Введение к работе
Актуальность работы. &' решении задач рационального использования земельных ресурсов и" повышения плодородия почв особая роль принадлежит почвенной' науке. В этом плане важное место отводится вопросам углубленного изучения твердофазовой части почв,ее крупнообломочной части и тонко дисперсных минералов. С их состоянием, качественным и количественным составом, во многом связаны . физические,физико-химические свойства и прежде всего потенциальное плодородие почв. Этим, в основном, определяется всевозрастающий интерес к изучению минеральных веществ-почв и в особенности ее глинистой фазы. В связи с этим разрешение вопросов генезиса минеральной части почв, изучение процессов трансформации и путей преобразования первичных минералов и формирование на их основе специфических глинистых образований, а также установление закономерностей профильного распределения и характера их изменений в-процессе развития почв и широкого антропогенного воздействия является одной из важных задач современного почвоведения.
Анализ существующей литературы показывает отсутствие фундаментальных исследований по данной проблеме. Имеющиеся материалы по минералогическому составу почв аридной зоны являются разрозненными и порой несут недостаточную информацию. Слабо освещены в специальной литературе особенности преобразования обломочных и слоистых силикатов исходных пород, вопросы,касающиеся общих и частных закономерностей происхождения и распространения основных продуктов почвообразования - вторичных алюмосиликатов в черноземах и каштановых почвах Казахстана.
Объекты исследований. Изучены автоморі^іе черноземы обыкновенные и южные, а также темно-каштановые и каштановые почвы зонального простирания с учетом особенностей рельефа, геологического строения, биоклиматических факторов, характера почвенного покрова и почзообрарукпих пород. Большое разнообразно и рл-шо-
типность ггочвообразующих пород на исследуемой территории предопределило специфику и направление наших исследований. Особое внимание уделялось почвам, формирующимся на рыхлых осадочных породах: глинах и суглинках. Объектами пристального внимания были почвы, развивающиеся на элювии и депюви/і плотных и массивно-кристаллических пород магматического, метаморфического и осадочного происхождения. Именно на этих объектах представлялась исключительная возможность для более детального изучения состояния и направления процессов выветривания и почвообразования, воссоздания картины изменения, преобразования исходного материала и путей формирования тонкодисперсных продуктов почвообразования. Наряду с этим, с целью выявления характера поведения крупнообл^моч-ных и в особенности глинистых минералов при различите антропогенных нагрузках на почву (длительная обработка и оропение) исследованы целинные и распаханные неорошаемые и орошаемые варианты почв.
Основная цель работы заключается в изучении состава, характера замещений и трансформационных преобразований крупнообломоч-ннх минералов ; в установлении ассоциации минералов и выделении категорий унаследованных, трансформационных и новообразованных минералов, разграниченных по степени эндогеннооти и гидротермаль-ности допочвенных условий и по условиям современного гипергенеза и почвообразования, в выявлении основных закономерностей формирования и распространения тонкодисперсных минералов в результате естественной и антропогенной эволюции почв в черноземах и каштановых почвах Казахстана.
Задачи исследований состоят в следующем:
изучить условия почвообразования и физико-химические свойства почв ;
определить минералогический состав крупнообломочных и тонкодис-персных (коллоидной, предколлоидной, мелко- и средне пылеватой) фракций почв, формирующихся на различите по механическому и ли-, толого-петрографическому составу, породах ;
выявить основные закономерности трансформационных превращений первичных минералов во вторичные глинистые образования, распределение и дифференциаций их в почвах по генетическим горизонтам ;
исследовать роль, минералов в создании почвенных агрегатов раз-
ной степени прочности и дисперсности;
установить характер проведения и возможные изменения глинистых компонентов почв при длительной обработке и орошении ;
дать дифференцированную оценку содержания минеральных элементов питания растений, с целью характеристики потенциального и эффективного плодородия почв.
Теоретический вклад и наущая новизна. На основании комплексных и дифференцированных исследований, а также сопряженного изучения крупнообломо'«эй и тонкодисперсной частей с охватом всех гранулометрических фракций почв, определен минералогический состав, выявлены пути трансформационных превращений первичных минералов во вторичные глинистые продукты почвообразования. Установлено замещение калиевых полевых шпатов и плагиоклазов серицитом, хлоритом, соссюритом, эпидотом; сфена, ильменита - лейкоксеном и рутилом ; роговой обманки, биотита,, эпидота - хлоритом ; магнетита-мартитом, являющееся следствием допочвенных эндогенных процессов. В почвах на рыхлых осадочных породах основная масса глинистых веществ унаследована от почвообраэующих пород, и в меньшей степени образована путем аградационнкх* деградационньтс процессов и синтеза.
