ROLA PRZEMYW ANIA W KSZTAŁTOW ANIU CECH MIKROMORFOLOGICZNYCH M ATERIAŁU PYŁOW EGO

Transkrypt

1 ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE T. XXXI, Nr 2, WARSZAWA 198Ö STANISŁAW ZASOŃSKI ROLA PRZEMYW ANIA W KSZTAŁTOW ANIU CECH MIKROMORFOLOGICZNYCH M ATERIAŁU PYŁOW EGO Instytut Gleboznawstwa, Chemii Rolnej i Mikrobiologii AR w Krakowie Mimo pośw ięcenia w ielu prac zagadnieniom płow ienia, w tym rów nież doświadczeń m odelow ych [3, 6, 9], ciągle jeszcze niektóre m om enty są niezupełnie w yjaśnione i wym agają dalszego opracowania. Należą do nich przede w szystkim : dynamika substancji koloidalnej, w pływ związków próchniczych oraz warunki sprzyjające przem ieszczaniu, a w szczególności zespół zjawisk towarzyszący dekalcytacji. Często właśnie podkreśla się ten m om ent jako zasadniczy w arunek, który sprzyja znacznem u przem ieszczaniu koloidu [1, 2, 5]. D ekalcytacja spełnia bow iem jednocześnie kilka w arunków sprzyjających m echanicznem u przem ieszczaniu iłu, do których należą: stabilizacja odczynu na poziom ie w arunkującym peptyzację koloidu, uw alnianie ze struktur crystic substancji koloidalnej podatnej na przem ieszczanie, tw orzenie now ych dróg do przem ieszczania zaw iesin przez zw iększanie porow atości skutkiem zaniku ziarn kalcytu. Z drugiej zaś strony z pracy Dobrowolskiego [5], jak również z w cześniejszych prac autora [11] w ynika, że m ożliw e jest także znaczne przem ieszczanie koloidu nie zw iązane z dekalcytacją m ateriału. Do prześledzenia niektórych z w ym ienionych zagadnień nadają się szczególnie odpow iednio pom yślane dośw iadczenia m odelow e, które podjęto w niniejszej pracy. Do doświadczeń użyto lessu,w ęglanow ego i bezw ęglanow ego. M ateriał pochodził z poziom ów skały m acierzystej gleb p łow ych w ytw orzonych z typow ych lessów W yżyny Krakowskiej. Frakcja koloidalna lessu użytego do doświadczenia zawierała w przeważającej części m inerały ilaste, około 20-25% kwarcu i kilka procent skaleni. Część ilastą stan ow iły zbliżone ilości m ontm orylonitu, jego nieuporządkow ane przero-

2 4 S. Zasoński sty z illitem oraz ch loryt przejściow y. W niedużych ilościach w ystęp o w ał kaolinit i illit. Less użyty do doświadczenia zawierał zatem m inerały podatne na przem ieszczanie [2, 3, 9], czego bezpośrednim dowodem była obecność dobrze w yk ształconych gleb płow ych na tym podłożu [11]. M ateriał lessow y został roztarty i przesiany; sporządzono z niego kontrolne preparaty proszkowe. Stwierdzono, że nie zaw ierał on m ikroagregatów o pew nej w yjściow ej organizacji fazy m ineralnej, a w szczególności fragm entów anizotropowej substancji ilastej. W ęglan wapnia w lessie w ęglanow ym w ystępow ał w następujących formach: okruchów kalcytow ych, drobnokrystalicznych skupień oraz w ysyceń substancji ilastej. Tak przygotow anym m ateriałem w yp ełn ion o kolum ny szklane zagęszczając go do ciężaru objętościow ego około 1,40 g/cm 3, tj. układu, jaki w ykazuje on w stanie naturalnym w obrębie skały m acierzystej [10]. Z estaw kolum n dośw iadczalnych był następujący: kolum ny z lessem bezw ęglanow ym, kolum ny z lessem bezw ęglanow ym z nadkładem próchnicznym gleby płowej o p H = 4,8, kolum ny z lessem w ęglan ow ym (0,78% C ac 03), kolum ny z lessem w ęglanow ym (8,63% C ac 03). K olum ny te b yły przygotowane w dwu powtórzeniach; w każdej grupie kolum n prowadzono przem yw anie ciągłe (przy stałym n asyceniu m ateriału wodą) i periodyczne (dozując wodę porcjam i w połączeniu z przesuszaniem m ateriału co kilka dni). Do przem ywania używano w ody d estylow anej zakwaszonej kw asem solnym do ph 5,5-6,0. Dodatkow o jedną bezw ęglanow ą kolum nę przem yw ano wodą silnie zakw a szoną do ph 3,0-3,5. D ośw iadczenie prowadzono przez okres roku. Całkow ita ilość w ody użyta do dośw iadczenia była uzależniona od przepuszczalności kolum n i wahała się od około 1800 mm słupa w ody w przypadku m ateriału bezw ęglanow ego i przem ywania ciągłego do około mm, w przypadku m ateriału w ęglanow ego i przem ywania periodycznego. WYNIKI I ICH OMÓWIENIE Przesącz we w szystkich przypadkach był opalizujący; opalizacja ta dość wyraźna na początku przem ywania stopniowo malała z upływ em czasu. Thorp i współpr. [9] wśród m inerałów ilastych przechodzących w podobnych w arunkach do przesączu stw ierdzają obecność ruchliw ych m inerałów typu m ontm orylonitu, illitu i w erm ikulitu. Przepuszczalność kolumn, początkowo w zględnie w yrównana i dość znaczna, z biegiem trw ania doświadczenia ulegała stopniow em u zm niejszeniu, co

