Преобразование почвенной массы

Расчетно-графическая работа №4

Рассчитать и построить переходную характеристику:

- с помощью таблиц обратного преобразования Лапласа;

- численным моделированием.

Дано:

Передаточная функция замкнутой системы:

Подадим единичный ступенчатый сигнал:

И з о б р а ж е н и е:

Переходная характеристика:

Первичное почвообразование – это развитие почвообразовательного процесса на обнаженной горной породе. Оно понимается как сложный комплекс одновременно протекающих биологических, физических и химических процессов. Воздействие на горные породы организмов и продуктов их жизнедеятельности стимулирует физические и химические явления. В начальных стадиях первичный почвообразовательный процесс связан с развитием бактериальных и актиномицетных форм, которые способны разлагать первичные и вторичные минералы с образованием хелатов. При накоплении в первичных почвах органического вещества количество актиномицетов уменьшается и постепенно замещается бактериальной и грибной микрофлорой, развивающейся в соответствии с условиями среды. В результате первичного почвообразования идет разрушение горных пород и составляющих их первичных минералов с образованием мелкозёма и накоплением элементов – органогенов, а также веществ почвенного гумуса. Формируются почвы с маломощным профилем – литосоли, рендзины, регосоли, ареносоли, пелосоли. Их профиль определяют горизонты: А – С (А₀ – А – С) на рыхлых породах и А_д – Д (А_д – А – Д) на плотных породах. Литосоли формируются на плотных массивно-кристаллических бескарбонатных породах (граниты, базальты, диабазы и др.), а рендзины – на плотных карбонатных породах (известняки, мергели и др.). На рыхлых породах образуются регосоли (суглинистые наносы), ареносоли (песчаные наносы), пелосоли (глины).

Изучение процессов первичного почвообразования предоставляет исследователю ценный материал о скорости и этапах развития почвы. Впервые изучение начальных этапов почвообразования было сделано В.В. Докучаевым на древних стенах Староладожского монастыря.

Дальнейшее развитие маломощных почв предполагает их эволюцию в зональные. Вместе с почвами развивается и материнская порода; увеличивается мощность её рухлякового слоя. Период формирования полноразвитой климаксной почвы составляет 500-1500 лет.

Дерновый процесс предполагает накопление гумуса и приобретение почвой комковато-зернистой структуры под воздействием травянистой растительности. При этом происходит аккумуляция в верхних горизонтах азота и зольных элементов питания растений, приобретение почвами благоприятных водно-физических, химико-физических свойств.

Дерновый процесс связан прежде всего с жизнедеятельностью травянистой растительности и сопутствующей ей разнообразной биоты. Следует признать первостепенное значение дернового процесса как фактора, создающего агрономическое эффективное плодородие почвы. Именно дерновый процесс обусловливает высокое потенциальное плодородие почв и создает благоприятную экологическую обстановку для большинства сельскохозяйственных растений.

Из всех растений только травы уникальны как создатели нужного земледельцу плодородия почвы. Причина заключается в их эколого-биологической сущности. Травы на 60-90% своей биомассы находятся в почвенных горизонтах, и для них характерно ежегодное поступление всего этого органического вещества в биологический круговорот, в процессы гумификации и минерализации. Велико значение физической разрыхляющей способности корневых систем травянистой растительности, её структурообразующих функций. Благодаря травам в результате дернового процесса почвенная масса значительно увеличивается в объёме. Например, на черноземах лессовидный суглинок имеет плотность 1,45-1,50, а дерновый горизонт залежной почвы 1,05-1,15. В результате дернового процесса почва как бы растёт вверх.

В проявлении дернового процесса важную роль играют вещественные химические особенности травянистых биоценозов. Травы богаты азотом и фосфором и отличаются высокой зольностью.

