авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Почвообразование и выветривание на плотных гипсах в бореальной зоне: пространственно-временные закономерности

-- [ Страница 2 ] --

Зональные таежные (хвойные) леса в гипсово-карстовых ландшафтах, как правило, имеют высокий бонитет за счет улучшенного дренажа и прогреваемости субстратов. В тех редких случаях, когда гипсы преобладают среди материнских субстратов, развиваются специфические олиготрофные фитоценозы – таежные карстовые редколесья [Горячкин, Туюкина и др.]. Видовой состав растительности карстовых ландшафтов обогащается нетипичными для тайги видами: встречаются аркто-альпийские виды и эндемичный гипсофит качим пинежский (в северной тайге), неморальные (во всех подзонах) и степные виды (в южной тайге).

(2.2.) Объекты исследования

Наше внимание было сосредоточено на ППГ с чисто гипсовой минеральной основой (изучен 21 разрез, 20 прикопок, траншея по склону карстовой воронки). Были также описаны почвы на гипсово-карбонатных породах (3 разреза) и, для сравнения, на доломитах (3 разреза).

При описании профилей ППГ мы столкнулись с проблемой недостатка индексов и определений для их очень специфичных горизонтов в современной "Классификации и диагностике почв России" [2004], куда входят только слаборазвитые ППГ, где подстилочно-торфяный горизонт О залегает непосредственно на плотном гипсе Мcs (предлагается субстратные признаки обозначать подстрочно). В этой классификации отсутствуют развитые ППГ с горизонтом, где плотный гипс превращен в результате внутрипочвенного выветривания в мелкозем – этот горизонт было предложено назвать "дезинтеграционно-метаморфический" (BDMcs) [Горячкин]. Мы предлагаем также использовать индекс Mdmcs для обозначения щебнистого гипсового горизонта, являющегося переходным от BDMcs к Mcs. В случаях почвообразования на коллювиях, мы обозначали породу индексом С-Мcs.

(2.3.) Методы исследований

Для всех ППГ выполнены общие описания, анализы и приведены краткие морфо-аналитические характеристики: макроморфология, гранулометрический состав (сухое просеивание), рН водный и солевой, потери при прокаливании в органогенных горизонтах и содержание гумуса в минеральных горизонтах. Для выборочных разрезов ППГ проведены детальные мезо-, микро- и субмикроморфологические исследования, определения объемной плотности, валовой химический и минералогический (рентген-дифрактометрия в неориентированных препаратах) анализы. Экспериментально исследованы скорости основных элементарных почвообразующих процессов (ЭПП) на начальных стадиях формирования ППГ в северной тайге (см. Главу 5).

Глава 3. МОРФО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТАЕЖНЫХ ПОЧВ НА ПЛОТНЫХ ГИПСАХ

(3.1.) Морфология ППГ

Макроморфология. В таежных карстовых ландшафтах Европейской части России на локальных выходах нижнепермских гипсов формируются почвы, профили которых имеют мощность от десятка сантиметров до полутора метров и строение от O – Mcs (слаборазвитые почвы, гипсопетроземы) до O(ао, ау) – BDM(h)cs – Mdmcs – Mcs (развитые почвы, рис. 1), где ниже подстилочно-торфяного горизонта, часто имеющего некоторые признаки грубогумусового и/или серогумусового горизонтов, залегает минеральный дезинтеграционно-метаморфический горизонт, состоящий преимуществоенно из гипсовой муки (частицы < 1мм) и иногда слабо прокрашенный гумусом и оксидами железа (которые являются продуктами разложения опада, мертвых корней и грибных гифов), ниже переходящий к менее раздробленному, дресвянисто-щебнистому горизонту и затем к плотному гипсу. Уникальным морфологическим элементом ППГ являются натечные гипсовые кутаны на нижней стороне дресвы и щебня плотного гипса. Корни растений, крупные и тонкие, глубоко проникают в плотный гипс по крупным трещинам. В таких трещинах нередко накапливается "корневой войлок", густо оплетенный гифами грибов, и гипсовая мука, окрашенная гумусовыми соединениями, образовавшимися в результате разложения корней.