3 Przemywanie i cechy morfologiczne pyłów 5 było szczególnie wyraźne w przypadku przem ywania ciągłego. M ateriał kolumn w czasie przem ywania uległ nieznacznym tylko makroskopowo dostrzegalnym zm ianom m orfologicznym, jedyn ie w przypadku nadkładu próchnicznego w ystąp iło w yraźne całk ow ite oglejenie (zabarwienie szaropopielate), a w kolum nach o przem yw aniu periodycznym pojaw iły się dodatkowo nieduże -i nieregularne rdzawobrunatne strzępki żelazistych skupień. Po zakończeniu dośw iadczenia z m ateriału kolum n w ykonano przestrzennie zorientow ane preparaty m ikroskopow e. PRZEMYWANIE OKRESOWE Kolumny z lessem bezwęglanowym. Preparaty górnej części k olum ny m iały rozjaśnioną barwę w stosunku do m ateriału w y jściow ego, przy czym cecha ta miała w yraźnie m ozaikow y charakter; fragm enty jaśniejsze zajm ow ały znaczną część preparatu (40-60% ). Rozjaśnienie to w w yraźn y sposób wiąże się z u bytkiem żółtobrunatnej substancji koloidalnej, która w tej części kolum ny ma słabo zaznaczoną anizotropowość. Część o ciem niejszym zabarwieniu (silniejsze natężenie żółtohrunatnej barwy) w ykazuje jednocześnie w yższą zaw artość substancji k oloidalnej, rów nież słabo anizotropowej, jakkolw iek dają się zauważyć nieduże łuskow ate, w yraźnie anizotropow e skupienia koloidu, p rzylegające zw ykle do ziarn kwarcu, zbliżone formą do struktury typu skelsepic. M ateriał dolnej części kolum ny był bardziej jednorodny; wiązało się to głów nie z równom iernym rozm ieszczeniem substancji koloidalnej. Część koloidu w yraźnie anizotropowa w ystęp u je w form ie łusek (podobnie jak w części górnej) oraz dodatkowo w form ie nacieków w y p ełniających w różnym stopniu wolne przestrzenie o strukturze zbliżonej do typu vosepic. Ta ostatnia forma jest ciem nożółta, nieregularnego kształtu, o bardzo słabo zaznaczonej (lub niewidocznej) warstw ow ości (rys. 1). Obecność naciekowej substancji koloidalnej św iadczy o jej lluw ialn ym pochodzeniu, a brak regularnie w yk ształconych porów w nasyp ow ym m ateriale lessow ym decyduje o nieco innej m orfologii nacieków niż w naturalnych warunkach glebow ych [10]. N atom iast brak w yraźnie zaznaczonego w arstw ow ania w ich obrębie w ynika prawdopodobnie ze stałych w arunków eksperym entu w czasie. Obecność naciekowych form spotyka się już na głębokości 1,5-2 cm od powierzchni, przy czym ich ilość wzrasta wraz z głębokością, ale bez w yraźnej dom inacji w jakiejk olw iek części kolum ny. Taki rozkład nacieków może św iadczyć o m ożliw ości niedużych lokaln ych przem ieszczeń substancji koloidalnej bez tw orzenia w yraźnego eluw ium, szczególnie w początkow ej fazie iluw iacji, kiedy to w arunki fizykochem iczne

