WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE ORAZ SKŁAD MINERALOGICZNY FRAKCJI KOLOIDALNEJ RĘDZIN RÓŻNYCH FORMACJI GEOLOGICZNYCH

ROCZNIKI GLEBOZNAW CZE TOM LIV NR 3 WARSZAWA 2003: 111-119 ANDRZEJ MOCEK, WALDEMAR SPYCHALSKI, ZBIGNIEW KACZMAREK WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE ORAZ SKŁAD MINERALOGICZNY FRAKCJI KOLOIDALNEJ RĘDZIN RÓŻNYCH FORMACJI GEOLOGICZNYCH PHYSICAL PROPERTIES AND M INERALOGICAL COM POSITION OF THE COLLOIDAL FRACTION OF RENDZINAS DERIVED FROM VARIOUS GEOLOGICAL FORM ATIONS Katedra Gleboznawstwa Akademii Rolniczej im. Augusta Cieszkowskiego w Poznaniu Abstract: Rendzinas belong to soils developed under the dominating influence of the parent rock. Despite their negligible proportion in countryside agrarian structure, these soils constitute a major part of arable lands in southern Poland. The performed investigations involved the determination of mineral composition and selected physical properties (MH, specific surface area) of the colloidal fraction of rendzinas derived from various geological formations. It was found that the mineralogical composition of the clay fraction of the examined soils varied widely, especially in horizons of their parent rock. The specific surface area of the investigated rendzinas showed high values both in surface layers and deeper ones. The content of hygroscopic water and maximal hygroscopicity varied considerably leading to differences in the degree of cation hydration saturating the sorptioo.complexes of individual soils. Słowa kluczowe: rędziny, frakcja koloidalna, skład mineralogiczny, powierzchnia właściwa. Key words: rendzinas, colloidal fraction, mineralogical composition, specific surface. WSTĘP Rędziny, pomimo niewielkiego udziału (około 1,5%) w strukturze agrarnej kraju, stanowią w niektórych regionach południowej Polski przeważającą część gleb uprawnych. Należą one do gleb kształtujących się pod dominującym wpływem skały macierzystej, której pochodzenie i właściwości determinują rozwój i kierunek procesów glebotwórczych [Kubiena 1953; Kuźnicki 1965; Kuźnicki i Skłodowski 1976; Mückenhausen 1975; Strzemski 1950]. Wspomniany czynnik glebotwórczy określa*

112 А. М осек, W. Spychalski, Z Kaczmarek w znacznym stopniu wiele podstawowych właściwości fizycznych i chemicznych rędzin, a parametrem, którego zmienność w poszczególnych glebach oddziałuje zdecydowanie najsilniej, jest ich skład granulometryczny - w szczególności zawartość frakcji koloidalnej. Celem pracy było poznanie najistotniejszych właściwości fizycznych frakcji koloidalnej oraz jej składu mineralogicznego w rędzinach wytworzonych ze skał różnych formacji geologicznych. OBIEKT I METODYKA BADAŃ Próbki wytypowane do badań pochodziły z poszczególnych poziomów genetycznych rędzin usytuowanych w pasie południowo-wschodniej Polski (rys. 1). Reprezentowały one profile 1 i 2 - pobrane z okolic Józefowa koło Chełma na Polesiu Wołyńskim; profil 3 - w Strzelcach na Działach Grabowieckich; profil 6 - w Ś wieciechowie nad Wisłą na Wyniesieniach Urzędowskich; profile 4 i 5 - w okolicach Kątów na Roztoczu Środkowym; profil 7 - w Chęcinach koło Kielc; profile 8 i 9 - w okolicach Pińczowa (Niecka Nidziańska); profile 10 i 11 - w okolicach Piasków i Przymiłowic (Wyżyna Krakowsko-Częstochowska). Zróżnicowanie geologiczne skał macierzystych badanych gleb przedstawia się następująco: wapienie kredowe czyste - profile 1 i 2, wapienie margliste - profil 3, margle kredowe - profile 4 i 5, opoki wapniste - profil 6, marmury dewońskie - profil 7, gips - profile 8 i 9, wapienie jurajskie - profile 10 i 11. Do analizy omawianych w pracy właściwości frakcji koloidalnej użyto metod powszechnie stosowanych w gleboznawstwie. Skład granulometryczny oznaczono metodą analizy całkowitej - TA [Rząsa 1983], gęstość właściwą - metodą piknometryczną, zawartość C ac 03 - metodą Scheiblera [Mocek i in. 2000], maksymalną higroskopijność - w komorze próżniowej przy podciśnieniu 0,8 atm w obecności nasyconego roztworu K2S 0 4 [Rząsa i Kokowski 1977], powierzchnię właściwą frakcji ilastej - metodą sorpcji gliceryny w modyfikacji Chodaka [1980], skład mineralogiczny frakcji 0,002 mm - metodą analizy termicznej za pomocą derywatografu oraz metody dyfraktometrii rentgenowskiej [Chodak i in. 1990]. WYNIKI I DYSKUSJA Skład m ineralogiczny Minerały ilaste, będące produktem wietrzenia, głównie chemicznego, glinokrzemianó w pierwotnych wpływaj ą na wiele właściwości fizycznych i chemicznych gleby [Chodak i in. 1990]. Ich ilościowy i jakościowy skład, a także rozkład w profilu glebowym, zależy od rodzaju skały macierzystej i oddziałujących na nią określonych procesów glebotwórczych [Bogda i in. 1975]. Badania nad właściwościami fizycznymi oraz pochodzenie skał macierzystych wskazują na zróżnicowanie materiału w obrębie danych rędzin. Kierując się tym stwierdzeniem, do szczegółowych badań rentgenograficznych i dery watograficznych wybrano materiał reprezentujący poziomy akumulacyjne oraz zwietrzeliny analizowanych rędzin. Badania wykazały, że najuboższe w minerały ilaste były rędziny kredowe wytworzone z czystych wapieni

Właściwości fizyczne oraz skład mineralogiczny frakcji koloidalnej rędzin różnych formacji_ geologicznych 113 1. Nizina Południowowielkopolska 2. Nizina Śląska 3. Wzniesienie Południowomazowieckie 4. Polesie Wołyńskie: Pagóry Chełmskie - profile 1 i 2 5. Wyżyna Śląska 6. Wyżyna Woźnicko-Wieluńska 7. Wyżyna Krakowsko-Częstochowska - profile l Oi l l 8. Wyżyna Przeborska 9. Niecka Nidziańska: Garb Pińczowski - profile 8 i 9 10. Wyżyna Kielecko - Sandomierska: Góry Świętokrzyskie - profil 7 11. Wyżyna Lubelska: Wzniesienia Urzędowskie - profil 6 Działy Grabowieckie - profil 3 12. Roztocze: Roztocze Środkowe - profil 4 i 5 13. Wyżyna Zachodniowołyńska 14. Kotlina Pobuża 15. Pogórze Zachodniobeskidzkie 16. Sudety Zachodnie 17. Pogórze Zachodniobeskidzkie 18. Beskidy Zachodnie 19. Obniżenie Orawsko - Podhalańskie 20. Łańcuch Tatrzański RYSUNEK 1. Występowanie rędzin na obszarze Polski [Dobrzański i in. 1987] oraz lokalizacja badanych profili FIGURE 1. The occurrence of rendzinas in Poland [Dobrzański i in. 1987] and the location of the investigated soil profiles

