СвЯзь емкости катионного обмена с содержанием кальциЯ и магниЯ в породе
Для проверки гипотезы была создана и обработана база данных СЕС (Cation Exchange Capacity), в которую вошли литературные и собственные материалы, всего 751 разрез.
Базу данных составили описания почв, сформированных на самых разных почвообразующих породах, в различных условиях. Для каждого почвенного разреза, использованного в работе, основываясь на приведенных данных физико-химического и валового анализов, рассчитывали следующие характеристики: в почве - содержание гумуса (%), содержание ила (%), рН, емкость катионного обмена (мг-экв на 100 г почвы), содержание Са (%), содержание Mg (%); в породе - суммарное содержание Са и Mg (%). При обработке результатов использовали ряд общих принципов.
Для расчета рН и ЕКО, содержания гумуса, ила, Са и Mg в почвах использовали метод установления средневзвешенных величин (Ронов, Ратынский, 1952; Тюрюканов, 1963). Если такой возможности не было - определяли средние арифметические значения параметров. В любом случае подсчеты делали для почвы в целом, полагая, что сопоставлять следует состав материнской породы с составом и свойствами всей массы почвенного профиля, так же, как и проводить исчисление относительного изменения содержания элементов в процессе почвообразования по Б.Б.Полынову (1956а).
Подробнее следует сказать о величинах, характеризующих поглотительную способность почв. Использованные в работе данные получены различными авторами с применением разных методов. Более того, не в каждой работе можно найти указание на способ определения емкости катионного обмена или суммы обменных оснований почв. Таким образом, встает вопрос о правомерности обсуждения и сравнения всех этих разрозненных данных.
Н.И.Горбунов и Е.Д.Зайцева более 25 лет назад в своей статье рассмотрели ошибки, допускаемые при определении емкости поглощенных катионов (Горбунов, Зайцева, 1968). Основным недостатком авторы назвали завышение результатов, характерное для ряда методов, основанных на замещении поглощенных катионов однородным катионом-индексом, его вытеснении и определении. В настоящее время считается (Хитров, Понизовский, 1990), что недостатком большинства известных методов определения емкости катионного обмена почв является потеря той или иной части ЕКО. Это может происходить, во-первых, за счет сильного химического воздействия, которому подвергается почва, во-вторых, в процессе отмывки избытка насыщающего реактива, в-третьих, при использовании NH4+ и К+ в качестве катиона-индекса, а также в ряде других случаев. Значительно завышены, согласно Н.Б.Хитрову и А.А.Понизовскому (1990), могут быть лишь результаты при определении суммы поглощенных оснований методом Пфеффера в почвах хлоридно-сульфатного и сульфатного типов засоления. Незначительное завышение ЕКО возможно также при экстрагировании из цеолитов, полевых шпатов и некоторых других минералов необменных форм катиона-индекса, например, Na, Ca, Mg (Rohades, Krueger, 1968 - цит. по Хитрову, Понизовскому, 1990).
Таким образом, при использовании данных литературных источников исходили из того, что величины, характеризующие катионообменную способность почв, близки к реальным или же несколько занижены. При наличии результатов определения поглотительной способности почв несколькими способами в расчет принималась максимальная величина.
При обработке материалов учитывались только минеральные горизонты. Органические, т.е. содержащие, согласно “Индексам и определениям почвенных горизонтов” (1982), более 35% органического вещества, в расчет не включались.
К определению почвообразующей породы подходили дифференцировано. Чаще всего в работах приводятся данные, относящиеся к горизонту С, т.е. материнской рыхлой породе, не измененной существенно почвообразованием. Известно, однако, что валовой состав генетических горизонтов почв, развитых на плотных породах, не всегда корректно сравнивать с мелкоземом нижнего горизонта, поскольку рыхлые отложения могут быть обеднены кремнеземом по сравнению с коренными породами в результате водной и эоловой сортировки материала (Роде, 1938; Соколова, 1964). Кроме того, для ряда почв установлена специфичность внутригоризонтального почвенного выветривания, приводящая к существенному отличию химического состава мелкозема от состава исходной плотной породы (Соколов, 1991). С учетом изложенного выше, при наличии материала по исходной почвообразующей породе, в том числе и плотной, предпочтение отдавалось этим данным. Подстилающая порода, вовлеченная в процесс почвообразования, двучленные отложения, наличие вулканического пепла в почвах на кристаллических породах и т.п. также учитывались при расчетах содержания Са и Mg в почвообразующей породе.
Полученный таким образом материал (гумус, ил, рН, ЕКО, Са и Mg почвы, а также Са и Mg породы для каждого почвенного разреза) был обработан с помощью программ DAC и Statgraphics.