4 S. Zasoński Rys. 1. Materiał bezwęglanowy, przemywanie periodyczne akumulacja naciekowego iłu o słabo zaznaczonej warstwowości a nikole równoległe, b nikole.skrzyżowane Carbonate-less material, periodically percolated accumulation of illuvial clay with weakly visible layering a parallel nicols, b crossed nicols

5 Przem ywanie i cechy morfologiczne pyłów 7 w całej kolum nie są podobne (m ożliw ość peptyzacji i w ypadania z zaw iesin zależą w ięc głów nie od w ilgotności m ateriału). Obecność anizotropowej substancji ilastej typu łuskow ego (skelsepic) n ależy w iązać z porządkującym działaniem ciśnienia zaznaczającego się w czasie naw ilżania połączonego ze znacznym pęcznieniem m a teriału. Ten porządkujący efek t ujaw nia się szczególnie w tedy, gdy substancja koloidalna w znaczniejszych ilościach przylega bezpośrednio do pow ierzchni w ięk szych ziarn m ineralnych. W przypadku przem ywania kolum ny silnie zakwaszoną wodą efekt m ikrom orfologiczny je st zbliżony. Różnica polega na w yraźn iejszym ro z jaśnieniu górnej części kolum ny, nacieki są mocniej zabarwione na brunatnordzawy kolor i w ystępują w m niejszej ilości (zajmują też m niejszą pow ierzchnię preparatu) niż w poprzednim przypadku (rys. 2). Z m niejszony efek t ilu w ialn y w ynika najprawdopodobniej z koagulującego oddziaływania kwaśnego odczynu. Gorbunow [7] podaje, że przy ph = 3-4 ma m iejsce koagulacja wodnych zawiesin ilastych. N ajw iększe w ięc nasilenie iluw iacji m usiało m ieć m iejsce głów nie na początku przem ywania, kiedy to m ateriał lessow y był w stanie w znacznym stopniu neutralizować kw aśny odczyn (kontrola odczynu przesączu w ykazyw ała wówczas ph = 5,5-6). W miarę zakwaszania materiału lessow ego efekt iluw ialny m usiał m aleć w skutek utrudnionej peptyzacji. Silniejsze w y - sycenie naciekow ego iłu przez żelazo było spow odow ane jego znaczniejszym uruchom ieniem w kwaśnym odczynie, co zaobserwowano również w glebach płow ych b ielicow anych w ytw orzon ych z lessów [10]. W kolum nie z nadkładem próchnicznym rozm iary iluw iacji m ierzone ilością naciekowego iłu są zbliżone tio iluw iacji w kolum nie bez tego nadkładu. W ynika stąd, że wyraźne ogle jenie i obecność substancji organicznej nie w płynęły w tym przypadku na zw iększenie rozmiarów iluwiacji przez ułatwioną peptyzację koloidu [4, 8]. Intensyw ne oglejenie w całej kolum nie zaznacza się w ystąp ien iem popielatoszarej barw y, rów nież i nacieki iłu iluw ialnego przyjm ują szarożółty odcień. Zaznacza się także w pływ zjawisk glejow ych na zmianę w rozm ieszczeniu w olnych zw iązków żelaza, tworzą się rozm yte brunatno-rdzaw e skupienia o podw yższonej zaw artości żelaza (rys. 3). Kolumny z lessem węglanowym. W preparatach mikroskopowych pochodzących z przem ywania m ateriału o małej zawartości w ęglanu wapnia stwierdzono, podobnie jak w poprzednich przypadkach, pew ien ubytek substancji koloidalnej w górnej części i jej akum ulację w dolnej. Ponadto dolna część zawierała jeszcze pojedyncze okruchowe ziarna nierozłożonego k alcytu. W yraźnie anizotropowa substancja ilasta w ystępuje w form ie łusek oraz nacieków (rys. 4). Te ostatnie są jasnożółte i w ydają się w y stęp o wać w nieco m niejszych ilościach niż w poprzednich przypadkach, gdy tym czasem należałoby się spodziew ać raczej nasilonej iluw iacji [1, 2].

