Изменение глинистого материала под влиянием почвообразования в бурых лесных почвах Северного Кавказа

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 сельского 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.

— 207 -ВЫВОДЫ.

1. Содержание, состав и профильное распределение отдельных групп глинистых минералов в дифференцированных бурых лесных почвах Северного Кавказа широко варьирует в зависимости от ли-тологического состава пород и степени развития почвенного профиля. В качестве наиболее общих закономерностей для большинства разрезов можно отметить: сиаллитный характер глинистых продуктов выветривания и почвообразования, обеднение элювиальной толщи лабильными силикатами и слабую хлоритизацию трехслойных силикатов в верхних минеральных горизонтах в кислых бурых лесных почвах.

2. Профильная дифференциация глинистого материала в целом и отдельных групп глинистых минералов в исследованных почвах происходит при совместном участии четырех групп процессов: трансформационных изменений унаследованных от породы слоистых силикатов, разрушения глинистого материала, суспензионного переноса глинистых минералов и процесса оглинивания.

Набор и интенсивность проявления указанных процессов в конкретных почвенных профилях зависит от состава почвообразующих пород и степени развития почвенного профиля: трансформационные изменения с наибольшей интенсивностью протекают в профилях, развитых на почвообразующих породах, богатых иллитамиразрушение глинистого материала наиболее четко диагностируется в разрезах, развитых на сортированных суглинисто-глинистых отложенияхпро- ¦ цесс оглинивания интенсивно протекает только в тех профилях, где крупные фракции содержат большое количество глинистого материалапроцесс лессиважа диагностируется во всех изученных профилях, но в большинстве разрезов он охватывает илистую фракцию целиком без дифференциации по минералогическому составу.

3. Бурые лесные дифференцированные почвы на сортированных глинистых отложениях по сравнению с суглинисто-глинистыми подзолистыми и дерново-подзолистыми почвами характеризуются меньшей интенсивностью процессов разрушения всех групп глинистых минералов, особенно каолинита, процессов трансформационных изменений иллитовых минералов в лабильные структуры и процессов хлоритиза-ции, а также очень слабым перераспределением несиликатных форм железа по профилю, которое малоподвижно и аккумулируется в верхних горизонтах. Эти отличия связаны с менее кислой реакцией и менее агрессивным характером органического вещества. Бурые лесные дифференцированные почвы по сравнению с серыми лесными почвами характеризуются меньшим накоплением иллитовых структур в почвенном профиле.

4. Процесс оглинивания определенно диагностируется далеко не во всех почвах, которые в настоящее время относят к бурым лесным. Оглинивание проявляется только в почвах на таких почво-образующих породах, которые содержат глинистые минералы в крупных фракциях.

Основным механизмом процесса оглинивания в бурых лесных почвах является физическое дробление крупных фракций — песчаных и пылеватых, содержащих глинистый материал в форме индивидуальных зерен слюд, в составе зерен полевых шпатов, частично превращенных в глинистый материал постмагматическими и другими неги-пергенными процессами или в составе обломков породы. Неизменные полевые шпаты не являются существенным источником глинистого материала в почвенном профиле. Физическое дробление крупных фракций, содержащих глинистый материал, сопровождается трансформационными изменениями кристаллических решеток иллитов.

5. Степень трансформационных изменений слюдистых минералов под влиянием процессов выветривания и почвообразования определяется не только биоклиматическими условиями, но и литологическим фактором, т. е. структурными особенностями самих слюдистых минералов: иллиты трансформируются в не вполне упорядоченные иллит-смектиты, глауконит — в смектитовые минералы с зарядом в октаэд-рическом слое.

6. Во всех исследованных разрезах дифференцированных бурых лесных почв дифференциация валового химического состава почвенного материала в целом осуществляется как за счет изменения в профиле содержания илистой фракции, так и за счет дифференциации химического состава крупных фракций.