Мезоморфология. Гипсовый щебень и дресва имеют кавернозную поверхность и множество трещин, по которым они легко разламываются; дресва из верхних горизонтов растирается пальцами до муки. Мелкозем ППГ в основном не агрегирован, за исключением единичных копролитоподобных агрегатов в верхней части горизонта BDMhcs. Гипсовые кутаны варьируют от бледно-палевых фрагментарных пленочных образований до ярких буровато-охристых бугорковатых корок толщиной 3-5 мм (иногда до 7 мм). Окраска кутан обусловлена присутствием органических и железистых соединений. Граница между кутаной и белым гипсом щебня резкая.

Микроморфология. Наименее выветренные частицы крупнозема сложены малоизмененным гипсом материнской породы, имеющим ксеноморфно-разнозернистую и спутанно-волокнистую структуру. Более выветренные частицы дресвы сложены трещиноватым микрокрозернистым гипсом. Гипсовая мука представлена индивидуальными ромбовидными кристаллами (0.004-0.02 мм), таблитчатыми кристаллами (0.04-0.8 мм) и игольчатыми кристаллами (0.1-0.3 мм); причем крупные кристаллы (0.01-1 мм) имеют корродированный край, а мелкие (< 0.01мм) имеют правильную форму. В массе гипсовой муки в верхней части горизонта BDMhcs обнаруживаются частицы грубого органического вещества (хлопьев, чешуйек, комочков) и фрагменты разрушающихся кутан. В горизонтах BDMhcs и Mdmcs регулярно встречаются отдельные крупные гипсовые кристаллы (до 2 мм) – "пойкилиты" – с многочисленными включениями микро- и мелкозернистого ангидрита.

Субмикроморфология. Среди признаков растворения на поверхности гипсовой дресвы отмечено: селективное травление микрозернистого гипса вдоль линий спайности индивидуальных кристаллов (этчинг), не имеющих общей ориентировки; зубчатые края пластинчатых кристаллов; останцы кристаллов волокнистого гипса. Кутаны образованы из линзовидных кристаллов гипса (0.03-0.04 мм) и несут как признаки роста, так и признаки растворения. Об активных процессах роста кристаллов кутан свидетельствует тот факт, что грибные гифы, по-видимому, еще живые, оказываются заключенными внутрь кристаллов кутаны.

(3.2.) Данные сухого просеивания, определения объемной плотности и наименьшей влагоемкости

Усредненная характеристика минеральных горизонтов ППГ по содержанию фракций крупнозема и мелкозема и объемной плотности представлена в таблице 1, которая может оказаться полезной при выборе диагностических критериев для дезинтеграционно-метаморфических горизонтов. Горизонты различаются наиболее четко по содержанию гипсовой муки: BDMcs – более 50%, Mdmcs – от 10 до 50%, Mcs – менее 10%. Другим важным критерием различия горизонтов можно считать соотношение гипсового щебня и дресвы: BDMcs – дресвы больше, чем щебня; Mdmcs – дресва и щебень в примерно равных количествах; Mcs – щебень резко преобладает. В случаях "пограничных" значений содержания гипсовой муки, соотношение дресвы и щебня помогает диагностировать горизонт. Например, если верхний минеральный горизонт содержит 49% гипсовой муки, 45% дресвы и всего 6% щебня, мы диагностируем как BDMcs, а не Mdmcs. В гипсовой муке доля частиц <0.1 мм варьирует от 36% до 63%, что соответствует механическому составу от среднего суглинка до легкой глины. Полевая влагоемкость горизонтов BDMcs и Mdmcs составляет 24-27% и сопоставима с влагоемкостью суглинистых почв с кварц-силикатной основой.

