Поровое пространство залежной дерново-подзолистой почвы Московского региона: особенности структуры на разных иерархических уровнях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поровое пространство залежной дерново-подзолистой почвы Московского региона: особенности структуры на разных иерархических уровнях

К.Н. Абросимов, Д.В. Корост, Е.Б. Скворцова

Статья посвящена изучению структуры порового пространства залежной дерново-подзолистой почвы в диапазоне размеров пор от 50 рш до нескольких сантиметров, что достигается сочетанием измерений приборов и методов исследования геологических кернов и почв на мезо- и микроуровне. В работе изучены монолиты (100 х 10 см) почвы, охватывающие диапазон сразу нескольких почвенных горизонтов и по габаритам повторяющие полноразмерные керны. Этим же методом исследованы микромонолиты (5 х 3 см) при более высоком разрешении (16 рш). Изучено и описано поровое пространство.

Ключевые слова: дерново-подзолистая почва; поровое пространство; залежь; структура почвы.

Pore space of fallow sod-podzolic soil in the Moscow region: features of the structure on different hierarchical levels

K.N. Abrosimov, D.V. Korost, E.B. Skvortsova

The article is devoted to the study of the structure of the pore space of the fallow sod-podzolic soil in the range from 50 microns to several centimeters, which is achieved by a combination of instrument instrument measurements and methods for the study of geological cores and soils on the meso and micro level. In the work the authors studied soil monoliths (100 x 10 cm) covering the range of several soil horizons and and in size repeating full-sized cores. The same method was used to study micro-monoliths (5 x 3 sm) at higher resolution (16 pm). The pore space is studied and described.

Keywords: sod-podzolic soil; pore space; fallow; soil structure.

Введение

Поровое пространство относится к числу основных элементов почвенного строения, определяющих фундаментальные функции и свойства почвы [8, 12]. В настоящее время строение дерново-подзолистых почв всесторонне и глубоко изучено. В том числе проведено и опубликовано множество морфологических и микроморфологических исследований [1, 3, 5, 7, 11, 12]. Однако некоторые морфологические свойства дерново-подзолистых почв до настоящего времени охарактеризованы не в полном объеме. В частности, отсутствует визуальная и численная морфологическая информация о поровом пространстве горизонтов почвы в ее нативном и измененном состоянии при многолетней вспашке с последующим использованием как сенокос в течение десяти лет. Геометрия пор (такие показатели, как форма пор, открытая / закрытая пористость, пространственная ориентация) в почвенной массе является информативным морфологическим признаком для всех почвенных типов [7].

Для изучения структуры порового пространства используется компьютерная томография. Компьютерная томография позволяет изучать всю генетическую совокупность пор и существенно облегчает сопоставление морфологических данных о поровом пространстве с другими почвенно-структурными показателями. Компьютерная рентгеновская томография -- метод анализа внутренней структуры твердых объектов без их повреждения, широко использующийся в самых различных сферах науки и промышленного производства. Метод основан на фиксации затухания пучка рентгеновского излучения после просвечивания твердого объекта при помощи цифровой камеры. Яркость (различные градации серого) на рентгеновской теневой проекции отражает ослабление рентгеновского излучения за счет эффектов рассеивания и поглощения сигнала, прошедшего через образец. Ослабление будет зависеть от рентгеновской плотности и эффективного атомного номера, из которого состоит изучаемый объект.

Эффективный атомный номер -- атомный номер условного химического элемента, для которого коэффициент передачи энергии ионизирующего излучения, рассчитанный на один электрон, такой же, как у данного сложного вещества [11, 13]. Компьютерная обработка томографических проекций позволяет с высокой точностью построить объемную цифровую копию внутренней структуры исследуемого объекта, а также рассчитать морфометрические параметры для каждой из видимых рентгеноконтрастных фаз.

