Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Микро- и субмикростроение структурных элементов целинных и пахотных поименных луговых почв

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Микро- и субмикростроение структурных элементов целинных и пахотных поименных луговых почв"

СП

<=т сп

о

воронежский государственный университет

сгз I

биолого-почвенный факультет

На правах рукописи

ЛИПИНА ТАТЬЯНА ЮРЬЕВНА

МИКРО- И СУБНИКРОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕЛИННЫХ И ПАХОТНЫХ ПОИМЕННЫХ ЛУГОВЫХ почв (на принере почв пойм рек Десны и Оки)

специальность 03.00.27.- почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Воронеж 1997

Работа выполнена на кафедре географии почв факультета почвоведения МГУ.

Научные руководители: доктор биологических наук, Еедущий

научный сотрудник П. Е Балабко доктор геолого-шнералогических наук, Еедущий научный сотрудник В. Е Соколов.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук Б. Е Ахтырцев

кандидат биологических наук В. Е Тонких

Ведущее учреждение: Центральная торфо-болотная опытная станция

Автореферат разослан -мЫ. 1997г.

Защита состоится июйА. 1997г. .

на заседании диссертационного совета Д. 06348. 09 при Воронежском Государственном Университете по адресу: Воронек, Университетская плопщь, д.1, Биолого-почвенный факультет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского Государственного Университета.

Приглашаем Еас принять участие в обсуждении диссертации, а отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 394693, г.Воронеж, Университетская пл., д.1, Гос. Университет, Биолого-почвенный факультет

Ученый секретарь диссертационного еогета

Т. К Попова

Актуальность темы. Морфология является важным разделом почвоведения. Познание почвы почти всегда начинается с изучения ее внешних признаков, в которых находят отражение химические и физические т свойства, минералогический и петрографический состаЕ, биологическая активность.

В данной работе основное витание уделено изучению структурной организации пойменных целинных луговых почв Деснинского полесья и пахотных почв поймы среднего течения р.Оки (Дединовское расширение), чтобы через макро-, мезо-, микро- и субмикрострое-ние выявить особенности их генезиса и изучить изменение морфологии и свойств почв в результате их сельскохозяйственного использования.

Структурные отдельности (агрегаты) пойменных почв характеризуются слабой устойчивостью при антропогенном воздействии.

Более полные знания о структурной организации пойменных луговых почв позволяет уточнить их генезис и дать правильные агрономические рекомендации по их использованию.

Актуальность теш определяется необратимой деградацией пойменных почв под влиянием все возрастающей антропогенной нагрузки на долинные ландшафты.

Цели и задачи исследований. Перед автором стояла цель провести детальное исследование микро- и субмикростроения пойменных луговых целинных и пахотных почв южной тайги и разработать новые микроморфологические показатели для диагностики целинных и пахотных пойменных почв.

Для достижения указанной цели были выполнены следующие задачи:

1) изучено макро-, мезо-, микро- и субмикростроение луговых целинных пота поймы р. Десны и пахотных почв поймы р. Оки;

2) выявлено существование в пойменных луговых почвах двух типов агрегатов: био- и гидроморфных;

3) изучено мезо-, микро- и субмикростроение железисто-марганцевых новообразований;

4) использована методика количественного анализа структуры с помощью комплекса РЭМ-ПВЕМ;

5) выявлены изменения б микро- и субмикростроении пахотных горизонтов пойменных луговых почв.

Научная новизна. В работе Еперьые детально изучено строение

пойменных луговых почв Деснинского полесья на микро- и субмикро-уровне. В результате исследования микро- и субмикростроения проведено разделение структурных элементов почв на биоморфные и гид-роморфные агрегаты и железисто-марганцевые нодули. Применены количественные показатели оценки структуры, полученные с помощью комплекса РЭМ-ПЭВМ. Установлено существование зависимости между степенью оглеения почв и соотношением в них био- и гид-роморфных агрегатов в ряду от дерново-луговых почв к луговым профильно- г леевым. Показано, что длительное использование пойменных луговых почв в пропашном севообороте приводит к глубокой трансформации микростроения верхних горизонтов.

Практическая ценность работы. Результаты исследований могут быть применены для диагностики естественных и антропогенно-измененных пойменных луговых почв, а также при разработке рекомендаций по рациональному использованию и охране почв речных пойм.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на заседании кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ, на семинаре молодых ученых факультета почвоведения МГУ (Москва. 1993, 1994) и на Международном Совещании по микроморфологии почв (Москва, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы. Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и приложения. Содержит 460 страниц машинописного текста, 19 рисунков, 12 таблиц. Список литературы включает 155 наименований, из них 22 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Обзор литературы.

• История развития и современные представления о микростроении структурных элементов почв.

Учение о почвенной структуре создано трудами П. А. Коетычева,

B. Р. Еильямса, А. Г. Дояренко, М. Пигулевского, Н. А. Качинского, П. А. Вершинина, Д. Г. Виленского, А.Ф. Ткшша, JL Д. Бэвера, КЕАнти-пова-Каратаева; морфологию почвенной структуры специально изучали

C. А. Захаров, С.С.Никифоров, Ф. Дюшофур, R Кубиена, Р. Брюер, А. Д. Воронин, П. Е Березин и др. Первым, кто начал проводить детальные микроморфологические исследования почв, был австрийский ученый В. Кубиена. Он ввел представление о почвенной плазме и ске-

лете, резко различающихся по своей роли в почвообразовании вследствие различий в размерах, форме и составе. Значительный вклад в развитие микроморфологии почв внесен трудами профессора Р. Брюера. Учитывая литературные материалы и опираясь на собственные многолетние экспериментальные исследования, Е. И. Парфенова и Е.А.Ярилова (1977) разработали группировку частей микростроения на основе их вещественного состава.

Современные представления об агрегации почв.

Общие положения

Процесс образования агрегатов в почве, по мнению многих ученых состоит из двух этапоЕ: коагуляции и цементации (Ачинский,1965, Антипов-Каратаев, Келлерман, ХанД948, Вершинин, 1958, Шлеймович,1960 и др.).