Таблица 1. Усредненная характеристика горизонтов ППГ по содержанию гипсового щебня, дресвы и муки и объемной плотности

Горизонты Содержание фракций, % (вверху - минимальные и максимальные значения, внизу - средние) объемная плотность, г/см3
щебень, >10 мм дресва, 10-1 мм мука, <1 мм
BDMcs 0 – 16 7 22 – 63 30 49 – 79 59 0.7 – 1.05 0.95
Mdmcs 10 – 68 35 12 – 55 33 12 – 44 29 1.05 – 1.12 1.09
Mcs (плотный гипс) 82 – 97 88 1 – 11 7 2 – 8 5 2.05 – 2.16 2.11

(3.3.) Аналитическая характеристика

рН. Как и для большинства почв таежной зоны, для ППГ характерны кислые и сильнокислые значения рН подстилок. Реакция минеральных горизонтов ППГ слабокислая; внутри крупных трещин, где обнаруживаются обильные скопления корней, рН снижается до сильнокислой. Специфическим свойством ППГ является превышение pHKCl над pHH2O (свойство «джерик» [WRB]), что характерно для почв с положительным зарядом, способных действовать как анионообменник.

Потери при прокаливании подстилочно-торфяного горизонта в целом высоки: в слабо-разложившемся материале (О1) достигают 90-95%, а в сильно-разложившемся (О3) – 60-80%.

Содержание гумуса в минеральных горизонтах ППГ обычно низко, 0.5-1.5%, но в горизонте BDMhcs оно может достигать 2-3%. В мелкоземе внутри крупных трещин оно может подниматься до 8%, что можно объяснить высоким содержанием органического вещества, формируемого в результате разложения корней и гифов, сконцентрированных в этих трещинах.

В составе гумуса резко преобладают фульвокислоты (Сгк/Сфк < 0.3), представленные кислоторастворимой фракцией; очень высока доля негидролизуемого остатка - около 90%. Такое высокое содержание гумина мы связываем с тем, что гумус этих почв «незрелый»: гумусовые вещества, образующиеся при разложении растительных остатков, сразу же связываются с кальцием и коагулируют.

Данные валового химического анализа ППГ свидетельствуют о том, что материнская порода и минеральные горизонты почв состоят из практически чистого гипса: за исключением СаО и SO3, все остальные окислы (SiO2, Al2O3, Fe2O3 и пр.) содержатся в количествах, близких к ошибке валового анализа (десятые и сотые доли процента).

(3.4.) Минералогический состав.

Рентген-дифрактометрический анализ плотного гипса, гипсовой муки и кутан из разрезов ППГ в северной, средней и южной тайге выявил, что большинство образцов состоит целиком из гипса; только в образцах гипсовой муки из трещин возможно наличие кварца, 2-3%. Силикатные минералы ни в гипсе, ни в гипсовой муке не обнаружены. Таким образом, подтверждаются данные детальных морфологических исследований и валового анализа: гипс является монодоминантным минералом исследуемых почв.

Глава 4. ПРОЦЕССЫ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ НА ПЛОТНЫХ ГИПСАХ

В ППГ проявляется менее половины элементарных почвообразовательных процессов (ЭПП), характерных для таежных почв [Горячкин], что объясняется мономинеральным составом плотных гипсов, т.е., практически полным отсутствием силикатных минералов, оксидов и гидроксидов железа и алюминия.

Формирование подстилочно-торфяных горизонтов ППГ в высокой степени зависит от латерального поступления растительного опада, т.к. плотные гипсы являются экстремально олиготрофными субстратами (недостаток Р, К и остальных питательных элементов, за исключением Ca и S) и поэтому способны поддерживать таежные фитоценозы только благодаря соседству с почвами на моренах и четвертичных силикатных отложениях, перекрывающих плотные гипсы [Туюкина].

В формировании минеральных горизонтов ППГ ключевая роль принадлежит процессам физической дезинтеграции и биохимического растворения гипса. Наши исследования позволили уточнить и углубить ранее имевшиеся представления о сущности различных ЭПП в почвах на плотных гипсах, что будет показано ниже.