7. Содержание обменного калия в исследованных почвах контролируется минералогическим составом, размерами частиц, которыми минералы представлены, а также кристаллохимическими особенностями глинистых силикатов, относящихся к одной и той же группе слюдистых и иллитовых минералов. В процессе развития почвообразования в исследованных почвах возрастание лабильных силикатов за счет трансформационных изменений иллитов в вермикулит и высокозарядные разбухающие минералы приведет к увеличению ЕКО. Можно ожидать, что этот процесс будет сопровождаться повышением калий-фиксирующей способности илистых фракций, а повышенное содержание несиликатных форм железа в верхних горизонтах — необменной фиксацией фосфатов.

Научно-методические предложения.

Чтобы полностью представить изменение и преобразование глинистого материала в процессе почвообразования в бурых лесных почвах, необходимо изучать не только илистую, но и более крупные фракции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Представленный в главе У материал выявляет довольно разнообразную картину профильного распределения илистой фракции в целом и отдельных групп глинистых минералов в бурых лесных почвах Северного Кавказа, развитых на разных почвообразующих породах.

В бурых лесных почвах на карбонатных породах на первых стадиях развития почвенного профиля наблюдается элювиально-иллювиальное распределение в профиле илистой фракции, причем накопление ила в иллювиальном горизонте существенно превышает его потерю из верхнего элювиального горизонта. Элювиальный горизонт характеризуется повышенным содержанием каолинита и пониженным разбухающего минерала по сравнению с иллювиальным. В пересчете на почву в целом каолинитовые и иллитовые минералы имеют распределение близкое к равномерному с некоторым снижением содержания в элювиальном горизонте, а лабильные силикаты отчетливо аккумулируются в иллювиальном горизонте по сравнению не только с вышележащим элювиальным, но и с нижележащими горизонтами ВС, т. е. иллювиальный горизонт формируется исключительно за счет лабильных силикатов. При этом существенную долю лабильных силикатов составляют разбухающие пакеты не вполне упорядоченных иллит-смекти-товых минералов.

По мере выщелачивания карбонатов распределение илистой фракции приближается к элювиальному, опускается нижняя и верхняя граница иллювиального горизонта. Дифференциация минералогического состава илистой фракции становится более отчетливой: элювиальная толща резко обогащается двухслойными силикатами и обедняется лабильными минералами. В пересчете на почву в целом иллиты и лабильные минералы обнаруживают отчетливое элювиальное распределение, а каолинит — некоторое накопление в иллювиальном горизонте.

В элювиальном горизонте появляются хлоритоподобные структуры, генезис которых не вполне ясен.

Таким образом, на первых стадиях развития бурых лесных почв на карбонатных породах ведущими процессами изменения минерального вещества являются (рис. 43) оглинивание и трансформационные изменения иллитов в не вполне упорядоченные иляит-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. Можно предполагать, что после установления в верхних горизонтах кислой реакции начинает развиваться процесс хлоритизации, однако этот вопрос требует дополнительных исследований.

В бурых лесных почвах на глинистых сланцах, содержащих карбонаты, наблюдается отчетливое элювиально-иллювиальное распределение илистой фракции, причем по мере выщелачивания карбонатов иллювиальный по илу горизонт опускается и становится более растянутым и менее ясно выраженным. В составе илистой фракции элювиальные горизонты обедняются иллитовыми минералами и лабильными силикатами и относительно обогащаются минералами группы каолинита. Иллювиальные горизонты по сравнению с вышележащими и горизонтами ВС обогащены лабильными силикатами, значительную долю которых составляют не вполне упорядоченные иллит-смектиты. Последние являются основным компонентом коллоидной фракции. В пересчете на почвенную массу в целом сохраняется элювиально-иллювиальное распределение всех групп глинистых минералов.

Большое количество глинистого материала, главным образом, иллит-каолинитового состава содержится в крупных — пылеватых и даже песчаных фракциях, особенно в нижних горизонтах. В составе Порода Л/рч ре ¿-л ГёриЪОНГЧ Процесса.

ОглиниТрансформация до стадии. Сьгпен-зисинчй Ра ьр1 бониб рл>вцлгс-'"Й7/1"' сцОйн с гс ни нецела. Ьермикц-цитл. почвенного хлорита. псчёеннсгс чАлита. ¿-иное шение.