Разные пути образования агрегатов приводят к формированию у них различного строения и, следовательно, различных свойств.

..Образование агрегатов в пойменных почвах.

Изучением агрегатов в пойменных почвах занимался К. Н. Федоров (1965). По его исследованиям, пойменные почвы лесной зоны характеризуются наличием агрегатов плотного слитого сложения, они пропитаны. соединениями оксидов железа. К. II Федоров называет такие агрегаты гидроморфными. Однако последующие исследования показали, что пойменным почвам присущ и другой тот структуры. В работах В. И. Макеевой и др. (1974, 1976, 1978) установлено, что в пой-меных почвах лесостепи преобладают рыхлые агрегаты 2-го и 3-го порядков, причем здесь существенная роль принадлежит такому клетощему веществу, как гуматы кальция. По мнению Е. М. Самойловой, К И. Макеевой и ЕЕ Балабко (1983) следует говорить о нескольких элементарных процессах, ответственных за образование разных типов агрегатов. Процесс образования гидроморфных агрегатов эти авторы называют биохимическим оструктуриванием, а образование рыхлых агрегатов, которые можно именовать биоморфными, - биологическим оструктуриванием.

Глава 2. Объекты и методы исследования.

Объектом исследования являются целинные луговые почвы поймы

среднего течения р. Десны (Выгонический район Брянской области и Новгород-Северский район Черниговской области) и пахотные дерново-луговые почвы поймы среднего течения р. Оки (Луховицкий район Мэсковской области). Почвы среднего течения р. Десны никогда не использовались в сельскохозяйственном производстве и представляют собой эталон целинных пойменных почв, тогда как почвы поймы р. Оки используются в сельскохозяйственном производстве в течении определенного времени (участки 20 и 40 лет).

Изучение микростроения почв проводилось комплексным методом: под бинокуляром, в шлифах под поляризационным микроскопом и с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ и электроннозондовый анализатор). Количественная оценка пористости проводилась с помощью комплекса РЭМ-ПЭВМ по программе, разработанной ЕЕ Соколовым в лаборатории электронной микроскопии на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды геологического факультета МГУ

Основные физические и химические свойства почв были определены по общепринятым методикам.

С помощью рентгенструктурного анализа был определен минералогический состав почв.

Методом "мокрого просеивания" были выделены водопрочные агрегаты и железисто-марганцевые новообразования и изучена их ме-зоморфология под бинокуляром во фракциях: 0.25-0.5мм, 0.5-1мм, 1-2мм, 2-Змм, 3~5мм и 5-7мм.

Далее водопрочные агрегаты и железисто-марганцевые новообразования были изучены с помощью РЭМ и была проведена количественная оценка их пористости (определен % пористости по плоскому изображению, получены гистограммы распределения пор по эквивалентным диаметрам, площадям, а также оценена форма пор). Образцы пахотных почв ненарушенного строения также изучались в РЭМ и проводился количественный анализ их пористости.

Структурные элементы каждой группы (агрегаты и новообразования) исследовались с помощью электроннозондового анализатора и был получен их качественный химический состав.

Доводился микроагрегатный анализ почв и были отобраны фракции микроагрегатов < 0.05мм, которые также изучались с помощью РЭМ и оценивалась их пористость.

Глава 3. Условия почвообразования и общая характеристика пойменных луговых почв Деснинского полесья.

Морфология луговых почв.

... Изучались, луговые почвы разной степени оглеения: от дерново-луговых слабооглеенных до луговых профильно-глеевых почв.

Аллювиальные луговые почвы поймы р. Десны характеризуются обилием железистых новообразований. С нарастанием степени оглеения данных почв граница проявления сизо-бурой и сизой окраски поднимается вверх по профилю, количество и разнообразие железистых новообразований увеличивается.

Минералогический состав почв.

В.минералогическом составе луговых почв поймы р. Десны во всех горизонтах преобладает кварц (80-93%), содержание которого постепенно увеличивается с глубиной. Содержание полевых шпатов составляет 9-12% в верхних горизонтах, постепенно уменьшаясь с глубиной. Глинистые минералы составляют очень незначительное количество. В нижних горизонтах отмечается наличие солей кальция: гипса - в гор. В дерново-луговой почвы (0.1%) и кальцита в гор. КЗ луговой профильно-глеевой почвы (2.6%).

Гранулометрический, микроагрегатный и структурный состав луговых почв поймы р. Десны.

Аллювиальные луговые почвы Деснинского полесья характеризуются легкосуглинистым гранулометрическим составом.

Дуговые почвы характеризуются высокой микроагрегированнос-тью. Большей микроагрегированностью обладает дерново-луговая почва (р. 104): величина коэффициента дисперсности составляет 10.2-11.3 , для луговой профильно-глеевой почвы эта величина составляет 13.0-13.6.

По исследованиям макроструктуры почв с помощью "сухого" и "мокрого" ситового анализа южно сделать следующие выводы. В целом, дерново-луговая почва (р. 104) характеризуется лучшей структурой с агрономической точки зрения. Содержание "наиболее ценных"

фракций 1-5мм по результатам и "сухого", и "мокрого" просеивания в горизонтах дерново-луговой почвы намного выше, чем в луговой профильно-глеевой (р. 103). <:

Коэффициент водопрочности агрегатов дерново-луговой почвы выше, чем в луговой профильно-глеевой. Хотя значение Кв в гор. Ае (р. 103) высокое, нужно учитывать большое количество водопрочных агрегатов более 5мм - 61%.

Таким образом, можно сделать вывод, что структура дерново-луговой почвы в целом "лучше", чем луговой профильно-глеевой почвы,;то есть оглеение отрицательно влияет на структуру.

Физико-химические и химичесгае свойства почв.

