Автореферат диссертации на соискание ученой степени

Вид материала

Содержание

Эволюция гематита.
Рис.5 Диаграмма зависимости содержания Fe в составе гематита от минимального значения парциального давления водорода rHмин почве
Эволюция гетита.

Подобный материал:

1 2 3 4

Таблица 5. Цвет почв, выраженный через содержание условного красного пигмента (Hemусл); содержание железа (Fe), экстрагированного по параллельной и последовательной схемам из почв, критерий Швертмана К_Ш и критерий оглеения Водяницкого К_В.

Горизонт, глубина, см	Hem_усл %	Fe в парал-лельной схеме, %	Fe_дит в последовательной схеме, %	Сумма Fe в последовательной схеме, %	Разность ΔFe (параллель-ное – последова-тельное)	К_Ш	К_В
окс	дит
Р-71 Агролитозем темногумусовый, катена Орлы
PU 0-25 C_Ca 25 и >	0.25 0.60	0,25 0,02	1,57 0,50	1,04 0,48	1,29 0,50	0,28 0,00	0,16 0,04	0,19 0,04
Р-72 Агробурозем, катена Орлы
PY_п 0-29 BM₁ 29-40 BM₂ 40-70 BC 70-110 C 110-130	0.55 0.79 0.93 1.02 1.19	0,23 0,16 0,12 0,07 0,04	2,27 2,40 2,99 2,90 3,00	1,60 1,75 2,22 2,20 2,40	1,83 1,91 2,34 2,27 2,44	0,44 0,49 0,65 0,63 0,56	0,10 0,07 0,04 0,02 0,01	0,13 0,08 0,05 0,03 0,02
Р-73 Темногумусово-глеевая почва, катена Орлы
AU 2-30 BT_g 30-45 G 45-59 BT 59-71 C₁ 105-120 C₂ 120-140	0.02 0.20 0.00 0.56 0.79 0.58	0,60 0,34 0,45 0,25 0,20 0,25	1,32 0,90 1,16 1,44 2,77 1,53	0,81 0,70 0,67 1,08 2,00 1,04	1,41 1,04 1,12 1,33 2,20 1,29	-0,09 -0,14 0,04 0,11 0,57 0,24	0,45 0,38 0,39 0,17 0,07 0,16	0,42 0,33 0,40 0,19 0,09 0,19
Р-61 Агродерново-подзолистая почва, катена Соболи
PY 0-29 EL 29-40 BT₁ 60-90 C 140-150	0.08 0.11 0.48 0.08	0,37 0,25 0,23 0,19	1,19 1,16 1,55 1,79	0,64 0,71 1,13 1,19	1,01 0,96 1,36 1,38	0,18 0,20 0,19 0,41	0,31 0,22 0,15 0,11	0,37 0,26 0,17 0,14
Р-62 Агродерново-подзолистая глееватая почва, катена Соболи
PY_g 0-30 BEL_g 30-50 BT₁ 50-70 C 140-160	0.02 0.24 0.37 0.42	0,57 0,52 0,46 0,25	1,42 1,67 1,69 1,70	0,66 0,93 0,86 1,16	1,23 1,45 1,32 1,41	0,19 0,22 0,37 0,29	0,40 0,31 0,27 0,15	0,46 0,36 0,35 0,18
Р-63 Агробурозем, катена Соболи
PY 0-30 BM₁ 30-49 BM₂ 49-71 BC 71-91 C 100-140	0.30 0.36 0.61 0.52 0.39	0,18 0,11 0,08 0,07 0,05	1,79 1,91 2,85 1,78 1,81	1,35 1,39 1,97 1,41 1,40	1,53 1,50 2,05 1,48 1,45	0,26 0,41 0,80 0,30 0,36	0,10 0,06 0,03 0,04 0,03	0,12 0,07 0,04 0,05 0,03
Р-64 Темногумусово-глеевая почва, катена Соболи
AU 5-31 B_g 31-52 G 52-79 C 120-130	0.06 0.11 0.00 0.46	0,35 0,33 0,39 0,17	1,69 1,72 2,21 1,48	1,20 1,26 1,07 1,13	1,55 1,59 1,46 1,30	0,14 0,13 0,75 0,18	0,21 0,19 0,18 0,11	0,23 0,21 0,27 0,13
Р-65 Перегнойно-гумусовая глеевая почва, катена Соболи
A 2-33 G 33-56 B_g 56-80	0.01 0.00 0.10	0,66 0,64 0,59	1,41 1,90 2,04	0,57 0,94 1,19	1,23 1,58 1,78	0,18 0,32 0,26	0,47 0,34 0,29	0,54 0,40 0,33