114 А. М осек, W. Spychalski, Z Kaczm arek (tab. 1). Smektyt i kaolinit wystąpiły w nich w śladowych ilościach. Ponadto gleba nr 1 wykazywała w poziomie Ap wysoką (26%) stratę wagową wynikłą najprawdopodobniej z najwyższej, wśród wszystkich badanych poziomów wierzchnich, procentowej zawartości C ac 03 we frakcji koloidalnej. W glebach nr 1 i 2 frakcja ilasta zdominowana była przez amorficzne formy węglanu wapnia oraz wysokodyspersyjny kwarc. Obecność dużej ilości tych składników należy wiązać z charakterem miękkiej i porowatej skały macierzystej. Z rędzin kredowych bogatszymi w minerały okazały się gleby wytworzone z margla kredowego (profil nr 5). W tej glebie wśród typowych minerałów ilastych w poziomie omo-próchnicznym dominowały minerały interstratyfikowane (smektytowo-illitowe) oraz jako towarzyszące kaolinit i smektyt, natomiast w skale macierzystej stwierdzono przewagę połączeń typu illit-smektyt (około 70%) oraz towarzyszący smektyt (30%). Nieco odmienny charakter wykazywała gleba wykształcona z wapienia dewońskiego (profil nr 7). Dominującym minerałem we frakcji koloidalnej był illit (ponad 60%) oraz połączenia illitowo-smektytowe (prawie 30%), którym w znikomych ilościach towarzyszyły kaolinit i smektyt. Skład mineralogiczny rędzin wytworzonych z wapieni jurajskich (profile nr 10 i 11) oraz rędzin siarczanowych (profile nr 8 i 9) był podobny. Przeważały w nich minerały mieszanopakietowe typu smektyt-illit oraz w nieco mniejszej ilości illit. Szczegółowe dane dotyczące omawianych właściwości zamieszczono w tabeli 1 oraz na rysunkach 2-11. Pow ierzchnia w łaściw a Powierzchnia właściwa gleb jest funkcją stanu rozdrobnienia mineralnych i organicznych składników gleby. Ich ilościowy i jakościowy skład decyduje o wielkości tej powierzchni [Dechnik 1972; Dechnik, Sławińska 1972; Dobrzański i in. 1977]. RYSUNEK 2. Dyfraktogram (a) i derywatogram (b) frakcji mniejszej od 0,002 mm, poziom Ap, gleba nr 1 FIGURE 2. Dyfractogram (a) and derivatogram (b) of fraction <0,002 mm, horizon Ap, soil no. 1 RYSUNEK 3. Dyfraktogram (a) i derywatogram (b) frakcji mniejszej od 0,002 mm, poziom Ap, gleba nr 2 FIGURE 3. Dyfractogram (a) and derivatogram (b) of fraction <0,002m m, horizon Ap, soil no. 2

W łaściwości fizyczne oraz skład m ineralogiczny fra kcji koloidalnej rędzin różnych form acji geologicznych 115 TABELA 1. Wybrane właściwości fizyczne frakcji koloidalnej badanych gleb TABLE 1. Some physical properties of clay fraction of investigated soils Nr profilu Pro file No. СаСОз Poziom genet. Hori zon Głębokość pobrania Depth Gęstość właśc. Particle density Ilość koloidów Clay content H MH Pow. właśc. Spec. surface area Skład mineralny Mineral composition Strata prażenia Ignition losses [% [% [m2 - [% [%1 [cm] m J [%] wag.] wag.] I wag.] 1 40,02 Ap 0-28 2,55 22,06 4,76 46,95 291 СаСОз - amorf., 26,50 42.60 ACca 28-35 2,58 21,06 4,86 52,65 364 (S, K, Q, C) 62.60 Cca 35-75 2,70 35,99 3,49 53,62 501 2 7,30 Ap 0-25 2,30 10,24 9,52 56,41 253 S, К, СаСОз - 12,50 4,70 A1 25-38 2,41 15,21 5,22 41,55 275 amorf., Q 23,40 ACca 38-50 2,58 22,08 7,11 63,86 537-3 9,40 Ap 0-20 2,57 20,21 9,65 42,65 251 jw. - 32.20 ACca 22-30 