CC BY
17
УДК 631.434
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛИТОЗЕМНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПОЧВ В РАЗНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ*
Ю.А. Жукова, Д.Д. Хайдапова, И.В. Ковда, Е.Г. Моргун
В работе представлены результаты экспериментального исследования реологических параметров структурной организации почвенных частиц слитоземных комплексов, сформированных в условиях умеренного и субтропического климата. Определение проведено методом амплитудной развертки на модульном реометре MCR-302 (Anton-Paar, Ausrtia). Отмечена отчетливая дифференциация почв по реологическим свойствам. Почвенный материал средней части толщи комплекса умеренного климата более «лабильный» по реологическим показателям, т.е. более податлив к изменениям внешних нагрузок. Для почвообразующих пород явных различий не обнаружено.
Ключевые слова: вертисоли, гильгай, иллитизация, реология, структурные связи, вязкоупругое поведение почв.
Введение
Слитоземы (вертисоли) — глинистые набухающие почвы, формирующиеся в разных климатических условиях. Чаще они встречаются в тропическом и субтропическом поясах [6], но известны случаи их распространения и в холодных регионах умеренного климата [3, 16]. Вследствие контрастных условий иссушения—увлажнения, тяжелого гранулометрического состава, преобладания в илистой фракции минералов группы смектита возникают циклы усадки—набухания, которые вызывают латеральные подвижки почвенного материала, приводящие к образованию сликенсайдов и клиновидной структуры [7, 13]. Формирование специфического микрорельефа (гильгай) связано с процессом педотурбаций. В результате перераспределения влаги по микрорельефу происходит дифференциация условий почвообразования, приводящая к возникновению гильгайного комплекса [5]. В его пределах развиваются почвы с разной направленностью процессов почвообразования [20].
Вертисоли обладают высоким потенциалом для сельскохозяйственного использования (выращивание пшеницы, ячменя, кукурузы, риса и др.) [12]. Негативный фактор плодотворного возделывания — их переменчивое физическое состояние, вызванное климатическими особенностями (чередование влажных и сухих периодов).
Изучение природы процессов, свойственных вертисолям, требует комплексного подхода, включающего в себя подробное морфологическое и микроморфологическое описания, минералогический и гранулометрический анализы, учет физических параметров (водоудерживающая способность, удельная поверхность, плотность) и др.
Цель работы — выяснение особенностей реологического поведения почвенного материала сли-
тоземных комплексов при разных климатических условиях.
Объекты и методы исследования
Объекты изучения — два слитоземных комплекса с микрорельефом гильгай, находящиеся в разных климатических зонах. Первый расположен в Центральном Предкавказье, на Ставропольской возвышенности (44°38' с.ш., 42°15' в.д.), в условиях умеренного климата (подробная характеристика объекта приведена в [4, 5]). Каждому элементу микрорельефа соответствует свой подтип почв [2]: микроповышению — гидрометаморфи-зованный темный слитой, микросклону — типичный темный слитой, микропонижению — солонцеватый темный слитой. Для сравнения со вторым объектом эти почвы диагностированы и по аме-риканскойклассификации [21]: Sodic Haplusterts — на микроповышении и микросклоне, Typic Epia-quert — в микропонижении.
Второй слитоземный комплекс расположен на юге Северной Америки, на второй надпойменной террасе р. Бразос (округ Берлисон, штат Техас (30°29' с.ш., 96°28' з.д.) в условиях менее контрастного субтропического климата (полное описание условий функционирования комплекса приведено в статье И.В. Ковды с соавт. [6]). Почвы гильгайного комплекса классифицированы как Ty-pic Haplusterts — на микроповышении и микросклоне, Udic Haplusterts — в микропонижении [21].
Гранулометрический анализ выполнен методом лазерной дифракции с помощью лазерного дифракционного анализатора размера частиц «Analysette 22 comfort» (FRITSCH, Germany) [8, 17]. Минералогический состав илистой фракции (< 0,001 мм) определен после отмучивания по методу Горбунова [1] и получения ориентированных препара-
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 14-04-01683.