6 8 S. Zasonski Rys. 2. Materiał bezwęglanowy, przemywanie periodyczne silnie zakwaszoną wodą akumulacja naciekowego iłu o znacznym wzbogaceniu w związki żelaza a nikole równoległe, b nikole skrzyżowane Carbonate-less material, periodically percolated with strongly acidified water accumulation of illuvial clay considerably enriçhed in iron compounds a parallel nicols, b crossed nicols

7 Przemywanie i cechy morfologiczne pyłów 9 Rys. 3. Materiał bezwęglanowy z nadkładem próchnicznym gleby płowej, przemywanie periodyczne nieregularne, rdzawobrunatne skupienia żelaziste a nikole równoległe, b nikole skrzyżowane Carbonate-less material covered with humus horizon sample from a lessivé soil, periodically percolated irregular, rusty-brown ferruginous accumulations a parallel nicols, b crossed nicols

8 10 S. Zasoński Zjawisko to może w ynikać z faktu, że w ęglany w m ateriale użytym do doświadczenia w ystęp ow ały w form ie okruchowej i tylko w bardzo m a łych ilościach w ysycały substancję ilastą. Jak wynika z niektórych prac, w pierwszej kolejności ługow aniu ulegają w ęglany w ysycające koloid ze struktur crystic, który po u w olnieniu łatw o przechodzi w stan zaw iesin i może ulec przem ieszczeniu [6]. Bardzo mała zawartość tej form y w ęglanów w u żytym m ateriale oraz obecność k alcytu okruchow ego (w olno podlegającego ługowaniu) powodowała ham owanie iluwiacji. Iluwiacja rozwinęła się zatem dopiero po zaniku kalcytu okruchowego trwała w ięc odpow iednio krócej niż w pozostałych obiektach, a ograniczony czas trwania eksperym entu i nieznaczna zawartość kalcytu nie mogła w płynąć na zw iększenie rozmiarów iluw iacji przez zw iększenie porowatości. Aczkolw iek sam efekt iluw ialny (m ierzony ilością iłu iluw ialnego w całej kolumnie) jest nieco m niejszy niż w m ateriale bezw ęglanowym w tych sam ych warunkach, to dyferencjacja kolum ny na część eluw ialno-iluw ialną jest w yraźniejsza i może wynikać z istnienia znaczniejszych różnic fizykochem icznych w części węglanow ej i bezw ęglanow ej. Stosunkow o w olne tem po d ekalcytacji oraz podobną kolejność łu gowania poszczególnych form w ęglanów stw ierdzają rów nież w dośw iadczalnej pryzm ie lessow ej Gagarina i Cyp lenków [6]. W czasie dziesięcioletniego doświadczenia (tylko w powierzchniowej w arstw ie 1-3,5 cm) stw ierdzili zanik labilnych form w ęglanów przy zachowaniu r^alcytu okruchowego. Iluwiacji nie stwierdzono w przypadku wyższej zawartości węglanów; czas eksperym entu i stopień zakw aszenia w ody okazały się n iew ystarczające na odwapnienie nawet górnej części kolum ny i uruchom ienie koloidu. Nie stw ierdzono też obecności łuskow atej anizotropow ej substancji ilastej; wynikałoby stąd, że koloid nasycony w ęglanem wapnia trudniej podlega ukierunkow aniu pod w p ływ em porządkującego działania ciśnienia. W przypadku przem ywania ciągłego m ikroform ologiczne zm iany w kolum nie są słabiej zaznaczone. D otyczy to w szczególności zmian w e wtórnej koncentracji i rozdziale substancji koloidalnej. Szczególnie zwraca uwagę brak wyraźnie anizotropowych skupień typu łuskowego (skelsepic), jak rów nież form naciekow ych. Przem yw anie ciągłe pow o duje w praw dzie pew ne przem ieszczenie koloidu, jednak jego m orfologiczny efek t z uw agi na słabe uporządkow anie przem ieszczonego m ateriału jest trudny do obserw acji i ilościow ej w ycen y. Brak form wyraźnie anizotropowych w ynika z braku porządkującego działania napięcia pow ierzchniow ego w ody podczas w ysych an ia zawiesin. W ynika stąd, że w ielok rotn y i przem ienny proces iluw iacji i w y sy chania zaw iesin w przypadku okresow ego przem yw ania stwarza w arun-