2,63 28,74 6,19 57,88 412* as above 48,10 Cca 70-90 2,67 28,33 5,40 65,29 449 4 8,90 Ap 0-24 2,52 29,71 7,99 40,80 365 jw. 24,70 Cca 30-45 2,56 28,81 6,32 57,71 380 as above - 5 3,40 Ap 0-20 2,45 37,39 7,47 29,77 295 S-I, I, (K), (S) 14,00 13,20 ACca 26-40 2,49 50,58 7,73 34,03 316 - - 20,10 Cca 41-60 2,57 39,51 6,55 43,45 338 I-S-69%, S -3 1 % 18,30 6 2,98 6,40 7 3.40 2,20 3.40 2,98 Ap Cca Ap A1 С CCca 5-20 90-100 5-20 26-42 42-78 100-120 2,54 2,62 2,60 2,69 2,65 2,64 12,73 16,80 9,53 3,43 6,14 13,29 7,52 9,92 7.12 10,90 8.13 8.13 42,90 52,87 66,63 99,17 55,46 41,40 237 279 123 105 180 186? 15,50 I 63%, I-S 28%, К 6%, S3% 8 2,20 Ap 0-20 2,47 16,79 4,63 100,06 164 * S-I, I, (K, S, Q, syderyt) 14,00 16,00 9.2,10 Ap 5-20 2,58 21,04 5,95 63,69 258 S-I 46%, 1 41%, К 7%, S 6% 17,90 2,98 ACcsg 25-40' 2,60-31,84 6,74 27,83 240 - - 7,60 ACcsg 40-60 2,61 30,26 6,54 28,12 231 - - 4,70 Csg 110 2,62 27,84 6,69 31,79 225 I-S, I, (Q) 13,20 10 2,50 Ap 5-10 2,59 21,34 6,77 34,85 257 S-I 48%, 142%, К 17,30 2,98 A/Cca 30 2,62 21,51 6,26 49,09 212 10%S-I, I, (K, S, 14,00 0 ) 11 1,70 Ap 5-15 2,54 25,14 6,15 32,19 222 - H - pojemność higroskopijna - hygroscopic capacity MH - Maksymalna pojemność higroskopowa - maximum hygroscopic capacity S - smektyt (smectite), I - illit (illite), К - kaolinit (kaolinite), Q - kwarc (Quartz), С - kalcyt (calcite)

116 А. М осек, W. Spychalski, Z. Kaczm arek RYSUNEK 4. Dyfraktogram (a) i dery wato- RYSUNEK 5. Dyfraktogram (a) i derywatogram gram (b) frakcji mniejszej od 0,002 mm, po- (b) frakcji mniejszej od 0,002 mm, poziom Cca, ziom Ap, gleba nr 5 gleba nr 5 FIGURE 4. Dyfractogram (a) and derivato- FIGURE 5. Dyfractogram (a) and derivatogram gram (b) of fraction <0,002 mm, horizon Ap, (b)of fraction <0,002 mm, horizon Cca, soil no. 5 soil no. 5 Powierzchnia właściwa frakcji koloidalnej badanych gleb wahała się w granicach od 105 do 537 m2 g 1, przy czym największe wartości tej cechy stwierdzono w poziomach skały macierzystej rędzin kredowych (tab. 1). Tak wysoka powierzchnia właściwa nie może mieć ścisłego związku ani ze składem ilościowym, ani jakościowym tej frakcji. Należy domniemywać, że na uzyskane wartości duży wpływ wywierają wysokodyspersyjne, bezpostaciowe formy węglanów oraz częściowo kwarcu. W omawianych glebach zaobserwowano bowiem ścisłą współzależność pomiędzy powierzchnią właściwą a zawartością węglanu wapnia w tej frakcji. Współczynnik korelacji pomiędzy tymi cechami wynosił R2= 0,77. RYSUNEK 6. Dyfraktogram (a) i dery wato- RYSUNEK 7. Dyfraktogram (a) i derywatogram gram (b) frakcji mniejszej od 0,002 mm, po- (b) frakcji mniejszej od 0,002 mm, poziom Ap, ziom Ap, gleba nr 7 gleba nr 8 FIGURE 6. Dyfractogram (a) and derivato- FIGURE 7. Dyfractogram (a) and derivatogram gram (b) of fraction < 0,002 mm, horizon Ap, (b) of fraction <0,002 mm, horizon Ap, soil soil no. 7 no. 8