тов для съемки рентгенодифрактометрическим методом [9]. Анализировали препараты пяти видов: насыщенные Мg2+, К+ (тест Уивера) и этиленгли-колем, прокаленные при 350° и 550°. Доля каждой минеральной фазы от суммы слоистых силикатов в илистой фракции рассчитывали методом измерения площади пиков с учетом соответствующих коэффициентов [15]. Содержание органического углерода определяли титриметрически (метод Тюрина) [10]. Реологические параметры поведения почвенных паст (модуль упругости, модуль потерь или вязкости, область линейной вязкоупругой деформации, равенство модулей) измеряли на модульном реометре MCR-302 (Anton Paar, Austria) с параллельными плато методом амплитудной развертки [18, 19]. Реологические характеристики и их интерпретации подробно описаны в [11].
Результаты и их обсуждение
Гранулометрический состав верхних и средних горизонтов почв и почвообразующих пород обоих комплексов приведен в табл. 1. В почвах комплекса умеренного климата четко прослеживается однородный состав нижних и яркая дифференциация верхних горизонтов (наименее оглинены почвы микропонижений и микросклонов). Субтропический комплекс отличается высоким содержанием илистой фракции (< 1 мкм) и присутствием крупной фракции (> 250 мкм), отсутствующей в комплексе умеренного климата.
Рентгенодифрактометрическим методом в илистой фракции исследуемых почв диагностированы смектит, иллит, хлорит, каолинит. Количественная оценка состава глинистых минералов в комплексе умеренного климата свидетельствует о сни-
жении содержания смектитов вверх по профилю (табл. 2). В микропонижении их количество убывает от 35 в почвообразующей породе до 15% в верхнем горизонте, на микросклоне — от 45 до 25, на микроповышении — от 50 до 35% соответственно. Это свидетельствует о том, что происходит ярко выраженная трансформация минералов группы смектитов в иллиты в результате процессов выветривания и почвообразования. В субтропическом комплексе содержание смектитов в илистой фракции значительно выше и достигает 90% от суммы слоистых силикатов. Также обращает внимание увеличение доли каолинита (в сумме с хлоритами). Однако дифференциация минералогического состава между породой и верхними горизонтами менее выражена по сравнению с гильгай-ным комплексом умеренного климата. Вероятно, процесс иллитизации в условиях субтропического климата выражен менее ярко, чем в умеренном климате.
Различия в интенсивности трансформации минералов группы смектита объясняются их разноза-рядностью. Диагностика высоко- и низкозарядных смектитов основана на способности базальных межплоскостных расстояний минералов изменяться в результате фиксации обменного К+ (тест Уивера) [9]. Обнаружено, что смектиты ставропольского комплекса отличаются высоким зарядом; это позволяет им более активно трансформироваться в иллиты. Техасский комплекс имеет более низкую величину заряда минералов группы смектита, поэтому они не могут стабильно удерживать катионы в межпакетном пространстве, в связи с чем процессы трансформации менее выражены. Таким образом, тест Уивера помог выявить причины различной интенсивности процессов транс-
Таблица 1
Гранулометрический состав почв гильгайных комплексов, %
Глубина, Фракции, мкм Глубина, Фракции, мкм
см < 1 1—5 5—10 10—50 50—250 > 250 см < 1 1—5 5—10 10—50 50—250 > 250
Умеренный комплекс Субтропический комплекс
Микроповышение Микроповышение
7/9—15 18,23 46,13 18,00 17,65 0 0 10—26 19,30 35,73 12,90 24,41 7,36 0,32
15—36 22,30 51,35 19,37 7,00 0 0 65—100 16,01 37,31 13,05 23,73 9,51 0,41
150—170 19,38 48,71 21,75 10,17 0 0 125—180 18,98 42,66 22,35 16,01 0 0
Микросклон Микросклон
1/6—9/15 12,67 38,44 17,14 29,78 1,99 0 0—10 15,70 34,01 12,29 27,00 11,02 0
70—105 17,73 44,83 19,85 17,60 0 0 97—141 22,98 39,10 11,94 19,16 6,27 0,55
145—160 20,92 49,55 21,58 7,96 0 0 171—202 19,83 41,64 17,40 20,82 0,18 0,13
Микропонижение Микропонижение
0—10 11,43 36,21 18,27 31,23 2,88 0 15—39 23,51 40,97 13,38 19,23 2,67 0,26
80—109 19,90 49,60 21,53 8,97 0 0 80—108 22,61 42,82 12,39 14,80 6,04 1,35
150—160 19,42 48,01 21,30 11,29 0 0 140—180 23,33 38,43 13,83 15,07 0,36 9,00
Таблица 2 сунок). СодержаниеСоргдости
Минералогический состав* илистой фракции почв гильгайных комплексов
Глубина, см Смектит Иллит К + Х** Глубина, см Смектит Иллит К + Х**
Умеренный комплекс Субтропический комплекс
7/9—15 15—36 70—97 150—170 Микроповышение 35 40 25 30 35 35 30 40 30 50 25 25 10—26 26—40 65—100 125—180 Микроповышение 85 5 10 85 5 10 90 5 5 75 10 15
1/6—9/15 25/30—50 70—105 145—160 Микросклон 25 50 25 25 45 30 30 45 25 45 30 25 0—10 40—97 97—141 141—171 Микросклон 85 5 10 85 5 10 90 5 5 85 5 10
0—10 20—40 80—109 150—160 Микропонижение 15 65 20 20 60 20 35 40 25 35 35 30 0—15 39—80 108—140 140—180 Микропонижение 80 10 10 90 5 5 85 5 10 80 10 10
* Содержание глинистых минералов в % от суммы слоистых силикатов в илистой фракции, значения округляются с шагом 5%.