Оглинивание. Под оглиниванием понимается процесс образования вторичных глинистых минералов типа монтмориллонита, гидрослюд, каолинита, вермикулита, аллофана и других, составляющих илистую фракцию почв. Эти высокодисперсные минералы образуются из первичных минералов путем изоморфных замещений, а также из продуктов распада как первичных, так и вторичных минералов. Применительно к почвам употребительны следующие синонимы оглинивания: сиаллитизация, оглинение, метаморфизация, внутрипочвенное выветривание, неосинтез глин. В почвах с невыраженными элювиально-иллювиальными явлениями в отношении алюмосиликатной части оглинивание обнаруживается по накоплению илистых частиц. Для всех почв большое значение имеет сравнительное изучение минералогического состава ила исходной материнской породы и почвенных горизонтов, а также микроморфологические исследования. Увеличение глинистости почвенной массы является главным генетическим итогом оглинивания. Оглиненные горизонты называются текстурными, или метаморфическими, и обозначаются B_t, AB_t.

Оглинивание – биогеохимический процесс. Наиболее интенсивно он протекает при непосредственном контакте минеральной массы с биологическими системами. Изучение выветривания мусковита, биотита, микроклина под действием корней древесной растительности, почвенных микроорганизмов и грибов показало, что живые организмы способны извлекать К, Mg, Fe из кристаллической решётки первичных материалов. Биологическое выветривание сопровождается изменением типа минерала, например, биотит трансформируется в вермикулит. Кроме биологических факторов при оглинивании немаловажную роль играют химические и физико-химические процессы замещения катионов, окисления, гидролиза, гидратации, образования осадков, комплексов, и т. д. Поэтому необходимые условия оглинивания – господство положительных температур и достаточного увлажнения, а интенсивность внутрипочвенного выветривания возрастает от полярных областей к тропикам. В аридных условиях и при отрицательных температурах преобладает физическое разрушение пород. Минералы же остаются относительно устойчивыми.

В каждой почвенной зоне оглинивание направлено к формированию определённого типа коры выветривания, который представляет завершающую стадию развития, находится в равновесии с окружающими её компонентами и условиями природного ландшафта и характеризуется типичным минералогическим составом.

Зональность процессов выветривания впервые отмечена в работе В.В. Докучаева о зональности в минеральном царстве. Представление о зрелых корах выветривания, характерных для каждой почвенной зоны, обобщил В.М. Фридланд. Для каждой почвенной зоны В.М. Фридланд выделяет различные типы стадийно-незрелых неустойчивых переходных кор выветривания, которые в завершающей стадии развития дают продукты выветривания, значительно более близкие между собой, чем исходные породы.

Для большинства почв России характерен сиаллитный (Si-Al-lito) тип оглинивания. При этом типе преобразования минералов коренных пород происходит накопление вторичных глинистых минералов типа гидрослюд, каолинита и монтмориллонита. Преобразование минеральной части почв по сиаллитному типу характерно для чернозёмов, каштановых почв, серых и бурых лесных почв, дерново-карбонатных и др.

Во влажных субтропиках Черноморского побережья тип оглинивания – аллит-сиаллитный. Здесь происходит обогащение почв минералами окислов железа и алюминия.

Почва и материнская порода – самостоятельные тела природы, вместе составляющие кору выветривания. Оглинивание и в почве, и в материнской породе протекает по общему направлению. Почвы всегда развиваются в толще коры выветривания, располагаясь в верхней её части. При маломощных щебнистых корах выветривания почвенный профиль полностью занимает объём этих кор. Мощные, например тропические аллитные, коры выветривания во много раз превосходят объём почвенной массы.

Наблюдаемые современные почвы и приуроченные к ним коры выветривания в решающей степени определяют минералогический состав почвы и направление внутрипочвенного оглинивания. В то же время почвенные процессы оказывают непосредственное влияние на ход выветривания коры, особенно при проникновении в них почвенных растворов в условиях промывного водного режима.

Вопрос о различиях и сходстве в составе минералов между почвами и материнскими породами имеет значение в смысле констатации неодинаковой скорости развития этих природных тел. В зрелых корах выветривания и приуроченных к ним зональных почвах различия в минералогическом составе будут минимальными.

