ANDRZEJ MOCEK, W ALDEMAR SPYCHALSKI, ZBIGNIEW KACZMAREK
WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE ORAZ SKŁAD
MINERALOGICZNY FRAKCJI KOLOIDALNEJ
RĘDZIN RÓŻNYCH FORMACJI GEOLOGICZNYCH
PH Y S IC A L PR O PER TIES
A N D M IN E R A L O G IC A L C O M PO SIT IO N
O F T H E C O L L O ID A L FR A C T IO N O F R E N D Z IN A S
D E R IV E D FR O M V A R IO U S G E O L O G IC A L F O R M A T IO N S
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 o f arable lands in southern Poland. The performed investigations involved the determination of mineral com position and selected physical properties (MH, specific surface area) of the colloidal fraction of rendzinas derived from various geological formations. It was found that the mineralo- gical com position o f 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 hygrosco- picity 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 upraw nych. Należą one do gleb kształtujących się pod dominującym wpływem skały macierzystej, której pochodzenie i właściwości determinują rozwój i kierunek proce sów glebotwórczych [Kubiena 1953; Kuźnicki 1965; Kuźnicki i Skłodowski 1976; Mückenhausen 1975; Strzemski 1950]. Wspomniany czynnik glebotwórczy określa*
112 А. М осек, W. Spychalski, Z Kaczm arek
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 zawar tość frakcji koloidalnej.
Celem pracy było poznanie najistotniejszych właściwości fizycznych frakcji ko loidalnej oraz jej składu mineralogicznego w rędzinach wytworzonych ze skał róż nych formacji geologicznych.
OBIEKT I METODYKA BADAŃ
Próbki wytypowane do badań pochodziły z poszczególnych poziomów genetycz nych rędzin usytuowanych w pasie południowo-wschodniej Polski (rys. 1 ). Reprezen towały one profile 1 i 2 - pobrane z okolic Józefowa koło Chełma na Polesiu W ołyńskim; 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 piknome- tryczną, zawartość C a C 0 3 - 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 derywato- grafu oraz metody dyfraktometrii rentgenowskiej [Chodak i in. 1990].
WYNIKI I DYSKUSJA
S kład m ineralo g iczn y
Minerały ilaste, będące produktem wietrzenia, głównie chemicznego, glinokrze- mianó 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 fizyczny mi 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 pozio my akumulacyjne oraz zwietrzeliny analizowanych rędzin. Badania wykazały, że najuboższe w minerały ilaste były rędziny kredowe wytworzone z „czystych wapieni”
1. Nizina Południowowielkopolska
2. Nizina Śląska
3. W zniesienie 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
RY SUNEK 1. W ystępowanie 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 o f 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 najprawdopo dobniej z najwyższej, wśród wszystkich badanych poziomów wierzchnich, procento wej zawartości C a C 0 3 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 (smektyto- wo-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 dewoń- skiego (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.
P o w ierzch n ia w łaściw a
Powierzchnia właściwa gleb jest funkcją stanu rozdrobnienia mineralnych i orga nicznych składników gleby. Ich ilościowy i jakościowy skład decyduje o wielkości tej powierzchni [Dechnik 1972; Dechnik, Sławińska 1972; Dobrzański i in. 1977].
RY SUN EK 2. Dyfraktogram (a) i derywatogram (b) frakcji mniejszej od 0,002 mm, poziom Ap, gleba nr 1
FIGU RE 2. Dyfractogram (a) and derivatogram (b) o f fraction <0,002 mm, horizon Ap, soil no. 1
RYSUNEK 3. Dyfraktogram (a) i deryw ato gram (b) frakcji mniejszej od 0,002 mm, po ziom Ap, gleba nr 2
FIGURE 3. Dyfractogram (a) and derivato gram (b) of fraction <0,002m m , horizon Ap, soil no. 2
TABELA 1. W ybrane właściwości fizyczne frakcji koloidalnej badanych gleb TA BLE 1. Some physical properties of clay fraction of investigated soils
