задач.
1. На основании детального исследования содержания и состава тонкодисперсных фракций установить закономерности профильного распределения основных групп глинистых минералов по генетическим горизонтам в бурых лесных почвах.
2. На основании установленных закономерностей выявить процессы, принимающие участие в образовании, изменении и перераспределении основных групп глинистых силикатов в исследованных почвах.
3. Оценить влияние почвообразующих пород на содержание и состав глинистого материала.
4. На базе изучения содержания и минералогического состава крупных и тонкодисперсных фракций вскрыть возможные механизмы процесса оглинивания.
5. Провести сравнительный анализ распределения и состава глинистого материала в бурых лесных дифференцированных почвах и других почвах с текстурно-дифференцированным профилем.
6. Оценить влияние распределения и состава тонкодисперсных фракций на дифференциацию валового химического состава почвенного материала в целом.
7. Оценить влияние глинистого материала на содержание обменного калия и емкость катионного обмена исследованных бурых лесных почв.
Полевой материал был собран автором в 1975 г. в составе экспедиции кафедры химии почв под руководством профессора Н.Г.Зы-рина. При выборе точек для опорных разрезов большая помощь была оказана сотрудником Дагестанского филиала АН СССР А.Б.Салмановым и сотрудником Северо-Кавказского НИИ горного и предгорного сель - З ского хозяйства К.Х.Бясовым.
Лично автором выполнена вся работа по выделению фракций и по определению их минералогического состава методами рентген-диф-рактометрии и термического анализа.
Работа выполнялась на кафедре химии почв факультета почвоведения МГУ под руководством докторов биологических наук Н.Г.Зы-рина и Т.А.Соколовой.
Исследование состава крупных фракций под микроскопом было выполнено под руководством ст.н.с. кафедры общего почвоведения В.В.Иванова.
Всем названным лицам автор выражает сердечную и искреннюю благодарность.
Автор выражает искреннюю признательность также сотрудникам кафедры химии почв за помощь и содействие в работе.
Механический состав собственно бурых лесных почв
Из 29 почвенных профилей, развитых на изверженных породах, 48$ имели аккумулятивное распределение илистой фракции в профиле ( Sirovy , 1974; Рубцова, Руднева, 1967; Ливеровский, 1948; Иванов, 1959,1976; Горбунов, 1963; Градусов, Урушадзе, 1968; Антипов-Каратаев, Цюрупа, 1963; Solurile Muntilor Bucegi, 1969), ЗІ$-равномерное (Крейда и др. 1975; Solurile Muntilor Bucegi , 1969; Прасолов, 1947; Хубенов и др., 1972; Sirovy 1974; Антипов-Каратаев, Цюрупа, 1963), 14$-элювиально-иллюви-альное (Ивашов, 1979; Почвы Болгарии, 1959; Градусов, Урушадзе, 1968; Иванов, 1976) и 7$ - элювиальное распределение в профиле ила (Хубенов, 1972; Ромашкевич, 1959).
Почвы, развитые на сланцах (18 разрезов) характеризуются следующим распределением по профилю илистой фракции: 55$ - аккумулятивное (Зайцев, I960; Ромашкевич, 1959; Соколова, Смирнова, 1968; Зонн, 1950; Саламов, 1978; Ломидзе, 1976; Фридланд, 1953), 22$ - равномерное (Градусов, Урушадзе, 1968; Фридланд, 1953; Каневец, 1978), 6$ - элювиально-иллювиальное (Горчарук и др., 1978) и 17$ - элювиальное (Ромашкевич, 1959; Алиев, 1979).
Среди 15 разрезов на карбонатных породах 71$ имеет аккумулятивное распределение в профиле ила ( Hoyos etal , 1977; Фирсова и др., 1978; Solurile Muntilor Bucegi , 1969; Градусов, Урушадзе, 1968; Вопросы диагностики..., 1970) и 29$ - элювиальное (Ливеровский, 1948; Hoyos et al , 1977).
В II разрезах бурых лесных почв на песчаниках в 10$ отмеча ется аккумулятивное (Фирсова и др., 1978); в 10$ - равномерное (Гаврик, 1967), в 25% - элювиально-иллювиальное (Фирсова и др., 1978; Соколова, Смирнова, 1968; Саламов, 1978) и в 55$ - элювиальное распределение илистой фракции в профиле (Рубилина, 1971; Горчарук, 1978; Фирсова и др., 1978; Hoyos et al , 1973).