В табл. 5 приведены значения двух критериевЗначения критерия Водяницкого немного выше значений критерия Швертмана. Чтобы сравнить эффективность критерия Швертмана с критерием Водяницкого, сопоставим их с цветом почв, выраженным в системе CIE-L*a*b*. Степень красноты почв характеризуется содержанием условного красного пигмента Hem_усл, значения которого варьируют от 0 в оглеенных горизонтах до 1.0-1.1 % в красных метаморфических иллювиальных горизонтах.

Корреляционный анализ показал, что между Hem_усл и исходным критерием Шертмана К_Шимеет место ожидаемая обратная статистическая связь: r = -0.75. Использование критерия Водяницкого повышает степень обратной связи с цветом почвы: r = -0.77 и, следовательно, повышает эффективность критерия Шертмана, как показателя оглеения. Отметим также повышение значений критерия Водяницкого для оглеенных горизонтов. Главное же в том, что по новому критерию можно классифицировать почвы по степени гидроморфизма.

5.4 Эволюция минералов железа. На рисунке 4 приведены мессбауэровские спектры образцов.

А

Б

Рис. 4. -Мессбауэровские спектры перегнойно-гумусово-глеевой почвы горизонт A (2-33 см) катена Соболи - А, темно-гумусовой глеевой почвы горизонт PY (2-30 см) катена Орлы – Б.

Мессбауэровские спектры всех образцов представляют собой совокупность трех секстетов, двух дублетов от ионов Fe³⁺и одного от ионов Fe²⁺ с разными интегральными интенсивностями от образца к образцу. Секстеты 1с и 2с обусловлены ионами Fe³⁺ в октаэдрической координации и относятся к гематитам с различной дисперсностью частиц. Наряду с достаточно совершенными кристаллами с магнитными полями на ядрах Fe⁵⁷ (Н_эфф=504-508 кЭ) наблюдаются тонкодисперсные частицы, характеризующиеся меньшими значениями (Н_эфф=484-492 кЭ), по сравнению с таковыми для стандартного гематита (515 кЭ). Секстеты 3с относятся к гидрогетиту. Дублеты Д1 характерны для высокоспинового состояния ионов Fe³⁺ в октаэдрической координации. Они обусловлены тонкодисперсными (гидр)оксидами железа. Дублеты Д2 обусловлены ионами Fe³⁺октаэдрической координации гидрослюд. Дублеты Д3 по изомерному сдвигу и квадрупольному расщеплению относятся к Fe²⁺ в решетке хлорита.

Эволюция гематита. Обезжелезнение, которое часто рассматривают как главную особенность глея (Высоцкий, 1905; Зайдельман, 1991), в почвах на красноцветных отложениях Предуралья выражается в потере гематита αFe₂O₃. По данным месбауэровской спектроскопии содержание Fe в составе гематита в материнской породе достигает 1.6-3.2%, снижаясь в иллювиальных горизонтах до 1.0-2.1%. В поверхностных и оглеенных горизонтах оно опускается ниже 1.0%. На рис. 5 область сохранения исходного гематита ограничим содержанием Fe в составе гематита > 1.0%. Другое граничное значение, принятое на диаграмме, это rHмин = 19, согласно (World reference base …, 1998). Таким образом, вся диаграмма на рис. 5 делится на 4 области. В область, ограниченную условиями rHмин < 19 и Fe >1% горизонты не попали.