Аллювиальные луговые почвы Деенинекого полесья характеризуются слабокислой реакцией среды: рН водн верхних горизонтов -5.0-6.5,вниз по профилю рН увеличивается примерно до 7.0 (табл.1). Высоки значения гидролитической кислотности верхних горизонтов исследуемых поче - 6-9 мг-зкв/ЮОг. Вниз по профилю величина гидролитической кислотности резко-уменьшается. Степень насыщенности почв основаниями значительна - 60-80% в верхних горизонтах и до 93% в нижних. Содержание обменного Са составляет в верхних горизонтах от 7-8 до 12 мг-экв/ЮОг. В нижних оглеекных горизонтах оно увеличивается, что связано с влиянием жестких грунтовых вод. Содержание обменного % либо уменьшается вниз по профилю, либо остается постоянным. Наблюдается некоторое увеличение его содержания в погребенных гумусовых горизонтах. Исследованные почвы характеризуются довольно высоким содержанием подвижного железа -от 1.2 до 2.8% Ре.

Содержание азота в почвах среднее 0.19-0.27%. Увеличение содержания азота и гумуса отмечается б погребенных горизонтах почв р. 38 и р.41. Все аллювиальные луговые почвы поймы р. Десны высокогумусны (5.5-7.6%), величина содержания гумуса довольно резко ;убывает с глубиной. . Белоцветовой О. КХ (1990) был изучен фракционно-групповой состав гумуса в луговых почвах поймы р. Десны. Исследованные почвы характеризуются гуматно-фульватным и фульватно-гуматным типом гумуса (СггсСфк 0.81-1.66 в верхних горизонтах) , причем с увеличением степени оглеения соотношение, Сгк: Сфк увеличивается, как и в погребенных гумусовых горизонтах. - •

Таблица 1

Физико-химические свойства луговых почв поймы р. Десны.

гор-т рН водн гидрол. степ, на- са Ге по гумус

глуб. кислот. сыщ. основ. обменн. Тамму X

мг-экв/ЮОг X МГ-ЭКВ/100Г X

дерново-луговая глубокооглеенная почва (р.37)

Ас! 4-22 5.2 9. 9 58. 9 6.5 7.6 1.5 6. 6

АВ 22-35 5.8 8.2 62.4 12. 4 1. 2 2.2 2. 6

В 35-60 6.1 2.2 67.7 5.2 1.5 1.4

Сд' 60-79 6.1 2.2 86.2 4.5 1.2 1.2

0 79-120 6.6 2.8 79.1 10.1 0.5 2.1 -

луговая профильно-глеевая почва (р. 38)

Ац' 8-20 5.4 6.5 67.7 8.6 5.0 1.5 5. 6

Апогр 20- 14 6.6 4.'5 80.9 13.4 5.7 2.8 2.7

Вд" 44-85 6.6 3.2 84.2 10.3 6. 7 1.2 2.5

Б 85-140 7.2 1.0 92.1 11.3 0. 3 1. 7

дерново- луговая глееватая почва (Р. 41)

Ас1 0-5 5.9 5.4 67.0 9.8 1.2 1. 3 6.5

А 5-20 6.6 2.5 79.7 8.6 1.2 1. 3 1.9

В 20-42 6.9 1.3 87.1 8.1 0.7 1.8 1.9

Апогр 42-70 7.0 1.5 89.8 7. 7 5.5 1.6 2. 2

В^" 70-90 7.1 1.1 92.8 9.1 5.0 1.7

Ъ 90-130 7.0 1.0 92.9 12.0 1.0 1.3

луговая профильно-глеевая почва Ср. 42)

А<1 0-5 7.6 0.3 98.8 14.9 9.7 не опр 5.5

5-11 7.5 0.5 96.6 13.5 0.7 не опр 5.4

луговая профильно-глеевая почва (р. 103)

Ай 0-4 5.7 6.2 71.3 12.0 3.4 1.5 7.6

Ад' 4-11 б. 3 5.8 69.9 8.7 4.8 1.7 7.6

ВО 11-108 7.1 3.0 84.5 10.1 6.2 дерново-луговая слабооглеенная почва (р. 104) 1.8 0.4

А<ЗА 0-11 4.9 8.8 не определ. 1.5 6.5

А 11-21 5.0 8.6 не определ. 1. 6 3.4

В 21-49 5.7 4.0 не определ. 1.3 1.3

Глава 4. Микро- и субмикростроение структурных элементов луговых почв поймы р. Десны.

Мезо- и микростроение почв.

При изучении микростроения луговых почв в тонких шлифах под поляризационным микроскопом были выявлены отличия в микростроении почвенных горизонтов райной степени оглеекия.

Микростроение средне- и сильнооглеенных горизонтов характеризуется следующими чертами: окраска в шлифах"достаточно однородная, чаща всего серовато-светло-бурая, слабая агрегированность, и, следовательно, слабое развитие мемагрегатной пористости, пористость-невысокая ( 10-20% по плоскому изображению), плазма гу-мусо-глинистая, местами зшлезисто-гумусо-глинистая, имеет чешуйчато-волокнистую ориентировку. Редко встречаются хорошо оформленные железисто-маргацевые нодули диаметром 0.5-1.5 мм, для которых характерны темно-бурая окраска, овальная форма, четкий контуру очень низкая пористость. Достаточно часто в шлифах можно видеть.слабо оформленные железистые новообразования размером до 2 ш темно-бурого цвета, имеющие неправильную форму, нечеткий контур и рыхлые границы.

Дня неоглеенных и слабооглеенных горизонтов характерны следующие особенности микростроения: серо-бурая неоднородная окраска, рыхлое, агрегированное сложение, пористость высокая - 30-40%, агрегаты можно разделить на две группы:

1) буровато-серые, в основном агрегаты 2-го порядка, имеют неправильную, но чаще всего изометричную форму, рыхлые границы, высокую пористость, плазма таких агрегатов гумусо-глинистая, имеет чешуйчато-волокнистую ориентировку;

2) серовато-бурые или светло-бурые агрегаты 1-го порядка, имеют правильную изометричную форму (округлую или угловатую), четкие» ровные границы, более низкую пористость, гумусо-железисто-глинистую плазму, имеющую чешуйчато-волокнистую ориентировку.

Агрегаты этих групп составляют примерно одинаковое количество. По морфологии агрегаты первой группы можно отнести к биоморф-ным, а.второй - к гидроморфным.