В базу данных СЕС вошли почвы, имеющие самую разную по величине емкость катионного обмена. Наибольших значений (60,3 - 63,1 мг-экв/100 г) ЕКО достигает в почвах на карбонатных породах: аркто-тундровой перегнойно-карбонатной о.Вайгач, палевой карбонатной Северо-Востока Азии, дерново-карбонатной псевдооподзоленной Южной Якутии, горно-луговой черноземовидной Северного Кавказа. В условиях тропического климата Судана вертисоль на аллювиально-делювиальных наносах имеет емкость катионного обмена более 86 мг-экв/100 г.
Большинство почв, составивших базу данных СЕС, сформированы на породах, сумма кальция и магния в которых не превышает 10%. Почвообразующие породы, в которых сумма Са и Мg составляет более 20%, представлены, в основном, карбонатными породами. Исключением является элювий пироксенита, содержащий эти элементы в количестве 25%. Максимальное содержание Са и Мg в материнской породе почвы, вошедшей в базу данных, составляет 54,5%.
Расчеты показали, что в обработанной совокупности данных практически отсутствует зависимость между величиной емкости катионного обмена и содержанием в почвах гумуса, а также ЕКО и значением водного рН. Установлено лишь наличие слабой связи величины емкости катионного обмена с количеством ила в почвах (коэффициент корреляции составляет 0,62). Этот результат согласуется с приведенными выше выводами ряда исследователей о том, что основным носителем поглотительной способности почв являются ее тонкодисперсные фракции.
В процессе работы ставилась задача группировки данных с использованием особенностей распределения величины ЕКО в отобранной совокупности. При обработке материала исходили из вывода, сделанного нами ранее (Алябина, 1992; 1995; 1996), о том, что все почвы по степени развития емкости катионного обмена могут быть разделены на 3 группы. В первую группу входят почвы с емкостью поглощения, еще не достигшей предельно возможной величины. Вторая объединяет почвы, в которых полностью реализован почвообразующий потенциал породы, почвы, имеющие максимально возможную емкость поглощения. И, наконец, третью группу составляют почвы, поглощающий комплекс которых начал разрушаться, а ЕКО - уменьшаться.
Почвы первой и третьей групп (“молодые” и “стареющие” по степени сформированности поглощающего комплекса) представляют собой развивающиеся системы, стремящиеся к равновесному состоянию с внешними факторами. Вторая группа включает зрелые почвы, находящиеся в относительном равновесии с условиями среды, т.е. стабильные системы. В данном случае равновесие - это взаимокомпенсация одних процессов и элементов системы другими (Ю.Г.Пузаченко, 1983). Пользуясь терминологией И.А.Соколова и В.О.Таргульяна (1976), можно сказать, что возраст этих почв соответствует характерному времени формирования почвенного поглощающего комплекса для данных условий, в первую очередь - климатических.
Разделение почв по стадиям развития емкости катионного обмена основано на анализе распределений величины ЕКО. Известно, что когда случайная величина связана с большим числом независимых случайных величин, играющих в ее образовании незначительную роль, имеет место нормальное распределение. Это положение должно быть верно и для ЕКО, связанной с различными природными факторами и почвенными характеристиками. Однако для всей совокупности данных базы СЕС распределение величин емкости катионного обмена не соответствует нормальному. Согласно нашему предположению, это объясняется тем, что в состав базы данных СЕС входят почвы, различающиеся по степени развития ЕКО. Очевидно, существует группа почв, варьирование величин ЕКО в которых подчиняется закону нормального распределения. Теоретически эта группа должна включать относительно стабилизированные и зрелые почвы с максимально возможной поглотительной способностью; в них полностью реализован почвообразующий потенциал материнских пород5.
Для определения почв, находящихся в относительно стабильном, равновесном состоянии, имеющих максимально развитую емкость обмена, применяли специальный прием. Был проведен поиск пороговых величин ЕКО, выше которых данные распределены нормально.
Для получения пороговых величин ЕКО весь массив данных СЕС (точки на рис.1) был разбит на 5 частей по содержанию в породе суммы Са и Мg: < 1% (108 описаний почвенных разрезов); 1,001% < < 2% (210 описаний); 2,001% < < 3% (138 описаний); 3,001% < < 4% (70 описаний) и с > 4,001%. Пятая часть объединяет все остальные 186 почвенных разрезов, разделение в ней не проводилось ввиду незначительного количества данных.
В каждой из этих частей проводили анализ распределений величин ЕКО почв. Установлено, что во всех пяти группах почв варьирование величины ЕКО не подчиняется закону нормального распределения. Затем в полученных группах был произведен поиск пороговых величин ЕКО, выше которых данные распределены нормально. Для этого последовательно отбрасывали часть данных, начиная с минимальных величин ЕКО, а в оставшихся проводили анализ распределений. Величину ЕКО, выше которой располагается совокупность почв, имеющих нормальное распределение значений емкости катионного обмена, мы назвали пороговой.