В 4 разрезах бурых лесных почв, развитых на суглинках и глинах, в 25% наблюдается аккумулятивное распределение ила (Гераси мов, I960), в 2Ь% - элювиально-иллювиальное (Ромашкевич, 1959) и в bUfo - элювиальное (Рубцова, Руднева, 1967; Горбунов, 1963).
Анализ данных механического состава показывает, что в соб-ствено бурых лесных почвах, сформированных на разных породах, общее содержание илистой фракщй в горизонтах А и В изменяется довольно широко от 17% до 30%, что зависит, вероятно, от характера почвообразующих пород. Наименьшее содержание ила в толще горизонтов А и В отмечено в почвах, развитых на изверженных породах и наибольшее - в почвах, развитых на карбонатных породах, суглинках и глинах.
Сопоставление данных механического анализа показывает, что среди почвенных профилей, сформированных на изверженных породах, глинистых сланцах и карбонатных породах (табл. I) наиболее часто встречаются разрезы с аккумулятивным распределением в профиле илистой фракции, для которых содержание ила во всех генетических горизонтах выше, чем в почвообразующей породе, причем наличие в профиле карбонатов способствует сохранению и накоплению илистой фракции. На основании аккумулятивного распределения илистой фракции в почвенном профиле можно предположить, что значительная часть ила в этих почвах является результатом современного выветривания и почвообразования. При этом для значительной части почвенных профилей, развитых на изверженных породах, глинистых сланцах и карбонатных породах, отмечается накопление ила в верхних почвенных горизонтах, где процессы выветривания протекают наиболее интенсивно. Накопление илистой фракции в верхней части профиля частично связано также с аккумуляцией тонкодисперсного органического вещества в верхних горизонтах.
В почвах, сформированных на изверженных породах и глинистых сланцах, реже встречаются профили с равномерным распределением ила.
Среди почв, развитых на песчаниках и суглинисто-глинистых породах, преобладают разрезы с накоплением илистой фракции в нижних горизонтах. Отмеченный характер распределения илистой фракции может рассматриваться как признак преобладания процесса перераспределения ила над процессом его образования.
Минералогический состав тонкодисперсных фракций бурых лесных почв
В бурых лесных почвах Великобритании и Чехословакии на кислых породах ( Stephen , 1967; Wilson , 1970,1973; Sirovy , 1970,1974) отмечен переход иллито-вых минералов в лабильные структуры, иногда через стадию смешанное лойных образований и хлоритизация трехслойных силикатов в верхних минеральных горизонтах.
В бурых лесных почвах Болгарии предполагается возможность более глубоких изменений иллитов и хлоритов до стадии монтмориллонита и каолинита (Хубенов и др., 1972).
Отмеченные выше трансформации слюдистых минералов наблюдались не только в самых тонких, но и в более крупных фракциях. Так, в бурых лесных почвах Шотландии Уилсон ( Wilson , 1966, 1967) наблюдал переход биотита в крупных фракциях в хлоритизиро ванный вермикулит, каолинит и гиббсит, а в инсептисолях Греции, близких к бурым лесным почвам, в условиях более интенсивного выветривания Яссоглоу с соавторами ( Yassoglou et al , 1972) наблюдали превращение унаследованного от породы гидробиотита в каолинит и гиббсит в песчаной фракции.
В почвах Румынии, Польши и Германии ( Treiber et al ,1967; Bogda , 1973; Schwertmann, Niederbudde, 1969), развитых на ОСНОВНЫХ породах (андезитах, базальтах, габбро) выявлено преобладание минералов группы монтмориллонита, причем немецкие исследователи предполагают возможность их синтеза. Это предположение подтверждается низким зарядом образованных минералов, высокой емкостью обмена и низкой способностью к необменной фиксации калия.