Кроме двух групп агрегатоЕ в неоглеенных и слабооглеенных горизонтах луговых почв достаточно часто встречаются хорошо

оформленные железисто-марганцевые новообразования - нодули, которые имеют такое же строение, как и в сильнооглеенных горизонтах.

Для наиболее полного исследования агрегатов и железисто-марганцевых нодулей их строение было изучено под бинокуляром и с помощью РЭМ.

Под бинокуляром изучались водопрочные структурные элементы дерново-луговой почвы (р. 104) (агрегаты и железисто-марганцевые нодулк), выделенные путем "мокрого просеивания" ео фракциях 0.25-0.5, 0.5-1, 1-2, 2-3, 3-5 и 5-7 шг, На мезоуровне тага© были выделены агрегаты двух групп: биоморфные- рыхлые, серого и темно- серого цвета, достаточно пористые агрегаты высоких порядков и гидроморфкые- Солее плотные, менее пористые, имеющие округлую или угловатую изометричнуа форму агрегаты светло-серого цвета или серые с- бурыми пятнами. Агрегаты этих двух групп встречаются примерно в одинаковых количествах во всех фракциях. Жёлезкстс-чар-ганцевые новообразования составляют приблизительно 1/6-1/10 часть от общего количества структурных элементов, встречаются во Есех фракциях, имеют черную или темно-бурую окраску, округлую форму, являются достаточно плотными.

Были изучены структурные элементы луговой профильно-глеевой почвы (р. 103), горизонты которой характеризуются большей степенью оглеения (отчетливые сизые тона в окраске) и в шлифах имеют однородное . слабоагрегированное микросложниэ. Под бинокуляром структурные • элементы этой почвы были разделены на агрегаты и железисто-марганцевые нодуди. Е этой почве не наблюдалось разделения агрегатов на две группы: агрегаты имеют в основном светло-серую окраску, неправильную угловатую форму, они достаточно плотные (табл.2).

- ю -

Pi-b.l. Cv'ôm<D0CTpCrtrKHe йиомор&ных агре-гатоь

- и -

Таблица 2

Диагностическое значение биоморфных и гидроморфных агрегатов и мэлеаисто-марганцевых новообразований пойменных луговых почв.

Агрегаты и Ре-Мп новообразования

Диагностическое значение

Биоморфные Характерны для неоглеенных и слабооглеенных гсризон-агрегаты тов дерново-луговых и луговых почв

Гидроморфные 1) Наряду с биоморфными агрегатами встречаются в неагрегаты оглеенных и слабооглеенных горизонтах дерново-луговых и луговых почв (в неоглеенных горизонтах соотношение био- и гидроморфных агЛегатов 1:1, с усилением оглее-ния увеличивается доля гидроморфных агрегатов). 2) В средне- и сильнооглеенных горизонтах являются основными структурными элементами.

Ге-Мп подули Характерны для неоглеенных и слабооглеенных горизонтов луговых и дерново-луговых почв. Встречаются в средне- и сильнооглеенных горизонтах. Ге-Мп пятна Характерны для сильно- ж среднеоглеенных горизонтов.

Субмикростроение биоморфных агрегатов дерново-луговой почеы.

Биоморфные агрегаты являются агрегатами 2-го и 3-го порядков. Они имеют в основном изометричную неправильную форму, очень неровную поверхность. Микроагрегаты сложены в основном пылеватыми зернами, погруженными в глинистую матрицу. Между собой микроагрегаты соединяются с помощью глинистых "мостиков", образуя" тем самым изометричные поры-ячейки диаметром примерно 1С мкм. Таким образом, агрегаты имеют своеобразное ячеисто-матричное субмикростроение (рис.1).

По данным количественного анализа такие агрегаты имеют довольна высокую пористость по плоскому изображению (25,3-29,81).

- 12 -

Можно выделить следующие группы пор по размеру (рис. 4а):

1) Поры менее 0.3 мкм - межультрамикроагрегатные поры, т. е. поры между ультрамикроагрегатами микронного размера, образованными глинистыми частицами. Эти поры, несмотря на их многочисленность, вносят незначительный вклад в общую пористость (примерно 1-2%).

I

2) Поры диаметром 0.3-1.5 мкм - мелкие межмикроагрегатные поры, составляют примерно 8-12% от общей пористости.

3) Поры диаметром 1.5-40 мкм - крупные межмикроагрегатные поры, : представленные большей частью изометричнымк порами-ячейками, образованными глинистыми "ыостикама", или порами упаковки микроагрегатов неправильной, но в основном изометричной формы. Эти поры вносят основной вклад в общую пористость, составляя 50-50%.

4) Поры более 40 мкм - это поры упаковки мелких аграгатов и песчаных зерен диаметром 50-150 мкм и поры-ходы корней. Несмотря на их незначительное количество, они вносят существенный вклад в общую пористость (30-40%).

Субмгафостроение гидроморфных агрегатов дерново-луговой почвы.

Агрегаты имеют в основном округлую или угловатую форму, поверхность относительно ровная, микроагрегированность выражена очень слабо. Для агрегатов характерно однородное компактное метростроение. Основная масса представляет собой глинистую матрицу, куда погружены песчаные и пылеватые зерна и обломки диатомовых водорослей, таким образом агрегаты имеют субмикростроение матричного типа (рис.2).

По данным количественного анализа такие агрегаты имеют невысокую пористость по плоскому изображению - 12.4-16.1%. Можно выделить следующие группы пор по размеру (рис. 46):

1) Боры менее 0.3 мкм - межультрамикр9агрегатные поры. Они вносят очень незначитеьный вклад в общую пористость - примерно 3-8%. Поры имеют в основном акизометричную форму (Kf = 0.3-0.5).

2) Поры диаметром 0.3-1.5 мкм - мелкие межмикроагрегатные поры изометричной и анизсметричной формы. Б общей пористости они составляют 15-30%. .

3) Поры диаметром 1.5-40 мкм. Это преимущэственно поры упа-

а/ Биэмэрфный агрегат

СТИНЛН «Вер. 2.СЪ> 2S.G4.91 Всего пор = t22.BG

Образец : киг>14 Пористость- = 26.946 У.

