Эволюция глинистого материала гумусового горизонта черноземов при мелиорации солонцов землеванием

В XX веке широко практиковалась мелиорация почв солонцовых комплексов путем внесения химических мелиорантов и насыпки на поверхность плодородного слоя незасоленной почвы для ведения на них сельского хозяйства. Функционирование мелиорированных почв в течение нескольких десятилетий способствовало развитию нового этапа их эволюции, знание закономерностей развития которого необходимо для прогнозирования и последующего предупреждения возможных негативных последствий и совершенствования приемов регулирования состояния этих почв. Перспективным направлением исследования эволюционных изменений почв является анализ минералогического состава тонкодисперсных фракций почв и влияние солей на агрегирование или пептизацию ила.

Задачей исследований является анализ изменений состояния тонкодисперсных компонентов исходных почв гидроморфных солонцовых комплексов и насыпанного на них материала в течение 50-летнего периода развития в постмелиоративных и постагроген-ных условиях.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Полевые опыты по мелиорации почв гидроморфных солонцовых комплексов путем их землевания материалом гумусового горизонта черноземов были заложены в 1953 г. в Каменной Степи на участке в верховье балки Нужной (51°01’11-15” с.ш., 40°40’47-54” в.д.) (Воронежская обл., Россия) (Антипов-Каратаев и др., 1960).

До мелиорации почвы экспериментального участка были представлены черноземом обыкновенным, черноземом карбонатным (зоогенно перерытым) и черноземом солонцеватым на повышенных элементах рельефа. В лощине черноземы сменялись ком- плексом содово-сульфатных солонцов, солонцов-солончаков и в разной степени солонцеватых и солончаковатых луговых почв (Антипов-Каратаев и др., 1960). В днище лощины уровень грунтовых вод находился на глубине 80-180 см. По составу солей воды являлись сульфатно-гидрокарбонатными магниево-натриевыми с общей минерализацией 1.4-1.6 г/л. Мелиорация почв включала закладку закрытой дрены вдоль тальвега лощины, частичное подъем и выравнивание поверхности за счет насыпки материала гумусового горизонта чернозема с соседнего участка, внесение гипса, навоза и удобрений в разных соотношениях, посев многолетних трав для создания сенокоса.

Через полвека после начала опыта в начале 2000-х годов были проведены повторные исследования состояния мелиорированных почв, находящихся под сенокосом в постагрогенных условиях (рис. 1). Они включали детальное почвенное картографирование, площадную съемку рельефа, подробное морфологическое описание почв и отбор образцов для выполнения анализов химических и физических свойств почв.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Рассмотрим результаты эволюционного изменения свойств черноземной массы, насыпанной на почвы солонцового комплекса. В ряде разрезов возле проложенной закрытой дрены благодаря наличию маркирующей прослойки желто-бурого материала нижних горизонтов, профиль легко разделить на погребенную и насыпанную части. В остальных случаях насыпанный материал отделяли от погребенной части на основе совокупности морфологических признаков (сложение, структура, новообразования).

В большинстве почвенных разрезов и прикопок поверхностный горизонт (дернина) имеет слоистое строение. В нем отмечается белесая присыпка из отмытых пылеватых частиц. Мощность слоя, в котором ее можно обнаружить, варьирует от 3 до 7 см, чаще всего не превышая 4 см.

Бывшая масса гумусового горизонта чернозема, состоявшая из комковато-зернистых и угловатых агрегатов, в настоящее время летом расчленена вертикальными трещинами до глубины 40-60 см на призмовидные блоки-глыбы шириной от 10 до 15-20 см.

Рис. 1. Схема расположения почвенных разрезов на опытном участке по катене DC, пересекающей лощину в поперечном направлении. Обозначения: 1 - дневная поверхность, 2 - насыпанный материал нижних горизонтов, 3 - насыпанный слой гумусового горизонта чернозема (при зем-левании), 4 - установившийся уровень грунтовых вод (25 августа 2008 г.), 5 - глубина вскрытия водоносного горизонта при бурении скважины, б - нижняя граница гумусированных горизонтов, 7 - глубина сплошного вскипания от НС1, 8 - положение почвенного разреза, углубленного скважиной. Почвы и растительность: Т-0430 - агрочернозем сегрегационный квазиглееватый глубокосолончаковатый, пашня, стерня озимой пшеницы; Т-0432 - чернозем глинисто-иллювиальный квазиглеевый солонцеватый гумусово-стратифицированный постагрогенный, пырей; Т-0433 и Т-0434 - гумусово-квазиглеевая солонцеватая гумусово-стратифицированная постагрогенная почва, пырей и осока; Т-0435 - чернозем солонцеватый квазиглееватый гумусово-стратифицированный постагрогенный, пырей; Т-0436 и Т-0438 - гумусово-квазиглеевая солонцеватая постагрогенная почва, пырей; Т-0437 - чернозем глинистоиллювиальный квазиглеевый солонцеватый постагрогенный, пырей; Т-0439 - чернозем сегрегационный зоотурбированный квазиглееватый постагрогенный, пырей и злаковое разнотравье.

