Способ диагностики полугидроморфных минеральных почв

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПОЛУГИДРОМОРФНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ПОЧВ(71) Заявитель Республиканское научное дочернее унитарное предприятие Институт почвоведения и агрохимии(72) Авторы Смеян Николай Иванович Цытрон Галина Станиславовна Сергеенко Владимир Терентьевич Лисица Владимир Данилович Щульгина Светлана Владимировна Азаренок Татьяна Николаевна(73) Патентообладатель Республиканское научное дочернее унитарное предприятие Институт почвоведения и агрохимии(57) Способ диагностики полугидроморфных минеральных почв, включающий выделение илистой фракции иллювиального горизонта, отличающийся тем, что фракцию обрабатывают лимонно-кислым натрием и дитионитом натрия, рентгендифрактометрически определяют качественный и количественный минералогический состав, определяют процентное отношение новообразованных минералов - вермикулита и смектита - к гидрослюде и при его величине 0,22-0,36 почву относят к слабоглееватой, при 0,37-0,48 - к глееватой и при более 0,48 - к глеевой. Изобретение относится к области генетического и агрономического почвоведения и может быть использовано при проведении крупномасштабного почвенного картографирования для диагностики степеней гидроморфизма почв, объективная оценка которых является научной основой рационального экономически выгодного и экологически безопасного использования почвенных ресурсов, разработки региональных прогнозов изменения почвенного покрова осушенных территорий и проектирования реконструкции мелиоративных систем. Полугидроморфные почвы (слабоглееватые, глееватые и глеевые) занимают 46,5 пахотных и 51,2 сельскохозяйственных земель в Республике Беларусь. Наиболее характерны эти почвы для Белорусского Поозерья и Полесья. Определяющим фактором формирования минеральных полугидроморфных почв является их переувлажнение и, как следствие, основным почвообразовательным процессом глееобразование. В процессе глееобразования происходит переход в подвижное состояние железа и марганца, сосредоточенного в виде окисных пленок на поверхности минеральных частиц и агрегатов. В результате этого почвообразующая порода красноватого, жел 10543 1 2008.04.30 товатого, коричневого тонов, освобождаясь от железистых гидроокисных пленок, приобретает холодный оттенок - серый, сизоватый, голубоватый. Более того, в минеральной основе почвенного поглощающего комплекса полугидроморфных почв происходит замещение калия в гидрослюдах различными гидратированными ионами и окисление октаэдрического железа. Эти изменения приводят к уменьшению заряда решетки и в зависимости от реакции среды происходит формирование нового минерала 1. В настоящее время используется полевой и лабораторный метод диагностики этих почв. Полевой метод диагностики полугидроморфных почв базируется на визуальной оценке морфогенетического строения почвенного профиля. При этом следует отметить,что для каждой группы почв по степени гидроморфизма, образовавшихся на породах различного генезиса и гранулометрического состава, нужно применять индивидуальные и строго определенные визуальные признаки переувлажнения, приуроченные к генетическим горизонтам. Полевой метод диагностики степени увлажнения минеральных почв простой в работе,но субъективный как при установлении окраски, новообразований, так и оглеенных участков. Площадь оглеенных участков генетических горизонтов и вертикальных стенок профиля оценивается на глазок, без инструментального вычисления 2. Существует и лабораторный способ определения степени увлажнения минеральных почв, базирующийся на отношении железа к марганцу в ортштейнах этих почв. Из верхнего горизонта почвы выделяются ортштейны путем промывания образца на сите с отверстием 1 мм. Ортштейны крупнее 1 мм остаются на сите и с ними проводят дальнейшую работу. Химическим путем определяют в них железо и марганец. По результатам анализа определяют отношение подвижного железа к подвижному марганцу, извлекаемых однонормальным раствором серной кислоты на 100 г ортштейнов. На основании этих данных установлены градации отношений / как показатель заболоченности