9 Przemywanie i cechy morfologiczne pyłów 11 Rys. 4. Materiał węglanowy, przemywanie periodyczne naciekowa substancja ilasta o nieznacznym wzbogaceniu w związki żelaza a nikole równoległe, b nikole skrzyżow ane Carbonate bearing material, periodically percolated illuvial clay slightly enriched in iron compounds a parallel nicols, b crossed nicols

10 12 S. Zasoński ki do znaczniejszego przem ieszczania iłu, co połączone jest z tw orzeniem ch arakterystycznych form iluw ialn ych. Dodatkowo m ateriał kolum n po każdorazowym w ysuszeniu wskutek kurczenia tw orzy zw ykle sieć now ych spękań i zw iększając przepuszczalność stwarza dalsze m ożliw ości transportu zaw iesin. Stąd końcow y efek t ilu w ialn y, a szczególnie m ikrom orfologiczny w glebach niekoniecznie musi być skorelowany z ilością opadów i podatnością frakcji koloidalnej na peptyzację, ale rów nież z dynam iką i częstotliw ością przesuszania gleby. WNIOSKI 1. Zstępujący prąd wody, działając głów nie jako czynnik fizyczny, pow odow ał dające się stw ierdzić za pomocą m ikroskopu przem ieszczanie substancji koloidalnej w doświadczalnej kolumnie. N atężenie tego głów nego procesu oraz charakter i m orfologia odłożonej substancji ilastej zależą w w yraźny sposób od w arunków eksperym entu. 2. D ecydującym czynnikiem w pływ ającym na tworzenie wyraźnych anizotropow ych form substancji ilastej jest przesuszanie m ateriału kolum n, które działa przez porządkujące działanie: napięcia pow ierzchniow ego w ody na blaszkow ato zbudow ane m i n erały ilaste podczas w ysychania zaw iesin, ciśnienia związanego z kurczeniem się i pęcznieniem m ateriału w czasie jego naw ilżania i w ysychania. 3. W przeprow adzonym eksperym encie nie stw ierdzono w p ływ u substan cji organicznej, jak rów nież m ałej ilości w ęglanów na rozm iary ilu wiacji; w pływ ten ograniczał się do zmian jakościow ych i dotyczył zm iennej barw y nacieków. 4. Z uwagi na stosunkowo małą dynam ikę ługowania węglanów, a w szczególności niektórych jego form (kalcyt okruchowy), roczny okres trwania doświadczenia okazał się za krótki do prześledzenia w pełni ich w p ływ u na przem ieszczanie koloidu. 5. Zmiana przepuszczalności kolum n w czasie (szczególnie bezw ęglanow ych) i skorelow ana z nią inten syw n ość opalizacji zaw iesin pozw a lają zakładać znaczne nasilenie iluw iacji, szczególnie w początkowej fa zie trwania eksperym entu. LITERATURA [1] A 11 e m ü 11 e r H. J.: Beitrag zur mikromorfologischen Differenzierung von durchschlämmter Parabraunerde, Podsol-Braunerde und Humus-Podsol. Zeitschr. Pflanzenernähr. Düng. Bodenk. 98, 1962, 3, [2] Blume H. P.: Zum Mechanismus der Tonverlagerung. VIII Internationaler Bodenkundlicher Kongress, Bucharest 1964,