Г5 - Гистограмма распределения по эквивалентным диаметрам М;п= 0.14136 Мах= ВЧ.Й334 0.31920 0*3= С.74432 (ихм); П5С= 422В5

N»1

ЙГ«' 'N■¡£1 Я.!« СИСНЛ ':< I •>!•:• •

I н с I п о^

I Я Я п '[■•НС

( Ч И N ) О 3 О

л ■ <г г, п

в > о »

О 1(1 *

N О О

ОфС^-СЦ о

3 п с* ч о и (Л »3 0

N к и 0 г- М 0 •ч 0 0 и п и п (3 «0 0 (¡1 (3

с N 0 н о 0 0 п 0 0 0 0 •о- -О о о. 0 0 0

0 с 0 0 0 с 0 0 0 0 0 1 в 1 в 1 «1 1 19 1 в 1 0 1 « 1 (9 1 ш

0 с 0 0 0 п 0 0 0 0 0 0 п N 10 о м N

т™ Л! Й П -

N Т

г> Я !Я Г*

ч в*

01 о о м

О из

•н п

-т"

п н

п ч-

¡л о

Р N

О N

О О

о н н п и я

т и ^ о 1

и-'т н н

-1-г-

н -г

О (Л

П (П

в» о

'Л 1П

п с

т ч

ф п N а п и

о <г а

О (нкм)

б/ Гидроморфный агрегат

СТИМЛН (Вер. 2.05) 23.04.91 Всего пор = 23181

Образец : Пористость = 15.544V.

кир 17

Г5 - Гисгограмна распределения по эквивалентным диаметрам ГНпг 0.14136 Мах= 22.2144 ¡11с1:= 0.38132 0.7&032 (НЙН) ; К^ег 23181

/Н* 1

0 0 0 0

Я <4 И

я эт с* нос мот ■а я м

Ф N

я « о о о о

о о

—I—

СЗ (О

о о-

0 о

о о

ООО

о сР я н N н о

71 о

о о

п

N N

О о

о о

о о

о

о,оооооооосоооннч-<(мгаппч,1Л'5>вр

п п

0 о

1 I

Я ш

п п

т1

■пО (нкм)

ч-ч

^с 4 Гистограммы распределения пор по эквивалентным диаметрам

ковки песчаных и пылеватых зерен. Они создают основную долю общей пористости - 60-702.

Субмикростроение агрегатов профильно-глеевой почьы.

Для агрегатов характерна изометричная неправильная форма, поверхность их достаточно неровная. Агрегаты имеют компактное матричное субмикростроение, то есть песчаные и пылеватые зерна 1Ю11ол*гпп т. матрицу, где также присутствуют пылева-

то-глинистые микроагрегаты.

Агрегаты имеют такую же пористость, как и гидроморфные агрегаты дерново-луговой почвы, 12.5-17.2% (Рис. 5а).

Мэжно выделить следующие группы пор по размеру:

1) Поры менее 0.3 мкм - межультрамикроагрегатные поры, которые несмотря на свою многочисленность составляют всего 1-3% от оощеи пориихоотй.

2) Поры диаметром 0.3-1.5 мкм - мелкие межмикроагрегатные и межммкроагрегатно-зернистые поры, составляют 9-15% от общей пористости.

3) Поры более 1.5 мкм - крупные межмикроагрегатные и мекмик-роагрега-тно-зернистые поры, составляют основную часть общей пористости - 80-90%.

Агрегаты этой почвы по морфологии можно отнести к гидроморф-ныы агрегатам.

Субмикростроение железисто-марганцевых новообразований.

Высокая агрегированность пойменных луговых почв в значительной мере обусловлена присутствием железисто-марганцевых новообразований.

Основным видом железисто-марганцевых новообразований являются надули. Они имеют недиференцированное строение, очень низкую пористость, округлую или овальную форму, ровную поверхность.

Субмикростроение нодулей в целом похоже на субмикростроение гидроморфных агрегатов - однородное компактное матричного типа, то есть основная масса представлет собой глинистую матрицу, куда погружены песчаные и пылеватые зерна и обломки диатомовых водорослей. Пористость по плоскому изображен»® - 11.8-15.5 . По результатам количественного анализа поры можно разделить на 3 катего-

Гпдрэморйный агрегат /луговая профильно-глеевая почва р.ЮЗ/

СТИМЛН (Вер. 2.05) 25.04.91 Образец : кир17

Всего пор = 23181 Пористость - 15.54«!^

Г5 - Гис .¿сг.редг,-г>шя по зкЕМва/:антн'.;|| нманетран

Жп= 0.14136 22.2144 ;па- О.23132 01== 0.7в032 (мим); 23Ю1

N»1

га

О Л в

«У« « О ГОТ!

П ГЗ Т О « Э В О О N О О О Ч И N

с - П в 1 Я О О й Я Я Н О О О О О !Я П П

та > и н чноэсосоооооооо

НОО ОООООООООООО! I I

...............ЩС1С1

ос о оооооооооооо тот . . ......^"П"!-1 | I I | I-г—!-Г-!-1 I I I 1 |Р <11КМ>

! >1 п з н N р о с к п N я ф п ш р а г. N N т н о о о о ш с: с ¡ч'яг^впнзпг'-пяяэ'з-'лоэрпоячоч'пч-лч^-ч

[чИЯвОП^'^в^^ПИФИО^ОВОООПО.....

............................. и О О 03 я

¡■ооооосоооооонннчяяппч-п'.зг-ве'чччня

Железисто-марганцевая нодуля

СТИМЙН (Вер. 2.05) 25.04.91 Всего пор - — 35618

Образец : кип19 Пористость = 11.806Х

Г* пи О

N»1

- Гистограмма распределения по акЕмва/шнтным диаметрам ,1474а Нах= 19.1913 М1йг 0.20541 0.52339 (мкм>; Нзег: 25613

Ц|

вг.