минеральных почв. Для дерново-подзолистых почв величина отношения / не превышает 3 дерново-подзолистых глубокооглеенных в пределах 3,1-7,0 дерново-подзолистых глееватых 7,1-32 и дерново-подзолистых глеевых более 60 3. При использовании данного способа возникают трудности с выделением ортштейнов,особенно в глеевых почвах. В воде при промывании образца на сите, ортштейны в глеевых почвах разрушаются. Химическое определение подвижного железа и марганца в ортштейнах трудоемко и достаточно затратно. Недостатком полевого и лабораторного способов диагностики полугидроморфных почв является то, что первый из них основывается на субъективной оценке цвета и площадей оглеения поверхности горизонтов почвенного профиля. Другой способ - не во всех почвах дает возможность выделить ортштейны, а значит, и получить объективные данные. Целью данного изобретения является разработка способа диагностики полугидроморфных минеральных почв, который обеспечивает возможность объективно оценить степень гидроморфизма почв по тем структурным изменениям минералов, которые происходят в почвах. Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является диагностика полугидроморфных минеральных почв по величине коэффициента цветности (ЦХ) иллювиального горизонта 4. Коэффициент цветности(ЦХ) является морфологической характеристикой почв и формируется химическим, минералогическим составами и направленностью почвообразовательных процессов. Более того, наиболее информативными в отношении установления генетической принадлежности почв являются иллювиальные горизонты, в то время как пахотные и подпахотные горизонты часто бывают изменены хозяйственной деятельностью человека, повреждены эрозионными процессами. В иллювиальных горизонтах наиболее отчетливо запечатлено прошлое и настоящее почвы - присутствие химических элементов в окисленной и восстановленной формах, органо-минеральных соединений и илистых частиц, свидетельствую 2 10543 1 2008.04.30 щих о периодах переувлажнения и иссушения почвы, о путях трансформации ее минеральной части. В данном случае диагностика полугидроморфных почв проводится по довольно информативному горизонту, но только по цветовой гамме (коэффициенту цветности ЦХ 7),не затрагивая тех глубинных процессов, которые происходят в минеральной основе почвенного поглощающего комплекса. Недостатком вышеизложенного технического решения является то, что этот прием базируется на характеристиках поверхностных эффектов минеральных частиц почвы, не затрагивая тех внутренних изменений в кристаллических структурах минералов. Поэтому задачей настоящего технического решения является получение количественных показателей структурных изменений минеральной основы поглощающего комплекса почвы иллювиальных горизонтов, по которым можно объективно диагностировать минеральные почвы по степени увлажнения. Поставленная задача решается путем определения количественного содержания глинистых минералов в илистых фракциях иллювиальных горизонтов полугидроморфных дерново-подзолистых почв. Принципиально новым моментом в предлагаемом авторами приеме является оценка изменения в кристаллических структурах глинистых минералов под влиянием почвообразовательных процессов при избыточном увлажнении. Сущность предлагаемого авторами изобретения, включая известное решение, состоит в оценке величины соотношения новообразованных глинистых минералов (вермикулита и смектита) к гидрослюде, по которой относят почву к слабоглееватой, глееватой или глеевой. Гидрослюда под влиянием почвенных растворов трансформируется в другие глинистые минералы в зависимости от интенсивности и длительности преобразования. На ранней стадии трансформации межслоевые катионы К замещаются молекулами воды. Удаление межслоевых катионов приводит к тому, что поверхности двух соседних тетраэдрических слоев оказываются отрицательно заряженными и, следовательно, стремятся к разъединению, в результате чего происходит увеличение межплоскостного расстояния, т.