Целью нашего исследования является сравнение структуры порового пространства агродерново-подзолистой почвы на месте длительного сельскохозяйственного использования (10-летняя залежь) и дерново-подзолистой почвы под коренным ельником, а также выявление особенностей структуры порового пространства и типизация пор.

Объекты и методы исследования

В качестве объекта исследования выбрана дерново-подзолистая лесная и залежная почва в районе поселка Ельдигино Московской области (56°08'01.6" N 37°48'06.8" E). По классификации почв 2004 г., почва называется агродерново-подзолистой, по классификации WRB 2014 г. (версия 2015 г.) -- Albic Glossic Retisols (Lomic, Aric, Cutanic) соответственно [4, 6]. Профиль залежной дерново-подзолистой почвы представлен следующими горизонтами:

P, (0-35 см) -- пахотный горизонт неоднородной мощности с четкой границей на глубине 35-38 см. Пористый, слабо увлажненный. Присутствуют многочисленные корни растений и ортштейны.

BEL, (35-45 см) -- пестро окрашен, слабо увлажнен, неоднородный по гранулометрическому составу. Есть морфоны «клюква в сахаре»: мелкие плотно упакованные фрагменты горизонта ВТ. Переход постепенный, заметен по окраске, плотности, структуре.

ВТ1, (45-65 см) -- бурый до шоколадного, с темными глинистыми кута- нами, плотный, средний суглинок, структура неясноплитчатая, разбивается на мелкие и средние ореховатые отдельности, есть узкие белесые языки, белесая присыпка, переход постепенный.

ВТ2, (65-80 см) -- коричневый, увлажнен, плотный, средний суглинок, крупнопризматический, с кутанами, скелетанами, гумусовыми потеками, переход постепенный.

ВС, (80-130 см) -- коричневый с грязновато-палевым оттенком, плотный, вязкий, увлажнен, по трещинам слабо оглеен (с глубины ~ 100 см) [7].

В исследовании задействовано следующее оборудование:

Рентгеновский анализатор кернов РКТ-180 (геологический факультет МГУ). РКТ-180 предназначен для изучения горных пород, почв, неконсолидированных донных осадков, биологических образцов и др. Позволяет получить трехмерное распределение значений рентгеновского поглощения всего объема образца в пределах разрешающей способности. Выявляются все рентгеноконтрастные элементы, выделяющиеся по плотности и химическому составу [14].

Рентгеновский микротомограф SkyScan1172G (Почвенный институт) -- универсальный прибор для изучения внутренней структуры неразрушающим методом при разрешениях от 0,75 до 26 рш. Размер объекта исследования при этом варьируется от 0,1 мм до 6 см.

Программное обеспечение для математической и статистической обработки томографических данных: СТап (3П-анализ стека томографических срезов, моделирование объемной структуры), DataViewer (создание вертикальных сечений почвенного монолита), CTvol и CTvox (восстановление объемной структуры порового пространства) [15].

Почва отбиралась в монолиты круглой формы высотой 100 и диаметром (d) 10 см с целью дальнейшего исследования внутренней структуры методом рентгеновской компьютерной томографии (см. рис. 1). Для исследования микроструктуры с высоким разрешением отобраны монолиты диаметром 1 и 3 см (микромонолиты). Все образцы почвы сохранили полевую влажность на момент пробоотбора.

Рис. 1. Монолит почвы d = 10 см, установленный в РКТ-180 (слева), микромонолиты d = 1 и 3 см (справа, на основе медицинских шприцов)

Методики томографического исследования (съемка, реконструкция и анализ данных) отработаны и опробованы коллективом авторов в ходе выполнения различных НИР, в том числе проектов при поддержке РФФИ (15-34-20989 и 16-04-00949) и РНФ (14-16-00065). На основе этого опыта выбраны оптимальные параметры исследования.