В бурых лесных почвах Приморья (Крейда, Кононов, Градусов, 1975) и Западной Грузии (Градусов, Урушадзе, 1968,1974,1976; Джибладзе, 1977) обнаружены каолинит-галлуазитовые минералы. Состав глинистых минералов в этих почвах испытывает влияние материала древних кор выветривания, а в почвах Западной Грузии - также влияние теплого и влажного климата соседних субтропических областей, т.е. факторов, которые способствуют появлению 1:1 силикатов в составе илистой фракции.
Почвы на глинистых сланцах. По данным А.И.Ромашкевичч (1959) для илистой фракции бурых лесных почв высокогорья и сред-невысотных гор Южного склона Большого Кавказа характерны минералы гидрослюд и каолинита, для почв Северного склона и предгорий -присутствие заметного количества бейделлита, которое несколько увеличивается с глубиной.
Минералогический состав крупных фракций в целом простой и представлен, в основном, кварцем, сильно измененными полевыми шпатами, слюдами, а также сложными слюдоподобными образованиями.
Ромашкевич считает, что образование значительных количеств вторичных глинистых минералов в исследованных почвах является результатом процесса выветривания серицитизированных полевых шпатов, слюд и слюдоподобных образований.
В почвах Грузии и Азербайджана (Ломидзе, 1976; Саламов, 1978) отмечается увеличение с глубиной содержания лабильных силикатов и уменьшение количества каолинита, а в кислых почвах Японии Матсуи с соавторами ( Matsui et al , 1971) обнаружили высокое содержание гиббсита, особенно в нижних горизонтах исследованных профилей, что авторы объясняют влиянием состава почвооб-разующих пород или теплого и влажного морского климата.
Почвы на карбонатных породах. В этих почвах наблюдается обогащение илистых фракций минералами монтмориллонит-гидрослюдистой группы с примесью каолинита. Об этом свидетельствуют данные Гасанова и Исмайловой (1971) по бурым лесным почвам Азербайджана, Я.Немечека (1972) по бурым лесным почвам Чехословакии и Гала ( Gal, 1970) по бурым лесным почвам Галиции. При этом Гаса-нов и Исмайлова указывают на высокое содержание ила и концентрацию минералов в верхних и средних горизонтах профиля, обусловленную интенсивным глинным выветриванием.
Изучение бурых лесных почв в Пиренеях ( Hoyos et al, 1977) обнаружило в составе ила всех горизонтов иллит, хлорит и каолинит, которые как предполагается, наследуются почвой от материнской породы.
Почвы на -песчаниках. Б.П.Градусов и Д.В.Ломидзе (1976) исследовали состав илистой фракции бурой лесной типичной почвы Восточной Грузии. В качестве основных резко преобладающих фаз присутствовали два смешаннослойных образования: хлорит-монтморил лонит и слюда-монтмориллонит.
В бурой лесной почве Испании обнаружены слабые отражения от вермикулита в горизонтах А0 и АВ и от монтмориллонита в горизонтах Bj и Вг , отражения от каолинита и иллита увеличивались с глубиной ( Hoyos et al , 1973).
Почвы на суглинках и глинах. По данным бельгийских авторов ( Deiecour, Weissen , 1977) в кислых бурых лесных почвах Бельгии о снизу вверх по профилю уменьшается содержание 10 А минералов о (иллитов) и возрастает количество 14 А минералов (вермикулита и хлорита), а в бурой лесной почве Венгрии ( Scheffer, Gebhardt, 1977) обнаружена миграция наиболее тонкодисперсных монтмориллонит овых глин (смектитов), пропитанных органическими веществами, в пределах верхних горизонтов профиля, а также на основании положительного баланса ила в профиле показано образование глинистого материала из продуктов выветривания полевых шпатов.
Методы исследования
На этом фоне в пределах верхней толщи происходит перераспределение лабильных силикатов за счет их суспензионного переноса, т.е. процесса лессиважа. В результате гумусовый горизонт ими несколько обедняется, а нижележащие горизонты AIA2BI и BI обогащаются. При этом перераспределение лабильных силикатов происходит с преимущественным выносом разбухающих минералов и их осаждением в иллювиальной толще над карбонатным горизонтом.