Область, ограниченную условиями rHмин > 19 и Fe > 1%, назовем «областью сохранения гематита». Здесь в окислительной среде располагаются материнская порода и иллювиальные горизонты. В иллювиально-метамор-фических горизонтах ВМ отмечаются высокие значения редокс-потенциала rHмин > 27. Несмотря на это, содержание в них гематита ниже, чем в материнской породе, вероятно, за счет кратковременных редукционных процессов.

В области, ограниченной условиями rHмин < 19 и Fe < 1% фиксируется, современная редукция гематита. Она отмечается сезонно (весной) только в гор. G перегнойно-гумусово-глеевой почвы катены Соболи, где содержание Fe в составе гематита уменьшилось до 0.2%.

В области, ограниченной условиями rHмин > 19 и Fe < 1%, ситуация иная. Окислительные условия свидетельствуют о том, что в настоящее время процесс редукции Fe(III) закончился. Это относится к оглеенным горизонтам G темногумусово-глеевых почв обеих катен. В этих оглеенных горизонтах прекращение редукции Fe(III) нельзя объяснить израсходованием органического вещества, так как содержание Сорг достаточно велико: 1.2-3.7%. Тем более этим нельзя объяснить прекращение редукции Fe(III) в гумусовых горизонтах A и PY в катене Соболи и гор. AU в катене Орлы, где содержание органического вещества еще больше. Редукция Fe(III) может прекратиться из-за растворения наиболее дисперсных частиц гематита в прошлом и экранирования оставшихся частиц органическими молекулами или Fe(II), что характерно для застойного режима влажности в этих почвах тяжелого гранулометрического состава

Рис.5 Диаграмма зависимости содержания Fe в составе гематита от минимального значения парциального давления водорода rHмин почвенного раствора.

Таким образом, по значению показателя rHмин различаются современные и остаточные формы редукции гематита. В настоящее время редуцируется гематит только в гидроморфной перегнойно-гумусово-глеевой почве, тогда как в темногумусово-глеевых почвах редукция гематита к настоящему времени завершена.

Таким образом, в метаморфических горизонтах ВМ содержание гематита снижается по сравнению с материнской породой, вероятно, за счет кратковременной редукции Fe(III). Еще ниже содержание гематита в оглеенных горизонтах. Выявлено уменьшение содержания гематита и в гумусовых горизонтах, несмотря на отсутствие морфологических признаков оглеения, в силу маскирующего влияния гумуса. По значению критерия Водяницкого, напряженность редукционных процессов превышает таковые в глеевых горизонтах, что подтверждает развитие редукционных процессов в гумусовых горизонтах.

Эволюция гетита. Долю гетита αFeOOH определяли по данным месбауэровской спектроскопии по критерию гидроксидогенеза железа (Кгг=гетит / (гетит+гематит). Критерий гидроксидогенеза (Кгг) железа варьирует от 0 до 1.

Исследованные почвы имеют важную особенность. Если почвы лесной зоны, например, на северо-западе России, где Кгг достигает 0.7 – 0.8, наследуют больше гетита, чем гематита, то почвы Предуралья наследуют исключительно гематит. Действительно, низкие значения Кгг (в основном меньше 0.25) говорят о преобладании гематита. Гетит, находящийся в небольшом количестве, отличается низкими значениями Нэфф. Это говорит о слабой упорядоченности и дисперсности частиц, что характерно для его гидратированной разновидности, то есть гидрогетита αFeOOH · nH₂O. В отличие от гетита, обычно гидрогетит в почвах не бывает литогенным, а образуется за счет редукции гематита до Fe(II) и последующего окисления.

На рисунке 6 показано, как накопление гетита зависит от условий редуктогенеза, которое наиболее адекватно выражается через минимальное значение парциального давления водорода почвенного раствора rHмин. На диаграмме границами служат величины Кгг = 0.2. Согласно градации Водяницкого (2007) при Кгг < 0.2 образование гидрогетита выражено очень слабо, а при Кгг = 0.2-04 – слабо.