11 Przemywanie i cechy morfologiczne pyłów 13 [3] Brewer R., Haldane A. D.: Preliminary experiments in the development of clay orientation in soil. Soil Sei. 84, 1957, 4, i[4p Burnham C. F.: The occurence of eluviated clay of central England. VIII Internationaler Bodenkundlicher Kongress, Bucharest [5]Dobrowolskij G. W., Nikitin E. D., Fi о d or o w K. N.: Ekspierimientalnoje izuczenije obrazowanija orientirowannych glin w poczwach. Poczwow. 1976, 4, [6] Gagarina E. J.: Cyplenkow W. P.: Ispolzowanije mikromorfołogiczeskogo mietoda pri modelirowanii sowriemiennogo poczwoobrazowatielnogo procesa. Poczwow. 1974, 4, [7] Gorbunow N. I.: Glebowe minerały wysokodyspresyjne i metody ich badania. PWRiL, Warszawa [8] Stoch L.: Minerały ilaste. Wydawnictwa eologicgzne, Warszawa [9] T h о г p J., S t r o u g L., Gamble E.: Experiment in soil genesis. The role of leaching. Soil Sei. Soc. Amer. Proc. 1957, 21, 1, [10] Z a sońsk i S.: Studia mikromorfologiczne i chemiczne nad procesem płowienia gleb pyłowych. Część I. Gleby lessowe Wyżyny Krakowskiej. Rocz. glebozn. 25, 1974, 3, [11] Z a sońsk i S.: W łaściwości mikromorfologiczne pyłowo-ilastych gleb doi- ' nych teras akumulacyjnych Kotliny Nowotarskiej. Rocz. glebozn. 29, 1978, 2, С. ЗАСОНЬСКИ РОЛЬ ЭЛЮИРОВАНИЯ (ПРОМЫВКИ) В ФОРМИРОВАНИИ МИКРОМОРФОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЫЛЕВИДНОГО ПОЧВЕННОГО МАТЕРИАЛА Институт почвоведения, агрохимии и микробиологии, Сельскохозяйственная академия в Кракове Резюме Колонны, наполненные растертым карбонатным и безкарбонатным лёссом промывали в течении года дистиллированной водой (элюация непрерывная и периодическая) с разной степенью подкисления. Общее количество воды, использованной для промывки, составляло от 1800 до 3000 мм водного столба. После окончания опыта из материала колонн были приготовлены пространственно ориентированные микроскопические препараты. Установлено присутствие следующих явлений: дислокация коллоидного вещества в колонне с образованием характерных анизотропных иллювиальных форм (voseipic), декальцинация материала в очередности, зависящей от формы карбонатов, повышение подвижности соединений ж елеза в присутствии органического вещества и кислой реакции. Менее заметным было влияние упорядочивающего давления, связанного с набуханием и сжатием почвенного материала на тип скоплений коллоидного вещества. Не отмечено, однако, влияния органического вещества и небольшого содержания карбонатов на величину иллювиации, влияние это ограничивалось до качественных изменений и касалось главным образом изменения окраски натёков.

12 14 S. Zasoński S. ZASOWSKI THE PART PLAYED BY LESSIVAGE IN THE FORMATION OF MICROMORPHOLOGICAL FEATURES OF VERY FINE SAND MATERIAL Summary Institute of Soil Science, Agricultural Chemistry, and Microbiology, Agricultural University of Cracow Columns filled with crushed loess, carbonate-bearing or carbonate-less, were submitted to percolation with distilled water acidified to various levels (during a year, continuously or periodically). The total amount of water used for percolation was between 1800 and 3000 mm of water. After terminating the experiment the soil material in the columns was used to prepare oriented microscopic slides. The presence of following phenomena was ascertained: translocation of colloidal substances in the column accompanied by the formation of characteristic anisotropic illuvial forms (vosepic); decalcitation of the material in a sequence depending on the form of carbonates present; increase in mobility of iron compounds in the presence of organic. substance and of acid reaction. The influence of an order-bringing pressure connected with swelling and shrinking of the material on the type of colloid conglomerations is less distinctly visible. However, an effect of organic substance and of a small amount of carbonates on the magnitude of illuviation was not ascertained; this effect was restricted to gualitative changes and pertained chiefly to changes in the colour of iliuvial forms. Dr Stanislaw Zasoński In sty tu t Gleboznawstwa, Chemii Rolnej i M ikrobiologii AR K raków, al. M ickiewicza 21