I Я Н

■ О П I а с

■ о сг> I н и

т—+- , , N N N Й я л г- ч-

N49«

я я п о

0 Г) > и я -в

п м 0 И ч- 0 N

« со ч) В Я Я Н

0 0 0 ООО

П53— 0 0 0 ООО

п

N ч-

о о

а о

ООО

п го Ф н

т я •ч ^ 0 и 0 и п

0 г* га 0 0 0 0 0 0 0

0 0 о 0 0 1 в 0 1 41 1 в 1 ф

0 0 0 о 0 N. 0 "Г п

& * й Я Р N РЯС»

я о о «во

N ч- О ^ « Р

В N о О О *

О Ч н О я я

СО С* О п N

й X

Я (Л

И ф

Р ч-

О т

? со

1(7 П

п г" о

>0000000000004*

8 9 Я В П * I)

тпгзт

О <Г> Я N

пиша И»»-*

п я ■ ■•■он

в N 9 ч

4 Л

Я

<? я

И 0

Р1 » а

о 4

О <мкм)

1

рии: менее 0. Змкм ( межультрамикроагрегатные поры), 0.3-1.5мкм (мелкие межмикроагрегатные поры) и более 1.5мкм (крупные межми-кроагрегатные и межзернистые поры, составляющие основную часть общей пористости) (Рис.56).

Отличительной чертой железисто-марганцевых нодулей является значительное количество новообразований железа и марганца, которые хорошо диагностируются с помощью РЭМ. Новообразования соединений железа имеют тонкодисперсную природу. Они формируют округлые агрегаты (глобулы) размером от 0.5 до 5 мкы (рис. За). и^АЛпэпо^аиня марганца располагаются в изолированных микроэо-нах и представляют собой шарообразные образования размером до 5 мкм, поверхность которых имеет сетчато-ячеистое микростроение с порамитячейками изометричной формы размером 0.1-0, 5 мкм. Кроме того соединения марганца могут образовывать пленки на стенках пор, также имеющие сетчатое строение (рис.3 б,в).

Субмикростроение микроагрегатов менее 0.05 ш луговых почв.

Был проведен микроагрегатный анализ и с помощью РЭМ изучались полученные фракции структурных элементов. Было выяснено, что они представлены микроагрегатами и пылеватыми зернами, причем в верхних горизонтах почв (Ас1, А) преобладают микроагрегаты, а в нижних (Вд, ВО) - пылеватые зерна.

Микроагрегаты имеют размер от 5 до 40 мкм, сложены зернами мелкой пыли, погруженными е глинистую матрицу. Встречаются обломки диатомовых водорослей.

По данным количественного анализа пористость микроагрегатов составляет примерно 20-25%, в нижних горизонтах она несколько падает до 15-20Х.

Пылеватые частицы представлены в основном зернами кварца, они имеют округлую или угловатую изометричную форму, могут быть чистыми или покрытыми "глинистой рубашкой".

В верхних горизонтах встречаются споры и почвенные простейшие. Во всех горизонтах, но особенно в нижних, присутствуют хорошо оформленные кристаллы кальцита размером 1-3 мкм.

Результаты анализа качественного химического состава агрегатов с помощью электроннозондового анализатора.

Электроннозондовый анализ агрегатов и железисто-марганцевых кодулей был проведен для более четкого разделения биоморфных и гидроморфных агрегатов и железисто-марганцевых новообразований.

Для биоморфных агрегатов основным элементом является кремний. В спектрах, полученных для гидроморфных агрегатов, можно видеть наличке железа, что подтверждает его участие в образовании этих агрегатов. Для спектров железисто-марганцевых нодулей хара-терны пики железа и марганца, причем пик железа выражен сильнее, чем в спектрах гидроморфных агрегатов. ■

Глава 5. Изменение макро- и микростроения и свойств луговых пойменных почб при распашке (на примере луговых почв поймы среднего течения р. Оки).

Благоприятные климатические условия, высокое естественное плодородие почв, близость крупных городов обусловили широкое использование Окской поймы под пригородное овощеводство.

Макро-, мезо- и микростроение дерново-луговых почв поймы р. Оки.

Изучались дерново-луговые почвы поймы среднего течения р. Оки разного срока использования: целинные и используемые под пашню в течении 20 и 40 лет.

В качестве эталона естественных почв была изучена дерново-луговая слабооглеенная среднесутлинистая почва на среднесугли-нистом аллювии (р. 10) Разрез был заложен на выровненном участке центральной поймы под злаково-разнотравным лугом.

Р; 7 был заложен на выровненной центральной пойме на свекольном поле. Этот участок используется под пашню в течении 20 лет. Была описана дерново-луговая слабооглеенная среднесутлинистая почва.

Разрез N 6 был заложен на вырогненной центральной пойме на капустном поле. Этот участок используется под пашню в течении 40 лет. Почва дерново-луговая слабооглеенная среднесутлинистая.

Цля целинной почвы характерно рыхлое, агрегированное микрос-

ложение, агрегаты 2-го и 3-го порядков, серого цвета, неправильной изометричной формы; высокая пористость. Шчвы, используемые под пашню, имеют уплотненное или плотное микросложение (особенно плотным является горизонт Апах), слабую агрегированность: агрегаты 1-го порядка, серые, округлой или угловатой формы; невысокую пористость (поры е основном пщевидные). На макроуровне изменения строения почв при длительном использовании под пашню выразилось в превращении комковато-зернистой структуры гор. Ас1 целинной почеы в глыбистую структуру гор. Апах пахотных почв.

Основные свойства дерново-луговых почв поймы

среднего течения р. Оки.

Минералогически* состав почв.

В минералогическом составе исследуемых поче преобладает кварц-(70-82%). Содержание полевых шпатов составляет 11-14%. Глинистые минералы составляют около 7-12%, причем основная доля приходится на минералы группы смектита (4-12%), что, вероятно, способствует елктизации почв при обработке,в переувлажненном состоянии.

Плотность и пористость почв.