Результаты

Монолиты почвы для томографического исследования на анализаторе кернов включают в себя несколько верхних почвенных горизонтов, но при этом исследование внутренней структуры возможно только с разрешением 100 рш, что позволяет детектировать поры и структурные элементы, видимые глазом. Для исследования микроуровня до границ проницаемости жидкой воды приходится использовать гораздо меньшие объемы (микромонолиты) диаметром не более 1 см, но уже с разрешением 3,2 рш. Также в работе задействованы микромонолиты высотой 3 см при разрешении 16 рш, так как подробная съемка мезоуровня содержит в себе информацию по внутри- и межагрегатной пористости. Большая часть пор исследуемой почвы (более 30-35 %) [12] находится в области микро- и нанопор. По полученным томограммам они количественно не могут быть определены, так как их размеры ниже порога разрешения данной томографической съемки.

По результатам обработки данных томографического исследования получены объемные изображения порового пространства и морфометрические показатели -- общая, открытая и закрытая пористость, связанность порового пространства (для монолита), количество пор.

Помимо пористости в микромонолитах получены данные по объему и площади поверхности пор.

Поле, где были отобраны образцы почвы, за предыдущие 10 лет использовалось исключительно для сенокосов. До этого в течение нескольких десятков лет поле распахивалось. Использовалась в том числе и глубокая вспашка.

Все это определило современную структуру порового пространства, наблюдаемую в результатах исследования (рис. 2-5).

Рис. 2. Поровое пространство в монолитах.

Разрешение 100 pm, d = 10 см, длина -- 1 м. Объемная модель.

Слева -- вертикальный томографический срез через центральную часть монолита (поры черные, твердая фаза почвы серая). Справа -- поровое пространство для трех разных монолитов. Белым цветом обозначены поры

Верхний ряд: при разрешении 16 рш, ширина -- 3 см, высота -- 4 см, толщина объема -- 0,5 р. Нижний ряд: при разрешении 3,2 рш, ширина -- 8 мм, высота -- 1,1-1,3 мм., толщина -- 0,5 мм. Белым цветом обозначены поры.

Рис. 3. Микроструктура порового пространства пахотного горизонта залежной почвы (16-20 см -- слева) и подпахотного уплотненного слоя (35 см -- справа).

При разрешении 100 рш четко прослеживается граница между пахотным горизонтом и нижней частью профиля естественного сложения. Поровое пространство в основном представлено порами-каналами самого различного диаметра преимущественно вертикальной ориентации. Также данный метод позволяет разделить поры-каналы на современные и реликтовые (не имеющие продолжения закрытые поры).

Рис. 4. Поровое пространство нижних горизонтов залежной дерново-подзолистой почвы -- ВТ1, глубина -- 90 см (слева) и ВС, глубина -- 180 см (справа). Разрешение -- 16 pm. Белым цветом обозначены поры

Рис. 5. Сравнение микроструктуры порового пространства горизонта EL лесной почвы и пахотного горизонта залежной почвы (10 лет) при одинаковой глубине (15 см), размерах и разрешении (16 pm)

Всего исследовано 6 монолитов дерново-подзолистой пахотной почвы, отобранных из общей траншеи с разницей в 1 метр. Главное различие между ними -- количество мелких пор и небольшая вариабельность залегания нижней границы пахотного горизонта.

Микромонолиты отбирались с привязкой к почвенным горизонтам -- середина пахотного горизонта (Апах, H ~ 20 см), подпахотный уплотненный слой (предположительно, нижняя часть BEL, или горизонт BT, H ~ 40 см) и нижний горизонт ВС (H ~ 180 см).

Пористость (%) в монолитах при разрешении 100 рш относительно невысока -- варьируется в диапазоне 2,1-5,3 %. Следует уточнить, что это «томографическая» пористость, т. е. ограниченная разрешением съемки. Все, что меньше 100 рш, томограф не видит. Пористость заметно выше в верхней пахотной части монолита ~ 5 % ) и резко снижается ниже границы пахотного слоя (H ~ 35 см) -- до 2-2,5 %.

