ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE T. XXIII, Z. 1, WARSZAWA 1972
M A ŁG O R ZA TA R EJM A N -C ZA JK O W SK A
W PŁYW OG LEJEN IA NA M IG RA CJĘ SIA RK I
Zakład G leb ozn aw stw a i K artografii G leb IU N G w P u ła w a ch
B A D A N IA N A MODELACH
W Zakładzie G leboznaw stw a IUNG od szeregu la t prow adzone są dośw iadczenia m odelow e n a d w pływ em procesu glejowego n a k ształto w anie się p rofilu gleby oraz przem ieszczanie n iek tó ry ch jej składników (zwłaszcza żelaza). Biorąc pod uw agę dane z lite ra tu ry [9], w skazujące na możliwość w zajem nego pow iązania o k sydacyjno-redukcyjnych p rze m ian zw iązków żelaza i siark i w glebie, w yko rzystan o n iek tó re z ty ch doświadczeń do badań nad w pływ em oglejenia na m igrację siarki.
Do analiz pod w zględem zaw artości siarki w ybrano trzy doświadcze nia założone n a m ate ria le lessowym . W iadomo bowiem, że w m ateriale drobno- i ró w no ziam isty m proces przem ieszczania połączeń siarki od byw a się najbardziej rów nom iernie [6].
SPOSÓB ZAŁOŻENIA I PRZEBIEG DOŚWIADCZEŃ MODELOWYCH
D o ś w i a d c z e n i e 1: założono w cylindrze szklanym pojem ności ok. 1 0 0 0 cm3 w sposób następ u jący :
— do cy lin d ra z w odą w sypano (do wysokości ok. 26 cm) less po chodzący z poziom u (B) gleby b ru n atn e j,
— po pew nym czasie, gdy zaw artość cy lin dra osiadła całkow icie, ze brano n ad m iar w ody zalegającej ponad m asą lessu i d e lik a tn ie nałożo no następ n ą w arstw ę (5 cm) ze specjalnie w ty m celu oglejonego (przez dodatek cukru) lessu o większej zaw artości żelaza (less wzbogacony wo dorotlenkam i żelaza),
— gdy nałożona w arstw a osiadła ponownie, usunięto n a d m ia r w ody i nałożono trzecią w arstw ę (5 cm) skład ającą się z tego samego m a teriału lessowego, k tó ry znajdow ał się poniżej oglejonego p rzew arstw ie- nia.
W ten sposób w śród jednorodnego m ateriału lessowego b arw y b ru natnej znalazła się w kładka u tw o ru silnie oglejonego.
Głów nym celem dośw iadczenia było prześledzenie procesu glejowego w w aru n k ach w yraźnie zróżnicow anych układów oksydacyjn o-red uk- cyjnych.
W toku trw ania dośw iadczenia stw ierdzono, że w kładka silnie ogle jonego lessu, m im o ograniczonego ru ch u w ody w cylindrze (miało m ie j sce jed y n ie podsiąkanie jako w y n ik parow ania), spowodow ała in te n syw ne oglejenie m ate ria łu ziem nego zalegającego zarów no poniżej, jak i powyżej. N astąpiło też w yraźne przem ieszczenie żelaza w obrębie ko lum ny, o czym św iadczyły zm iany zabarw ienia. Dało to rów nież m ożli wość prześledzenia zależności m iędzy oglejeniem a rozm ieszczeniem siarki w obrębie substancji glebowej.
D o ś w i a d c z e n i e 2 zostało założone w ram ach badań nad w p ły w em różnych form substancji organicznej oraz m iejsca jej zalegania na rozwój procesu glejowego; m iało ono rów nież na celu prześledzenie w a runków pow staw ania konkrecji węglanow ych. Z tego w łaśnie względu na bezw ęglanow ą m asę ziem i działano m leczanem w apnia. Dośw iadcze nie to w ybrano z uwagi na fakt, że um ożliwiło ono prześledzenie w p ły w u oglejenia głębszych w arstw oraz w stępującego (parowanie) ru ch u wody na sposób rozm ieszczenia siarki w obrębie m asy ziem nej.
Sposób założenia tego doświadczenia przedstaw ia się następu jąco : na dnie cylindra szklanego (pojem ność ok. 1300 cm3) umieszczono 25 g m le czanu w apnia, n astęp n ie cylinder napełniono lessem i całą jego z aw ar tość nasycono w odą destylow aną. Po up ły w ie kilku dni w pobliżu dna cylindra zauw ażono rozwój procesu glejowego, k tó ry w m iarę upływ u czasu przesuw ał się ku górze. Rów nocześnie obserw ow ano w yzw alanie się gazów, k tó re przedostając się n a pow ierzchnię form ow ały liczne k a n aliki w m asie w ilgotnego lessu.
D o ś w i a d c z e n i e 3: założono w celu zbadania w pływ u in te n sywnego i długotrw ałego oglejenia w ierzchnich w arstw u tw oru lessow e go n a m orfologiczne i chem iczne zm iany w obrębie m asy ziem nej. Ze w zględu n a to, że w dośw iadczeniu ty m uzyskano sztuczny profil o ce chach gleby pseudobielicow ej, przeprow adzono badania rozm ieszczenia siarki w poszczególnych poziom ach g enetycznych” na tle rozm ieszcze nia szeregu innych składników gleby.
Sposób założenia tego dośw iadczenia został podany przez S i u t ę n a stępująco [12]: „C ylinder szklany w ypełniono m ateriałem z utw o ru les sowego (pobranego z poziom u B) i całość umieszczono w szklanej zlew ce, n a dnie k tórej znajdow ała się w arstew ka azbestu. A zbest spełniał rolę filtru um ożliw iającego p rzesiąkanie n ad m iaru wody z cy lin d ra do
W p ły w o g lejen ia na m ig ra cję siarki 225
zlew ki, jak rów nież ze zlew ki do cylindra. Aby w oda ze zlew ki n ie p a row ała, przestrzeń m iędzy cylindrem i zlew ką (u góry) zakryto wężem gum ow ym i uszczelniono w atą. Pow ierzchnię u tw o ru lessowego w cy lin drze p rzy k ry to rozdrobnionym sianem koniczyny czerwonej ( 1 0 g) i zalano w odą destylow aną, k tó ra w całości nasyciła m asę ziem istą oraz przedostając się przez filtr azbestow y w ypełniła połowę zlew ki. W po czątkow ym okresie zdolność filtra cy jn a kolum ny lessowej była bardzo duża. Po upływ ie zaledw ie kilku dni bezpośrednio pod sub stancją o rga niczną pojaw iła się sm uga glejow a szaroniebieskiego zabarw ienia. Sm u ga ta bardzo powoli przesuw ała się w głąb cylindra. (...) Po upływ ie trzech m iesięcy nadm iernego uw ilgotnienia (zupełnie m okra su bstancja organiczna) strefa glejow a obejm ow ała 0-5 cm. Od tej p o ry stosowano okresow o n ad m iern e uw ilgotnienie i przesuszanie m asy ziem istej. W pły nęło to n a w zrost zdolności filtra cy jn y c h oraz przyczyniło się do pow stania w szczelinach w y trąceń żelazistych. (...) R ytm iczna zm iana sto p n ia uw ilgotnienia była rów nież p rzyczyną p rzenik ania do głębszych w arstw substancji organicznej i przesunięcia się w dół stre fy glejo wej. Po upływ ie sześciu m iesięcy w celu p o d trzy m an ia procesów re d ukcy jn y ch dodano 5 g sacharozy, co spowodowało o glejenie i pow aż nie zm niejszyło zdolność filtra cy jn ą lessu. Po upływ ie jednego roku b arw a górnej połowy kolum ny lessowej była silnie zm ieniona w porów n a n iu z m ateriałem w yjściow ym . N atom iast w dolnej części cylindra nie
stw ierdzono istotnych zm ian zab arw ien ia m asy ziem istej” .
OPIS CECH MORFOLOGICZNYCH UZYSKANYCH MODELI
Po zakończeniu doświadczeń i przeschnięciu m asy ziem nej (lessu) każdy z u zyskanych m odeli w ykazyw ał inny u k ład barw .
M odel uzyskany z dośw iadczenia 1 :
0,0-0,15 cm — cienka w a rstw a rdzaw y ch w ykw itów ,
0,15-4,50 cm —■ w arstw a niew iele zm ieniona pod w zględem zab arw ie nia w poró w n an iu z m ateriałem w yjściow ym (nieco bardziej b ru n atn a);
4,50-9,00 cm — w a rstw a b arw y popielatej z lekko żółtaw ym odcieniem (w kładka silnie oglejona) ;
9,00-10,00 cm — w arstw a silnie zm ieniona i zróżnicow ana pod w zglę dem zabarw ienia; w y stęp u ją liczne rdzaw e plam y i sm ugi w y trąceń żelazistych, tw orzące m ozaikę w raz z popielatym i sm ugam i i plam am i;
10,00-13,50 om — szaro b ru n atn a porow ata w arstw a; ścianki licznych przestw orów p o kry w ają ciem n o b ru n atn e w ykw ity ;
13.50-23,50 cm — w a rstw a o takiej sam ej barw ie, ale znacznie m niej porow ata ;
23.50-27,50 om — w arstw a o b arw ie nieco bardziej b ru n atn e j niż m a te ria ł w yjściow y z licznym i skupiskam i w ęglanów , b u rzy z kw asem octow ym ;
27.50-34,50 cm — nie zm ieniony m ate ria ł w yjściow y (less).