На последующих этапах развития почвенного профиля (разрез 102) по мере выщелачивания карбонатов распределение илистой фракции приближается к элювиальному. Вероятно, значительная часть иллитов, способных к трансформационным изменениям, оказывается исчерпанной, а образованные в результате трансформационных изменений лабильные структуры - вынесены в нижележащие горизонты или разрушены. При этом нисходящему перемещению подвергается вся илистая фракция целиком, без дифференциации по минералогическому составу. По мере выщелачивания карбонатов в этом разрезе иллювиальный горизонт опускается на большую глубину, чем в 101 разрезе, и все группы глинистых минералов вовлекаются в процесс нисходящего суспензионного перемещения.
Можно предполагать, что на этом этапе эволюции почвенного профиля происходит также разрушение глинистого материала в процессе почвообразования в верхних горизонтах, которое приводит к близкому к элювиальному распределению всех глинистых минералов в пересчете на почвенную массу в целом, с учетом количества ила. При этом в большей степени разрушаются лабильные силикаты, в меньшей степени - иллитовые минералы и в еще меньшей степени -каолинит.
После установления в верхних горизонтах кислой реакции начинает развиваться процесс хлоритизации, который приводит к накоплению минералов группы почвенных хлоритов. Однако следует отметить, что почвенные хлориты обнаружены не только в горизонтах AI, AIA2 и A2BI, где рН 5,6 и выше, но и в горизонте В2, где рН 7,5. При таких значениях рН алюминий должен быть малоподвижен и хлоритизация едва ли возможна feich , 1968).
Это противоречие можно объяснить тремя причинами. Можно допустить, что почвенные хлориты, образующиеся в горизонтах AI, AIA2 и A2BI, выносятся в горизонт В2 в процессе лессиважа. Е&ва ли правильно допущение о том, что почвенные хлориты - реликт прежних стадий почвообразования с более кислыми условиями, так как в этом случае следует предполагать подъем к поверхности верхней границы карбонатного горизонта в ходе эволюции. Или, наконец, тем, что почвенные хлориты - не продукт хлоритизации лабильных трехслойных структур, а результат деградационной трансформации унаследованных от породы истинных хлоритов. Однако этому предположению противоречит низкое содержание хлоритов в илистой фракции горизонтов ВС. Поэтому, наиболее вероятным является, очевидно, первое предположение, но не исключена возможность и последнего.
Таким образом, на основании представленного материала по составу и профильному распределению илистой фракции в целом и отдельных групп глинистых минералов можно заключить, что на первых стадиях развития бурых лесных почв на карбонатных породах, ведущими процессами изменения минерального вещества почв являются оглинивание и трансформационные изменения иллитов в не вполне упорядоченные иллит-смектиты. Карбонаты способствуют осаждению и сохранению смектитовых минералов в иллювиальном горизонте. По мере выщелачивания карбонатов большую роль приобретают процессы дифференцированного разрушения глинистого материала и его выноса в форме суспензий. После установления в верхних горизонтах кислой реакции начинает развиваться процесс хлоритизации.
В заключение рассмотрим вопрос о возможности синтеза глинистых минералов в профиле бурых лесных почв, которым некоторые авторы ( Kundler , 1959, 1961; Роде, 1964 и др.) объясняют накопление илистой фракции в иллювиальном горизонте.
Полученный фактический материал не подтверждает этого предположения. Выше уже указывалось, что накопление илистой фракции в иллювиальном горизонте связано с процессом оглинивания, т.е. образования глинистого материала in Bitu и его суспензионного переноса, т.е. процесса лессиважа. Если бы глинистый материал в иллювиальных горизонтах имел другое происхождение, это должно было бы отразиться на характеристиках илистых фракций из этих горизонтов. Полученные данные противоречат этому предположению, так как дифракционные и термические характеристики глинистых минералов в иллювиальных горизонтах близки к характеристикам этих минералов в почвообразующей породе.
Бурые лесные почвы на глинистых сланцах
Разбухающий минерал монтмориллонитовой группы диагностиру 0 ется по острым симметричным отражениям в области 14,6-15,2 А, о которые возрастают до 17,6-19,6 А при насыщении глицерином и со 0 кращаются до 10,0-10,1 А при прокаливании образцов (рис. 22 а,б). Такие дифракционные характеристики позволяют считать, что в исследуемых илистых фракциях, наряду с чисто смектитовыми минералами, содержатся в некотором количестве смешаннослойные иллит-смектитовые структуры с переменной нормой переслаивания и блоками смектитовых пакетов (Градусов, 1971,1976; Reynolds , 1967). Разбухающие слои в этих минералах имеют достаточно высокий заряд, который локализован как в тетраэдрическом, так и октаэдри-ческом слое ( Green-Kelly , 1953; Weaver , 1958). В самых нижних горизонтах этого разреза в составе илистой фракции есть некоторое количество низкозарядного разбухающего минерала.