В толще коры выветривания скорость процесса оглинивания, т.е. интенсивность образования вторичных глинистых минералов, неодинакова. Обычно она выше в биологически активных почвенных горизонтах, причём в самой почве характерно обособление более оглиненного метаморфического текстурного горизонта Bt. Оглинивание наиболее интенсивно в незрелых щебнистых корах выветривания, обогащенных первичными минералами. При высоком содержании в почвах потенциальной части, т.е. первичных минералов, происходит быстрое накопление глинистых частиц и оглинивание становится важнейшей частью почвообразования. Оглинивание ослабевает, замедляется в почвах и материнских породах тяжелого механического состава, обогащённых вторичными минералами. Отмечено слабое развитие процесса внутрипочвенного выветривания в горизонтах коры выветривания, достигшей зональной зрелости. В этом случае оглинивание не представляет решающего качественного компонента почвообразования.

Слитогенез. Слитыми почвами называют плотные образования, которые в сухом состоянии обладают очень высокой твёрдостью, а во влажном состоянии – низкой твёрдостью и высокой пластичностью. Например, слитые чернозёмы Кубани имеют в зависимости от влажности объёмную массу от 1,93-2,00 (сухие) до 1,40-1,42 (влажные) и соответственно – порозность от 26 до 48%. Характерная особенность слитых почв – их склонность к сильному растрескиванию при высыхании. Объёмная усадка составляет около 30%. К свойствам слитости относятся также вязкость и липкость глинистой массы, бесструктурность, «сплошность» во влажном состоянии и глубокая крупноглыбистая трещиноватость в сухом. Слитые почвы обладают способностью к самомульчированию, т. е. при высыхании поверхностного слоя образуют рыхлый мелкочешуйчатый, не обладающий капиллярностью горизонт.

Контрастный водный режим, резкие колебания от переувлажнения к иссушению ведут к перестройке минеральной части, изменению структуры, появлению высокой способности к набуханию и сжатию. Этому способствует обогащенность слитых почв и почвообразующих пород монтмориллонитовыми минералами, а монтмориллонитовое оглинивание – одна из важнейших сторон слитогенеза. При слитогенезе образуется тёмная, почти чёрная, масса за счёт прочного комплексирования гуматов с монтмориллонитовыми минералами.

Оригинально складывается водный режим слитых почв, способствующий застою воды на поверхности. Проникновение дождевых вод непосредственно в глубокие слои почвы возможно лишь после иссушения профиля до глубины 150 см, когда он будет пронизан трещинами. В этом случае только влага обильных дождей может достигнуть по трещинам глубоких слоёв, и проникновение будет происходить до тех пор, пока в результате набухания средние и верхние слои почвы не превратятся в водоупор. Фильтрация слитого слоя составляет всего 0,1-0,4 мм/ч. При таких величинах фильтрации слитые почвы практически не имеют промывного режима, какое бы количество осадков ни выпадало. Круговорот веществ происходит в пределах почвенного профиля, т. е. в слое 0-170 см, а материнская порода оказывается изолированной от гравитационного тока влаги набухшей глинистой массой. Избыток атмосферной нефильтрующейся влаги застаивается на поверхности в микрорельефных понижениях, вызывая переувлажненность пахотного слоя.

Со слитогенезом связано явление педотурбации. Педотурбация – это механический процесс внутреннего профильного перемешивания почвенной массы, вследствие которого происходит перемещение веществ в почве. В слитых почвах к концу сухого сезона возникают глубокие трещины. Мелкозернистая масса поверхности почвы, образованная в результате самомульчирования, проваливается в трещины под воздействием силы тяжести, воды и ветра, обработки и др.

При увлажнении и набухании почвы педотурбация происходит снизу вверх из-за развивающегося в трещинах давления на блоки почвы. Могут происходить и горизонтальные смещения. Как правило, при увлажнении блоки поднимаются выше, чем места трещин. Это одна из причин формирования в естественных условиях микрорельефа типа гильгай.

Как результат педотурбации профиль слитой почвы слабо дифференцирован на горизонты. Происходит гомогенизация почвенной массы, замедляющая горизонтацию.