A nalizując cechy m orfologiczne m odelu ustalono, że w strefie z a w a r tej m iędzy oglejonym p rzew arstw ien iem a poziom em w y trąc e ń w ęglano w ych w y stęp u je w yraźn e zróżnicow anie barw y. S trefę tę charak tery zuje, ogólnie biorąc, bardziej in ten sy w n e zabarw ien ie niż m a te ria ł w yjściow y. P róbki średnie (po ro ztarciu ich w m oździerzu) p o brane z różnych w a rstw tej strefy, w y kazu ją b arw ę rd zaw o b ru n atn ą coraz bardziej inten sy w n ą w k ieru n k u przew arstw ienia. W górnej części m odelu (ponad p rze w ar stw ieniem ) o b serw uje się znacznie m niejszą intensyw ność b a rw y b r u n a t nej w porów nan iu z m ateriałem w yjściow ym . W y jątek stanow i cieniu tka w a rstw a w y kw itów pow ierzchniow ych.
W yraźnie zaznaczające się w zbogacenie m a te ria łu lessowego w zw iąz ki żelaza, jak ie nastąpiło w to k u trw an ia doświadczenia, m oże w yjaśnić dy fu zy jn ą m igrację składników z silnie oglejonej w kładki do środow i ska otaczającego. Podczas przesychania kolum ny następow ały w aru n k i sp rzyjające u tlen ian iu zred ukow anych składników . Tlen p rzen ik ał po czątkow o do w iększych przestw orów , jak im i były pęcherzyki pogazowe, a rów nocześnie w zbitej m asie lessu dom inow ały jeszcze procesy bez tlenow e. Takie zróżnicow anie w aru n k ó w przyczyniło się do pow stania form glejow o-eluw ialnych i glejow o-iluw ialnych w o brębie dolnej w a r stw y lessu.
Model uzyskany z dośw iadczenia 2:
0,0-1 , 0 cm — w arstew k a b a rw y rd zaw o b ru n atn ej z licznym i białym i sm ugam i;
1,0-1 0 , 0 cm — w a rstw a ja sn o b ru n a tn a z nielicznym i rdzaw ym i p la m am i, układ drobnoporow aty ;
10.0-17,5 cm — w a rstw a jasn o b ru n a tn a z nielicznym i plam am i glejow o--eluw ialnym i i glejow o-iluw ialnym i;
17.5-27,0 cm — w a rstw a o układzie gąbczastym ; p o ry p o k ry te rdzaw ym nalotem , w idoczne p lam y rdzaw e oraz niew ielka ilość szarych i ciem noszarych skupisk:
27.0-35,5 cm — w a rstw a b arw y popielatej, n a k tórej tle ry su ją się licz n e czarne p lam y i p rzejaśn ien ia o rozm ytych k o n tu rach; układ słabo p orow aty;
W p ły w o g lejen ia na m ig ra cję siarki 227
Opis m odelu w skazuje na w y raźn y w pływ oglejenia i w stępującego ru ch u w ody n a ukształtow anie się cech m orfologicznych m asy ziem nej.
B eztlenow e przem ian y su b stancji organicznej w przyd enn ej strefie k o lum ny lessowej spowodow ały red u k cję n iek tó ry ch połączeń m in e ra l nych, co znalazło w yraz w oglejeniu m asy ziem nej. Z redukow ane po łączenia m in e raln e oraz p ro d u k ty rozkładu substancji organicznej ule gały przem ieszczeniu zarów no w drodze dyfuzji, ja k i w raz z podsią- k ającym roztw orem , pow odując stopniow e rozszerzanie się oglejenia w k ieru n k u środkow ej części m odelu. Rów nocześnie gazowe p ro d u k ty beztlenow ej przem iany substancji organicznej p rzenikały k u pow ierzch n i fo rm u jąc w m asie lessu liczne pęcherzyki i kanaliki.
W m iarę u b y tk u n a d m ia ru wilgoci w k analik ach i kom orach poga zowych następow ało utlen ian ie żelaza dw uw artościow ego, pow odując w y trącan ie się rd zaw obrunatnego osadu. P ow stanie form eluw ialno -ilu - w ialnych w obrębie m odelu je s t zw iązane, podobnie ja k to m iało m iej sce w p rzy pad ku dośw iadczenia 1, ze zróżnicow aniem zbitej m asy lessu pod w zględem stopnia natlen ienia.
M odel uzyskany z dośw iadczenia 3 :
0,0-5,0 cm — w a rstw a b a rw y popielatej, odpow iadająca poziomo w i A 2;
5,0-12,0 cm — w a rstw a b arw y popielatej z odcieniem żółtym oraz licz nym i rd zaw o b ru n atn y m i w y trąceniam i żelazistym i (od p ow iada poziom owi A 2);
1 2.0-2 0 , 0 cm — w a rstw a b arw y popielatej z odcieniem żółtym i m niej licznym i rdzaw o b ru n atn y m i w y trącen iam i żelazistym i (odpow iada poziom owi A2);
20.024,0 cm — w a rstw a b arw y ciem n ob run atnej z plam am i eluw ialny -mi, analogiczna z poziom em A 2(B ) ;
24.0-29,0 cm — w a rstw a b arw y ciem nobrunatnej, odpow iadająca pozio m ow i B;
29.0-48,0 cm — w a rstw a b arw y b ru n atn e j, m ate ria ł w yjściow y nie uległ zm ianie (odpow iednik poziom u C).
Z estaw ienie w yników analizy stopów (tab. 1) w skazuje, że działające odgórnie procesy red u k c y jn e w pły n ęły nie tylko n a m orfologiczne zróż nicow anie m odelu, lecz rów nież na szereg zm ian w składzie chem icz nym m ate ria łu lessowego, pow odując urucho m ienie i przem ieszczenie do głębszych w a rstw tak ich składników , ja k glin, żelazo, m agnez i w apń 1.
1 W o d n iesien iu do m od elu 3 w yk orzystan o rów n ież częścio w o d ok u m en tację an a lity czn ą badań p u b lik o w a n y ch [12].
T a b e l a 1 S k ła d chem iczny m odelu 3
C h em ical c o m p o sitio n o f t h e m odel 3
Łp. G łębo kość w cm Sym b o l p o z io mu H o ri zon pH Z aw arto ść sk ład n ik ó w w % C o n te n t o f com ponents i n % S i0 2 A12°3 MgO No D epthi n cm KCl S i 0 2 a12°3 Ре2° з P2 °5 CaO MgO R2°3 Fe20 3 CaO 1 0 -5 A2 4 ,3 7 9 ,4 5 7 ,3 0 3,10 0 ,1 4 0 ,9 5 1,12 7 ,6 4 2 ,3 5 1 ,1 8 2 5 -1 2 a2 4 ,5 79*48 1 1 ,4 3 3 ,8 9 0 ,1 7 0 ,9 5 1,21 5 ,1 9 2 ,9 4 1 ,2 7 3 12-20 *2 5 ,5 7 9 ,7 5 1 0 ,9 3 3 ,9 8 0 ,1 3 1,11 1 ,2 5 5 ,3 5 2 ,7 5 1 ,1 3 4 2 0 -2 4 a2/b 6,1 7 9 ,4 4 1 1 ,3 5 4 ,4 0 0 ,1 3 1 ,1 6 1 ,4 1 5 ,0 5 2 ,5 6 1,22 5 24-29 в 6,6 7 9 ,3 9 1 1 ,2 5 4 ,2 0 0 ,1 8 1 ,2 6 1 ,5 4 5 ,1 4 2,68 1,22 6 2 9-48 с 6 ,9 7 9 ,4 3 11,20 3 ,9 7 0 ,1 6 1 ,1 6 1 ,4 2 4 , 2 4 2 ,8 2 1,22
Z m ienny k ieru n ek ru ch u wody (okresowe zalew anie-przesiąk, okresow e przesychanie-podsiąk) spowodował ak u m u lację tych składników w sto sunkow o szerokiej strefie m asy ziem nej (od 5 do 29 cm), obejm ującej środkow ą i dolną część ,,poziom u A2” oraz „poziom y” przejściow y i w m ycia. N ajw iększa akum ulacja glinu nastąpiła na głębokości 5-12 cm (środkowa część „poziom u” A 2) i 20-24 cm („poziom ” A 2(B)), najw iększa aku m u lacja żelaza m a m iejsce w w arstw ach analogicznych z poziom em przejściow ym i poziom em w m ycia. N ajw iększą zaw artość w apnia i m ag
nezu stw ierd za się n a głębokości 24-29 cm („poziom ” B). Z m iany pH w obrębie m odelu w y k azu ją dużą zgodność z k ierunkiem przem ieszczenia w apnia i m agnezu (zakwaszenie w arstw górnych).
ZAWARTOŚĆ I ROZMIESZCZENIE SIARKI W OBRĘBIE MODELI
Do analizy n a zaw artość s ia r k i2 pobrano próbki z c h a ra k te ry sty c z nych w arstw poszczególnych m odeli dośw iadczalnych. N ajw iększe n a grom adzenie siarki w m odelu 1 (rys. 1) w y stęp u je w obrębie silnie ogle jonego p rzew arstw ien ia (6,64 m g S / l 00 g) oraz w w arstw ach (górnej i dolnej) bezpośrednio do niego przyległych (4,50, 4,69 m g S n a 100 g). N ajm niejszą zaw artość siarki w y k azuje w arstw a położona bezpośrednio n a d „poziom em w ęglanow ym ” (3,33 m g S n a 199 g). W obrębie „pozio m u w ęglanow ego” oraz w strefie zalegania n ie zm ienionego m ate ria łu wyjściow ego ilość tego składnika w 1 0 0 g badanej próby w ynosiła od pow iednio 3,91 i 3,72 mg.
