Физико-механические свойства автоморфных таежных почв Республики Коми (по данным реологических исследований)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт биологии Коми научного центра УрО РАН

Физико-механические свойства автоморфных таежных почв Республики Коми (по данным реологических исследований)

Ю.В. Холопов, Д.Д. Хайдапова, Е.М. Лаптева

г. Сыктывкар, Россия

Аннотация

Рассмотрены особенности физико-механических свойств в ряду автоморфных почв Республики Коми - дерново-подзолистых и подзолистых текстурно-дифференцированных (Folic Albic Retisol) южной и средней тайги, светлоземов иллювиально-железистых (Folic Albic Stagnosols) северной, крайнесеверной тайги и лесотундры. Установлено, что наиболее прочные межчастичные контакты формируются в горизонтах, отличающихся высоким содержанием подвижных гумусовых веществ фульватной природы и органоминеральных альфегумусовых соединений. Воздействие сезонного промерзания на реологические свойства почв наиболее четко проявляется в профиле светлоземов, где повышенная прочность межчастичных взаимодействий в средней части профиля (на глубине 40-60 см) обусловлена конденсационным уплотнением частиц в результате формирования фронта промерзания с длительным периодом околонулевых температур. К северу отмечается усиление прочности межчастичных почвенных взаимодействий вследствие интенсификации процессов оглеения, а также увеличения глубины промерзания почв. В этом же направлении снижаются значения предела пластичной деформации и диапазона упругой деформации почвенной структуры, что свидетельствует о повышении хрупкости межчастичных взаимодействий. Прочные, но хрупкие межчастичные почвенные контакты обладают низкой структурной устойчивостью, быстро разрушаясь и медленно восстанавливаясь при превышении предельных механических нагрузок.

Ключевые слова: реология; структурообразование; светлоземы иллювиально-железистые; подзолистые текстурно-дифференцированные почвы; Folic Albic Retisol; Folic Albic Stagnosols.

We carried out rheological studies of automorphic taiga soils formed at silty-loamy rocks in spruce forests to assess their structural-mechanical features determining soil resistance to the mechanical impact. Soil pits were made at five model sites located in taiga and forest-tundra zones (Table 1 and Fig. 1). Rheological measurements were performed using a module rheometer MCR 302 “Anton Paar” (Austria) by the method of amplitude sweep (oscillating method) using measurement systems plate-by-plate. Rheological properties were assessed according to the following parameters (Fig. 2): the modulus of elasticity (G'), the elastic deformation range - LVE-range (Linear viscoelastic), the modulus of viscosity (G''), and plastic deformation range - CROSSOVER (Flow point) measured using the point of modules crossover (G'=G''). We also investigated the main physico-chemical properties of soils: pH, content of organic carbon, exchangeable bases, oxalate- and dinitro-soluble forms of ferrum, and granulometric composition. Temperature regime of soils was studied using loggers “HOBO-U12” (USA) set at the depth of 0-20-50-100 cm.

The clearest rheological features of taiga soils due to their hydrological and climate environment were observed in the upper mineral horizons. In the lower part of the soil profile, rheological parameters determined by physico-chemical and lithological soil properties were clearer. The most stable interparticle contacts with G' over 1.00-106 Ра were noticed in the horizons with a high content of labile humic substances of fulvic origin and organic-mineral alphehumic compounds (Table 3 and 4). At site CS-I with soil Folic Albic Retisol, this was humus accumulative horizon AY. In the podzolic soil with podzol microprofile texture-differentiated soil of the middle taiga (site CS-II Folic Albic Retisol), it was illuvial horizon of podzol microprofile EL[hf]. In illuvial ferrous svetlozems (Folic Albic Stagnosols) of the northern (CS-III), far northern taiga (CS-IV) and forest-tundra (CS-V), these were horizons of podzol microprofile (Eg-BHF-BF). An increased stability of the structure was due to the cementation of soil particles as a result of alphehumic compounds intake with the following formation of strong interparticle contacts. Another reason was the seasonal freezing. The impact of freezing on rheological properties of soils was the clearest in svetlozems (Folic Albic Stagnosols). An increased stability of interparticle contacts was found in the area of zero veil (0±0.1°С) at the depth of 3050 cm due to condensation sealing of the particles caused by freezing. Moving to the north (from southern taiga to forest tundra), the stability of soil microstructure against mechanical damages decreased due to the formation of strong but fragile interparticle contacts. The mean value of the modulus of elasticity (G') increased from 7.95-105 Ра (southern taiga, soil L-2) to 1.69-106 Ра (forest tundra, soil Р-4-1). LVE-range values decreased when moving to the north (less than 0.00328%). Plastic deformation range CROSSOVER was less than 3.48%, which indicated an increased fragility of strong interparticle contacts. These strong but fragile contacts have low structural stability and demonstrate rapid destruction and slow recovering under extreme mechanical influences.

The paper contains 2 Figures, 3 Tables and 46 References.