Целинная почва характеризуется высокими значениями пористости - 57-60%, которая незначительно уменьшается с глубиной, и оптимальными величинами плотности сложения - 1.05-1,15 г/см3. Шд воздействием распашки и пропашной системы земледелия, доминирующей в овощеводстве, пористость почв падает, а плотность сложения увеличивается. Для почвы, используемой под пашню в течении 20 лет, величины пористости и плотности сложения гор. Апах составляют 51.0% и 1.30г/см3 соответственно. Плужная подошва имеет еще меньшую пористость - 41,8%. Вниз по профилю пористость постепенно увеличивается до 53.1%. 1Ьчва, используемая под пашню в течении 40 лет, характеризуется еще более низкими значениями пористости и более высокими величинами плотности сложения гор. Апах (42.2% и 1.51 г/см3 соответственно). Вниз по профилю пористость постепенно увеличивается до 54.2%.

Химические свойства почв.

Целинная дерново-луговая почва характеризуется довольно эысоким содержанием гумуса - 5. 0% в верхнем горизонте и глубоким фоникновением гумуса в почвенную толпу^ В почвах, используемых гад пашню, содержание гухуса снижается до 3. 3-3. 57., то есть падает примерно в 1.5 раз?..

Поличным почвам свойственна природная обогащенность общим йотом (0.25% в верхнем горизонте), что обусловлено высоким юдзрианием в них органического Е&щрстЕ-!. Распаака целинных почв I возделывание пропашных культур сопровождается снижением запасов )бщего азота в верхних горизонтах почв (до 0.20-0.21%).

Таким образом, в результате использования аллювиальных дер-юво-луговых почв под пашню произошло ухудшение и физических, и симичесютх свойств почв: -содержание гумуса снизилось в 1.5 раза; -пористость пахотных горизонтов снизилась на 10-23%; -произошло уплотнение пахотных горизонтов с 1.05 г/ем3 до 1.30-1.50 г/см3 , плотность плужной подошвы возросла до 1.54 г/см5.

Изменение субмикростроения дерново-луговых почв поймы р. Оки

при распашке.

Образцы верхнего горизонта целинной почвы состоят из пыле-затых частиц, погружены»« в глинистую матрицу; пылеватые частицы юкрьггы "глинистыми рубашками". Глинистые ультраминроагрегаты ликронного размера, контактируя друг с другом по типу базис-скол, образуют своеобразные иэометричнш поры-ячейки диаметром около 5 мкм. Таким образом, субмикроотроеяие верхнего горизонта целинной почвы может быть названо ячеисто-матричным, (рис. 5а). Ш данным количественного анализа пористость по плоскому дзображенига составляет 27.8-33.4% (рис. 7з).

Образец гор. Апэх дерново-луговой почвы, используемой под ташню в течении 20 лет, имеет матричное субмккростроение: пылеватые частицы, покрытые "глинистыми рубанками" погружены в глинистую, матрицу. Сложение горизонта более плотное, чем гор. Ас! целинной почвы, поры-ячейки отсутствуют (рис.55). Пористость по плоскому изображению составляет 18.5-22. 0%.

■./ Суб;ликростроение обраи.а няниной зэчаи

б/ Суб.-яхросгроэкпо образца йс;:ользуе;лэг пэд иаиню в теч. 20 .

з/ Суб^лккростроение образца почва, используекзу дои пмаа^ тем. 40 л /лс.6, И^.'логглте су> ■;гс]<;тт.о?нххя чврново-лу^он)^ ^очр ср": распа';,£Э,

итимлн <Вер. 25.04.У1 Оёраоеи :

Всего пор = 1031-1 Пористость = 29.7"ЭУ.

РЬ - Гистограмма распределения по эквивалентным дмамитран Яш: а.17979 Мах= 122.639 = 0.57259 01е= 1.83693 (нкн); 10314

и 0 т 0 <ч к 0 3 т п о я н 0

и м я Т ^ 0 С; * 'Л « 0

з N к 11 N н з * 0 0 0 £ -- 0 0 0 0

N 0 0 0 0 0 5 0 0 0 с \ . 1 1 1 1

•!' Ш а $ а

0 О 0 0 с 0 0 0 0 0 0 0 0 3 с £ г - н э

(мки >

а/ целинная почва

СТИМ4Н (Вер. 2.05) 25,04.91 Всего пор = 26279

Образец : Пористость = 12.823Х

кир13

РЗ .- Гистограмма распределения по экЕм'за^ентнын диаметрам Мш = 0.1349П 42.6033 ШсЗг 0.36913 01^= 0.55091 (ним); 26279

ГН/Н*1

СО о и ¡л ю о

г^ ■

0|Д"13

о я

СО К)

« «

О N

и со п с п Л 0 Г) г* N

0 с со с N и Э а с с Л т Ю 0

г- а 0 с 0 0 0 с 0 0 0 0 0 а С 0

£ 0 0 0 0 а 0 с с с а 1 а 1 « 1 «1 1 в

0 0 с с э С 2 0 0 а 0 ■н N N и и

¿1 Л сЬ°

<икм )

б/ почва, используемая под паяню в течении 40 лет Рис.7. Гистограммы распределения пор по эквивалентным дпшзтраы

Образец почвы, используемой под пашню б течении 40 лет, также имеет матричное субмикростроение. Сложение горизонта еще более плотное, чем гор. Апах почвы р. 7. На отдельных участках заметна ориентация пылеватых частиц и глинистых микроагрегатов в горизонтальном направлении и превращение матричного субмикрост-роения в турбулентное (рис. 6в). По данным количественного анализа коэффициент ориентации составляет 8. 4%. Пористость по плоскому изображению 10.8-14.7% (рис.76).

Таким образом, в субмикростроении почв, используемых длительное время под пашню, произошли существенные изменения по сравнению с субмикростроением целинной почвьи -ячеисто-матричное субмикростроение трансформировалось в матричное с высокой плотностью • сложения;

-под воздействием тяжелой сельскохозяйственной техники началась переориентация структурных элементов и образование ориентированного турбулентного субмикростроения (в почве, используемой в течении 40 лет);

- пористость, рассчитанная по плоскому изображению, уменьшилась с 27.8-33.4% в целинной почве до 18.5-22.0% и 10.8-14.7% в почвах, используемых под пашню в течении 20 и 40 лет соответственно.

Таким образом, при использовании пойменных почв под пашню в них происходит существенное ухудшение структуры и основных физических и химических свойств.