Вертикальное сечение трещин имеет вид веретена. С поверхности трещины закрыты, поскольку поверхностный горизонт представляет собой дернину, густо переплетенную корнями злаков и корневищами пырея. Трещины открываются на глубине 3-6 см, расширяются до 6-10 мм на глубине 15-30 см, сужаясь в более глубоких слоях за счет увеличения влажности.

Блоки-глыбы очень прочные. Верхняя часть блоков дополнительно рассечена тонкими вертикальными трещинами на призмы шириной от 6 до 10-15 см и высотой до 15-25 см. Следовательно, в течение 50 лет сформировался прообраз будущей столбчатой структуры в виде призмовидных отдельностей с четко выраженной вертикальной осью. Однако пока такие отдельности имеют ровную верхнюю грань, которая еще не претерпела активного воздействия элювиальных процессов.

На боковых гранях призмовидных отдельностей наблюдаются черные гумусово-глинистые кутаны. Их обилие изменяется в зависимости от глубины. Первые фрагментарные кутаны появляются на глубине от 6 до 10 см, т.е. на расстоянии 3-6 см от верхней грани призмы. Внутри призм на этой глубине их обнаружить не удалось. Все сколы и разломы вскрывали сильноспрессованные зернистые и угловатые агрегаты с матовыми гранями. На глубине 10-20 см кутаны покрывают 50-70% площади боковых граней вертикальных призм и по некоторым трещинкам проникают внутрь блока. Глубже количество кутан возрастает уже внутри блоков.

В течение 50 лет произошло изменение состава обменных катионов и почвенного раствора за счет подъема и залегания грунтовых вод на глубине 0.3-1.0 м с его колебаниями от 0-0.5 м весной до 0.5-1.6 м осенью. Часть обменного кальция замещена магнием и натрием грунтовых вод и осаждена в виде мелких конкреций карбоната кальция. В результате в бывшем материале гумусового горизонта чернозема содержание обменного натрия составляет от 5 до 15%. Вытяжки из насыщенных водой паст имеют удельную электропроводность 1-2 дСм/м. Из этого следует, что в исследуемых почвах возникли физико-химические условия развития солонцового процесса (сочетание содержание обменного натрия >5% от ГКО и удельная электропроводность вытяжки из насы- щенной водой пасты ECse <2 дСм/м) (Чевердин и др., 2009; Хит-ров, Чевердин, 2009).

Таким образом, возникновение физико-химических условий развития солонцового процесса в гумусированном материале бывшего чернозема, насыпанного на поверхность почв солонцового комплекса для его мелиорации, сопровождается развитием морфологических признаков, характерных для солонцеватых почв.

Установлено, что через 50 лет в насыпанном материале гумусового горизонта чернозема началась слабая вертикальная дифференциация илистой фракции. В поверхностном слое 0–4 см содержание ила (<1 мм) уменьшилось от 40–45 до 34–35%. Остальная часть насыпанного слоя сохранила исходный гранулометрический состав (табл. 1). Бывшие поверхностные горизонты солонцеватых почв, расположенные непосредственно под насыпанным материалом, отличаются также относительно небольшим содержанием ила (32–35%). Это является следствием элювиальноиллювиального распределения ила исходных солонцеватых почв. Одинаковый уровень содержания ила и диапазон его изменения в элювиированных горизонтах насыпанного материала и погребенной исходной почвы позволяет сделать заключение об однотипности протекавших процессов передвижения ила по профилю почвы.

В агрегированных фракциях ила (АИ1, АИ2) состав минеральных компонентов остается таким же, но увеличивается доля гидрослюд, и смешанослойные слюда-смектиты имеют более совершенную структуру за счет меньшей разупорядоченности структуры в кристаллитах. Доля тонкодисперсного кварца во фракциях АИ1 и АИ2 меньше, чем во фракции ВПИ, и более схожа с таковой лёссовидных глин, являющихся почвообразующей породой.

За счет солонцового процесса часть ранее агрегированного ила переходит в воднопептизированное состояние и начинает передвигаться из слоя 0–4 см вниз по профилю. Воднопептизиро-ванный ил состоит из сильноразупорядоченных сложных смеша-нослойных слюда-смектитовых образований с высоким содержанием смектитовых пакетов, гидрослюд, каолинита, хлорита, а также высокодисперсного кварца (рис. 2).