Key words: rheology; structurization; cryometamophic soils; ferrous-illuvial svetlozems; podzolic texture-differentiated soils; Folic Albic Retisol; Folic Albic Stagnosols.

Funding: This work was partially supported by the Project “Revealing the general patterns in the formation and functioning of peat soils in the Arctic and Subarctic sectors of the Russian European Northeast” (No АААА-А17-П71222900П-5), and the RFBR grant No 16-04-01111.

Введение

Многолетними почвенными исследованиями на территории Республики Коми установлены закономерности образования, функционирования и продуктивности подзолистых почв, получен обширный материал, характеризующий особенности протекания в них почвенных процессов [1]. Общими свойствами подзолистых почв являются: высокая кислотность почвенного профиля, выщелоченность обменных оснований, фульватный тип гумуса, обеднение подзолистого горизонта илистой фракцией и полуторными оксидами. В результате заторможенности биохимических процессов в условиях Севера гумусовые вещества таежных почв отличаются агрессивностью, подвижностью, высоким содержанием ненасыщенных низкомолекулярных органических кислот [2]. Эти соединения могут мигрировать по профилю почвы на значительную глубину за счет образования органоминеральных комплексных соединений с железом и алюминием [3-5]. Основная роль в формировании подзональных подтипов таежных подзолистых почв принадлежит биоклиматическому фактору. Наиболее ярко подзональные особенности в строении и свойствах проявляются в ряду автоморфных подзолистых почв, формирующихся на пылевато-суглинистых почвообразующих породах [3]. К северу от территории распространения типичных подзолистых почв становятся более выраженными процессы поверхностного оглеения, усиливается потечность гумуса. В южном направлении в результате развития травяного яруса под пологом леса в профиле почв отмечается дерново-аккумулятивный процесс, сопровождающийся образованием менее агрессивного гуматно-фульватного типа гумуса с возрастанием содержания фракции гуминовых кислот, связанных с кальцием [6]. В соответствии с этим в рамках классификации почв 1977 г. [7] и региональной классификации [1, 3] в типе подзолистых почв, приуроченных к автоморфным позициям рельефа, исследователи традиционно выделяли подтипы дерново-подзолистых почв, представленных в подзоне южной тайги, типичных подзолистых - средней тайги, глееподзолистых - северной тайги.

Как показали исследования последних лет [8, 9], генезис и распространение подзолистых почв имеют более сложный характер. На их подзональные особенности может накладывать определенный отпечаток специфика распространения водно-ледниковых отложений пылевато-суглинистого гранулометрического состава. В условиях Севера на таких почвообразующих породах формируются почвы, в профиле которых отсутствуют признаки текстурной дифференциации. Таким образом, с позиций новой классификации почв России [10, 11] таежные автоморфные почвы, формирующиеся под влиянием подзолистого процесса, подразделяются на более высоком таксономическом уровне. Почвы, развитые на тяжелых покровных суглинках под пологом южно- и среднетаежных еловых лесов, в соответствии со спецификой их морфологического строения относятся к отделу текстурно-дифференцированных почв (дерново-подзолистые и подзолистые). Почвы северной, крайнесеверной тайги и лесотундры, приуроченные к более легким суглинистым отложениям, - к отделу криометаморфических почв (светлоземы иллювиально-железистые). Профиль текстурно-дифференцированных почв характеризуется наличием элювиального (EL) горизонта в верхней части и текстурного с хорошо выраженной призматической структурой (ВТ) - в срединной части профиля. Профиль светлоземов формируется под влиянием подзолистого процесса в сочетании с криометаморфическим оструктури- ванием минеральной массы, в ходе которого образуется специфичная угловато-крупитчатая структура (СЯМ-горизонт). Текстурный горизонт может быть либо слабо выражен, либо вообще отсутствовать [8]. Текстурно-дифференцированные почвы в отличие от светлоземов характеризуются более значимой дифференциацией профиля по содержанию илистой фракции и полуторных оксидов. Следует отметить, что диагностика и классификация криометаморфических почв (свелоземов), в частности СЯМ-горизонта, являются достаточно сложной задачей в силу отсутствия четких физико-химических признаков их выделения. Таким образом, несмотря на достаточно хорошую изученность, проблемы генезиса подзолистых почв не теряют своей актуальности. В этой связи исследование физико-механических свойств текстурно-дифференцированных почв (дерново-подзолистых, подзолистых) и криометаморфических (светлоземов иллювиально-железистых) позволит более четко охарактеризовать их специфические особенности и выявить дополнительные диагностические показатели. Физико-механические свойства почв предлагается исследовать с помощью реологического подхода, который хорошо зарекомендовал себя в работах многих авторов [12-19]. Реологические исследования позволяют оценить характер межчастичных взаимодействий в почвах, а также выявить их деформационные свойства - прочность, упругость, пластичность, вязкость.

