Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Влияние химического и минералогического состава почв на их спектральную отражательную способность

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Лопухина, Ольга Владимировна

ВВЕДЕНИЕ. I

Глава I. СПЕКТРАЛЬНАЯ ОТРАЖАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ

ПОЧВ И ЕЕ ПРИРОДА.

1.1. Природа возникновения цвета органических и неорганических почвенных пигментов.

1.2. Зависимость почвенной окраски от различных факторов. II

1.2.1. Зависимость почвенной окраски от химического и минералогического состава почв.

1.2.2. Влияние физического состояния почв на их цвет и спектральную отражательную способность.

1.3. Применение спектральной отражательной способности почв.

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЧВЕННЫХ ОКРАСОК.

3.1. Формирование окрасок гумусовых горизонтов почв (на примере модельных систем "почво-образущая порода - гуминовая кислота").

3.2. Влияние гидроокиси железа на отражательную способность модельных систем "почвенный минерал - гидроокись железа".

3.3. Спектральная отражательная способность обогащенного железом каолина при нагревании, оглеении и действии реактивов Тамма и Мера-Джекссяа.

3.4. Изучение окрасок глеевых горизонтов в процессе искусственного оглееюш.

Глава 4. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА НА

ЦВЕТ природах ПОЧВ.

Глава 5. КАРТОШШН СКО ПОЧВ.

Глава 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СПЕКТРМЬНОЙ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭРОДИРОВАННЫХ ПОЧВ.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Влияние химического и минералогического состава почв на их спектральную отражательную способность"

Измерение отражательной способности - перспективный метод объективной оценки цвета почв. Он может быть использован для морфологической характеристики почвы, при изучении химии поверхности почвенных частиц, в целях дистанционного исследования почвенного покрова.

Впервые метод спектральной отражательной способности использован Г.И.Покровским (1928). Им был снят небольшой набор кривых спектрального отражения горизонтов и сделаны выводы о том, что систематическое применение метода позволит обнаружить взаимосвязь между кривыми отражательной способности и составом почв. Е.И.Кри-новым (1947) сформулированы принципы изучения спектральной отражательной способности природных объектов. Разработку теоретических закономерностей отражения света почвами продолжили В.Л.Андроников, Ю.С.Толчельников, Д.С.Орлов, И.И.Карманов.

Изучена зависимость спектральной отражательной способности от размера частиц минералов (И.Н.Белоногова, Ю.С.Толчельников, 1959), почвенных агрегатов (Д.С.Орлов, 1966) и влажности проб почв (Д.С.Орлов, Ю.Н.Садовников, 1978). Установлен характер профильного изменения отражательной способности почв (Д.С,Орлов, Г.И.Глебова, К.Е.Мидакова, 1966), закономерности интегрального отражения света верхними горизонтами главных почв зонально-генетического ряда (А.И.Обухов, Д.С.Орлов, 1964) и изменение спектральной отражательной способности в зависимости от содержания органического вещества (Н.П.Сорокина, 1967; Н.А.Михайлова и др., 1967; Ю.С.Толчельников,"1974; Б.В.Виноградов, 1981; Д.С.Орлов, Н.И.Суханова, 1983). Закономерности отражения света лежат в основе разрабатываемых в настоящее время дистанционных методов диагностики и бонитировки почв, оценки состояния сельскохозяйственных угодий (П.П.Федченко, К.Я.Кондратьев, 1981; К.Я.Кондратьев, П.П.Федченко, 1982; В.И.Рачкулик, М.В.Ситникова, 1981). Немаловажное значение при дешифровании материалов дистанционной съемки имеет изучение вклада спектральной отражательной способности почвообразувдих пород в отражательную способность верхних горизонтов почв.

В современных почвенных исследованиях цветовые характеристики применяются широко, но из-за отсутствия общепринятых объективных критериев их оценки, знаний о взаимосвязи с химическими и физическими процессами, протекающими в почве, сведения об окраске почв не используются достаточно полно. Необходима дальнейшая разработка спектрофотометрического метода: выяснения законов смешения цветов для почвенных компонентов, изучения конкретных соединений, находящихся на поверхности почвенных частиц и создающих, в основном, цветовой фон.