Dużą zaw artość siarki w obrębie oglejonego p rzew arstw ienia m ożna przypisać zasobności m ate ria łu w yjściow ego w ten składnik, a wzboga
2 O gólną zaw artość siarki oznaczono tu rb id ym etryczn ie [18] w w yciągu u zy sk a nym m etodą B u ttersa-C h en ery’ego [1]; w y n ik i przeliczono na 100 g s.m. gleby, błąd ozn aczen ia w y n o sił ±0,360 m g %.
W p ływ o g lejen ia na m igrację siarki 229
cenie w a rstw otaczających — procesowi m igracji siarki. Słabo kw aśny odczyn lessu z silnie oglejonego przew arstw ienia zapobiegał unieruch o m ieniu siarki pod postacią siarczku żelaza. Stw orzyło to możliwość d y fuzyjnego przem ieszczenia się siarki, podobnie jak i innych składników , w k ieru n k u niższych stężeń.
Dolny zasięg strefy wzbogaconej w siarkę (16 cm) jest w yraźn ie m niejszy niż zasięg zjaw iska glejowego (27,5 cm). W ahania zaw artości siarki w poszczególnych w arstw ach stre fy w zbogacenia m ieszczą się w granicach błędu oznaczenia. To samo m ożna powiedzieć o różnicach w zaw artości siarki w obrębie strefy p rzydennej. U by tek siarki zazna cza się nato m iast w yraźnie powyżej w arstw y w ęglanow ej, a więc n a głębokości 21,5-23,0 cm. Zjaw isko to nie je s t przypadkow e, gdyż po dobne zależności spotyka się rów nież w w aru n k ach n aturalny ch.
Rys. 1. O gólna zaw artość i ro z m ieszczen ie siarki w m od elu 1
1 — barw a rdzaw a, 2 — popielata, 3 — ja s n o b ru n a tn a, 4 — b ru n a tn a , 5 — szaro b ru n a tn a , 6 — p o ry p o k ry te b ru n a tn y m
nalotem , 7 — sku p isk a w ęglanów
T otal con ten t and distrib u tion of sulphur in the m od el 1
1 — ru s ty colour, 2 — ash -g rey colour, 3 — b rig h t brow n colour, 4 — brow n colour, 5 — grey ish -b ro w n colour, 6 — pores covered w ith brow n coating, 7 —
conglom erations of carb o n ates
7mg/100g
Ш1 ŒDг ЕЕз
m s 1мЗ/Rów noczesne nagrom adzenie siark i i żelaza w obrębie w arstw y po łożonej na głębokości 9-16 om m ożna przypisać zjaw isku sorpcji siar czanów n a pow ierzchni bezpostaciow ych uw odnionych tlenków żelaza (za czym przem aw ia słabo kw aśny odczyn środowiska) oraz w y trącan iu się nierozpuszczalnych połączeń siarki z żelazem. Istnieje rów nież praw dopodobieństw o obecności pew nej ilości soli siarczanow ych, w y krystalizow anych w w yniku przesychania m asy ziem nej.
Do zróżnicow ania się m odelu pod w zględem zaw artości siarki p rz y czynił się niew ątpliw ie w stęp ujący .ruch wody (spow odowany paro w a niem ). Słabo k w aśny odczyn środow iska sprzyjał bowiem przem ieszcza n iu się siarki zarów no w w aru n k ach tlenow ych, jak i beztlenow ych. Je d y n ie w obrębie ,,poziom u w ęglow ego” pH mogło w płynąć na u n ie ru chom ienie siarki.
Jeśli chodzi o zubożenia pod w zględem siarki dolnej części strefy oglejonej (zalegającej bezpośrednio nad. ,,poziom em w ęglanow ym ”), to efekt ten m ożna przypisać oddziaływ aniu procesu redukcyjnego n a ru ch
liwość połączeń siarki. U bytek ten zachodzi najpraw dopodobniej n a rzecz niżej zalegającego ,,poziom u w ęglanow ego”, uform ow anego w o k re sie stabilizow ania się zasięgu stre fy oglejenia oraz n a rzecz stre f n a d - ległych, do k tórych siarka była przem ieszczana w okresie ustępow ania oglejenia i odparow yw ania n a d m ia ru wody.
Z aw artość siarki w strefie pow yżej p rzew arstw ien ia je st zbliżona do zaw artości tego składnika w strefie akum ulacji, usytuow anej poniżej. Można sądzić, że nagrom adzenie siarki w górnej w a rstw ie następow ało w drodze dyfuzji, jak rów nież w w y niku podsiąku roztw oru (parow a nie).
D ane an alityczne w skazują n a w y raźn e zróżnicow anie zaw artości siarki w obrębie m odelu 2 (rys. 2). Stw ierdzono u b y tek siarki w s tre fie
Rys. 2. Ogólna zawartość i rozmieszczenie siarki w modelu 2
2 — barw a rdzaw a, 2 — jas n o b ru n atn a, 3 — p opielata, 4 — uk ład silnie porow aty, 5 — w y trą cenia żelaziste n iek o n k re cy jn e , 6 — plam y eluw ialno-iluw ialne, 7 — p ory p o k ry te w y trą c e
niam i żelazistym i, 8 — plam y ciem noszare, 9 — plam y czarne
Total content and distribution on sulphur in the model 2
1 — ru s ty colour, 2 — b rig h t brow n colour, 3 — ash -g rey colour, 4 — stro n g ly porous fo rm a tion, 5 — n o n -co n cretio n ferru g in eo u s p recip ita tio n s, 6 — elu v ial-illu v ial spots, 7 — pores
covered w ith ferru g in e o u s p recip itatio n s, 8 — d a rk g re y colour, 9 — black colour
p rzy dennej (objętej procesem glejowym ) oraz pew ne nagrom adzenie te go składnika w części górnej. N ajw iększa ak u m ulacja siarki m iała m iej sce w rd zaw o brun atnej w arstew ce przypow ierzchniow ej (25,4 mg/100 g). Z estaw ienie zaw artości siarki z cecham i m orfologicznym i m odelu w ska zuje na istnienie różnic w tem pie u ru ch am iania bądź przem ieszczania siarki i żelaza w toku trw an ia doświadczenia.
O bojętny odczyn m asy ziem nej stw arza w a ru n k i sp rzyjające w y trą caniu słabo rozpuszczalnych siarczków żelaza; gdyby w ięc oba skład niki (siarka i żelazo) uległy rów nocześnie redukcji, nie m iałoby m iejsca przem ieszczanie siarki, a co za tym idzie, n ie n astąp iłb y rów nież u b y te k tego składnika w strefie objętej red u k cją. P o m iary potencjałów
W p ływ o g lejen ia na m ig ra cję siarki 231
ok sydacyjno-redukcyjnych, przeprow adzone in situ n a tere n ie zasolo ny ch gleb ryżow ych, dowiodły, że w w aru n k ach sprzyjający ch red u k cji najw cześniej ulegają uru chom ien iu związki m an g an u (Eh 706 mV), n a stępnie żelaza (EH 186 mV), n ato m iast zred ukow ane połączenia siarki (siarkow odór i siarczki) w dużych ilościach p o jaw iają się dopiero w póź niejszych stadiach rozw oju procesów beztlenow ych (Eh 8 mV) [4]. N a leży sądzić, że w m odelu 2 procesy red u k cy jn e w yw ołane beztlenow ym rozkładem sub stan cji organicznej (mleczan w apnia) urucho m iły przede w szystkim związki żelaza. B arw a stre fy oglejonej (po całkow itym p rze schnięciu) jest popielata z licznym i czarnym i i szarym i plam am i. Nie stw ierdza się n a to m ia st w ystępow ania w jej obrębie rdzaw ych w y trą ceń żelazistych. Na podstaw ie cech m orfologicznych należałoby w ięc przypuszczać, że część żelaza w yw ędrow ała poza obręb tej strefy. W przeciw ieństw ie do żelaza możliwość m igracji siarki nie tyle jest zw iązana ze zm ianą stopnia utlenienia, co z odczynem środow iska, k ie ru n k iem ru ch u (i ilości) w ody oraz z obecnością innych jonów. Rów no cześnie w ięc ze zredukow anym i połączeniam i żelaza m oże przem iesz czać się — w raz z podsiąkającą w odą — siarka siarczanow a, jeżeli p rzyjm iem y założenie, że red u k cja jej połączeń n a stę p u je później niż żelaza. W m iarę nasilania się procesów red u k cyjnych rów nież i te n składnik ulega redukcji, biorąc jed n a k pod uw agę odczyn środow iska należy przypuszczać, że znaczna część siarki ulega w y trąc e n iu w po staci siarczku żelaza i jed y n ie siarka w y stęp u jąca w form ie siarkow o doru (gazowego bądź rozpuszczonego w wodzie) m oże przem ieszczać się razem z podsiąkającym roztw orem .