ИорЪооатнщ лорсЪ"! 101 102 62 А1А2, Ф Ш р * 7? ? 1 1? > г > 1 ! 1.

Глинис гие 105 Кг Й 4 «о5 Ж.

Слаици 106 А1Д.2 Ж Ы}? 4 1? ¦

Глинисгне отлсмсечия 108 III Л1А2 лгв 1 62 65 А1 ЛМ2 82 г? * >? > 1? ? ,>? ¦ ¦? >? ? V V? ¦) ?

Глаукоыитобы! песЧйнис 110 МАг 61 62 6Ь т V 1 ¦ 1 о.

Нибиая.

— сред^РЯ — ысонар чнтенси (но (ти.

Рис. 43. Процессы преобразования глинистого материала в бурых лесных почвах на разных породах. фракции средней пыли появляется вермикулит, количество которого возрастает с глубиной.

Ведущими процессами изменения минеральной части почвы являются (рис. 43) процессы оглинивания и трансформационных изменений иллитов. Основным механизмом процесса оглинивания можно считать физическое дробление песчаных и пылеватых частиц, содержащих каолинит и иллит в составе обломков глинистого сланца или в составе полевошпатовых зерен, частично превращенных в глинистый материал постмагматическими процессами.

Трансформационные изменения иллитов в вермикулит наблюдаются в составе фракций ила и тонкой и средней пыли, а трансформация иллитов в не вполне упорядоченные иллит-смектиты — в составе илистой и отчасти тонкопылеватой фракций. Коллоидная фракция, состоящая преимущественно из не вполне упорядоченных иллит-смек-титов, возникает, видимо, вследствие физического дробления более крупной — предколлоидной фракции.

Процесс лессиважа является одним из факторов, приводящим к элювиально-иллювиальному перераспределению в профиле илистой фракции, но этот процесс не сопровождается существенной дифференциацией глинистых минералов по генетическим горизонтам.

В элювиальных горизонтах, по всей вероятности протекает так< же процесс дифференцированного разрушения глинистых силикатов, но в сочетании с процессом лессиважа и оглинивания его трудно однозначно диагностировать и оценить его интенсивность.

Также, как и в бурых лесных почвах на карбонатных породах, в бурых лесных почвах на глинистых сланцах наблюдается тенденция к закреплению несиликатных форм железа в верхних горизонтах.

Бурая лесная почва на песчанике характеризуется близким к элювиальному распределением илистой фракции с небольшим накоплением ила в иллювиальном горизонте по сравнению с породой. В составе илистой фракции наблюдается увеличение содержания разбухающих минералов и снижение количества иллитов вверх по профилю. В пересчете на почву в целом, с учетом количества ила, все глинистые минералы имеют распределение близкое к элювиальному.

Ведущими процессами изменения глинистого материала в бурых лесных почвах на песчаниках являются (рис. 43): I) трансформационные изменения иллитов в разбухающий минерал группы монтмориллонита и хлоритизадия трехслойных силикатов. При этом формированию монтмориллонитовых минералов из иллитов способствует то обстоятельство, что значительная доля иллитов в песчанике представлена глауконитом с зарядом в октаэдрическом слое- 2) процесс разрушения глинистого материала в элювиальных горизонтах- 3) оглинивание — этот процесс в сочетании с процессом разрушения однозначно не диагностируется, но можно полагать, что оглинивание является одним из факторов накопления илистой фракции в иллювиальном горизонте.

Бурые лесные почвы на сортированных суглинисто-глинистых отложениях характеризуются элювиальным или элювиально-иллювиальным распределением в профиле илистой фракции. В составе илистой фракции верхние элювиальные горизонты обедняются лабильными силикатами и относительно обогащаются двухслойными минералами. В элювиальных горизонтах в небольшом количестве появляются минералы группы почвенных хлоритов. В пересчете на почву в целом, с учетом содержания ила, в разрезе с элювиальным распределением илистой фракции наблюдается элювиальное распределение лабильных силикатов и иллита и элювиально-иллювиальное распределение каолинита. При элювиально-иллювиальном распределении ила в пересчете на почву в целом в иллювиальном горизонте обнаруживается накопление всех групп глинистых минералов, примерно в тех же пропорциях, что и в почвообразующей породе. Несиликатные формы железа обнаруживают тенденцию к накоплению в верхних горизонтах.