Оглеение. Под глеевым процессом понимается процесс образования глинистых материалов, содержащих закисное железо, а также простых закисных солей железа и марганца. Наиболее распространенные – сидерит FeCО₃ и вивианит Fe₃(РО₄)₂ и 8Н₂О. При гидролизе сидерита образуется весьма мобильный бикарбонат железа Fe(НСO₃)₂. Эти вещества окрашивают зоны оглеения в зеленоватые, зеленовато-голубые и чёрно-голубые тона.

В почвах, содержащих сульфаты, закисное железо находится в виде гидротроилита FeSunH₂О, небольшие количества которого окрашивают почву в интенсивно чёрный цвет. Гидротроилит, подвергаясь кристаллизации, переходит в пирит –FeS₂.

Сущность глеевого процесса состоит в следующем: под воздействием неспецифических гетеротрофных анаэробных организмов железо свободных окисных соединений, а также железо, извлекаемое из частично распадающихся силикатов и алюмосиликатов, восстанавливается до закисного двухвалентного, вступает в комплексные связи с органическими соединениями и алюмосиликатами. В закисные формы вместе с железом переходят и другие элементы.

Глеевый процесс, проявляясь в различных почвенных типах, увеличивает разнообразие почвенного покрова Земли. Глеевые процессы возникают при переувлажении. В условиях застойно-промывного водного режима морфохроматические признаки оглеения в виде холодного цвета – синего, сизого, голубого и голубовато-зеленого и др. не проявляются. Эти признаки характерны для почв болотного ряда, т. е. они возникают под влиянием глееобразования при постоянном переувлажнении без условий промывного водного режима.

Глеевый процесс имеет биохимическую природу. Специфические группы микроорганизмов не установлены. Их состав может варьировать в различных почвах и климатических зонах. Но все эти микроорганизмы гетеротрофны, т. е. наличие в почвах органического вещества – обязательное условие глеевого процесса. Наибольшее количество микроорганизмов, вызывающих редукцию железа, находится в верхних почвенных горизонтах, богатых органическим веществом. Растительные остатки и почвенный гумус используются бактериями как энергетический материал. Зоны оглеения наиболее интенсивно развиваются вокруг скопления органического материала, а в глубоких горизонтах оглеение лимитируется низким содержанием гумуса. При глееобразовании может иметь место масляно-кислое брожение сахаров и крахмала, а также брожение клетчатки. Однако определяющим является сбраживание протеинов и гумусовых веществ. При этом происходит усреднение кислой реакции почв. В легко подвижную форму превращаются гумусные кислоты, связанные с трёхвалентным железом.

Оглеение развивается в переувлажненных почвах. Однако вода не является его непосредственной причиной. Избыток влаги ограничивает процесс обмена воздуха между почвой и атмосферой, что приводит к недостатку кислорода – необходимому условию развития анаэробных микроорганизмов.

При переменном гидроморфизме, когда процессы переувлажнения сменяются окислительным режимом, типична следующая реакция:

4Fe(HCО₃)₂, + О₂+ 2Н₂О = 4Fe(OH)₃ + 8СО₂.

Гидроокись железа Fe(OH)₃ и её производные придают профилю ярко-оранжевые и ржавые тона, которые распределяются в виде пятен и примазок. Они сочетаются с пятнами ярко сизо-зеленого цвета истинного оглеения. Образуется мраморовидная пятнистая окраска, как результат периодичности (сезонности) в избыточном увлажнении, т. е. периодичности в господстве восстановительных и окислительных условий. С переменным гидроморфизмом также связано наличие конкреций и марганцево-железистых пленок (мелкие и крупные ортштейны, трубчатые корневые конкреции, примазки, пятна Fe(OH)₃ и Мn₂О₇).