W m iarę p rzesychania kolum ny zredukow ane form y składników gle bow ych ulegają u tlenieniu, przy czym żelazo w y trąc a się w postaci n ie rozpuszczalnych połączeń, siark a n atom iast, u tlen iając się do siarczanów , zachow uje zdolność do przem ieszczania się dopóty, dopóki stopniow y u b y te k w ody nie spow oduje przekroczenia nasycenia ro ztw o ru w zglę dem siarczanów . Można więc sądzić, że zróżnicow anie zaw artości siarki, a zwłaszcza nagrom adzenie jej w w arstew ce pow ierzchniow ej, nastąpiło w w y n ik u przem ieszczenia się siarki zarów no w form ie zredukow anej, jak i utlenionej.
W o brębie m odelu 3 m ożna w yróżnić 3 stre fy ak u m ulacji siarki (rys. 3);
— na głębokości 0-5 cm („poziom ” A2), gdzie ogólna zaw artość siar ki w ynosi 9,97 m g w 100 g m asy ziem nej,
— n a głębokości 5-12 cm (dalszy ciąg ,,poziom u” A 2), gdzie ogólna zaw artość siark i w ynosi 7,81 m g w 100 g,
— n a głębokości 24-29 cm, w w arstw ie analogicznej z poziom em В (zaw artość siarki ogólnej — 7,24 mg/100 g).
U form ow anie się w ym ienionych stre f nagrom adzenia siarki w obrę bie m asy ziem nej pozostaje w zw iązku z czynnikam i, k tó re zadecydo w ały o zróżnicow aniu m odelu pod względem cech m orfologicznych i chem icznych.
Ш
ЕШЬ
КЖ з- 1«*д1/У
Rys. 3. Ogólna zawartość i rozmieszczenie siarki w modelu 3
1 — b arw a popielata, 2 — popielatożółta, 3 — w y trą ce n ia żelaziste nie- ko n k recy jn e, 4 — ciem n o b ru n atn a, 5 — b ru n a tn a , 6 — plam y eluw ialne
Total content and distribution of sulphur in the model 3
1 — ash-grey colour, 2 — ash-yellow ish colour, 3 — ferru g in eo u s p re c ip ita tion, 4 — d a rk brow n colour, 5 — brow n colour, 6 — eluvial spots
A kum ulacja siarki w górnych w arstw ach m odelu m ogła nastąpić głów n ie w w y n ik u rozkładu su b stan cji organicznej n a pow ierzchni kolum ny. W m iarę rozw oju procesów red u k cy jn y ch m usiało w zrastać stężenie zredukow anych połączeń siarki (pochodzenia m ineralnego i organicz nego). Połączenia te ulegały n astęp n ie przem ieszczeniu pod w pływ em zstępującego ru ch u w ody oraz dążności do w y rów nyw ania stężeń w układzie, jak im była kolum na lessowa przesycona wodą. W okresie p rze m iennego przesuszania i n adm iern ej w ilgotności następo w ały kolejno po sobie fazy u tlen ian ia i ponow nej redukcji, w iążące się rów nocześnie ze zm ianą k ieru n k u ru ch u wody (podsiąkanie, przesiąkanie). W iadomo, że w w aru n k ach słabo kw aśnego odczynu większość połączeń siarki jest — niezależnie od stopnia u tlenienia — rozpuszczalna w w odzie (lub ulega w niej rozkładow i); z tego też w zględu w początkow ej fazie rozw oju dośw iadczenia zm iana w aru n k ó w z tlenow ych n a beztlenow e (i od w ro t nie) nie m ogła w zasadniczy sposób w płynąć n a c h a ra k te r rozm ieszcze n ia tego składnika w obrębie m asy lessu. W m iarę różnicow ania się m o d elu pod względem odczynu oraz zaw artości żelaza, glinu, w apnia i m agnezu zróżnicow aniu ulegały rów nież w a ru n k i przem ian siarki :
W p ły w o g lejen ia na m igrację siark i 233
k w aśny odczyn w a rstw górnych aktyw izow ał zdolności so rpcyjne uw od nionych tlenków żelaza i glinu, k tó ry ch zaw artość w strefie położonej n a głębokości 5-12 cm b yła stosunkow o duża, co sprzyjało z a trzy m y w a n iu siark i zarów no w okresach przesiąkania, jak i podsiąkania ro z
tworów.
Zbliżony do obojętnego i obojętny odczyn głębszych w a rstw m odelu (poczynając od głębokości 20 cm) w y raźnie ograniczył sorpcję siarcza nów na pow ierzchni uw odnionych tlenków żelaza i glinu. Św iadczy 0 ty m zaw artość siarki w ,,poziom ach” A 2/B i C. Na ty m tle uw ypukla się stosunkow o duża zaw artość tego składnika w w arstw ie analogicznej z poziom em w m ycia, usytuow anej n a głębokości 24-29 cm (trzecia z ko lei stre fa nagrom adzenia siarki). N asuw a się w ięc przpuszczenie, że obo ję tn y odczyn oraz skład chem iczny (nagrom adzenie w apnia i m agnezu oraz stosunkow o duża zaw artość żelaza) tej w arstw y stw orzyły w a ru n k i sprzyjające w y trącan iu się siarczków żelaza w okresach n a d m ie r nej w ilgotności m asy ziem nej. Zm iana stosunków pow ietrzno-w odnych w k ieru n k u przew agi procesów tlenow ych (przesychanie kolum ny) po wodow ało w praw dzie ponow ne u tlenian ie połączeń siarki, jednakże przem ieszczanie tego składnika mogło ulec ograniczeniu. Z lite ra tu ry w iadom o bowiem, że siarczki żelaza w y kazują nieraz dużą odporność n a utlen ian ie [9]; jeżeli więc szybkość podsiąkania w ody w obrębie m a sy ziem nej (uw arunkow ana parow aniem ) była w iększa niż szybkość reakcji utlen ian ia siarczków do siarczanów , mogło nastąpić przekrocze nie stopnia nasycenia roztw oru w zględem siarczanów (w skutek przesch nięcia lessu) i w y trącen ia ich w postaci odpow iednich soli (wapnia, m ag nezu itp.) w obrębie w arstw y analogicznej z poziom em B.
ROZM IESZCZENIE SIA R K I W UTW ORACH PYŁOW YCH UFO RM O W ANYCH W W A R U N K A C H N A T U R A L N Y C H
W yniki dośw iadczeń m odelow ych w sk azują n a istn ienie zw iązku m iędzy procesam i redu k cy jn y m i a ch arak terem rozm ieszczenia siarki w obrębie m asy ziem nej. W celu spraw dzenia czy podobne zależności w y stę p u ją rów nież w w aru n k ach n atu ra ln y c h , prześledzono zaw artość siark i w n a tu ra ln y m p rofilu gleby pyłow ej b ru n atn e j kw aśnej, ze szczególnym uw zględnieniem rozm ieszczenia tego składnika w obrębie elem entów glejow o-eluw ialnych i glejow o-iluw ialnych (rys. 4).
Do analiz pobrano m a te ria ł ziem ny re p re z en tu ją c y poszczególne po ziom y genetyczne, m ikroeluw ia i m ikroiluw ia oglejenia gniazdow ego 1 szczelinowego oraz środow isko otaczające obie form y glejow o-elu- wialne.
Zbadano rów nież sposób rozm ieszczenia siarki w poszczególnych w arstw ach n a tu ra ln ie uform ow anej konkrecji sferycznie w arstw ow anej, charaktery sty cznej dla zasobnych w substancję organiczną rów noziar- nistych „pyłow ych” osadów p ły tk ich zbiorników wodnych.
Rys. 4. Rozmieszczenie siarki w profilu glebowym w obrębie elementów glejowo- eluwialnych i glejowo-iluwialnych
Fot. M. S p ó z
Sulphur distribution in soil profile within gley-eluvial and gley-illuvial elements
M E T O D Y K A
W badanym m ateriale ziem nym oznaczono :
— ogólną zaw artość siarki z w yciągu przygotow anym m etodą В u t-t e r s a i C h e n e r y ’e g o [1],
fra k c ję siark i organicznej po sp reparo w aniu próby w edług m e tody E v a n s a i R o s t a [3],
— frak cję określoną um ow nie m ian em „p rz y sw a ja ln e j” w w yciągu przygotow anym m etodą E n s m i n g e r a [2], p rzy jm u jąc w celu u n ik nięcia dodatkow ych błędów za S k ł o d o w s k i m [18] jednolity sposób końcowego określenia zaw artości poszczególnych frak cji siarki w w y ciągach i stosując pom iar intensyw ności zm ętnien ia w yw ołanego do
W p ływ o g lejen ia na m igrację siarki 235
datkiem chlo rk u baru. U zyskane w y n iki przeliczono n a 100 g s.m. gleby. B łąd oznaczenia w ynosi odpowiednio :
— dla siarki ogółem ± 0,360 mg%,
— dla frak cji siarki organicznej ± 0,280 mg°/o, — dla frak cji siarki „p rz y sw a ja ln e j” ± 0,043 mg%. Oprócz siarki oznaczono:
— procentow ą zaw artość frak cji m echanicznych m etodą Bouyoucosa w m odyfikacji C asagrande-Prószyńskiego,
— p H w l n KC1 elektrom etrycznie,
— kwasowość h y drolityczną m etodą K appena, — glin ruchom y m etodą Sokołowa,
— próchnicę m etodą Tiurina, — azot m etodą K iejldahla,
— potas i fosfor p rzy sw ajaln y m etodą Egnera-R hiem a, — m agnez przy sw ajaln y m etodą Schachtschabela,
— zaw artość kationów w ym iennych (w apnia i m agnezu) w w yciągu ln octanu am onu.