На диаграмме выделяются две области. В области, ограниченной условием Кгг = 0.2-0,4, располагаются два глеевых горизонта и один гумусовый. В глеевом горизонте G в перегнойно-гумусово-глеевой почве катены Соболи идет не только современная редукция гематита до Fe²⁺, но и окисление Fe²⁺ при увеличении Е_Н с образованием значительного количества гетита. Аналогично, в глеевом горизонте G темногумусово-глеевой катены Орлы и гумусовом горизонте А перегнойно-гумусово-глеевой почв катены Соболи при увеличении Е_Н гетит значительно накопился благодаря большим запасам Fe²⁺.

В области, ограниченной условиями Кгг < 0.2, гетита содержится очень мало. Это относится в особенности к нижним и средним горизонтам с очень малой долей гетита Кгг < 0.05. Это не удивительно, учитывая гематитовый состав почвообразующих красноцветных пород.

Рис. 6 Диаграмма зависимости критерия гидроморфизма железа Кгг от минимального значения потенциала rHмин. Интервалом rH=25-30 показана неопределенность значений rHмин в тех горизонтах, где редокс потенциал не измеряли.

Выводы

1. В почвах на элювии и делювии пермских глин среднего Предуралья морфологические признаки четко отражают различия почв по ОВ-условиям. Признаки оглеения: наличие самостоятельного глеевого горизонта, обводнённость горизонтов, сизая окраска структурных отдельностей и горизонтов, проявляется только в пониженных элементах рельефа, где возможно проявление восстановительных процессов. Агробуроземы верхней и средней части склона имеют красно-бурую и бурую окраску, что может свидетельствовать о преобладании окисленных форм соединений железа и окислительных условий почвообразования.

2. Исследуемые почвы имеют тяжелый гранулометрический состав по всем горизонтам профиля. В агробуроземах содержание ила высокое. А профильное распределение равномерное. Почвы на элювиальных отложениях существенно отличаются от дерново-подзолистых по реакции среды, содержанию питательных элементов, степени насыщенности основаниями. В почвах на делювиальных отложениях содержание органического вещества.

3. Влажность почв меняется в зависимости от количества осадков и температуры воздуха и почвы. В дерново-подзолистых почвах и агробуроземах находящихся на вершине и в средней части склона в летний период отмечается снижение влажности до ВЗ - НВ. Почвы у подножия склона в весенний период в течении 2-3 недель наблюдается насыщены влагой до ПВ. В весенний период снеготаяния формируется верховодка. Избыточное увлажнение глеевых почв может способствовать развитию восстановительных условий почвообразования.

4. Усреднение при свертке режимной информации средних значений парциального давления водорода rHср оказывается не эффективным при различении оглеенных и неоглеенных горизонтов. Связано это с тем, что в лесных почвах глей образуется не постоянно, а только в периоды снижения редокс-потенциала, тогда как при небольшом подъеме rH горизонт сохраняет свой оглеенный облик. В то же время, минимальные значения редокс-потенциала rH_мин лучше различают гидроморфные горизонты от автоморфных.

5. По значению показателя парциального давления водорода rHмин различаются современные и остаточные формы редукции гематита. В настоящее время редуцируется гематит только в гидроморфной перегнойно-гумусово-глеевой почве, тогда как в темногумусово-глеевых почвах редукция гематита к настоящему времени завершена. Глеевые горизонты неоднородны по состоянию железа. В условиях максимального переувлажнения в глеевом горизонте перегнойно-гумусово-глеевой почвы фиксируется современная редукция гематита до Fe(II), о чем говорят низкие значения rHмин < 19. В менее увлажненных темногумусово-глеевых почвах, наблюдается высокие значения парциального давления водорода rHмин > 19, что характеризует оглеение как унаследованное.