Такими соединениями, в частности, являются соединения железа, которые играют важную роль в формировании цвета большинства почвенных горизонтов. Формы соединений железа, их соотношение и распределение в почвах разнообразны и являются важными диагностическими признаками почв. Изучение зависимости окраски почвенных горизонтов от форм, количеств и степени окристаллизован-ности соединений железа позволит использовать цвет образца почвы в качестве объективного и легко определяемого спектрофотомет-рическим методом количественного диагностического показателя почвы.

Недостаточно изучена доля участия вторичных алюмосиликатов в формировании окраски почв. К числу важнейших задач следует отнести определение содержания органического вещества в почвах спектрофотометрическим методом. Для решения этой задачи необходимо выяснение законов формирования окраски гумусовых горизонтов и установление количественных взаимосвязей между отражательной способностью, содержанием гумуса и его составом. Отражательная способность позволяет распознавать почвы на разных таксономических уровнях, осуществлять картирование почв по данным отражательной способности.

В данной работе была поставлена задача изучения закономерностей формирования почвенных окрасок, их взаимосвязей с количеством и формами главных почвенных пигментов.

В частности, предстояло:

1) поставить эксперименты по моделированию почвенных окрасок и выявить количественные закономерности отражения света на модельных системах почвенный минерал - гидроокись железа и почвенный минерал - гуминовая кислота;

2) оценить влияние количества и форм соединений железа на отражательную способность почв;!

3) рассмотреть возможность крупномасштабного картографирования почв по их спектральной отражательной способности;

4) выяснить возможность оценки степени эродированности почв по лабораторным измерениям отражательной способности.

Для решения этих задач было снято и обработано около тысячи кривых спектральной отражательной способности.

На основании проведенных модельных исследований найдены закономерности изменения интенсивности отражения модельных систем почвообразующая порода - гуминовая кислота и почвенный ми-' нерал - гидроокись железа при увеличении содержания гуминовой кислоты и гидроокиси железа. В работе впервые данные спектральной отражательной способности сопоставлены с содержанием различных форм железа, полученных с помощью метода ядерного гамма-резонанса.

Впервые также экспериментально показано, что на основании различий в окрасках генетических горизонтов дерново-подзолистых почв можно, используя спектрофотометрический метод, установить степень эродированности этих почв. На базе этих экспериментов предложен новый метод оценки эродированности дерново-подзолистых почв.

Работа выполнена на кафедре химии почв факультета почвоведения МГУ в рамках государственной теш "Биогеохимия, трансформация и аккумуляция органического вещества в естественных и культурных ландшафтах".

Автор благодарит научного руководителя работы доктора биологических наук, профессора Д.С.Орлова за постоянное внимание, доброжелательное, отношение и помощь в работе.

Заключение Диссертация по теме "Агропочвоведение и агрофизика", Лопухина, Ольга Владимировна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В экспериментах по моделированию почвенных окрасок установлено, что при нанесении возрастающих количеств гуминовой кислоты или гидроокиси железа на минеральные почвообразующие основы, спектральные коэффициенты отражения (СКО) убывают по экспоненциаль ным зависимостям вида: л /-ил* -КС- т'1ГЬ

J>e,o=(f ~f )<о V где j)niAX СКО минеральной основы, %; J>m,fL- СКО гуминовой кислоты или гидроокиси железа, %; с - концентрация гуминовой кислоты или гидроокиси железа, %; к - показатель степени, постоянный для каждой модельной системы.

2. Обнаружены существенные изменения СКО обогащенного железом каолина при прогреве (300°С), имитации оглеения и после обработки реактивом Мера-Джексона. Осаждение на поверхности каолина ре (он) 3 приводит к уменьшению : J)^ и появлению на кривой СКО перегиба в области 450-600 нм; этот перегиб исчезает после "оглеения". Прогрев каолина, содержащего Ре(он)3 , приводит к дальнейшему снижению J>x. и сдвигу перегиба кривой на 50 нм. в сторону более длинных волн. Обработка каолина с образовавшимся на поверхности гематитом реактивом Мера-Джексона делает кривую СКО более пологой. Форма кривой становится сходной с кривой чистого каолина, что указывает на удаление гематита с поверхности каолина.