OGÛLNA CHARAKTERYSTYKA GLEBY BRUNATNEJ KWAŚNEJ
Cechy m orfologiczne gleby b ru n atn e j kw aśnej, w ytw orzonej z utw o ru pyłow ego:
0-15 cm —■ poziom A x b arw y czarnoszarej,
15-50 cm — poziom A x b arw y ciem noszarej z odcieniem bru n atn y m , 50-60 cm —■ poziom A ^ B ) b arw y szaro b ru n atn ej, w obrębie którego
zarysow u ją się dw ie w arstw y :
50-55 cm — w arstw a o przew adze b arw y b ru n atn e j,
55-60 cm — w arstw a jaśniejsza o słabo zaznaczonym charak terze elu-w ialnym ,
60-160 cm — poziom (B)/C b arw y b ru n atn e j z licznym i sm ugam i w y - bieleń szczelinowych i pokorzeniow ych (gniazda) oraz to w arzyszącym i im form am i w y trąceń nieko nk recy jny ch (obwódki).
Z estaw ienie cech m orfologicznych pro filu badanej gleby z w ynikam i analiz (tab. 2) w ykazuje dom inujący w pływ c h a ra k te ru skały m acie rzy stej oraz położenia odkryw ki n a przebieg procesu glebotwórczego.
Pionow a zm ienność składu m echanicznego su g eru je w yznaczenie n a głębokości ok. 60 cm granicy m iędzy dw om a utw oram i, różniącym i się zasadniczo pod w zględem zaw artości frak cji koloidalnej. C h arak ter zm ienności składu m echanicznego w obrębie badanego p rofilu sprzyja więc tw orzeniu się gleb z dobrze w ykształconym poziom em glejow o-elu- w ialny m [15, 16], jednakże położenie om aw ianej gleby (na płaskow yżu)
T a b e l a Z
Z e sta w ie n ie wyników a n a li z y m echanicznej i chem icznej G leba brunatna kwaśna wytworzona z utworu pyłowego
R e s u lts ol' m echanical and chem ical a n a ly s e s Acid brown s o i l d evelop ed o f s i l t y d e p o s it
Nr prób k i Sam p le No. Symbol p o z io mu Symbol o f h o r iz o n Głębo kość w cm Depth in cm Zawartość f r a k c j i mechanicznych o ś r e d n i cy c z ą s te k w nun /и>/ Content o f m echanical fr a c t io n w ith diam eter
o f p a r t i c l e s in mm / о/ Próch n ic a Humus % N ogółem T o ta l N % CaCO^ % pH KOI Kwasowosć h y d r o l. H ydrolo g i c a l a c i d i ty A1 Ca Mg Г2° 5 k2o Mg przysw , mg/100 g g le b y a v a ila b le mg/100 g o f s o i l wymienny exch angeable wg Egnera mg/100 g g le b y a cco rd in g to Egner m g/100 g o f s o i l 1 , 0 -0 ,1 0 , 1 -0 ,-0 2 0 ,0 2< 0 ,0 0 2< m. e m. e . i./lO O g g le b y / 1 0 0 g o f s o i l 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 A1 0-15 8 52 40 11 1 ,9 5 0 ,1 3 5 - 4 ,1 4 ,4 3 0 ,5 8 3 ,6 1 0 ,9 0 2 ,2 7 ,2 5 6 ,8 2 A1 2 0-30 8 50 42 10 1 ,3 3 0 ,0 9 8 - 3 ,8 4 ,2 1 0 ,8 2 2 ,9 1 0 ,8 0 2 ,9 2 ,7 5 6 ,0 3 A1 35-40 7 51 42 10 0 ,7 2 0 ,0 5 5 - 4 ,0 3 ,1 7 0 ,5 8 3 ,0 1 0 ,6 0 3 ,2 2 ,7 5 7 ,6 4 Ax/B 50-53 3 52 43 11 0 ,5 1 0 ,0 3 5 - 3 ,9 3 ,1 0 0 ,9 9 2 ,0 0 0 ,5 0 2 ,4 2 ,7 5 9 ,6 5 A1/B 55-60 5 49 46 13 0 ,2 4 0,032 - 3 ,7 3 ,5 4 2 ,3 5 3 ,8 1 0 ,8 0 2 ,0 6 ,2 5 1 3 ,4 6 B/C 65-75 5 47 48 19 0 ,1 5 0 ,0 2 8 - 3 ,5 4 ,7 2 3 ,8 3 5 ,2 1 1 ,6 0 2 ,0 1 1 ,7 5 1 7 ,6 7 B/C 90-100 7 46 47 17 0 ,1 5 0 ,0 2 2 - 3 ,6 3 ,5 4 3 ,0 5 5 ,3 1 1 ,9 0 2 ,7 9 ,0 0 1 8 ,4 8 B/C 120-130 5 52 43 17 0,03 0 ,0 1 9 - 3 ,5 3 ,9 1 3 ,0 5 5 ,6 1 2 ,2 0 4 ,0 7 ,2 5 2 1 ,0 9 Б/С 140-150 4 54 42 16 0 ,0 7 0 ,0 1 8 - 3 ,5 3 ,1 0 2 ,1 3 5 ,8 1 2 ,0 0 5 ,3 7 ,2 5 1 9 ,2 6 M - R e jm a n -C z a jk o w sk a
W p ływ o g lejen ia na m igrację siarki 237
zdecydow ało o uform ow aniu się przew agi cech m orfologicznych w łaści w ych glebom b ru n atn y m .
O m aw iana gleba w y k azu je niskie pH oraz dużą kwasowość h y d ro lityczną. Zaw artość glinu ruchom ego oraz w apnia i m agnezu w y m ien nego w y raźn ie w zrasta poniżej głębokości 55 cm, czemu tow arzyszy w iększa ilość koloidów. Gleba ta je s t średnio próchniczna i bardzo m ało zasobna w p rzy sw ajaln y fosfor i potas. S tosunek С : N w ah a się w obrębie poziom u A x w granicach 7,6-8,4.
W obrębie om aw ianego p ro filu oznaczono ogólną zaw artość siarki oraz siarkę organiczną i przy sw ajaln ą (rys. 5). A naliza w skaźników
na-R y s. 5. O g ó ln a z a w a r t o ś ć s i a r k i w p r o f i lu g le b y p y ło w e j
1 — b arw a czarnoszara, 2 — ciem n o szaro b ru n atn a, 3 — sza ro b ru n a tn a , 4 — b ru n a tn a , 5 — p la m y glejow o-eluw ialne, 6a — szczelinow e form y glejow o-eluw ialne, 6b — gniazdow e form y gle- jo w o -e lu w ia ln e ; oglejenie punktow e, 7 — S og. (siarka ogółem), skala g ó rn a: 1 cm odpow iada 1 mg S, 8 — S p. (siarka p rzysw ajalna), ska,la g ó rn a : 1 cm odpow iada 1 mg S, 9 — w skaźnik nagrom adzenia S og., skala g ó rn a: 1 cm odpow iada zaw artości siark i w skale m acierzystej
gleby, 10 — sto su n ek S p. : S og. — skala, dolna T o ta l s u l p h u r c o n te n t in a s i l ty s o il p r o f i le
1 — d a rk g rey colour, 2 — d a rk g rey ish -b ro w n colour, 3 — grey ish -b ro w n colour, 4 — brow n colour, 5 — gley-eluvial spots, 6a — vertical gley-eluvial stre ak s (fissured form) ; 6b — gley- -elluvia,l n est like fo rm ; point gleization, 7 — S og. — total S, u p p er scale: 1 cm corresponds w ith 1 m g S, 8 — S p. — available sulphur, u p p e r scale: 1 cm corresponds w ith 1 m g S, 9 — index of to ta l S accum ulation, u p p e r scale: l cm corresponds w ith th e su lp h u r content in
parenta.1 rock of soil, 10 — ratio n betw een available S and to tal S, low er scale
grom adzenia siarki w stosunku do zaw artości tego składnika na głębo kości 140-150 cm poziom u (B)/C w skazuje n a istnienie dw óch stre f ak u m u lacji w obrębie badanego profilu. N ajw iększe nagrom adzenie p rzy p ada n a pow ierzchniow e w a rstw y gleby (do głębokości 30 cm), o b ejm u jące górną i środkow ą część poziom u A v Z aw artość siarki w tej strefie w ynosi 14,85 m g S w 100 g gleby dla górnej i 12,35 m g S w 100 g gle
by dla środkow ej części poziom u A t. D ruga strefa akum ulacji siarki w y stęp u je n a głębokości 55-75 cm i o bejm u je dolną część poziom u A t(B) oraz górną część poziom u (B)/C. Ogólna zaw artość siarki w ynosi tu od pow iednio 5,63 i 5,47 m g w 100 g gleby.
P oró w n an ie w skaźnika nagrom adzenia siarki z zaw artością dwóch podstaw ow ych frak cji siarki glebow ej (organicznej i p rzysw ajalnej) oraz w ykresem stosunk u zaw artości frak cji siarki przysw ajalnej do ogólnej zaw artości tego składnika w skazuje na to, że o ile pierw sza stre fa a k u m ulacji zw iązana jest z dużym udziałem organicznych połączeń siarki, o tyle d ru g a stre fa pozostaje w zw iązku z przejściow ym w zrostem z a w artości frak cji siarki przysw ajalnej.