(4.1.) ЭПП преобразования органического вещества.

Для ППГ, как и для большинства таежных почв, характерен процесс поверхностного накопления низкозольной подстилки. В случаях, когда ППГ занимают небольшие площади (первые квадратные метры) и развиваются под зональной таежной растительностью, питающейся за счет корней в соседних силикатных почвах, подстилконакопление идет интенсивно и ППГ приобретают мощные, дифференцированные по степени разложения органического материала горизонты О1, О2 и О3. В случаях преобладания ППГ в почвенном покрове (когда ареалы ППГ занимают сотни квадратных метров) происходит олиготрофизация таежных экосистем с резким снижением бонитета и густоты древостоя: вес растущей надземной древесины в пересчете на сухую фитомассу составляет 148 ц/га, что в 8-10 раз меньше, чем в типичных зональных сообществах: в ельнике-зеленомошнике на подзолистых почвах и в сосняке на подзолах [Горячкин, Туюкина и др.]. Под такими олиготрофными редколесьями ППГ имеют маломощные подстилочно-торфяные горизонты, не стратифицированные по степени разложения органического вещества.

Трансформация органических остатков осуществляется биогенными и, в меньшей степени, криогенными процессами, в результате которых в ППГ накапливается грубый гумус (типа "мор").

Наряду с ЭПП поверхностного гумусонакопления, в мощных профилях ППГ развит также ЭПП внутрипрофильного гифого-корневого гумусонаколения, благодаря которому образуется гумусированный материал на разных глубинах внутри трещин и карманов, заполненных живыми и отмершими корнями и гифами и гипсовой мукой.

Процесс миграции и иммобилизации гумусовых веществ имеет низкую интенсивность в ППГ и морфологически выражается в слабом прокрашивании гипсовой муки в буровато-палевые тона, как в верхних минеральных горизонтах так и внутри трещин, а также в буровато-палевом окрашивании гипсовых кутан. В материале кутаны гумус остается до тех пор, пока гипс кутаны не подвергается растворению и дезинтеграции. Процессы миграции и иммобилизации гумусовых веществ, как правило, сопровождаются процессами миграции и иммобилизации оксидов железа, которые диагностируются по охристой окраске гипсовой муки и кутан; однако содержание оксидов железа в гипсовом материале ничтожно мало (см. выше - параграф «валовой анализ»).

Очень ограниченно проявленный процесс биогенного оструктуривания в верхних горизонтах ППГ (единичные мелкие копролитоподобные агрегаты гипсовой муки) осуществляется представителями мезофауны – земляными червями (люмбрицидами) и многоножками (кивсяками) [Семиколенных].

(4.2.) ЭПП преобразования плотного гипса.

Основными процессами внутрипочвенного изменения гипса являются физическая дезинтеграция плотного гипса, биохимическое растворение гипса, вынос растворов сульфата кальция за пределы почвенной толщи и элювиально-иллювиальное перераспределение гипса, т.е., переотложение гипса в форме кутан (рис. 2).

На базе наших морфологических исследований можно предположить, что процессы внутрипочвенного выветривания плотного гипса в бореальной зоне ЕЧР развиваются в следующей последовательности (см. рис. 2):

1я стадия: трещиноватые плотные гипсы "разборная скала". На первой стадии внутрипочвенного выветривания ведущую роль в образовании трещин играет физическая дезинтеграция, которая развивается по унаследованной трещиноватости и приводит к увеличению густоты трещинной сети. На стадии "разборной скалы" процессы переотложения гипса в форме кутан незначительны. В слаборазвитых ППГ гипсовые кутаны очень маломощные и фрагментарные. В развитых профилях ППГ мощные гипсовые кутаны в горизонте Mcs являются, скорее всего, продуктом иллювиирования гипса из вышележащих горизонтов Mdmcs и BDMcs.