W łaściwości fizyczne oraz skład m ineralogiczny fra kcji koloidalnej rędzin różnychform acji geologicznych 117 RYSUNEK 8. Dyfraktogram (a) i derywatogram (b) frakcji mniejszej od 0,002 mm, poziom Ap, gleba nr 9 FIGURE 8. Dyfractogram (a) and derivatogram (b) of fraction < 0,002 mm, horizon Ар, soil no. 9 RYSUNEK 9. Dyfraktogram (a) i derywatogram (b) frakcji mniejszej od 0,002 mm, poziom ACcsg, gleba nr 9 FIGURE 9. Dyfractogram (a) and derivatogram (b) of fraction < 0,002 mm, horizon ACcsg, soil no. 9 Najmniejszą powierzchnię właściwą stwierdzono we frakcji koloidalnej gleby nr 7, wytworzonej z marmurów dewońskich. Jej wartości wahały się od 105 m2 g_1 w poziomie AjC, poprzez 123 m2 g"1 w Ap do 186 m2 g-1 w poziomie skały macierzystej. Tak stosunkowo niską wartość tej cechy w porównaniu z innymi badanymi glebami można tłumaczyć składem mineralogicznym (dominuje illit) oraz małym udziałem węglanu wapnia w tej frakcji. W rędzinach jurajskich (profile 10 i 11) oraz rędzinie siarczanowej (profil nr 9) stwierdzono powierzchnię właściwą, której wartości wahały się w granicach od 212 do 258 m2 g 1. Znalazło to uzasadnienie w podobnym składzie mineralogicznym tej frakcji oraz w zbliżonej zawartości C ac 03. RYSUNEK 10. Dyfraktogram (a) i dery wato- RYSUNEK 11. Dyfraktogram (a) i derywatogram (b) frakcji mniejszej od 0,002 mm, po- gram (b) frakcji mniejszej od 0,002 mm, poziom ziom Ap, gleba nr 10 ACca, gleba nr 10 FIGURE 10. Dyfractogram (a) and derivato- FIGURE 11. Dyfractogram (a) and derivatogram gram (b) fraction <0,002 mm, horizon Ap, soil (b) fraction <0,002 mm, horizon ACca, soil no. 10 no. 10

118 А. Мосек, W. Spychalski, Z Kaczm arek Pojemność higroskopowa i maksymalna pojemność higroskopowa Zawartość wody higroskopowej oraz maksymalna higroskopijność frakcji koloidalnej wahała się w szerokich granicach (tab. 1) Jej ilość zależy nie tylko od składu mineralogicznego, ale także od rodzaju kationów wymiennych występujących na powierzchni koloidów glebowych. Większą zawartość wody higroskopowej wykazywały gleby, których kompleks sorpcyjny był wysycony sodem, w porównaniu z tego samego rodzaju glebami, w których kompleksie sorpcyjnym główną rolę odgrywał wapń. Różnica ta jest spowodowana różnym stopniem hydratacji tych kationów. Maksymalna higroskopijność frakcji koloidalnej mieściła się w przedziale od 28,12% wag. (gleba nr 9 - poziom Accsg) do 100,06% wag. (gleba nr 8 - poziom Ap) (tab. 1). Tak wysokie wartości maksymalnej higroskopijności są spowodowane prawdopodobnie przez sód, który wysycił kompleks sorpcyjny w procesie analizy składu granulometrycznego (wg TA), ponieważ do dyspersji próbek glebowych użyto dość dużej ilości Calgonu. Podobne zjawisko tak wysokiej zawartości wody higroskopowej obserwuje się w glebach słono-alkalicznych [Szablocs 1971], w których kompleks sorpcyjny z natury jest wysycony hydrofilnym kationem sodu. WNIOSKI 1. Skład mineralogiczny frakcji ilastej rędzin różnych formacji geologicznych jest zróżnicowany, szczególnie w poziomach skał macierzystych. Frakcja ta cechuje się stosunkowo wysokim udziałem form amorficznych, głównie kalcytu i kwarcu, co - w znacznej mierze - może wpływać na jej niską aktywność. 2. Procentowy udział minerałów ilastych we wszystkich badanych glebach jest niski, a jego jakościowe zróżnicowanie zależy od charakteru skały macierzystej oraz poziomu genetycznego. 