Z aw artość frak cji siarki organicznej w poziom ie A 1 om aw ianej gle by w ynosi 13,28 m g S w 100 g gleby, co stanow i 89,43% ogólnej za w artości siarki. Zaw artość tej frak cji stopniow o spada w raz ze w zrostem głębokości; je st jed n ak rzeczą ch arak tery sty czn ą, że procentow y udział organicznych połączeń w ogólnej zaw artości siarki u trz y m u je się stale na w ysokim poziomie, a poczynając od głębokości 90 cm w y kazuje n a w e t ten d en cje w zro stu (z 58,87 do 93,60%). Z aw artość frak cji siarki przysw ajalnej w poziom ie A 1 badanej gleby w ah a się w granicach od 1,53 do 0,78 m g w 100 g gleby.
W om aw ianym p ro filu stw ierdza się przejściow e nagrom adzenie p rzy sw ajalnych połączeń siark i w obrębie w a rstw w skazujących w iększą za w artość cząstek < 0,002 m m ; na głębokości 55-125 cm w y stęp u je w yraźn a ten d en cja do zatrzy m yw an ia fra k c ji siarki przysw ajaln ej, przy czym m a ksym alna jej akum ulacja przyp ad a na górną w arstw ę poziom u (B)/C (60-85 cm), odznaczającą się n ajw iększą zaw artością iłu koloidalnego (rys. 2).
Pow yżej i poniżej stre fy m aksym alnego nagrom adzenia zaw artość przysw ajaln ych form siark i jest bardzo n iska (poniżej 1 mg w 100 g). Można więc sądzić, że w strefie m aksym alnej akum ulacji pojem ność sorp- cyjna gleby względem siarczanów znacznie przew yższa poziom ich zaw ar tości w roztw orze, co ogranicza m igrację ty ch anionów w obrębie p ro filu glebowego.
N iew ielkie nagrom adzenie frak cji siarki przysw ajalnej stw ierd za się rów nież w obrębie w ierzchniej w a rstw y (od 0 do 15 cm) poziom u A x om aw ianej gleby. Biorąc pod uw agę dane z lite ra tu ry m ożna sądzić, że w iąże się ono z w łaściw ościam i sorpcyjnym i su bstancji organicznej [7].
R O Z M IE SZ C ZE N IE S IA R K I W O B R ĘB IE ELEM ENTÓ W GLE J O W O -E L U W IA L N Y CH B A D A N E J G L E B Y PY Ł O W E J
W om aw ianym profilu w y stę p u ją dwie, genetycznie różne, form y gle- jow o-eluw ialne: gniazdow e i szczelinowe [17] (rys. 6). Genezę form
gniaz-W p ływ o glejen ia na m igrację siarki 2 3 9
Rys. 6. Występujące w profilu dwie genetycznie różne formy glejowo- eluwialne: gniazdowe i szczelinowe
F ot. M . S p ó z
Two genetically different gley-eluvial forms: nest-like and fissured one, occurring in soil profile
dow ych wiąże się z rozkładem dużych skupisk substancji organicznej (na p rzykład obum arłych korzeni) w w aru n k ach niedoboru tle n u [17], n ato m iast szczelinowe form y tw orzą się w obrębie pionow ych spękań-szczelin, ch arak tery sty czny ch dla utw orów o drobno- i rów noziarn istym składzie
m echanicznym ; do spękań ty ch łatw o przedostaje się n adm iar w ody opa dowej w raz z rozpuszczoną w niej niew ielką ilością substan cji organicz nej, co sp rzy ja rozw ojow i k ró tk o trw ały ch procesów redukcyjnych. W y niki analiz w ykazały istotne różnice m iędzy obu form am i eluw ialno-ilu- w ialnym i pod w zględem zaw artości i rozm ieszczenia siarki (rys. 7 i 8).
Rys. 7. Zawartość siarki i rozmieszczenie w obrębie gniaz dowej formy glejowo-eluwialnej
1 — środow isko otaczające b arw y b ru n a tn e j, 2 — iluw ium otoczki żelazistej b arw y rd z a w o b ru n a tn e j, 3 — eluw ium gniazdow e, 4 —
ogólna zaw arto ść siark i, 5 — zaw artość sia rk i organicznej
Content and distribution of sulphur within a nest-like gley-eluvial form
1 — su rro u n d in g m edium of ru sty -b ro w n colour, 2 — illu v iu m of i’e rrugineous envelope of ru sty -b ro w n colour, 3 — n est-lik e elu
vium , 4 — to ta l su lp h u r co n ten t, 5 — organic su lp h u r co n ten t
Ogólna zaw artość siarki w obrębie form y gniazdow ej w aha się w gra nicach 7,66-2,50 mg S w 100 g gleby. C h arak terysty czne jest rozm iesz czenie siarki w obrębie „elu w iu m ” tej form y (rys. 7); część środkow a, najbardziej w ybielona (próbka 10), w ykazuje najw iększą zaw artość siarki, natom iast część zew nętrzna, leżąca na p e ry fe ria ch w ybielenia i sąsiadu
W p ły w o g lejen ia na m ig ra cję siark i 241
jąca bezpośrednio z „ilu w ium ” , w ykazu je n ajm niejszą zaw artość tego składnika. P róbk a średnia, rep rezen tu jąca „ilu w iu m ” form y gniazdow ej, jest w yraźnie w zbogacona w siarkę (5,16 mg S w 100 g).
Zaw artość siarki frak cji organicznej w obrębie form y gniazdow ej po tw ierdza pogląd na genezę tej form y. Duża zaw artość organicznych połą czeń siarki w centralnej części „elu w iu m ” (5,47 mg/100 g) pozw ala sądzić,
Rys. 8. Zawartość siarki w eluwium i iluwium oglejenia szczelinowego
1 — środow isko otaczające, 2 — iluw ium szczelinow e, 3 — eluw ium szczelinow e, 4 — ogólna zaw artość siark i, 5 — zaw arto ść sia rk i
organicznej
Sulphur content in eluvium and illuvium of fissured gleization
1 — su rro u n d in g m edium , 2 — fissu red illuvium , 3 — fissu red e lu vium , 4 — to ta l su lp h u r co n ten t, 5 — organic su lp h u r c o n ten t
że p rzy okresow o nad m iern ej w ilgotności w obrębie form y gniazdow ej odbyw ają się nadal procesy red u kcy jn e. Z aw artość fra k c ji siark i organicz nej m aleje w m iarę przechodzenia od cen tru m „elu w iu m ” do stre fy „ilu w iu m ”, gdzie spada do 1,56 m g w 100 g gleby.
B iorąc pod uw agę kw aśny odczyn gleby, w obrębie której zn ajd u je się om aw iana form a eluw ialno-iluw ialna, m ożna przypuszczać, że w w a ru n k ach sp rzyjających red u k cji połączeń siark i nie n astęp u je w y trącan ie się siarczków żelaza, lecz zarów no siarka, jak i żelazo m ają sw obodę
prze-m ieszczania się w k ieru n k u niższych stężeń forprze-m zredukow anych. Żelazo, osiągając stre fę oksydacji, przechodzi w w yższy stopień u tlen ien ia i ulega w ytrącen iu , natom iast siarka może ulec częściowo strąceniu, częściowo zaś adsorpcji na pow ierzchni uw odnionych tlenków żelaza trójw artościow ego oraz glinu. Znaczne zubożenie p e ry fe ry jn e j części ,,eluw iш n,, pod w zglę dem zaw artości siarki, w zestaw ieniu z nagrom adzeniem tego składnika w obrębie „ilu w iu m ”, św iadczy o w y raźn y m pow iązaniu siarki i żelaza w procesie u tlen ian ia i przem ieszczania ty ch składników . Proces w iązania siarczanów w obrębie „ilu w iu m ” może powodować dodatkow ą różnicę stę żeń siarki na granicy ,,eluw ium ”/,,ilu w iu m ”, co sp rzyja przem ieszczaniu się ich poza zasięg oddziaływ ania procesów redukcyjnych . J e st rzeczą za stanaw iającą, że w otoczeniu gniazda zaw artość siarki jest znacznie w ięk sza w porów naniu z zew n ętrzn ą stre fą „eluw ium ” . P otw ierdzałoby to w niosek z dośw iadczeń m odelow ych co do w p ływ u procesu glejowego na ruchliw ość połączeń siarki.
Zaw artość i rozm ieszczenie siarki w obrębie form szczelinow ych p rzed staw ia się odm iennie. „E luw ia” szczelinowe (próbki 14 i 17) w yk azu ją ogólny u b y tek zaw artości siarki, a zwłaszcza jej frak cji organicznej za rów no w stosunku do podłoża, jak i średniej próby reprezen tu jącej całą w arstw ę, w obrębie której w y stęp u je szczelina (rys. 8). W próbkach po chodzących z „ilu w iu m ” szczelinowego (próbki 15 i 18) stw ierdza się na tom iast dość znaczne nagrom adzenie siarki (w p orów naniu do podłoża i średniej dla środow iska otaczającego) oraz podobnie jak to m a m iejsce w odniesieniu do „ilu w iu m ” form y gniazdow ej, znaczne zubożenie pod w zględem siark i organicznej.