Помимо общей пористости возможно подсчитать открытую и закрытую пористость. Открытыми в данном случае считаются поры, обрезанные границей изучаемого объема (боковая сторона и дно цилиндра), закрытыми -- поры, не выходящие за эту границу и замкнутые в пределах разрешения. Следует уточнить, что эти параметры зависят напрямую от размеров образца. Чем больше размер и чем грубее разрешение съемки, тем больше объем закрытых пор. В физическом смысле наиболее актуально учитывать поры, задействованные в транспорте гравитационной влаги внутри почвенной структуры (крупнее 100 рш). Так что авторами рекомендуется эти параметры использовать для строго определенного объема в пределах одного горизонта. Например, для объема в 1 см³ при разрешении 4 рш или 100 см³ при разрешении 100 рш.

В масштабе изучаемого объема монолита % пор являются открытыми, т е. почва обладает высокой фильтрационной способностью. Связанность порового пространства (фактически объем самой большой наблюдаемой поры) меняется в пределах 50 +/- 10 %, что также зависит от объема и особенностей структуры. В переуплотненных почвах связанность в 2-3 раза ниже, чем в почвах естественного сложения и с ненарушенной структрой [2]. Основной барьер для фильтрации влаги в изучаемой почве -- уплотненный подпахотный слой (глубина).

Пространственная изменчивость в микромонолитах сильно варьируется в зависимости от горизонта. Основной объем пор нижних текстурных горизонтов приходится на поры-каналы, расположенные равномерно как при разрешении 100 pm, так и при разрешении 16 pm (см. рис. 4). В пахотном горизонте присутствует множество пор самых разных форм (см. рис. 3, 5) -- меж- и внутриагрегатные поры и поры-упаковки, немногочисленные везикулы, каналы, трещины и др. Все это разнообразие форм -- следствие их расположения в наиболее динамичной части почвенного профиля, на которую, помимо вспашки, оказывают влияние естественные процессы -- набухание и усадка, сезонные циклы замерзания и оттаивания, корневые системы растений, жизнедеятельность фауны и микроорганизмов. Вспашкой многократно перемешаны сразу несколько горизонтов, отличающихся по гранулометрическому составу, содержанию гумуса и структуре, что определило неоднородность порового пространства. По структуре порового пространства пахотный горизонт также сильно отличается от естественных горизонтов, характерных для тех же глубин почвенного профиля (см. рис. 5).

Все поры различны по происхождению и сроку существования в почвенной массе. Трещины появляются и исчезают в процессах набухания -- усадки почвы в зависимости от количества осадков, температуры и времени года. Поры- каналы в верхней толще профиля почв более чем на 99 % сформированы корнями растений и в меньшей степени -- представителями фауны. Они же -- самые долгоживущие элементы порового пространства. Поры-везикулы (сферы) появляются в процессе оттаивания и высвобождения защемленного воздуха [10].

Пористость пахотного горизонта при разрешении 16 pm находится в пределах 8-9 %, подпахотные текстурные горизонты менее пористые -- 2-3 %, при этом связанность порового пространства изменяется с глубиной в сторону снижения. Также в пахотном горизонте 87 % объема порового пространства приходится на открытую пористость. В текстурных горизонтах этот показатель равен ~ 60 %.

По результатам 3П-анализа установлена заметная разница по количеству и размерам пор между горизонтами. Несмотря на развитую сеть пор-каналов, в пахотном горизонте значительный объем пор приходится на мелкие поры размером до 30-50 pm. В текстурных горизонтах их значительно меньше. Большая часть закрытой пористости приходится на реликтовые поры-каналы. По количественным показателям пахотный горизонт содержит приблизительно в 4 раза больше закрытых пор разного размера по сравнению с подпахотным и текстурным.

агродерново-подзолистый почва пора

Заключение

Микротомографический анализ ненарушенных почвенных образцов при их естественной влажности позволил визуализировать и количественно охарактеризовать морфологическое строение пор d = 30 pm и крупнее.