6. Выполнено сравнение эффективности двух критериев гидроморфизма, основанных на экстракции Fe реактивами Тамма (Feокс) и Мера-Джексона (Feдит). Критерий Швертмана основан на параллельной схеме экстракции и представляет собой отношение Feокс/Feдит. Критерий гидроморфизма, предложенный Водяницким, основан на последовательной схеме и представляет собой отношение Feокс : [Feокс + Feдит-посл.]. Последний критерий варьирует в жестких рамках от 0 до 1 и используется для классификакции степени оглеения, в отличии от критерия Швертмана у которого нет верхнего предела. По значению критерия Водяницкого, равному 0,23-0,54 гумусовые горизонты превосходят глеевые (0,25-0,39), что подтверждает развитие редукционных процессов в гумусовых горизонтах.

7. Низкие значения критерия гидроксидогенеза железа (в основном Кгг = [гетит:(гетит + гематит)]< 0,25) говорят о преобладании в почвах гематита над гетитом. В метаморфических горизонтах ВМ содержание гематита снижается по сравнению с материнской породой, вероятно, за счет кратковременной редукции Fe(III). Еще ниже содержание гематита в оглеенных горизонтах. Выявлено уменьшение содержания гематита и в гумусовых горизонтах, несмотря на отсутствие морфологических признаков оглеения, в силу маскирующего влияния гумуса.

8. Гетит отличается низкими значениями эффективного магнитного поля Нэфф. Это говорит о слабой упорядоченности и дисперсности частиц, что характерно для гидрогетита αFeOOH*nH₂O. Особенно мало гетита (Кгг < 0.05) в нижних и средних горизонтах в силу гетитового состава почвообразующих красноцветных пород. В двух глеевых и одном гумусовом горизонте гетит накапливается до уровня Кгг=0,2-0,4, что говорит об окислении Fe(II) при временном подъеме E_H.

9. В результате апробации различных критериев редуктогенеза установлено, что некоторые из них пригодны для характеристики глеегенеза почв Предуралья. По цвету почв в системе CIE-L*a*b* оглеение почв характеризуется низким содержанием условного красного пигмента: Hem усл < 0.1. Критерий оглеения Водяницкого лучше согласуется с цветом данных почв чем критерий Швертмана. Критерий гидроксидогенеза Кгг, несмотря на слабое варьирование, отражает возрастание доли гетита в гидроморфных горизонтах. Использование показателя парциального давления водорода rHмин позволяет выявить оглеение в гумусовых горизонтах, где оно морфологически не проявляется в силу маскирующего влияния гумуса.

По теме диссертации опубликовано 6 работ.

1.Водяницкий Ю.Н., Васильев А.А., Гилев В.Ю. Содержание магнетита и маггемита в почвах Предуралья. //Мат. Вс. научной конференции, посвященной 160-летию со дня рождения В.В. Докучаева. Почвоведение и агрохимия в ХХ1 веке. 1-3 марта 2006 г. С-Пб 2006. С. 15-16

2. Водяницкий Ю.Н., Васильев А.А., Гилев В.Ю. Сатаев Э.Ф. Формы оглеения в почвах на красноцветных отложениях среднего Предуралья. // Бюл. Почвенного ин-та имени В.В. Докучаева. Вып. 58. М. 2006. С. 80-86.

3 Водяницкий Ю.Н., Васильев А.А., Власов М.Н., Гилев В.Ю. Оптические свойства гематитсодержащих почв. // Проблемы почвоведения: Науч. Тр. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева РАСХН. М., 2006. С. 325-346

4. Водяницкий Ю.Н., Васильев А.А., Гилев В.Ю. Минералы железа в красноцветных почвах Предуралья. // Почвоведение 2007. №4 С.475-486

5. Водяницкий Ю.Н., Васильев А.А., Гилев В.Ю. Превращение (гидр)оксидов железа в почвах на красноцветных отложениях Предуралья. // Бюл. Почвенного ин-та им В.В. Докучаева. Вып. 59. М. 2007. С. 42-49

6. Гилев В.Ю. Полевая диагностика форм оглеения в почвах Среднего Предуралья. // Доклады РАСХН. 2007. №3. С. 31-33

Blog

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

Содержание