** К + Х — сумма содержания каолинита и хлорита.
формации смектитов: в гильгайном комплексе умеренного климата высокозарядные смектиты активно трансформируются в иллиты; в субтропическом иллитизация менее выражена в связи с низкоза-рядностью смектитов. А значит, минералы группы смектита (преобладающие в илистой фракции) с высоким зарядом более активно реагируют на внешние воздействия и более податливы процессам трансформации.
Различия в содержании органического углерода в профилях комплексов указывают на большую гумусированность почв умеренного климата (ри-
орг
гает 7,5% в почве микросклона и 5,5 и 4,7% в таковых микроповышения и микропонижения соответственно. С глубиной оно постепенно снижается, в отличие от техасского комплекса, в котором максимум Сорг составляет 1,6—2,1% и резко падает с глубиной. Поскольку органическое вещество является одним из важнейших структурообразующих компонентов наравне с другими «клеящими веществами» (такими, как ил, катионы Са, А1, Бе и др. [14]), оно оказывает сдерживающее влияние на деформацию почвенного материала, в частности на разрушение структурных связей между элементарными почвенными частицами (ЭПЧ).
Как показано в табл. 3, диапазон упругого неразрушенного состояния (область линейной вязкоупругости) для образцов верхних горизонтов обоих комплексов значимо не различается: деформация для всех образцов почв субтропического комплекса начинается после 0,0161%. Аналогично (также 0,0161%) для почв комплекса умеренного климата лишь в почве микроповышения деформация возрастаетдо 0,0178%. Равенство модуля упругости и модуля вязкости (Э' = G'') указывает на полное разрушение структуры почвенного материала. Для сравнения реологического поведения определяли величину деформации (у, %), которая соответствует равенству модулей = G''). Максимальные значения деформаций, соответствующие пересе-
Содержание органического углерода в почвах гильгайного комплекса умеренного (а) и субтропического (б) климата
Таблица 3
Реологические параметры почв гильгайных комплексов
Глубина, см Диапазон упругого состояния Равенство модулей
Ж, % модуль упругости, Па деформация, % О' = О", Па деформация, %
Умеренный комплекс
Микроповышение
7/9—15 73,0 435 000 0,0178 11 551 5,19
15—36 66,5 479 000 0,0178 11 929 5,10
Микросклон
1/6—9/15 83,3 641 000 0,0161 12 700 4,17
70—105 87,8 161 000 0,0239 6320 5,20
Микропонижение
0—10 77,5 619 000 0,0161 4960 6,21
80—109 68,9 279 000 0,0161 6472 5,56
Почвообразующая порода
145—160 77,3 312 000 0,0161 9053 5,97
Субтропический комплекс
Микроповышение
10—26 63,2 459 000 0,0161 14 435 4,48
65—100 64,9 492 000 0,0161 17 200 4,17
Микросклон
0—10 49,7 359 000 0,0161 4591 8,43
97—141 70,5 374 000 0,0239 9530 5,94
Микропонижение
15—39 70,5 360 000 0,0161 8850 6,21
80—108 73,5 328 000 0,0240 13 121 5,29
Почвообразующая порода
171—202 64,5 298 000 0,0161 12 290 4,56
чению модулей упругости и вязкости (О' = О"), приходятся на верхние горизонты: у = 8,43% для образцов микросклона субтропического комплекса (микропонижение 6,21, микроповышение 4,48%) и у = 6,21% для образцов микропонижения умеренного комплекса (микроповышение 5,19, микросклон 4,17%). Как отмечалось выше, сдерживающее влияние органического вещества на деформацию почвенного материала верхних гумусовых горизонтов определяет наиболее устойчивые структурные связи между ЭПЧ.