Таблица 1. Содержание гранулометрических фракций и соотношение разных фракций ила по прочности связей между частицами (ВПИ – вод-нопептизированный ил, АИ1 – агрегированный ил категории 1, АИ2 – агрегированный ил категории 2) в почвах мелиорированного солонцово- го комплекса

Горизонт*	Глубина, см	Содержание (%) гранулометрических фракций, мм				Доля фракций ила по прочности связей между частицами, % от ила
		1–0.01	0.01– 0.005	0.005– 0.001	<0.001	ВПИ	АИ1	АИ2
Т-0430 – агрочернозем сегрегационный квазиглееватый
PU1	0–11	глубо 25.9	осолон 21.2	чаковат 14.1	ый 38.9	3.3	65.0	31.4
PU2	11–22	28.7	21.9	10.9	38.5	3.1	55.3	41.6
PU3	22–30	26.9	16.7	15.2	41.2	3.2	66.3	30.6
AUb	30–50	29.8	11.7	14.3	44.1	8.6	59.2	32.4
BCAnc,i,q	80–100	33.7	08.8	14.7	42.8	Не опр
BCAnc,i,q Cca,nc,q Т-043	120–140 200–220 2 – черно	28.7 34.9 зем глин	11.4 08.8 исто-и	12.2 10.8 ллювиал	47.7 45.5 ьный кв	» » азиглеевый
солонцеватый гумусово-стратифицированный постагрогенный
au,el,rh	0–4	36.8	10.2	18.2	34.7	8.1	75.2	17.0
AUsn,pa,rh	4–10	35.6	06.8	15.2	42.4	14.9	66.0	19.1
AUsn,pa,rh	10–17	29.9	12.9	11.8	45.4	13.9	65.4	20.7
AUsn,pa	17–30	34.3	11.0	22.3	32.4	10.5	61.7	27.8
AUsn,pa	30–45	39.1	13.1	13.5	34.3	12.0	81.6	6.4
Т-0434 – гумусово-квазиглеевая солонцеватая гумусово-
au,el,rh	стратиф 0–2	ициров 43.6	анная п 09.3	остагрог 12.0	енная п 35.1	чва 19.7	58.1	22.2
AUsn,pa,rh	2–10	31.0	09.9	13.9	45.2	17.5	64.6	17.9
AUsn,pa,rh	10–20	31.5	11.4	13.7	43.4	19.1	64.5	16.4
AUpa,sn	50–60	37.7	09.4	18.1	34.8	25.0	52.6	22.4
AUb,sn	60–70	35.4	09.7	10.0	45.0	23.8	68.2	07.8
AUb,sn(ca),q	100–110	30.4	11.7	13.6	44.3	Не опр
Qca BCq,nc Cg,ca,nc Т-043	130–140 160–170 190–200 7 – черно	48.7 43.3 41.0 зем глин	02.3 05.6 04.2 исто-и	24.1 21.3 21.2 ллювиал	24.9 29.8 33.6 ьный кв	» » » азиглеевый
au,el	со 0–3	лонцев 41.2	атый по 13.7	стагрог 12.9	енный 32.3	08.4	80.2	11.1
AUsn,pa	3–7	38.3	07.3	17.8	36.6	42.9	41.5	15.6
AUsn,pa	7–20	40.1	09.7	15.6	34.5	46.1	49.9	04.3

* Индекс “rh” обозначает насыпанный гумусированный материал.

Рис. 2. Рентген-дифрактограммы фракций воднопептизированного ила (<1ц) в воздушно-сухом состоянии: разр. Т-0432: 1 - au,el,rh 0-4 см; 2 - AUsn,pa,rh 4-10 см; 3 - AUsn,pa,rh 10-17 см; 4 - AUsn,pa 17-30 см; 5 - AUsn,pa 30—45 см; разр. Т-0434: au,el,rh б - 0-2 см; 7 - AUsn,pa,rh 2-10 см; 8 - AUsn,pa,rh 10-20 см; 9 - AUsn,pa 50-60 см; 10 - AUb,sn 60-70 см.

Отличительной особенностью поверхностных горизонтов почв солонцового комплекса является повышенное содержание высокодисперсного кварца микронной размерности за счет разрушения минералов.

Фракция 1-5 мкм представлена кварцем (преобладает), гидрослюдами-слюдами, хлоритом, каолинитом. Наибольшее количество кварца отмечается в верхних горизонтах (в дернине) всех исследованных профилей почв.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследовано постмелиоративное развитие гидроморфного черноземного солонцового комплекса почв, мелиорированного в 1950-х годах путем землевания материалом гумусового горизонта расположенных рядом черноземов с различными вариантами вне- сения гипса, навоза и удобрений на фоне закрытой фашинной дрены, заложенной по тальвегу лощины.

Под действием солонцового процесса хорошоагрегирован-ный материал черноземов, насыпанный на солонцовый комплекс, начинает переходить в пептизированное состояние и перемещаться вниз по профилю. На начальной стадии в пептизированное состояние переходят тонкодисперсные зерна кварца, слюд и частицы сильноразупорядоченных смешанослойных слюда-смектитовых образований. При усилении процесса пептизированный материал обогащается смектитовой фазой. В результате в поверхностном слое происходит относительное накопление компонентов с жесткой структурой и уменьшение содержания ила за счет частичного выноса илистых частиц с повышенным содержанием смектитовой фазы в нижележащие горизонты с образованием гумусовоглинистых натечных кутан. В совокупности отмеченные процессы приводят к формированию текстурно-дифференцированного профиля, характерного для солонцеватых почв.

EVOLUTION OF CLAY MATERIAL FROM THE HUMUS