Глинистые минералы в- по>чвах нэ продуктах выветривания коренных горных пород являится новообразованными,, хотя зарождение большинства этих частиц происходило В' эндогевжь-догточвенных условиях. В- эндогенных, условиях образован серицит, хлорит'. К гипер-г.енным' образованиям- отнесены каолинит* смектит и смешано ело иные образования. Последние, возможно, формируются и в- гидротермальной обстановке.
Основная масс» тонкодисперсных минералов- формируется на основе- трансформации1 крупнообломачных минералов, а- также путем физического измелБЧЕНЕйг частиц слоистых силикатов- и в результате высвобождения глинистых частиц из зерен первичных кшералов. При этом' имеющиеся различия в содержании- и составе глинистых продуктов- почв не зависят от их зональной'' - типовой" т ггадткповой,. а также родовой и видовой принадлежности-» 3'. балвлей1 мере (в почвах на коренных горных породах) состав- тонкодкепвреккх минералов за>-висит от характера исходных пород» претерпевших значительные до-почвенные преобразования в диагенезе,, катагенезе и дальнейшие изменения в результате выветривания и почвообразования.
Для черноземов- обыкновенных западных территорий' Заладно-Си-
_- 4 -
бирской равнины характерно наряду с гидрослюдой и каолинитом значительное содержание сме#титового компонента. При продвижении с запада на восток роль его снижается и возрастает значение хлоритового компонента. Установлено весьма низкое содержание, а во многих случаях полное отсутствие смешано ело иных минералов в почвах на суглинках и глинах. И, наоборот, в почвах на коренных горных породах Казахского медкосопочника весьма характерны значительные количества как упорядоченных, так и неупорядоченных сме-шанослойных хлорит-счеятитрвых и реже гидрослюда-смектитовых структур.
На основании проведенных исследований и сопоставления полученных результатов по химическому и минералогическому составу почв, морфологическим признакам зерен крупнообломочных минералов (форма, цвет, включения, окатанность, характер замещений), специфике состава и характера распространения крупнообломочных и тонкодисперсных глинистых образований в почвах, выдвинуто концептуальное представление о происхождении почвенного покрова равнинной территории Северного Казахстана, согласно которому формирование почвенного покрова Северо-Казахстанской и Прииртьшской равнин происходило из материала, снесенного с территории Казахского ыелкосопочника. Образование рыхлой осадочной толщи и почвенного покрова западной части черноземной зоны вероятно находилось под влиянием пород зеленокаменного пояса южной части Уральской горной системы, представлявшего продукты выветривания преимущественно магматических пород среднего и основного-состава с заметным содержанием в них смектитовьтх компонентов.
По данным определения фазового состава и изучения характера распространения глинистых минералов в почвах выделены ассоциации (минералы представле;# по степени уменьшения содержания).
" а) смектит-гидрослюда-каолинитовая - характерна для западной части Западно-Сибирской низменности и для черноземов и тем-но-каптаноБих почв северной и восточной части Подуральского плато.
б) гидрослюда-каолинитовая с примесью смектита - для обыкно
венных черноземов северной части Западно-Сибирской низменности.
в) гидрослюда-хлорит-каолинитовая - для черноземов южных,
темно-каптановнх почв Северо-Казахстанской и Прииртьшской равшш.
г) гидрослюда-хлорит-каолинитовая с участием смектита и
сыеяанослойных - в почвах равнинной части Казахского мелкосо-
5-'.
починка. ' .
д) пщрослюдатсме!маіюслоГаш:1-хлорит-ісаол!!НИ70вая -.в почвах на плювни делювии средних, 00:100111 магматических пород, метаморфических гнейсах, сланцах, туфах Кокч'етавекой возвышенности и Казахского мелкосопочнпка. ' .
Применение новой'технологии выделения и фракционирования
илистых частиц почли позволило: '
а) провести дифференцированное изучение различных фракций
ила, дать их более полную характеристику в том числе коллоидной
(<0,2 мкм) фракции.
б) более полно определить фазовой состав и количественные
соотношения тонко'дисперентх минералов.
в) диагностировать минералы, представленные малыми количест
вами, определить преимущественную аккумуляции отдельных минера
лов ь определенных частях ила.
г) классифицировать ассоциации глинистых минералов по соста
ву и характеру засоления октпэдричоских позиций различными ка
тионами.
д) выявить минералы разной генерации, установить многосту
пенчатость в формировании и изменении глинистых веществ, опреде
лить варьирование состави коллоидных частиц по профилю распахи^-
паємнх и орошаемых почв.