е. начинается вермикулитизация гидрослюды. При этом процесс превращения гидрослюды начинается прежде всего на тех листочках, которые содержат включения, полости, характеризуются дефектами кристаллической решетки и др. В результате этого образуется смешаннослойная фаза, состоящая из неизмененных (или малоизмененных) гидрослюдистых и вермикулитизированных слоев. Постепенно процесс трансформации охватывает все большее количество слюдистых пакетов и обусловливает таким образом индивидуализацию вермикулита. На этой стадии трансформации гидрослюды происходит также изменение химического состава ее октаэдрических слоев. После удаления межслоевых катионов в первую очередь октаэдрические позиции оставляет 3, которое сначала перемещается в межслоевые позиции, а затем при благоприятных условиях мигрирует за пределы структуры. Вынос 3 из октаэдров приводит к относительному увеличению в них ионов А 3, однако, последний заполняет менее 2/3 всех возможных положений. Это обстоятельство обусловливает возрастание суммарного отрицательного заряда в структуре. Находящееся в межслоевых позициях 3 довольно прочно связывает между собой слои и препятствует разбуханию решетки. По мере дальнейшей дезинтеграции гидрослюдистых частиц и высвобождению межслоевых катионов происходит изоморфное замещение А 3 на 4, благодаря чему компенсируется отрицательный заряд тетраэдрических слоев. Замещенный в тетраэдрах А 3 переходит в октаэдрические позиции, нейтрализуя заряд слоя, образовавшегося после удаления из него 2. С уменьшением заряда у новообразованной фазы появляется способность к разбуханию. Отметим, однако, что основным конечным продуктом деградации в исследуемых почвах является вермикулитоподобный минерал, не способный к разбуха 3 10543 1 2008.04.30 нию от глицерина и этиленгликоля. В почвах полугидроморфного ряда появляется и более зрелая фаза - смектит. Количественное содержание глинистых минералов в илистой фракции иллювиального горизонта проводили по общепринятым методам. Фракцию менее 0,001 мм обрабатывали методом О.П. Мера и М.Л. Джексона 5, который заключается в обработке 1,0 г образца 40 мл 0,5 раствором лимонно-кислого натрия и 5 мл 1 н раствором бикарбоната натрия,нагревании смеси до 80 и добавлении 0,5 г дитионита натрия, центрифугировании с последующим насыщением образца 1 н раствором хлористого магния в течение 12 часов с дальнейшим отмыванием его дистиллированной водой и высушиванием. Для рентгендифрактометрической съемки готовили ориентированный препарат с исключением сегрегации частиц. Съемку делали воздушно-сухого препарата, сольватированного этиленгликолем и прокаленного при 550 С. Рентгендифрактограммы илистых фракций полугидроморфных почв показаны на фиг. 1-3. Расчет содержания глинистых минералов в илистой фракции проводили с использованием уравнительных коэффициентов базальных рефлексов 6. Количественное содержание глинистых минералов иллювиальных горизонтов полугидроморфных минеральных почв приведены в табл. 1. Соотношение новообразованных глинистых минералов к гидрослюде назовем коэффициентом лабилизации. По мере нарастания степени увлажнения коэффициент лабилизации увеличивается. В табл. 2 приведены результаты диагностики полугидроморфных минеральных почв по данным рентгендифрактометрического и спектрофотометрического анализов. Исследования, проведенные на большом количестве образцов иллювиальных горизонтов песчаных, супесчаных и суглинистых почв разной степени увлажнения (более 30 образцов на одну степень увлажнения) позволили установить интервалы изменения коэффициентов лабилизации. Для слабоглееватых почв независимо от гранулометрического состава коэффициенты лабилизации изменяются в пределах 0,22-0,36 для глееватых - 0,37-0,48 и глеевых -0,48. Таблица 1 Состав и содержание глинистых минералов в иллювиальных горизонтах полугидроморфных дерново-подзолистых почв Образец Содержание глинистых Генеминералов,тиче- Глувер- гидский бина,каосмек мику рохлогори- см литит лит слюрит зонт нит да Дерново-подзолистая слабоглееватая песчаная, развивающаяся на мощном связном древнеаллювиальном песке Дерново-подзолистая глееватая песчаная,развивающаяся на мощном связном древнеаллювиальном песке Дерново-подзолистая глеевая песчаная,развивающаяся на мощном связном древнеаллювиальном песке Дерново-подзолистая слабоглееватая