Nr pro filu Pro file No. СаСОз [%1 Po ziom genet. Hori zon Głębo kość pobra nia Depth [cm] Gęs tość właśc. Particle density m J Ilość koloi dów Clay con tent [%] H [% wag.] MH [% wag.] Pow. właśc. Spec. sur face area [m2 -£ I Skład mineralny Mineral composition Strata praże nia Igni tion losses [% wag.] 1 40,02 Ap 0-28 2,55 22,06 4,76 46,95 291 СаСОз - amorf., 26,50 42.60 62.60 ACca Cca 28-35 35-75 2,58 2,70 21,06 35,99 4,86 3,49 52,65 53,62 364 501 (S, K, Q, C) — 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 -2 0 2,57 20,21 9,65 42,65 251 jw. -32.20 48,10 ACca Cca 2 2-30 7 0-90 2,63 2,67 28,74 28,33 6,19 5,40 57,88 65,29 412* 449 as above — 4 8,90 Ap 0 -2 4 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 -2 0 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 4 1-60 2,57 39,51 6,55 43,45 338 I-S-69% , S - 3 1 % 18,30 6 2,98 6,40 Ap Cca 5 -2 0 90-100 2,54 2,62 12,73 16,80 7,52 9,92 42,90 52,87 237 279 ? 15,50 7 3.40 2,20 3.40 2,98 Ap A1 С CCca 5 -20 26-42 42-78 100-120 2,60 2,69 2,65 2,64 9,53 3,43 6,14 13,29 7.12 10,90 8.13 8.13 66,63 99,17 55,46 41,40 123 105 180 186 I 63%, I-S 28%, К 6%, S 3 % 14,00 8 2,20 Ap 0-2 0 2,47 16,79 4,63 100,06 164 * S-I, I, (K, S, Q, syderyt) 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 2 5 -4 0 ' 2,60 - 31,84 6,74 27,83 240 - -7,60 ACcsg 40 -6 0 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, 0 ) 14,00 11 1,70 Ap 5-15 2,54 25,14 6,15 32,19 222
-H - pojem ność higroskopijna - hygroscopic capacity
MH - M aksym alna pojemność higroskopowa - maximum hygroscopic capacity
S - sm ektyt (smectite), I - illit (illite), К - kaolinit (kaolinite), Q - kwarc (Quartz), С - kalcyt (calcite)
116 А. М осек, W. Spychalski, Z. K aczm arek
RY SUN EK 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 jakościo wym tej frakcji. Należy domniemywać, że na uzyskane wartości duży wpływ wywie rają wysokodyspersyjne, bezpostaciowe formy węglanów oraz częściowo kwarcu. W omawianych glebach zaobserwowano bowiem ścisłą współzależność pomiędzy po wierzchnią właściwą a zawartością węglanu wapnia w tej frakcji. W spółczynnik 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
FIG URE 6. Dyfractogram (a) and derivato- FIGURE 7. Dyfractogram (a) and derivatogram gram (b) of fraction < 0,002 mm, horizon Ap, (b) of fraction < 0 ,0 0 2 mm, horizon Ap, soil
RYSUN EK 8. Dyfraktogram (a) i derywato- gram (b) frakcji mniejszej od 0,002 mm, po ziom Ap, gleba nr 9
FIGURE 8. D yfractogram (a) and derivato- gram (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 a C 0 3.
R Y SUN EK 10. Dyfraktogram (a) i dery wato- RYSUNEK 11. Dyfraktogram (a) i deryw ato gram (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
FIGU RE 10. Dyfractogram (a) and derivato- FIGURE 11. Dyfractogram (a) and derivatogram gram (b) fraction < 0,002 mm, horizon Ap, soil (b) fraction < 0 ,0 0 2 mm, horizon ACca, soil
118 А. Мосек, W. Spychalski, Z K aczm arek
Pojemność higroskopowa i maksymalna pojemność higroskopowa
Zawartość wody higroskopowej oraz maksymalna higroskopijność frakcji koloi dalnej 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 wykazy wały 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.
M aksymalna 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 pra wdopodobnie 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 koloi dalnej 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.
CHOD AK T. 198(h Badania nad właściwościami oraz składem mineralnym gleb wytworzonych z lessu Dolnego Śląska. Zesz. Nauk. AR Wrocław. Rozpr. habilit. nr 21.
CHOD AK T., BOGDA A., KASZUBKIEW ICZ J. 1990: Skład minerałów ilastych a niektóre właściwości gleb. Zesz. Nauk. AR Wrocław, Rolnictwo 53, nr 196: 12-24.
DECH NIK I. 1972: Powierzchnia właściwa gleb jako wskaźnik podstawowych elementów ich potencjalnej żyzności. Ann. UMCS, Sect. E, 27: 107-122.
DECH NIK I., SŁAW IŃSKA J. 1972: Powierzchnia właściwa w badaniach fizykochemicznych i fizycznych właściwości gleb. Probl. Agrofiz. 6.
DO BRZAŃ SKI B., D ECH N IK T., GLIŃSKI J., PON D ELH ., STAW IŃSKI J. 1977: Powierzchnia właściwa gleb Polski. R o c zN a u k . Roln., ser. D, 165: 8-66.
DOBRZA Ń SK I 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., SKŁODOW SKI P. 1976: Zawartość i charakterystyka form związków próchnicz- nych w rędzinach wytworzonych ze skał węglanowych różnych formacji geologicznych. Rocz.
Glebozn. 27,2: 127-136. .
M OCEK A., DRZYM AŁA S., M ASZNER P. 2000: Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. AR Poznań.
M ÜCKENHAUSEN E. 1975: Die Bodenkunde und ihre geologischen, geom orphologischen, mineralogischen und petrologischen Grundlagen. Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft-Ver- lag-GmbH Frankfurt am Main.
RZĄSA S., KOKOW SKI 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 com position of the soil. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 220,2.
STRZEM SKI 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 w płynęła do redakcji w listopadzie 2002 r.
A d res a u to ra : prof. d r hab. A n d rzej M ocek
K atedra G leboznaw stw a, A ka d em ia R olnicza im. A ugusta C ieszkow skiego ul. M azo w iecka 42, 60-623 P oznań