По пороговым величинам ЕКО и соответствующим им средним значениям суммы Са и Мg в породах каждой из пяти выборок было рассчитано уравнение степенной регрессии (достоверность 0,81):
y = 21,09003 * х 0,30383, (1)
где x - сумма Са и Мg породы, %,
y - ЕКО почв, мг-экв/100 г.
Кривая, соответствующая данному уравнению, разделяет все данные на две части (см. рис.1). Лежащие на этой линии и выше нее 136 точек соответствуют почвам, имеющим максимально возможную или близкую к ней величину емкости катионного обмена (база данных СЕСmax).
Рис. 1. Зависимость ЕКО почв базы данных СЕС от суммы Са и Мg в породах
В состав выборки СЕСmax вошли почвы равнинных территорий (109 описаний почвенных разрезов), включая пойменные (10 описаний), а также горные почвы (27 описаний). Остановимся на некоторых выявленных закономерностях.
Горные почвы, достигшие стадии зрелости по емкости катионного обмена, представляют собой очень пеструю картину. Они встречаются практически во всех климатических и высотных поясах, на любых породах, под самой разной растительностью. Сами почвы также чрезвычайно разнообразны. В выборку вошли первичные почвы на граните, более 83% обменных катионов которых представлены водородом, а также лесные примитивно-аккумулятивные, альпийская дерново-торфянистая луговая, дерново-подзолистая и дерновая, различные лесные и бурые лесные, палевая карбонатная, черноземы и луговые черноземовидные почвы. Горные субтропики представлены желто-бурыми, бурыми ферраллитными и коричневыми почвами. Свойства всех этих почв весьма различны и соответствуют их классификационному положению.
Пойменные почвы, вошедшие в базу данных СЕСmax, принадлежат, в основном, бассейну Дона. В выборке встретилось только одно описание почвы на Оке - луговой типичной. Подавляющая часть пойменных почв, имеющих максимально возможную ЕКО, развиты под лесной растительностью. Их почвообразующими породами являются различные по механическому составу аллювиальные отложения, содержащие Са и Мg в незначительном количестве (1-2 и менее %). Однако, следует отметить тот факт, что данные пойменные почвы формируются при подпитке минерализованными грунтовыми или поверхностными водами, несущими дополнительное количество кальция и магния. Величина рН почв варьирует от 6,0 (почва на Оке) до 7,9.
Наибольшую часть выборки СЕСmax составили почвы равнинных территорий. Так же как и горные почвы, они встречаются во всех климатических поясах и растительных зонах бывшего СССР. Тундра представлена аркто-тундровой перегнойно-карбонатной, различными глеевыми, а также тундровыми высокогумусными почвами. В таежной зоне это различные подзолистые и дерново-подзолистые почвы, палевые, дерновые, бурые лесные, а также охристо-подзолистая и дерново-карбонатная почвы. Наибольшее количество почв, в которых реализован почвообразующий потенциал материнских пород и емкость катионного обмена имеет максимально возможную величину, встречается в лесостепной и степной зонах - это серые лесные, черноземные и луговые черноземовидные почвы. Зона сухих степей и полупустынь представлена разрезом темно-каштановой сильносолонцеватой солончаковой почвы и луговым слитым солончаком. В условиях субтропического климата составу пород наиболее соответствует ЕКО желтоземов и коричневых почв. Кроме того, в группу данных вошли желто-коричневая почва Китая, слитая коричневая полупустынная Восточного Судана и красно-желтая ферраллитная Индонезии. Почвообразующие породы всех этих почв крайне разнообразны.
Подводя итог вышесказанному, можно констатировать следующее. Любая исходная порода, независимо от состава, может пройти весь путь развития, реализуя свой почвообразующий потенциал, до сформирования на ней почвы, имеющей максимально возможную емкость катионного обмена. Наиболее часто это будут полноразвитые почвы равнинных территорий.
Более молодые пойменные почвы достигли состояния зрелых по емкости катионного обмена, видимо, благодаря участию в почвообразовательном процессе дополнительных количеств кальция и магния, приносимых с грунтовыми и поверхностными водами.
Горные почвы, вошедшие в выборку, очевидно, являются динамически зрелыми, в них скорость эрозионного процесса значительно меньше скорости выветривания и гумусообразования. Характерно, что обычно эти почвы развиты на плоских вершинах, горных плато, в межгорных впадинах и на пологих склонах с незначительным уклоном.
Рассмотренные почвы относятся к зрелым по степени сформированности почвенного поглощающего комплекса, емкость катионного обмена в них достигла максимально возможной величины.
Таким образом, уравнение (1) позволяет рассчитать почвообразующий потенциал любой первичной материнской породы по содержанию в ней кальция и магния.