На средних глубинах по реологическим критериям почвы более заметно дифференцированы. Модуль упругости в начальный момент деформации (при у = 0,001%) имеет более высокие значения для образцов субтропического комплекса (4,92 ■ 105, 3,74 ■ 105 и 3,28 ■ 105 Па), в отличие от комплекса умеренного климата (4,79 ■ 105, 1,61 ■ 105 и 2,79 ■ 105 Па). Данную особенность можно объяснить выявленной разнозарядностью минералов группы смектита. Как отмечалось, тест Уивера по-
мог выявить высокозарядные смектиты в комплексе умеренного пояса (более выраженная трансформация минералов), а в субтропическом низкозарядные (менее выраженная трансформация). Таким образом, почвенный материал средней части толщи ставропольского комплекса более «лабильный», т.е. более податлив к изменениям внешних нагрузок вследствие повышенной активности кристаллической решетки преобладающей группы минералов в илистой фракции — смектитов. Также отмечается варьирование показателей деформации (у) при равенстве модулей упругости и вязкости (О' = О''): комплекс умеренного климата характеризуется однородными значениями (в пределах 5,10—5,56%) для всех образцов, а для комплекса субтропического климата выявлены различия между элементами микрорельефа (4,17% для микроповышения, 5,94 — для микросклона и 5,29% для микропонижения).
В целом для образцов почвообразующих пород все реологические показатели идентичны: диа-
пазон упругого состояния (у) составляет 0,0161%, начальные значения модуля упругости (при у = = 0,001%) для умеренного и субтропического комплексов равны 3,12 • 105 и 2,98 • 105 Па соответственно. Различие существует лишь для деформации при равенстве модулей (О' = О") — 4,56 и 5,97% соответственно. Таким образом, в почвообразующей породе субтропического комплекса структурные связи между частицами прочнее, чем в комплексе умеренного пояса. Соответственно подвижки почвенного материала происходят при больших нагрузках.
Выводы
• В ходе формирования почвенных комплексов и свойств слитых почв происходит отчетливая дифференциация почвенного покрова по химиче-
ским свойствам, гранулометрическому составу и составу глинистых минералов, что приводит к различию в реологическом поведении почв.
• Почвенный материал средней части профилей умеренного комплекса более «лабильный» по реологическим показателям, т.е. более податлив к изменениям внешних нагрузок вследствие повышенной активности кристаллической решетки преобладающей группы минералов в илистой фракции — смектитов, чем субтропический комплекс.
• Реологическое поведение почвообразующих пород комплексов значимо не различается. В комплексе субтропического климата структурные связи между ЭПЧ в породе несколько прочнее, чем в таковом умеренного климата. Таким образом, подвижки почвенного материала происходят при больших нагрузках.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горбунов Н.И. Методика подготовки почв к минералогическим анализам // Методы минералогического и микроморфологического изучения почв. М., 1971.
2. Классификация и диагностика почв России / Сост.: Л.Л. Шишов, В.Д. Тонконогов, И.И.Лебедева, М.И. Герасимова. Смоленск, 2004.
3. Ковда И.В., Бадмаев Н.Б., Конюшков Д.Е. и др. Слитогенез в мерзлотных почвах: вертиковые признаки в глинистых почвах Еравнинской котловины, Бурятия // Генезис, география, классификация почв и оценка почвенных ресурсов: Мат-лы Всеросс. конф. VIII Сибирцевские чтения. Архангельск, 14—16 сентября 2010 г. Архангельск, 2010.
4. Ковда И.В., Ермолаев А.Н., Гольева А.А., Моргун Е.Г. Реконструкция элементов развития ландшафта с участием слитоземов по данным ботанического и биоморфного анализа // Изв. РАН. Сер. Биол. 1999. № 3.