3. Zawartość wody higroskopowej oraz maksymalna higroskopijność frakcji koloidalnej waha się w szerokich granicach, co spowodowane jest zróżnicowanym stopniem hydratacji kationów wysycających kompleks sorpcyjny poszczególnych gleb. 4. Oznaczona powierzchnia właściwa wykazuje wartości zróżnicowane, aczkolwiek relatywnie wysokie zarówno w poziomach wierzchnich, jak również w niżej położonych. LITERATURA BOGDA A., SZERSZEŃ L., CHODAK T. 1975: Porównanie składu minerałów ilastych gleb wytworzonych z niektórych skał zasadowych. Konferencja: Minerały ilaste gleb. Puławy, IUNG, PTG: 56-58. CHODAK T. 198(h Badania nad właściwościami oraz składem mineralnym gleb wytworzonych z lessu Dolnego Śląska. Zesz. Nauk. AR Wrocław. Rozpr. habilit. nr 21. CHODAK T., BOGDA A., KASZUBKIEWICZ J. 1990: Skład minerałów ilastych a niektóre właściwości gleb. Zesz. Nauk. AR Wrocław, Rolnictwo 53, nr 196: 12-24. DECHNIK I. 1972: Powierzchnia właściwa gleb jako wskaźnik podstawowych elementów ich potencjalnej żyzności. Ann. UMCS, Sect. E, 27: 107-122.

W łaściwości fizyczne oraz skład m ineralogiczny fra kcji koloidalnej rędzin różnych form acji geologicznych 119 DECHNIK I., SŁAWIŃSKA J. 1972: Powierzchnia właściwa w badaniach fizykochemicznych i fizycznych właściwości gleb. Probl. Agrofiz. 6. DOBRZAŃSKI B., DECHNIKT., GLIŃSKI J., PONDELH., STAWIŃSKI J. 1977: Powierzchnia właściwa gleb Polski. R oczn auk. Roln., ser. D, 165: 8-66. DOBRZAŃSKI B., KONECKA-BETLEY K., KUŹNICKI F., TURSKI R. 1987: Rędziny Polski. Rocz. Nauk Roln., Seria D, 208: 1-143. KUBIENA W.L. 1953: Bestimmungsbuch und Systematik der Boden Europas. Stuttgart. KUŹNICKI F. 1965: Właściwości i typologia gleb wytworzonych z kredowej opoki odwapnionej Roztocza w nawiązaniu do charakterystyki i genetycznego podziału rędzin. Rocz. Glebozn. 25, 2: 345-408. KUŹNICKI F., SKŁODOWSKI P. 1976: Zawartość i charakterystyka form związków próchnicznych w rędzinach wytworzonych ze skał węglanowych różnych formacji geologicznych. Rocz. Glebozn. 27,2: 127-136.. MOCEK A., DRZYMAŁA S., MASZNER P. 2000: Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. AR Poznań. MÜCKENHAUSEN E. 1975: Die Bodenkunde und ihre geologischen, geomorphologischen, mineralogischen und petrologischen Grundlagen. Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft-Verlag-GmbH Frankfurt am Main. RZĄSA S., KOKOWSKI J. 1977: Seryjne oznaczanie maksymalnej higroskopijności gleb i gruntów. Referat na Zjazd PTG, Poznań. RZĄSA S. 1983: A sedimentative apparatus for total analysis of the mechanical composition of the soil. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 220,2. STRZEMSKI M. 1950: Rędziny i borowiny gipsowe okolic Buska i Wiślicy. Rocz Nauk Roln. 54: 539-551. SZABOLCS J. 1971 : Solonetz soils in Europe, their formation and properties with particular regard to utilization: 9-33. [w] Szablocs (red.) European Solonetz Soils and their Reclamation. Akademiai Kiado Budapest. Praca wpłynęła do redakcji w listopadzie 2002 r. Adres autora: prof. dr hab. Andrzej M ocek Katedra Gleboznawstwa, Akadem ia Rolnicza im. Augusta Cieszkowskiego ul. M azowiecka 42, 60-623 Poznań