Na podstaw ie danych analitycznych oraz lite ra tu ry m ożna odtw orzyć m echanizm procesu przem ieszczania się siark i w obrębie eluw ialno-ilu- w ialnej form y szczelinowej. Stosunkow o niew ielkie ilości rozpuszczonych organicznych połączeń siarki, k tó re p rzedostały się do szczelin w raz z w o dą opadową, ulegają dalszym przem ianom beztlenow ym . P rzem iany te są k ró tk o trw ałe i tow arzyszy im powolny, zstępujący ru ch wody. Rozpusz czalne siarczki, jak rów nież siarkow odór (środowisko jest bow iem kw aśne) najpraw dopodobniej w y w ęd ro w u ją częściowo poziomo do stre f przyleg łych, gdzie uleg ają u tlen ien iu i adsorpcji na uw odnionych tlenk ach żela za i glinu bądź w spółstrąceniu z żelazem, częściowo zaś ulegają w ym yciu w głąb profilu przez w ody opadowe.
R O Z M IE SZ C ZE N IE SIA R K I W O B R Ę B IE K O N K R E C JI S F E R Y C Z N E J W A R ST W O W A N E J
K onkrecja sferycznie w arstw ow an a została w yp rep aro w an a z głębo kości ok. czterech m etrów dużego odsłonięcia u tw o ru pyłow ego w cegiel ni Błażowa (woj. rzeszowskie). Z ew n ętrzn a średnica tego now otw oru w y nosiła ok. 20 cm. W cen traln y m jego punkcie znajdow ała się pu sta kom ora
W p ły w o g lejen ia na m ig ra cję siark i 243
(średnicy ok. 8 mm), otoczona tw a rd y m pierścieniem osadów żelazistych b a rw y ciem n ob ru n atn ej, grubości 16 m m. W pierścien iu ty m (centralnym ) wyróżniono:
— bardzo silnie zespojoną, tw a rd ą w arstw ę w e w n ętrzn ą b a rw y b ru - natnoczarnej, o m iąższości 4 mm,
— słabiej zespojoną w arstw ę środkow ą b arw y ciem n ob ru natn ej, g ru bości 8 mm,
— silnie zespojoną w arstw ę zew n ętrzną b a rw y czarnobru natn ej, g ru bości 4 m m .
Z ew n ętrzną w arstw ę centralnego pierścienia osadów żelazistych ota czał k ru ch y rd zaw o b ru n atn y pierścień. U kład kolejnych rd zaw o b ru n at- nych pierścieni żelazistych p rzep latał się p rzem iennie z glejow o-eluw ial- nym i pierścieniam i b arw y popielatej. W m iarę oddalania się od środka now otw oru zw iększała się szerokość stre f (pierścieni) glejow o-eluw ialnych, a zabarw ienie pierścieni żelazistych staw ało się m niej intensyw ne. W obrę bie stre f glejow o-eluw ialnych w idoczne b y ły czarne plam y. We w szyst kich pierścieniach (strefach) om aw ianego now otw oru, ja k rów nież w ota czającym środow isku oznaczono ogólną zaw artość siarki (rys. 9).
Rys. 9. Zawartość siarki w obrębie konkrekcji sferycznie warstwowanej
1 — sk ała m acierzy sta, 2 — w ybielenie, 3 — z b ru n atn ie n ie, 4 — n agrom adzenie c zar nych p lam ek, 5 — w yb ielen ie z n iew ielkim i sk u p isk am i czarnym i, 6 — b ru n a tn o c za rn a skam ielina, 7 — p rzejaśn ien ie, 8 — pu sta
przestrzeń
Sulphur content within a spherically- -layered concretion
1 — p a re n ta l rock, 2 — bleaching, 3 — brow ning, 4 — accu m u latio n of black spots, 5 — b leaching w ith sm all black conglom era tions, 6 — b ro w n ish -b lack fossil, 7 — b rig h t-
ing, 8 — em p ty space
Rozm ieszczenie siarki w obrębie konkrecji sferycznie w arstw ow anej w ykazuje w y raźn ą praw idłow ość: stre fy eluw ialne zaw ierają znacznie m niej siarki w poró w n an iu z pierścieniam i b ru n atn y m i. Szczególnie niską zaw artość tego składnika w y kazuje w yodrębniony z w arstw y w ybielonej (7,2-9,7 od środka now otw oru) pas, w obrębie którego w y stęp u je duże nagrom adzenie czarnych punktów . Pas ten, położony w strefie 7,2-7,5 cm od środka now otw oru, zn ajdu je się w bezpośrednim sąsiedztw ie pierście nia żelazistego, w k tó ry m w y stęp u je najw iększe nagrom adzenie siarki.
Zw raca uw agę fakt, że przeciętna zaw artość siarki w obrębie now otw oru (4,32 mg/100 g) jest m niejsza niż w środow isku otaczającym (5,47 m g/ /100 g).
Rozm ieszczenie siarki w obrębie konkrecji sferycznie w arstw ow anej zdaje się potw ierdzać hipotezę genezy tego rodzaju now otw orów [14, 15]. N ow otw ory żelaziste, budow ą sw ą zbliżone do om aw ianej konkrecji sfe rycznie w arstw ow anej, w y stę p u ją bow iem w obrębie utw orów pyłow ych, które uform ow ały się najpraw dopodobniej u schyłku plejstocenu i w ho- locenie [8]. Są to więc osady w odne, w obrębie których, obok m ateriału m ineralnego, grom adziła się pew na ilość substan cji organicznej. W yzwo lone w tok u beztlenow ego rozkładu substan cji organicznej gazy przedo staw ały się ku pow ierzchni form ując w nasyconej w odą m asie ziem nej system pionow ych kanalików i pęcherzy. W okresie ustępow ania procesów bagiennych tlen p rzen ik ał przede w szystkim do kom ór i kanalików poga zowych wówczas naw et, gdy otaczająca je m asa ziem na pozostaw ała jesz cze zredukow ana. Stw orzyło to układ silnie zróżnicow any pod w zględem w artości potencjałów redox, co pociągnęło za sobą im pregnację ścianek kanalików i kom ór pogazow ych w y trącen iam i żelazistym i, przy czym w m iarę przesychania m asy ziem nej tw orzyły się kolejne koncentryczne pierścienie w y trąceń żelazistych [15].
P rzem iany siarki w obrębie zabagnionej m asy ziem nej przebiegały praw dopodobnie w dwóch kierunkach:
— w yzw alania siarkow odoru w toku beztlenow ego rozkładu sub stancji organicznej oraz redu kcji m in eraln ych połączeń siarki,
— red u k cji połączeń siarki do postaci siarczków przy udziale żelaza i substancji organicznej.
O ile w yzw olenie siarkow odoru przebiegać mogło w ciągu całego okre su, w k tó ry m m asa ziem na podlegała procesom redu kcji, o ty le tw orze nie nierozpuszczalnych siarczków żelaza mogło zachodzić głów nie w tej fazie sedym entacji m ate ria łu ziemnego, k tó ra była zw iązana z zalew iskiem słabo odpływ ow ym . Biorąc bow iem pod uw agę b adania analityczne, prze prow adzone w obrębie pokładu u tw o ru pyłowego, z którego w y p rep aro w ano om aw iany now otw ór sferycznie w arstw o w any [14], m ożna sądzić, że reakcje składające się na proces tw orzen ia siarczków żelaza m ogły w pew nym stopniu doprow adzić do akum ulacji w ęglanu w apnia na głębo kości poniżej 4,5 m. Z lite ra tu ry wiadomo, że żelazo, podstaw iając zasado w y k atio n połączony z jonem siarczanow ym , pow oduje jego uw olnienie i osadzenie w m asie ziem nej lub sedym encie dennym (zależnie od środo wiska) w postaci odpow iedniego w ęglanu. Źródłem d w u tlen k u węgla, nie zbędnego do utw orzenia w ęglanu, jest rozkładająca się substan cja orga niczna, a reak cja przebiega w edług następującego schem atu:
W p ły w o g lejen ia na m igrację siark i 245
2Fe20 3 + 4Na2S 0 4 + H 20 + 9 !nCn ► 4FeS + 8NaHCOs + C 0 2 gdzie sym bol Cn oznacza su bstancję organiczną. Procesow i tem u tow a rzyszy zawsze w zrost pH środow iska [9].
Zm iana w arun kó w sedym entacji m asy ziem nej, k tó ra n astąpiła w w y niku przekształcenia zalew iska słabo odpływ ow ego w tere n przepływ o wy, w zasadniczy sposób zm ieniła w aru n k i środow iska, a tym sam ym i k ieru n e k beztlenow ych przem ian siarki. O dpływ w ody p rzerw ał bow iem proces akum ulacji w ęglanu w ap n ia i przyczynił się do znacznego zakw a szenia m asy ziem nej [14]. N iskie pH m usiało w znacznym stop niu ogra niczyć tw orzenie się nierozpuszczalnych siarczków żelaza. W tej fazie se dym entacji m ate ria łu ziem nego red u k cja m in eralny ch połączeń siark i oraz beztlenow y rozkład jej organicznych połączeń prow adził więc głów nie do pow staw ania siarkow odoru.