В условиях холодного гумидного климата в профиле ППГ работают следующие процессы физической дезинтеграции: криогенные (при сезонном промерзании-оттаивании), гидратационные (гидратация реликтов ангидрита с образованием гипса) и механической (в связи с ростом корней растений). Ведущее значение, по-видимому, имеют криогенные механизмы дезинтеграции (а) расклинивающее действие льда при замерзании воды в крупных трещинах и (б) криогидратация – колебания расклинивающего давления пленок воды, адсорбированных в микротрещинах [Конищев].

2я стадия: глыбисто-щебнисто-дресвянистый гипсовый материал. Развитие физической дезинтеграции и рост суммарной поверхности фрагментов гипса приводит к резкому усилению биохимического растворения и тотального выноса сульфата кальция за пределы почвенной толщи, а также к массовому образованию гипсовых кутан на нижних гранях щебня. На этой стадии выветривания количество образовавшейся гипсовой муки весьма незначительно; эта стадия соответствует горизонту Mdmcs в профиле ППГ.

(Био)химическиое растворение гипса в профиле ППГ происходит в условиях промывного режима, под действием атмосферных осадков, подкисленных органическими соединениями после просачивания сквозь подстилочно-торфяные горизонты. На рассматриваемой стадии процесс растворения приводит к формированию каверн травления в плотном гипсе и коррозии поверхности гипсовых щебней, дресвы и стенок трещин.

3я стадия: гипсовая дресва и мелкозем (мука). На этой стадии совместная работа физической дезинтеграции и биохимического растворения приводит к полному разрушению гипсового крупнозема и кутан. Физическая дезинтеграция доводит частицы мелкозема до размеров <0.1 мм (мелкого песка и пыли), и таким образом завершается. На фоне затухания физической дезинтеграции усиливается биохимическое растворение и тотальный вынос сульфата кальция. Эта стадия выветривания гипса реализуется в верхнем минеральном горизонте развитых ППГ (BDMcs).

4я стадия: гипсовая мука. Заключительные стадии выветривания реализуются также в верхнем минеральном горизонте (BDMcs) и подразумевают обработку и уничтожение гипсовой муки процессом биохимического растворения. Известно, что преобладающий механизм растворения кристаллов гипса обратен механизму роста: растворение происходит преимущественно путем послойного обтачивания частиц гипса по плоскостям спайности [Bosbach et.al.]. Поэтому обломочные частицы гипсовой муки песчаной и крупно-пылеватой размерностей в исследованных ППГ при растворении, доходя до размеров средней и тонкой пыли, приобретают правильную кристаллическую форму. Такая форма делает их похожими на кристаллы гипса в почвах теплых аридных регионов, где гипс образуется в результате осаждения при испарении растворов сульфата кальция [Ромашкевич, Герасимова; Stoops, Poch; Herrero et.al. и др.]. Однако мы считаем, что в условиях холодного гумидного климата правильные кристаллы гипса в ППГ имеют преимущественно остаточную природу, образуюясь по вышеописанному механизму.

5я стадия: полное растворение гипсовой муки. В конечном счете, процесс растворения полностью уничтожает кристаллы гипсовой муки тонко-пылеватой размерности. Таким образом, в результате внутрипочвенного выветривания минеральный материал ППГ, представленный исключительно гипсом, уничтожается без остатка.

(4.3.) Модель почвообразования в бореальной таежной зоне на полностью растворимых плотных гипсах.

Полноразвитые ППГ, формирующиеся на выположенных межвороночных повышениях в отсутствии (при минимальном воздействии) эрозионно-аккумулятивных процессов, являются примерами реализации модели педогенеза без образования устойчивых минеральных продуктов, помимо легкорастворимого гипса (рис. 3). В идеальной модели мы рассматриваем вертикальную анизотропию строения и свойств почвы, образованную вертикальными потоками вещества.

Исходные условия модели:



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.