5. Ковда И.В., Моргун Е.Г., Алексеева Т.В. Формирование и развитие почвенного покрова гильгай (на примере Центрального Предкавказья) // Почвоведение. 1992. № 3.
6. Ковда И.В., Моргун Е.Г., Уилльямс Д., Линн У. Почвенный покров гильгайных комплексов: особенности развития в субтропическом и умеренном климате // Там же. 2003. № 11.
7. Ковда И.В., Уалдинг Л.П. Вертисоли: проблемы классификации, эволюции и пространственной самоорганизации // Там же. 2004. № 12.
8. Милановский Е.Ю., Хайдапова Д.Д., Поздняков А.И. и др. Практикум по физике твердой фазы почв: Учеб. пособие. М., 2011.
9. Соколова Т.А., Дронова Т.Я., Толпешта И.И. Глинистые минералы в почвах: Учеб. пособие. Тула, 2005.
10. Теория и практика химического анализа почв / Под ред. Л.А. Воробьевой. М., 2006.
11. Хайдапова Д.Д., Милановский Е.Ю., Честно-ва В.В. Оценка реологическими методами восстановления структуры почв под влиянием выращивания лесополос на антропогенно нарушенных почвах // Вестн. Алтайск. гос. аграр. ун-та. 2014. № 6(116).
12. Хитрое Н.Б. Генезис, диагностика, свойства и функционирование глинистых набухающих почв Центрального Предкавказья. М., 2003.
13. Хитрое Н.Б. Слитогенез в почвах Центральночерноземных областей России // Почвоведение. 2012. № 9.
14. Шеин Е.В., Милановский Е.Ю. Органическое вещество и структура почвы: учение В.Р. Вильямса и современность // Изв. ТСХА. 2014. Вып. 1.
15. Шлыков В.Г. Рентгеновские исследования грунтов. М., 1991.
16. Dasog G.S., Acton D.F., Mermut A.R. Genesis and classification of clay soils with vertic properties in Saskatchewan // Soil Sci. Soc. Amer. J. 1987. Vol. 51.
17. Konert M., Vandenberghe J. Comparison of laser grain size analysis with pipette and sieve analysis: a solution for the underestimation of the clay fraction // Sedi-mentol. 1997. Vol. 44.
18. MarkgrafW., Horn R., Peth S. An approach to rhe-ometry in soil mechanics-structural changes in bentonite, clayey and silty soils // Soil and Tillage Res. 2006. Vol. 91.
19. Mezger T.G. The Rheology Handbook. 3rd Revised Ed. Hanover, 2011.
20. NordtL.C., WildingL.P., Lynn W.C., Crawford C.C. Vertisol genesis in a humid climate of the coastal plain of Texas, USA // Geoderma. 2004. Vol. 122.
21. Soil Taxonomy. A basic system of soil classification for making and interpreting soil surveys. Washington, 1999.
Поступила в редакцию 16.11.2014
RHEOLOGICAL PROPERTIES OF VERTISOL COMPLEXES FORMED UNDER VARIOUS CLIMATE CONDITIONS
Yu.A. Zhukova, D.D. Khaydapova, I.V. Kovda, E.G. Morgun
This study was aimed to reveal rheological properties of structural bonds between soil particles of Vertisol complexes formed under temperate and subtropical climate conditions. Determination of rheological properties was performed by a rotational rheometer MCR-302 (Anton-Paar, Austria) with parallel plates operating in an amplitude sweep mode. The significant distinction in rheological properties of Vertisol complexes was revealed. Soil matrix of the middle part of the soil profiles within Vertisol complex of temperate climate was characterized by more "labile" rheological properties, i.e. it was more sensitive to changes in strain. Parent rocks hadn't any significant differences in rheological properties.
Key words: vertisols, gilgai, illitization, rheology, structural bonds, viscoelastic behaviour of soils.
Сведения об авторах
Жукова Юлия Александровна, аспирант каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова. E-mail: [email protected]. Хайдапова Долгор Дор-жиевна, канд. биол. наук, доцент каф. физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-36-84; e-mail: [email protected]. Ковда Ирина Викторовна, канд. геогр. наук, ст. науч. сотр. Ин-та географии РАН. E-mail: [email protected]. Моргун Евгений Георгиевич, канд. биол. наук, доцент каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова. E-mail: [email protected].