W m iarę u stępow ania procesu bagiennego do kanalików i kom ór po gazow ych zaczął przenikać tlen atm osferyczny w form ie gazowej lub roz puszczonej w wodzie. Przede w szystkim utlen ien iu uległy połączenia że laza dw uw artościow ego, k tóre zim pregnow ały ścianki kanalików i kom ór pogazowych. Dalsze rytm iczne zm iany stosunków pow ietrzno-w odnych w obrębie u tw o ru pyłow ego doprow adziły do uform ow ania się kolejnych pierścieni żelazistych, składających się na konkrecję sferyczno-w arstw o- w aną [13, 14].
Rozm ieszczenie siarki w obrębie konkrecji w skazuje w yraźnie na rów noczesną akum ulację tego składnika i żelaza. C entralne pierścienie w y trą c eń żelazistych zaw ierają jed n a k m niej siarki niż pierścienie zew nętrz ne. W iąże się to zapew ne z genezą konkrecji, k tó ra uform ow ała się wokół przew odu pogazowego. W śród gazów biogenicznych w ydobyw ających się do atm osfery, b y ł rów nież i siarkow odór, co mogło w płynąć na zubożenie pod w zględem siarki m asy ziem nej w bezpośrednim sąsiedztw ie przew odu. Łączna aku m u lacja siarki i żelaza w pierścieniach żelazistych jest n a j praw dopodobniej zw iązana z pow staw aniem trw ały ch połączeń ty ch skład ników ; w przeciw nym razie siarka uległaby w ym yciu w okresie ustępo w ania procesu bagiennego. Na podstaw ie m echanicznej trw ałości ce n tral nie położonych pierścieni żelazistych m ożna sądzić, że w y stę p u ją tu za sadowe siarczany żelaza. Zjaw isko silnego zespolenia m ate ria łu ziem nego zasadow ym i siarczanam i żelaza jest ak tu aln ie obserw ow ane na osusza nych terenach, k tó re w przeszłości podlegały długotrw ałem u zatopie niu [9].
PO D SU M O W A N IE
B adania publikow ane w litera tu rz e w skazują, że m igracja siarki w obrębie p ro filu glebowego jest procesem bardzo złożonym i zależy od w
ie-lu czynników , a przede w szystkim od zaw artości i c h a ra k te ru połączeń tego składnika, właściwości chem icznych i odczynu środow iska, zróżnico w ania pod w zględem poten cjału oksydoredukcyjnego oraz obecności sub stancji organicznej (i m ikroflory glebow ej) [9]. W ielu autorów stw ierdza zwłaszcza fa k t istn ienia ścisłego zw iązku m iędzy przem ianam i siarki i że laza w glebach, podkreślając zwłaszcza udział żelaza w oksydoredukcyj- nych przem ianach siark i oraz w pływ siarki na unierucham ianie żelaza (w form ie siarczków).
Uzyskane w yniki z dośw iadczeń m odelowych, ja k rów nież badań nad rozm ieszczeniem siarki w obrębie form glejow o-eluw ialnych, w y stę p u ją cych w utw orze pyłow ym , potw ierdziły w pływ beztlenow ego rozkładu su bstancji organicznej na urucham ianie, przem ieszczanie i rozm ieszczanie siarki w m asie ziem nej. Pozw oliły rów nież na pew ne uzupełnienie poglą dów om aw ianych w literatu rze.
A naliza dośw iadczeń m odelowych, ja k rów nież glejow o-eluw ialnych, w skazuje na to, że proces beztlenow ego rozkładu substancji organicznej zwiększa ruchliw ość m ineralny ch połączeń siarki; m igracja tego składni ka odbyw a się głów nie ze stre f pozostających w zasięgu oddziaływ ania oglejenia.
Rozm ieszczenie siarki w obrębie dośw iadczalnie uzyskanych modeli, ja k rów nież form glejow o-eluw ialnych oraz konkrecji sferycznie w arstw o w anej w skazuje w yraźnie na akum ulację siarki w ko nk recy jny ch i nie- konkrecyjn y ch form ach w y trąceń żelazistych. C h arak ter tej akum ulacji nie był w praw dzie przedm iotem badań, na podstaw ie jed n a k przesłanek zaw artych w litera tu rz e nasuw a się przypuszczenie, że nagrom adznie siarki w analizow anych w y trącen iach żelazistych może być w ynikiem łą czenia się tego składnika z żelazem bądź też sorbow ania rozpuszczalnych form siark i na pow ierzchni świeżo strąconych bezpostaciow ych form w o dorotlenków żelaza.
W św ietle przeprow adzonych badań n asuw a się ponadto przypuszcze nie, że w pływ beztlenow ych przem ian siarki, następu jących w obrębie stre f oglejonych, na zm niejszenie ruchliw ości żelaza, ogranicza się do m ate ria łu ziem nego o odczynie alkalicznym i obojętnym . Pew ne sym pto m y unieruchom ienia żelaza stw ierdzono bow iem w przy p ad k u m odelu 2 (odczyn m asy ziem nej w ah ał się w granicach pH 6,8-6,9), a w m odelu 3 stw ierdzono rów noczesną akum ulację siark i i żelaza w w arstw ach odpo w iadających poziom em A 2/B i (В) o pH w ynoszącym odpow iednio 6,1 i 6,6. W przy p ad k u m ate ria łu ziem nego o odczynie kw aśnym (model 1 oraz „poziom ” A 2 m odelu 3), jak rów nież niek o n krecyjnych form glejow o-elu- w ialnych w yodrębnionych z gleby pyłow ej (pH 3,5-3,7), zm iany b arw y oraz zróżnicow anie zaw artości siarki w y d ają się św iadczyć o sw obodnym przem ieszczaniu się obu skałdników .
W p ły w o g lejen ia na m ig ra cję siark i 247
W N IO SK I
A naliza p rzedstaw ionych bad ań nad w pływ em procesu glejowego na m igrację siarki pozw ala n a sform ułow anie n astępujący ch w niosków:
1. Zw iązek m iędzy oglejeniem a m ig racją siarki w glebie je s t bardzo w yraźny, p rzy czym przem ieszczanie siark i n astę p u je ze stre f red u k cji do stre f oksydacji.
2. Przem ieszczanie siarki w środow isku zredukow anym zależy w du żym stopniu od odczynu i w iąże się z p rzem ianam i żelaza.
3. O ksydacji i w y trąc a n iu w odorotlenków żelaza tow arzyszy rów nież akum ulacja siarki; w y trącen ia żelaziste są więc wzbogacone w siarkę w porów nan iu z otaczającą su bstan cją glebow ą.
4. Zróżnicow anie zaw artości siarki spow odow ane procesam i oksydo- red u k cy jn y m i zależy nie tylko od intensyw ności i czasu trw a n ia ogleje nia, lecz rów nież od zaw artości siark i w sub stan cji organicznej, której bez tlen ow y rozkład stał się przyczyną red u k cji środow iska.
5. Rozm ieszczenie siarki w obrębie p ro filu gleby b ru n atn e j kw aśnej w ytw orzonej z u tw o ru pyłowego w skazuje na ten d encję do zatrzym yw a nia frak cji siarki przysw ajalnej przez frak cję iłu koloidalnego.
L IT ER A TU R A
[1] B u t t e r s В., C h e n e r y E. М.: A rapid m ethod for d eterm in ation of the total sulphur in soils and plants. A n alyst, t. 84, 1959, s. 239.
[2] E n s m i n g e r L. E.: Som e factors a ffectin g th e absorption of su lfa tes by A la bam a soils. S oil Sei. Soc. A m . Proc., t. 18, 1954, s. 259.
[3] E v a n s C. A., R o s t C. O.: T otal organic su lfu r and hum us su lfu r M innesota soils. S o il Sei., t. 59, 1945, s. 125.
[4] G o t o h S., Y a m a s h i t a K.: O xyd ation -réd u ction p o ten tia l of a paddy soil in situ w ith sp ecia l referen ce to th e p roduction of ferrous iron, m anganous, m an gan ese and su lfid e. S oil Sei., P la n t Nutr., t. 12, 1966, s. 230.
[5] H e r m s e n G. W., Q u i s p e l A., O t z e n D.: O bservations on th e form ation and o x yd ation of p yrite in the soil. P la n t and Soil, t. 5, 1954, s. 324.
[6] H a r w a r d M. E., R e i s e n a u e r H. M.: R eaction s and m o v em en t of in orga n ic so il sulfur. S o il Sei., t. 101, 1966, s. 326.
[7] K o t e r M., P a n e k H., G r z e s i u k W. , C h o d a ń J.: B ad an ia nad sorpcją siarczan ów przez n iektóre su b stan cje p róch n iczn e gleb za p om ocą S 35. Rocz. glebozn., t. 15, 1965, s. 37.
[8] Ł o z i ń s k i W.: G leby le śn e Podgórza W schodnich Karpat. P A U , P race R oln o- -L eśn e, nr 12, K rak ów 1934.
[9] R e j m a n - C z a j k o w s k a M.: B ad an ia nad siarką w literaturze g leb o zn a w czej. P ost. N au k roi., nr 4, 1971, s. 91.
[10] S i u t a J.: Z astosow an ie lizy m etró w szk lan ych w b adaniach p ro cesó w g le jo w ych . Rocz. glebozn., dod. do t. 9, 1960.
[11] S i u t a J.: W stępne badania p rocesów g lejo w y ch na m adach żu ław sk ich . Rocz. N au k roi., 8 2 -A -l, 1960, s. 45.