Анализ спектров отражения и форм соединений железа (установленных с помощью метода ЯГР), позволяет сделать вывод о возможности контроля превращений соединений железа по кривым спектральной отражательной способности.

3. Общей тенденцией изменения отражательной способности в результате оглеения является увеличение СКО в синей области спектра на 2-6$ и уменьшение на 2-4$ в красной области. Это приводит к уменьшению или к полному исчезновению перегиба и появлению на кривой выпуклости с некоторым максимумом в средней (желтой) части спектра.

Сходство кривых СКО "оглеенных" образцов с кривыми СКО основных почвенных минералов, а также кривыми СКО проб почв, восстановленных по методу Мера и Джексона, дает основание утверждать, что окраска образцов почв, подвергнутых "оглеению", обусловлена собственным цветом силикатных и алюмосиликатных минералов.

4. Для диагностики соединений железа (гетита и гематита) в пробах почв предложено использовать коэффициенты л (530-480) и aJ> (g80-580)' к°РРелиРУ;к)1Цие с содержанием гетита и гематита в образцах. При диагностике необходимо учитывать светлоту образцов (по величине J>% ) и их механический состав.

5. Проведено сопоставление картограмм СКО ( J* г,^), картограмм. распределения гумуса и почвенной карты участка 200 х 1500 м. Сделан вывод о том, что картограммы удовлетворительно совпадают с почвенной картой и позволяют выявить ряд дополнительных особенностей структуры почвенного покрова.

6. Установлена возможность оценки степени эродированности дерново-подзолистых почв по СКО, которая основывается на различиях в коэффициентах J* r^g ж л J) (620-470) генетических горизонтов дерново-подзолистых почв и их природных смесей в пахотных слоях склонов.

Разработан метод определения степени эродированности дерново-подзолистых почв по СКО.

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Лопухина, Ольга Владимировна, Москва

1. Андроников В.Л. О спектральной отражательной способности некоторых почв лесостепи. - Изв. АН СССР, сер. геогр., 1958, № 3, с. 93-97.

2. Андроников В.Л. Методика дешифрования почвенного покрова территории лесостепи по аэрофотоматериалам. Автореф. дисс., М., 1958.

3. Антонова С.Ю., Кравцова В.И. Опыт использования космических многозональных снимков для изучения засоления территории.

4. В сб.: "Исследование природной среды космическими средствами". М., 1976, с. I3I-I39.

5. Бахирев Г.И. Определение степени эродированности дерново-подзолистых почв по содержанию гумуса. В сб.: "Вопросы методики почвенно-эрозионного картирования"., М., 1972.

6. Белозерский Г.Н., Казаков М.И., Гагарина Э.И., Хантулев А.А. Применение мессбауэровской спектроскопии к изучению форм железа в лесных почвах. Почвоведение, 1978, № 9, с. 35-45.

7. Белоногова И.Н., Толчельников Ю.С. Изв. АН СССР, сер. геология, J£ II, 1959.

8. Брил Т. Свет. Воздействие на произведения искусства. М.,: Мир, 1983.

9. Буянов Р.А., Криворучко О.П., Рыжак И.А. Кинетика и катализ, 1972, В 13, с. 470.9? Бирюкова О.Н. Вестник МГУ, сер. геология, J6 4, 1978, C.13SMV2 10. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.Н. Практикум по физике почв, -Изд-во МГУ, 1982.

10. Васильев О.Б., Федченко П.П. Спектральные отражательные свойства почв Украины и Молдавии по натурным и лабораторным измерениям. Труды Ин-т экспериментальной метеорологии, вып. 7 (66), 1976, с. 23-30.

11. Виноградов Б.В. Дистанционная индикация содержания гумуса в почвах. Почвоведение, 1981, № II, с. II4-I23.

12. Возбудская А.Е. Химия почвы. М.: Высшая школа, 1964.

13. Воронин А.Д., Манучаров А.С., Максимова Н.А. Минералогический состав фракций механических элементов почв темно-каштановой подзоны. Почвоведение, 1972, № 8, с.