Сверху вниз по профилю возрастает содержание иллитов. В том же направлении несколько возрастает отношение интенсивностеи рефлексов 001 002 йллитовых минералов от 1,1 до 1,5 (исключение составляет только самый верхний горизонт, в котором это отношение возрастает до 2,3), что свидетельствует о тенденции к потере железа из октаэдрическйх позиций иллитов в верхних горизонтах (табл.19). Уменьшение количества силикатного железа и магния в составе илистой фракции верхних горизонтов связано, вероятно, с уменьшением содержания иллитов в этих горизонтах (табл.19,20).
В изученном профиле выявляется четкая приуроченность вермикулита, хлорита и почвенного хлорита к определенным генетическим горизонтам. Вермикулит и почвенный хлорит обнаружены в составе илистой фракции из горизонта BI и верхней части горизонта В2, хлорит - в элювиальных горизонтах профиля.
Накопление почвенного хлорита в горизонте BI и верхней части горизонта В2 подтверждается тем, что на дифрактограммах об п разцов, прокаленных при 350 наблюдается асимметричный 10 А рефлекс с пологим спадом в сторону малых углов. На основании разработок И.В.Корягиной и Т.А.Соколовой (1978) почвенные хлориты с такими характеристиками отнесены к минералам с начальной степенью хлоритизавди. О слабой степени хлоритизации можно судить также по неполному сжатию решетки трехслойных силикатов при насыщении образцов калием (рис. 22 б). С накоплением минералов группы почвенных хлоритов в горизонтах BI и В2 связано увеличение содержания AL Oq в валовом химическом составе илистой фракции этих горизонтов (табл.20).
Максимальное содержание почвенных хлоритов и хлоритоподоб-ных структур в горизонте BI приводит к резкому увеличению интен 0 сивности 7 А отражения, по которой оценивается суммарное содержание каолинита и хлорита.
Илистая фракция из верхней части оподзоленного горизонта по сравнению с нижележащими горизонтами, обогащена тонкодиспер 0 сным кварцем, что подтверждается возрастанием 4,27 А отражения и заметным увеличением Si 0 в валовом химическом составе илистых фракций (рис. 22 а, табл. 20).
В составе илистых фракций найдены также минералы гидроокисей железа, которые дают на кривых ДТА и ДТв эндотермические эффекты в области 300-320 (рис. 23).
В таблице 19 приведены данные по содержанию несиликатных форм железа, определенных по методике Мера и Джексона (1963). Из таблицы видно, что содержание свободного (несиликатного) железа в составе илистой фракции обнаруживает ярко выраженное элювиально-иллювиальное распределение, возрастая от 2,36$ в верхней части оподзоленного горизонта до 5,47$ в горизонте BI. В нижележащей толще количество несиликатного железа изменяется слабо, колеблясь в пределах 2,50-3,35$.
В пересчете на почву в целом, с учетом содержания ила, као-линитовые и иллитовые минералы обнаруживают распределение, близкое к элювиальному, с очень небольшим накоплением в горизонте В по сравнению с почвообразующей породой. Лабильные силикаты распределены по профилю более равномерно и их минимальное содержание наблюдается в горизонте BI, в котором в составе илистой фракции отмечается максимальное развитие хлоритоподобных структур (табл.19, рис.24).
Основные закономерности в профильном распределении основных групп глинистых силикатов, свойственные илистой фракции в целом, характерны также для предколлоидной фракции (частицы 1-0,2 мкм): вниз по профилю возрастает содержание иллитов и уменьшается количество лабильных силикатов, в верхней части горизонта В2 наблюдается накопление минералов группы почвенных хлоритов (рис.25, табл.І9). В составе фракции 1-0,2 мкм по всему профилю, за исключением верхней части горизонта AIA2, обнаружен вермикулит, который распределен по профилю незакономерно.