Основными процессами преобразования глинистого материала (рис. 43) являются: I) дифференцированное разрушение глинистых минералов, охватывающее лабильные трехслойные минералы и иллиты и не затрагивающее, по-видимому, двухслойные минералы группы каолинита- 2) оглинивание, основным механизмом которого является физическое дробление пылеватых, песчаных и более крупных частиц, содержащих глинистый материал в форме индивидуальных зерен слюд, в составе измененных полевых шпатов и обломков породы, имеющих размеры хрящеватых частиц, при этом полевые шпаты не являются основным источником глинистого материала- 3) лессиваж, охватывающий все три группы глинистых минералов, а в некоторых случаяхпреимущественно лабильные трехслойные силикаты- 4) трансформационные изменения слоистых структур, которые заключаются в слабой хлоритизации трехслойных силикатов и появлении небольшого количества не вполне упорядоченных иллит-смектитовых структур.

Таким образом, изменение содержания и состава глинистого материала и профильная дифференциация отдельных групп глинистых минералов по горизонтам в дифференцированных бурых лесных почвах осуществляется за счет четырех групп процессов: трансформационных изменений слоистых силикатов, разрушения глинистого материала, его переноса в суспензионной форме (т.е. лессиважа) и оглинивания.

Дифференцированные бурые лесные почвы на разных почвообразу-ющих породах и разной степени развития почвенного профиля существенно различаются по характеру профильного распределения отдельных групп глинистых минералов и по набору и интенсивности процессов, принимающих участие в перераспределении глинистого материала (рис. 43).

Трансформационные изменения слоистых силикатов в максимальной степени проявляются в профилях на глинистых сланцах и на глауконитовых песчаниках, поскольку те и другие породы обогащены соответственно иллитами и глауконитом, которые легко трансформируются в лабильные структуры.

Степень трансформационных изменений слюдистых минералов под влиянием процессов выветривания и почвообразования определяется не только биоклиматическими условиями, но и структурными особенностями самих слюдистых минералов — т. е. литологическим фактором. Существенную роль в этом играет положение заряда в унаследованных от породы слюдистых минералах, которое определяет состав продуктов выветривания и их положение в ряду трансформационных изменений этих минералов. При этом иллиты трансформируются в не вполне упорядоченные иллит-смектиты, а глауконит — в смектитовые минералы с зарядом в октаэдрическом слое.

Таким образом, процесс трансформационных изменений слюдистых силикатов в дифференцированных бурых лесных почвах проявляется в тех случаях, когда почвообразующая порода достаточно боя гата минералами, способными к трансформации. Трансформация иллитов в смешаннослойные иллит-смектиты осуществляется преимущественно в предколлоидной (1−0,2 мкм) фракции. В более тонкойколлоидной (< 0,2 мкм) фракции наблюдается дальнейшая трансформация иллит-смектитов в смешаннослойные минералы с большим количеством лабильных пакетов.

Процесс разрушения глинистого материала, охватывающий разбухающие минералы и иллиты, в наибольшей степени проявляется в дифференцированных бурых лесных почвах на сортированных суглинисто-глинистых отложениях, так как в этих отложениях ограничено количество глинистого материала в крупных фракциях, способного пополнять запас глинистых минералов в составе илистой фракции.

Процесс лессиважа диагностируется во всех исследованных профилях, хотя в почвах на глинистых отложениях он не приводит к формированию мощных глинистых кутан в иллювиальном горизонте, вероятно, за счет механических нарушений глинистых кутан при периодическом увлажнении и высыхании почв тяжелого механического состава.