14. Горбачев В.А., Федченко П.П. 0 точности наземных измерений отражательных характеристик почв. Труды Ин-т а экспериментальной метеорологии, вып. 7 (66), 1976, с. 12-22.

15. Горбунов Н.И., Минералогия и физхимия почв. М.: Наука, 1978.

16. Горбунов Н.И., Березина Н.В., Зарубина Т.М. Природа и скорость оглеения почв. Почвоведение, 1980, J^ 3, с.

17. Зайдельман Ф.Р. Подзоло- и глееобразоваяие. Изд-во "Наука", 1974.

18. Зайдельман Ф.Р., Нарокова Р.П. Глееобразование при застойном и промывном режимах в условиях лабораторного моделирования. Почвоведение, 1978, $ 3, с. 42-53.

19. Зайдельман Ф.Р., Санджаров А.И. Моделирование процесса глееобразования на ленточной глине. Вестник Моск. ун-та, 1982, J& 2, с. 56-60.

20. Заславский М.Н. Эрозия почв. 1979, с. 108.

21. Зонн С.В. Железо в почвах, М.: Недра.

22. Зырин Н.Г., Кулиев Ф.С. Спектральная отражательная способность почв Ленкоранской зоны Азербайджанской ССР. Научн. докл. высш. школы биол. науки, 1967, Jfc 7, c.!23-i2£

23. Ершова JI.С. Формы и дисперсность Ре-соединений почв. М.: 1981, канд. дисс.

24. Карасева С.Е. Состав и свойства фракций механических элементов желтоземов зоны влажных субтропиков. Автореф. канд. дисс. М., 1975.

25. Карманов И.И. О применении спектрофотометрических коэффициентов к изучению почвообразовательных процессов. Почвоведение, 1968, № 2, с. 13-29.

26. Карданов И.И. Изучение почв по спектральному составу отраженных излучений. Почвоведение, 1970, $ 4, с. 43-47.

27. Карманов И.И., Рожков В.А. Опыт установления количественных связей между цветовыми свойствами почв и их вещественным составом. Почвоведение, $ 12, 1972, с. 71-79.

28. Карманов И.И. Спектральная отражающая способность и цвет почв как показатели их свойств. М.: Колос, 1974.

29. Карпачевский Л.О., Бабанин В.Ф. Диагностика железистых минералов при помощи мессбауэровской спектроскопии. Почвоведение, 1972, № 10, с. II0-I20.

30. Карпачевский Л.О., Бабанин В.Ф. Междунар. конгресс почвоведов. -М., 1974, т. УП, с. 139.

31. Касаточкин В.И., Кононова М.М., Ларина Н.К. ,• Егорова О.И. Спектральное и рентгеновское исследование химического строения гумусовых веществ почвы. В сб.: "Физика, химия, биология и минералогия почв СССР", 1950, т. 74, J 4.

32. Качинский Н.А. в "Практикуме по почвоведению". М.: Колос, 1980, с. 78-86.

33. Классификация и диагностика почв СССР. М., 1977.

34. Кондратьев К.Я., Васильев О.Б., Федченко П.П. Опыт распознавания почв по их спектрам отражения. Почвоведение, № 4 1978, с. 5-17.

35. Кондратьев К.Я., Федченко П.П. Спектральная отражательная способность и распознавание растительности. JI., 1982.

36. Кринов Е.И. Спектральная отражательная способность природных образований, 1947, изд-во АН.СССР, М.-Л.

37. Лепешев А.А., Ярошевич Л.М. Картографирование эродированных почв Белоруссии с помощью материалов аэрофотосъемки. В сб.: "Закономерности проявления эрозионных и русловых процессовв разных природных условиях". М., 1978.

38. Ливеровский Ю.А., Использование аэрометодов в почвоведении. -Труды лабор. аэрометодов АН СССР, т. УП, 1959, с. 293.

39. Лукашев К.И., Ковалев В.А. Некоторые особенности минералогогеохимической системы железа в современных торфяниках. Докл.

40. АН СССР, 1969, т. 187, J6 6.

41. Мера О.П., Джексон М.Л. Удаление окислов Ре из почв и глин в минералогических целях. Кора выветривания, вып. 5.