В глеевых засоленных почвах закисные формы железа окисляются с образованием серной кислоты, и почвы в отсутствие карбонатов приобретают сильно кислую реакцию среды. Схема образования серной кислоты может быть представлена следующим образом:

FeS₂ + 7О + Н₂О = H₂SО₄ + FeSО₄,

FeS + 4О + 2Н₂О = H₂SО₄ + Fe(OH)₂.

Таким образом, глееобразование, или глеевый почвообразовательный процесс, протекает в анаэробных условиях при обязательном участии гетеротрофной микрофлоры и наличии органического вещества в условиях постоянного или периодического обводнения отдельных горизонтов или всего профиля. Глееобразование сопровождается переходом окисных соединений в закисные.

Аллитизация (ферраллитизация) – совокупность явлений почвообразования и выветривания, результатом которых является накопление в почвах окисных минералов железа и алюминия (гетит, гидрогетит, лимонит, гидрогелит, гиббсит), а также вторичного алюмосиликата каолинита. Происходит также потеря кремнезёма и всех остальных окислов. Аллитизация (ферраллитизация) совершается в тропических и субтропических странах в условиях достаточной влажности и хорошего естественного дренажа. Образующиеся свойства аллитности (ферраллитности) включают: красную и жёлтую окраску, прочную железистую микроструктуру, низкую поглотительную способность, слабую связанность, пластичность и набухаемость.

Аллитными почвами и корами выветривания считаются те, у которых молекулярные отношения SiО₂: R2О₃ в илистой фракции менее 2.

Аллитизация (ферраллитизация) – процесс, охватывающий не только почвенные горизонты, но и преобразующий всю кору выветривания на большую глубину, что отличает его от ряда других почвообразовательных процессов. Специфические генетические горизонты не формируются. В толще аллитной коры выветривания различают верхний активный слой современного почвообразования и мягкую породу, потерявшую свою внешнюю структуру –зону литомаржа («гнилого камня»).

Латеритизация – почвенно-гидрогеологический процесс формирования железистых и железисто-кварцевых каменных конкреций, слоёв (панцирей) в мелкоземистой толще почв под воздействием притока соединений железа и алюминия с кислыми водами, чаще всего горизонтального и реже вертикального направления. Латеритизация обусловливает вывод из круговорота значительных количеств соединений железа. Наиболее широко латеритизация проявляется в условиях сезонно-влажных тропиков.

При латеритообразовании значительную роль играют малопроницаемые подпочвы, являющиеся своеобразным водоупором, под которым во влажные периоды года возникают текущие по уклону местности почвенные воды типа верховодки. Этому может способствовать различный литологический состав наносов, например глинистые породы, перекрытые легкими отложениями.

Выпадение соединений железа в осадок, образование конкреций, цементация конкреций из окружающего их силикатного материала в железистые панцири происходит при смене реакции среды на нейтральную или щелочную, что возможно при контакте кислых железистых вод с грунтовыми водами иного, не почвенно-поверхностного происхождения. Большое значение в образовании латеритов принадлежит периодическому высыханию почвенных растворов и слоёв. Особенно крупные скопления латеритов встречаются в замкнутых депрессиях рельефа. В зависимости от условий образования и стадий развития процесса встречаются пизолитовые (гороховидные), каменисто- гравелистые и альвеолярные (ячеистые) крупноблочные, каменисто-плитообразные. Эти латериты имеют поверхносгно-гидроморфное происхождение и связаны с дополнительным притоком воды, насыщенной растворимыми соединениями железа.

На Северном Кавказе процесс латеритообразования можно наблюдать в субтропических подзолисто-желтоземных почвах на выровненных морских и речных террасах Черноморского побережья, в районах Туапсе – Сочи – Адлер. Большие площади этих почв сосредоточены в долинах рек Мзымты и Псоу. Их конкреционный горизонт В имеет латеритную природу.

В почвах сезонно влажных тропических стран типично образование латеритных конкреций из ферраллитной глинистой массы вследствие её цементации.

Присутствие в почвах латеритов резко снижает их плодородие, а эрозионные процессы делают эти почвы совершенно бесплодными вследствие выхода на поверхность каменистой массы.

Дата добавления: 2015-05-10