Процесс оглинивания в максимальной степени проявляется в дифференцированных бурых лесных почвах на глинистых сланцах, продукты выветривания которых содержат большое количество глинистого материала (главным образом, каолинита и иллита) в составе крупных фракций. Другими словами, оглинивание протекает только в профилях бурых лесных почв на таких почвообразующих породах, которые содержат глинистые минералы в крупных фракциях.

Основным механизмом процесса оглинивания в бурых лесных почвах на глинистых сланцах является не синтез глинистого материала по зернам унаследованных от породы минералов in situ в процессе почвообразования, а физическое дробление крупных фракций (песчаных и пылеватых), содержащих глинистый материал. Физическое дробление слюдистых минералов идет одновременно с их трансформационными изменениями в иллит-смектитовые смешаннослой-ные структуры.

Если бы ведущим механизмом оглинивания в изученных бурых лесных почвах было бы превращение полевых шпатов в глинистые минералы, в результате современного почвообразования следовало бы ожидать интенсивного оглинивания во всех профилях, поскольку во всех исследованных разрезах полевые шпаты составляют значительную долю песчаных и пылеватых фракций. Следовательно, неизмененные полевые шпаты едва ли играют роль важного источника глинистого материала в почвенном профиле. Бурым лесным почвам на сортированных глинистых отложениях оглинивание не свойственно или свойственно в небольшой степени.

Из исследованных дифференцированных бурых лесных почв профили на сортированных глинистых отложениях по содержанию и минералогическому составу илистых фракций в наибольшей степени близки к подзолистым и дерново-подзолистым почвам на суглинисто-гли-нистых осадках и серым лесным почвам. В тех и других наблюдается элювиальное распределение в профиле илистой фракции, обеднение разбухающими минералами и относительное обогащение каолинитом илистой фракции из элювиальных горизонтов. Вместе с тем, мевду дифференцированными бурыми лесными почвами и подзолистыми и дерново-подзолистыми почвами наблюдаются существенные различия, касающиеся распределения глинистого материала. В дифференцированных бурых лесных почвах, благодаря менее кислой реакции, значительно слабее выражено (или вообще не выражено) разрушение каолинита и в меньшей степени происходит процесс хлоритизации трехслойных силикатов.

Существенным отличием дифференцированных бурых лесных почв от серых лесных почв является то, что в последних сильнее выражено накопление слюдистых силикатов в илистой фракции верхних горизонтов, что связано с особенностями зольного состава опада и климатических условий, в которых они формируются.

Исследованные почвы характеризуются очень слабым перераспределением несиликатных форм железа по профилю. В отличие от дерново-подзолистых поче, в которых несиликатное железо значительно дифференцировано по элювиально-иллювиальному типу, в дифференцированных бурых лесных почвах оно малоподвижно и, освобождаясь из кристаллической решетки глинистых минералов при разрушении, не перераспределяется в профиле, а аккумулируется в верхних почвенных горизонтах.

Во всех исследованных разрезах дифференцированных бурых лесных почв дифференциация валового химического состава почвы в целом осуществляется как за счет дифференциации в профиле содержания илистой фракции, так и за счет дифференциации валового химического состава крупных фракций. Это свидетельствует о глубоком изменении и разрушении минералов крупных фракций в процессе почвообразования.

Представленный фактический материал в целом подтверждает существующее мнение большинства исследователей о том, что выветривание пород в профилях бурых лесных почв происходит с образованием продуктов преимущественно сиаллитного типа, т. е. трехслойных силикатов. Вместе с тем, в литературном обзоре было отмечено, что во многих разрезах бурых лесных почв в результате выветривания и почвообразования появляются аллитные продуктыкаолинит и гиббсит. Обогащение каолинитом тонкодисперсных фракций в процессе почвообразования наблюдалось и в некоторых из исследованных разрезов. По всей вероятности, аллитный материал в бурых лесных почвах может появляться в следующих случаях: I) когда почва развивается на древних корах выветривания феррал-литного состава, 2) когда почвообразующая порода содержит каоли-низированные полевые шпаты, при дроблении которых каолинитовые минералы попадают в тонкие фракции, 3) в тех бурых лесных почвах, которые являются переходными к желтоземам, т. е. к почвам субтропического климата.