42. Миловский А.В. Минералогия и петрография. М., 1973.

43. Михайлова И.А., Неунылов B.I., Иванов Г.И. Применение метода интегральной спектроскопии для исследования почв Приморского края. Почвоведение, 1967, й 2, с. 50-60.

44. Михайлова Н.А. Взаимосвязь между содержанием гумуса в почве и ее спектральной отражающей способностью. В кн.: Почвенные и агрохимические исследования на Дальнем Востоке. Изд-во СО АН СССР, 1970, с. 53-59.

45. Михайлова Н.А., Хижняк А.В. Спектральная яркость луговых глеевых почв. В сб.: Луговые почвы Приморья. Владивосток, 1976, с. 87-93.

46. Никольский Б.П., Калямин А.В., Кувшинов В.А., Пальчевский В.В, Томилов С.Б., Якубов Х.Н. Докл. АН СССР, 1974, 217, с. 107.

47. Обухов А.И., Орлов Д.С. Спектральная отражательная способность главнейших типов почв и возможность использования диффузного отражения при почвенных исследованиях. Почвоведение, № 2, 1964, с. 83-93.

48. Орлов Д.С., Глебова Г.И., Мидакова К.Е. Анализ распределения в почвенном профиле соединений окисного железа и гумуса по кривым спектральной яркости. Научн. докл. Высшей школы Биол. науки, 1966, Jfc I, с. 217-222.

49. Орлов Д.С. Количественные закономерности отражения света почвами. Влияние размера частиц (агрегатов) на отражательную способность. Научн. докл. Высшей школы Биол. науки, 1966, й4, с. 206-210.

50. Орлов Д.С. Количественные закономерности отражения света почвами. 2. Соотношение площадей. Научн. докл. Высшей школы Биол. науки, 1967, № 9, с. II6-II8.

51. Орлов Д.С., Бузанова Э.Н. Количественные закономерности отражения света почвами. Ш. Соотношение объемов. Н.Д.В.Ш. Биол. науки, 1968, с. 106-108.

52. Орлов Д.С., Садовников 10.Н. Спектрофотометрический метод характеристики почв, почвенной окраски и количественные закономерности отражения света почвами. Агрохимия, 1978,1. J& 4, с. I33-I5I.

53. Орлов В.Н., Добрый-Вечер А.Н., Исаков В.Н. Космическая геофизика. Л.: 1970, с. 82-84.

54. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв. Изд-во МГУ, 1974.

55. Орлов Д.С., Проишна Н.Б. Количественные закономерности отражения света почвами. 71. Вариационно-статистическая характеристика почв Звенигородской биостанции Московского университета. Научн. докл. высш. школы биол. науки.,1975, № 7, с. IIi-115.

56. Орлов Д.С., Садовников Ю.Н., Звонарева В.А. Количественные закономерности отражения света почвами. УШ. Интегральное отражение света гумусовыми горизонтами почв главных типов. -Научн. докл. высш. школы Биол. науки, 1976, № 7, с. 128-132.

57. Орлова В.К. Развитие процессов эрозии на дерново-подзолистых почвах, сформированных на покровных суглинках. Автореф. канд. дисс., М., 1978.

58. Орлов Д.С., Обухов А.И., Ведина О.Т., Садовников Ю.Н. Количественные закономерности отражения света почвами. IX. Субтропические почвы Западной Грузии. Научн. докл. высш. школы Биол. науки, 1978, В 2, с. 127-132.

59. Орлов Д.С., Лопухина О.В., Суханова Н.И. Количественные закономерности отражения света почвами. X. О возможности крупномасштабного картирования почв по спектральной отражательной способности. Научн. докл. высш. школы Биол. науки, 1982, В I, с. 92-96.

60. Орлов Д.С., Кауричев И.С. Окислительно-восстановительные процессы и их роль в генезисе и плодородии почв. М.: Колос, 1982.

61. Покровский Г.И. Об измерении цвета почв. Почвоведение, 1928, ib 1-2.

62. Поляков Ю.А., Зацепина Л.Н. Определение удельной поверхности почв и других природных сорбентов методом газовой хроматографии. Почвоведение, № 5, 1978, с. 75-82.63