ВЫВОДЫ.

1. В почвенном покрове поймы среднего течения р. Десны преобладают аллювиальные луговые целинные почвы, сформированные под естественной разнотравно-злаковой растительностью. Для этих почв характерны легкосуглинистый гранулометрический состав, слабокислая реакция среды, высокое содержание гумуса. Близкие морфологические и химические свойства затрудняют их полевую и лабораторную диагностику.

2. Для дополнительной диагностики пойменных почв и уточнения их генезиса могут быть успешно использованы методы световой и растровой электронной микроскопии. В работе использовалась методика определения пористости агрегатов с помощью установки РЭМ-1ВВМ,

дающей возможность оценивать величину пористости, их форму, а гакже получать гистограммы распределения пор по размерам, что позволяет использовать дополнительные количественные показатели цля диагностики почв. _

3. Выявлены отличия в микростроении почвенных горизонтов разной зпепени оглеения. Для микростроения средне- и сильнооглеенных горизонтов характерны следующие черты: достаточно однородная серовато-светло-бурая окраска, плотноватое или рыхлое микросложение, злабая'агрегированность, наличие слабо оформленных железисто-марганцевых новообразований и очень небольшое количество хорошо эформленных железисто-марганцевых нодулей.

1 Микростроение неоглеенных и слабооглеенных горизонтов характеризуется следующими особенностями: серобурая неоднородная окрас-га, рыхлое, хорошо агрегированное микросложвние, присутствие 2 групп агрегатов: буровато-серые, рыхлые, неправильной изометрич-юй формы с волнистыми границами агрегаты высоких порядков и се-эовато-бурые, округлой или угловатой формы с четкими границами, лмеющие меньшую пористость агрегаты 1-го порядка. Агрегаты этих цвух групп составляют примерно одинаковое количество. Кроме того, достаточно часто встречаются хорошо оформленные железисто-марганцевые нодули, имеющие темно-бурую окраску, овальную форму и очень яизкую пористость.

По морфологическому строению агрегаты 1 группы можно отнести к 5иоморфным, а агрегаты 2 группы - к гидроморфным. 3. Мезоморфологические исследования водопрочных агрегатов неогле-энных и слабооглеенных горизонтов подтверждает их разделение на 2 группы.

5. При изучении агрегатов с помощью РЭМ было установлено, что био-иорфные агрегаты имеют ячеисто-матричное субмикростроение, хорошо зыраженную микроагрегированность, высокую пористость (25-30% по москому изображению).

7. Гидроморфные агрегаты имеют компактное матричное субмикростро-гние, слабую микроагрегированность, невысокую пористость ;10-20%).

3. Агрегаты луговой профильно-глеевой почеы, горизонты которой характеризуются сильным оглеением, можно отнести к гидроморфным агрегатам, так как они имеют компактное матричное субмикрострое-

ние, слабую микроагрегированность и невысокую пористость (11-19%). Биоморфные агрегаты в сильнооглеенных горизонтах не встречаются.

9. Железисто-марганцевые нодули имеют субмикростроение, похожее на субмикростроение гидроморфных агрегатов - однородное компактное матричного типа. Пористость их невысока и составляет 11-16%. Отличительной чертой является значительное присутствие новообразований железа и марганца, которые хорошо диагностируются с помощью РЭМ.

10. Электроннозондовый анализ подтверждает разделение агрегатов на 2 группы: в спектрах биоморфных агрегатов .основным элементом является кремний, тогда как в спектрах гидроморфных агрегатов, наряду с кремнием,отмечается наличие железа, что подтверждает участие его окисидов в формировании этих агрегатов. В составе желе-яисто-марганцевых нодулей присутствуют пики железа и марганца, причем пик железа выражен сильнее, чем в спектрах гидроморфных агрегатов.

11. Существует определенная приуроченность био- и гидроморфных агрегатов, а также железисто-марганцевых новообразований к почвенным горизонтам различной степени оглеения. В неоглеенных и слабооглеен-ных горизонтах встречаются как биоморфные, так и гидроморфные агрегаты (в неогеенных горизонтах их соотношение составляет 1:1, с усилением- оглеения увеличивается доля гидроморфных агрегатов). Для этих горизонтов характерно присутствие железисто-марг¥нцевых нодулей. В средне- и сильнооглеенных горизонтах луговых почв основным структурным элементом являются гидроморфные агрегаты. Для этих горизонтов характерно наличие железисто-марганцевых пятен, нодули встречаются редко.

12. В пойме среднего течения p. (toi значительные площади заняты луговыми и дерново-луговыми распаханными почвами. В результате длительного использования этих почв под пашню в них проийошли следующие негативные процессы:

-ухудшилась структура почв, что можно наблюдать на всех уровнях: на макроуровне: комковато-зернистая структура трансформировалась в глыбистую; на мезо- и микроуровне: агрегаты высоких порядков с высокой пористостью превратились в агрегаты 1-го порядка, имеющие низкую пористоть; на субмикроуровне: ячеисто-матричное субмик-

зстроение перешло в матричное и даже матрично-турбулентное; ¡гменыиилась пористость почв с 60% до 41.2% и увеличилась плот-эсть сложения почв с 1. Об г/см3 до 1.51 г/см3; снизилось содержание гумуса с 5.0% до 3.3-3.5% (то есть примерно 1.5 раза) и общего азота (с 0.26% до 0.20-0.21%).

Список работ, опубликованных по теш диссертации,

. Использование РЭМ при изучении микроструктуры пойменных почв. Тезисы докладов школы-семинара молодых ученых факультета почвоведения МГУ "Современные проблемы почвоведения и экологии", Москва, 1993.

. Микроморфология и диагностика степени оглеения луговых пойменных почв долины р. Десны. Тезисы докладов школы-семинара молодых ученых факультета почвоведения МГУ "Современные проблемы почвоведения и экологии", Москва, 1994. . Micro- and. submicrostructure of the aggregates of the flood plain meadow soils and porosity analysis by SEM images. 10-th International Working Meeting of Soil Micromorphologists. Moscow, July 8-13, 1996, (в соавторстве).