супесчаная, развивающаяся на связной водноледниковой супеси, подстилаемой с глубины около 0,5 м моренным суглинком 10543 1 2008.04.30 Дерново-подзолистая глееватая супесчаная, развивающаяся на связной воднолед 5 никовой супеси, подстилаемой с глубины около 0,5 м моренным суглинком Дерново-подзолистая глеевая супесчаная,развивающаяся на связной водноледнико 6 вой супеси, подстилаемой с глубины около 0,5 м моренным суглинком Дерново-подзолистая слабоглееватая суг 7 линистая, развивающаяся на мощном лессовидном суглинке Дерново-подзолистая глееватая суглини 8 стая, развивающаяся на мощном лессовидном суглинке Дерново-подзолистая глеевая суглинистая,9 развивающаяся на мощном лессовидном суглинке Дерново-подзолистая слабоглееватая суг 10 линистая, развивающаяся на мощном легком моренном суглинке Дерново-подзолистая слабоглееватая суг 11 линистая, развивающаяся на мощном легком моренном суглинке Дерново-подзолистая слабоглееватая суг 12 линистая, развивающаяся на мощном легком моренном суглинке Примечание- новая индексировка горизонтов. Предлагаемый способ диагностики полугидроморфных минеральных почв по преобразованиям гидрослюдистых минералов является объективным и отвечает критериям новизны. Данные табл. 2 подтверждают полное совпадение изученных образцов дерновоподзолистых слабоглееватых, глееватых и глеевых почв по спектрофотометрическому методу и предлагаемому способу как на суглинистых, так и на песчаных почвообразующих породах. В отобранных из иллювиальных горизонтов почв образцах под 1, 4, 7, 10 коэффициенты лабилизации изменяются от 0,24 до 0,36 в образцах 2, 5, 8, 11 соответственно 0,39-0,46 в образцах 3,6,9,12 - 0,63-1,02. Следовательно, образцы 1, 4, 7,10 взяты из слабоглееватых почв образцы 2, 5, 8, 11 - из глееватых и образцы 3, 6, 9, 12 - из глеевых почв. Предлагаемый способ диагностики полугидроморфных минеральных почв по структурным изменениям их глинистых минералов позволяет оценивать величину новообразованных минералов в зависимости от степени гидроморфизма почв и отвечает критериям новизны. Параметры трансформаций глинистых минералов в зависимости от интенсивности и длительности воздействия влаги на почву в патентной литературе неизвестны. Предлагаемый способ диагностики полугидроморфных почв отвечает критерию изобретательного уровня, так как он базируется на данных структурных изменениях (новообразованиях) глинистых минералов под воздействием почвенных процессов с избытком влаги. 10543 1 2008.04.30 Таблица 2 Диагностика полугидроморфных почв по предлагаемому способу и спектрофотометрическим данным Цх, коэффи К, коэффицициент цветнообразца ент лабилизации сти Определение степени гидроморфизма минеральных почв по способу спектрофотометрипредлагаемому ческому слабоглееватая слабоглееватая глееватая глееватая глеевая глеевая- коэффициент лабилизации гидрослюда Цх - коэффициент цветности по Карманову И.И. 7. Использование предлагаемого способа позволяет определять степень увлажнения минеральных почв экспрессно, без существенных затрат, так как данные имеются при определении минералогического состава почв. Источники информации 1.. -. . - 1969. . 54. -9-10. - . 1460-1466. 2. Методические указания по корректировке почвенных материалов осушенных и прилегающих к ним земель в сельскохозяйственных организациях Республики Беларусь. Мн., 2005. - С. 17. 3. А.с. СССР 333468, МПК 01 33/24, 1972. 4. Сергеенко В.Т., Лисица В.Д., Мисюченко В.М., Бубнова Т.В. Использование спектрофотометрических характеристик для установления генетической принадлежности почв// Почвоведение и агрохимия. -27. - 1991. - С. 9-14. 5. Мера О.П., Джексон М.Л. Удаление оксидов железа из почвы и глин при помощи дитионитлимонно-кислой системы с буферным раствором бикарбоната натрия. Кора выветривания. - М. Изд-во АН СССР, 1963. Вып. 5. - С. 389-398. 6. Сергеенко В.Т. Прямой метод количественного определения глинистых минералов в почвах. МатериалыДелегатского съезда ВОП. - Тбилиси, 1981. Т. 1. - С. 121-122. 7. Карманов И.И. Спектральная отражательная способность и цвет почв как показатель их свойств. - М. Колос, 1974. - С. 315. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9