. Защищаемые положения:
I. Закономерности превращения крупнообломочшх минералов во вторичные тонко дисперсные продукты почвообразования.
Z. Характер распространения глинистого материал* в почвах и по генетическим горизонтам, особенности химизма почв, формирующихся на разных по литолого-потрографическому составу породах.
3. Генетические особенности и направленность почвообразовательных процессов и результате естественной и антропогенной эволюции почв.
Вклад автота п разработку темы. В основу настоящей работы легли материалы, собранные автором с I9CG по 1900 г.г. Вначале почвенно-минералогические исследования были проведет.! в Куета-найской области в составе комплексной почленноЯ экспедиции Института почвоведения АН КазССР, работа которой была пклпчсіи п общесоюзную тему "Чернозема: СССР" и координировалась Почвенном институтом им.3.В.Докучаева по Международной программе изучения
биОЛОГИЧесКЭЙ ПрОДухТ/ВНОСТП ПО43. Ь ПОСЛ.2ДСТЕКИ гголег'ые иг.сле-
- б -
дования нами были продолжены в северной и в северо-восточной части черноземной зоны, на западе в северо-восточной части Под-уральского плато, а также в пределах Казахского ыелкосопочника. Почвенно-минералогические исследования выполнялись по тематике АН КазССР "Геохимия и минералогия черноземов Казахстана".
Автор осуществлял научное руководство и являлся ответственным исполнителем ряда тем Государсгвенного Комитета СССР по науке и технике и по темам АН КазССР, по разделу комплексной темы "Целина" принял непосредственное участие в проведении полевых, почвенно-минералогических и лабораторно-экспериментальных исследований. Полученные материалы легли в основу настоящей работы.
Большую помощь в проведении рентгенодифрактометрических, электронно-микроскопических, термогравиметрических, микродифракционных, иммерсионных, микроморфологических и химических анализов оказали сотрудники лаборатории минералогии почв Института почвоведения АН Республики Казахстан Т.А.Улманов, Т.А.Острикова, Т.И.Малуева, Р.А.Артыкбаева,.С.Т.Шаймухамедова, Г.А.Токсеитова, А.Н.Омирзакова, М.М.Кусаинова.
Практическая ценность и реализация работ. Предпринятый подход в изучении всего спектра почвенных фракций и полученные новые материалы по характеристике.химического, минералогического состава черноземов и каштановых почв Казахстана их коллоидной, илистой, мелко- и среднепылеватой фракций, а также по характеру содержания и трансформационных превращений крупнообломочных минералов и формированию и профильному распределению основных групп глинистых минералов могут служить фундаментальной основой для совершенствования диагностики и классификации изученных почв, оценки физико-химических свойств и плодородия.
Установление процессов и явлений, преобразования минеральной части в сфере почвообразования и гипергенеза в целом, являются важной составной частью и необходимым условием выявления генезиса почв и путей формирования почвенного покрова.
Разработанные новые методы по выделению и фракционированию илистой фракции почв могут найти применение в почвоведении, геологии и грунтоведении, а также в разлиг!ных отраслях народного хозяйства с целью более рационального использования глинистого сырья.
Р'л'егциеся в работе материалы были использованы в учебном процессе географического факультета Казахского государственного
университета им.Аль-Фараби, при чтении курсов почвоведения, и мелиоративной географии.
Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертации, докладывались на Ш (Алма-Ата, 1971), УП (Ташкент, 1985) и УЫ (Новосибирск, 1989) Всесоюзных съездах почвоведов, на Всесоюзном совещании по глинам и глинистым минералам (Ленинград, 1975), на Международном симпозиуме "Плодородие поїв и глинистые минералы" (Прага, 1978), на меклабораторном совещании Института мелиорации почв (Прага, 1981), на республиканской конференции почвоведов Казахстана (Алма-Ата, 1982), на координационном совещании по минералогии почв (Минск, 1984), на заседании УП комиссии ВОП "Минералогия почв" (Москва, 1987), на Всесоюзном совещании "Минералы и плодородие почв" (Москва, 1987), на Республиканском съезде почвоведов Казахстана (Алма-Ата, 1988), на Всесоюзном совещании по глинам (Новосибирск,, 1968), на Всесоюзном совещании по рентгенографии минерального сырья Шиасс, 1989), на Всесоюзной конференции "Проблемы горного природопользования" (Барнаул, 1989), на расширенном заседании лаборатории минералогии и микроморфологии почв Почвенного, института юл.В.В.Докучаева (1991), на Ученых советах Института почвоведения АН КазССР.
Публикации. По теме диссертации опубликовано Зо работ из них 3 монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,