Объемные изображения порового пространства, получаемые в результате обработки данных рентгеновской томографии, заметно отличаются от привычной почвоведам классификации пор, известных по работам Розанова [9] и др. Исследователи прошлого опирались на данные микроморфологии (анализ шлифов). В объеме сферическая пора (везикула) сразу выделяется на фоне поры-канала, что практически невозможно сделать на плоском изображении. Внутриагрегатные закрытые поры выглядят как скопление одинаковых по размеру и форме мелких пор, повторяющих очертания агрегата, а трещины представлены как изломанные плоскости различной толщины. Метод компьютерной томографии позволяет более качественно исследовать поровое пространство почв и в перспективе может служить для развития уже имеющихся классификаций элементов порового пространства в зависимости от их объемной формы.

Длительная распашка земель серьезно меняет микроструктуру верхнего горизонта почвы, перемешивая и разрушая структуру сразу нескольких сформированных горизонтов. Спустя 10 лет после прекращения распашки поля структура порового пространства пахотного горизонта не восстанавливается до естественного состояния. При этом уплотненный подпахотный слой (остатки переходного горизонта BEL) по структуре, размеру и объему пор уже мало отличается от нижерасположенных BT и BC.

Литература

1. Бронникова М.А., Таргульян В.О. Кутанный комплекс текстурно-дифференцированных почв. М.: Академкнига, 2005. 197 с.

2. Горбов С.Н., Безуглова О.С., АбросимовК.Н., СкворцоваЕ.Б., Тагиведиев С.С., Морозов И.В. Физические свойства почв Ростовской агломерации // Почвоведение. 2016. № 8. С. 964-974.

3. Герасимова М.И., Губин С.В., Шоба С.А. Микроморфология почв природных зон СССР. Пущино, 1992. 215 с.

4. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.

5. Кызласов И.И. Структура порового пространства дерново-подзолистой и серой лесной почв: автореф. дис. ... канд. биол. наук, М., 2003. 26 с.

6. Мировая реферативная база почвенных ресурсов 2014. Международная система почвенной классификации для диагностики почв и создания легенд почвенных карт. Исправленная и дополненная версия 2015 / пер. с англ.; под ред. М.И. Герасимовой, П.В. Красильникова. М., 2017. 203 с.

7. Скворцова Е.Б., Рожков В.А., Абросимов К.Н., Романенко К.А., Хохлов С.Ф., Хайдапова Д.Д., Клюева В.В., Юдина А.В. Микротомографический анализ порового пространства целинной дерново-подзолистой почвы // Почвоведение. 2016. № 11. С. 1328-1336.

8. Скворцова Е.Б. Микроморфометрия порового пространства почвы и диагностика почвенной структуры // Почвоведение. 1994. № 11. С. 42-49.

9. Розанов Б.Г. Морфология почв. М.: Академический проект, 2004. 431 с.

10. Романенко К.А., Абросимов К.Н., Курчатова А.Н., Рогов В.В. Опыт применения рентгеновской компьютерной томографии в исследовании микростроения мерзлых пород и почв // Криосфера Земли. 2017. № 4. Т. 21. С. 75-81.

11. Хайдапова Д.Д., Клюева В.В., Скворцова Е.Б., Абросимов К.Н. Характеристики реологических свойств и томографически определенного порового пространства ненарушенных образцов черноземов типичных и дерново-подзолистых почв // Почвоведение. 2018. № 10. С. 1234-1243.

12. Шеин Е.В., Скворцова Е.Б., Дембовецкий А.В., Абросимов К.Н., Ильин Л.И., Шнырев Н.А. Распределение пор по размерам в суглинистых почвах: сравнение микротомографического и капилляриметрического методов определения // Почвоведение. 2016. № 3. С. 344-354.

13. Micro-CT user Meeting. Abstract book. Luxembourg, 2016. 329 p.

14. РКТ-180, назначение, технические параметры

15. SkyScan1172, технические параметры

Размещено на Allbest.ru