Цель настоящей работы - оценить с помощью реологических методов физико-механические свойства дерново-подзолистых и подзолистых текстурно-дифференцированных почв, а также светлоземов иллювиально-железистых, формирующихся в хорошо дренированных условиях под пологом еловых лесов на пылевато-суглинистых почвообразующих породах.

Материалы и методики исследований

Территория исследований располагается в пределах северо-восточной части Восточно-Европейской равнины на территории Республики Коми. Климат региона исследований умеренно континентальный умеренно холодный [20]. Активная циклоническая деятельность в регионе обусловливает выпадение достаточно большого количества атмосферных осадков (489-622 мм в год), основная часть которых (338-440 мм) поступает в теплый период [20, 21]. Значительная протяженность территории с юго-запада на северо- восток, а также близость Арктического бассейна определяют возрастание при продвижении в направлении от южной тайги к лесотундре холодности и влажности климата. К северу снижается среднегодовая температура воздуха (от +1°С в подзоне южной тайги до -4,1°С в лесотундре), значительно увеличивается количество дней с отрицательными температурами (от 172 до 221), возрастает коэффициент увлажнения (от 1,1--1,2 до 2,0-2,5).

Объектами исследования послужили почвы, формирующиеся в автоморфных условиях под пологом еловых лесов на пылевато-суглинистых почвообразующих породах. Для изучения реологических свойств таежных почв выбраны 5 ключевых участков, расположенных в различных подзонах тайги, а также в лесотундре. Краткая характеристика ключевых участков представлена в табл. 1, морфологическое строение почв - на рис. 1. Таким образом, на ключевом участке, выделенном в подзоне южной тайги, исследовали свойства дерново-подзолистой текстурно-дифференцированной почвы, средней - подзолистой текстурно-дифференцированной с микропрофилем подзола, северной - светлозема иллювиально-железистого по- верхностно-глееватого, крайнесеверной тайги и лесотундры - светлоземов иллювиально-железистых потечно-гумусовых глееватых. Названия почв даны в соответствии с принципами диагностики и классификации почв России 2004 г. [10] и системой классификации WRB [22].

Физико-химические свойства почв исследовали стандартными методами [23]. Величину рН солевой (КС1) суспензии определяли потенциометриче- ски со стеклянным электродом, содержание общего углерода и азота - газохроматографическим методом на CNHS-анализаторе ЕА-1100 «Carlo Erba», обменных катионов - вытеснением NH4Cl с последующим атомно-абсорбционным определением на Shimadzu АА-6300, оксалатрастворимых форм соединений железа и алюминия - по Тамму, дитионитрастворимых - по Джексону, гранулометрический состав - методом Качинского. Результаты аналитических исследований приведены в табл. 2.

Наблюдения за температурным режимом почв проводили с помощью цифровых логгеров «HOBO-U12» (США). Температурные датчики устанавливали на глубину 0, 20, 50 и 100 см от поверхности почвы, период измерений - через каждые 3 ч с 2012 по 2013 г. Реологические исследования образцов почв выполняли на базе модульного реометра MCR-302 «Anton Paar» (Австрия) методом амплитудной развертки (колебательный метод) с измерительными системами «плита-плита». Подробное описание методики проведения исследований представлено в работах [12, 13, 15, 17, 19]. В ходе проведенных испытаний получены следующие параметры (рис. 2), характеризующие реологические свойства почв: G' (Ра) - модуль упругости (мера энергии деформации, сохраненной образцом в процессе сдвига); G'' (Ра) - модуль вязкости (мера энергии деформации, израсходованной во время процесса сдвига и потерянной для образца); LVE-range (%) - диапазон упругой деформации (отражает область с постоянными величинами или с незначительными изменениями модуля упругости G''); CROSSOVER (%) - диапазон пластичной деформации, определяемый по точке пересечения модулей упругости и вязкости (G' = G''), которая фиксирует полное разрушение структурных связей с переходом системы из состояния гель в золь или из твердого в текучее.

Рис. 1. Морфологическое строение дерново-подзолистой почвы южной тайги (а), подзолистой с микропрофилем подзола средней тайги (Ь). светлоземов иллювиально-железистых северной (с), крайнесеверной (d) тайги и лесотундры (/). Авторы фото: a. b. с. d - Е.М. Лаптева; f - Ю.В. Холопов

Fig. 1. Morphological structure of sod-podzolic soils in the southern taiga (a), podzolic with podzol microprofile in the middle taiga (b), ferrous-illuvial svetlozem in the northern taiga (c), and far northern taiga (d) and forest tundra (/) (Photos a, b, c, d by EM Lapteva; f by YV Elolopov)

Значение модуля упругости G' в начале деформационного процесса отражает величину прочности межчастичных почвенных контактов. Статистическую обработку данных проводили в программном пакете «IBM SPSS Statistic».

Таблица 1 Краткая характеристика объектов исследования [Brief description of the research objects]

Примечане. * Название почвы приведено в соответствии с классификацией почв России [10]; ** название почвы приведено в соответствии с системой классификации WRB [22]. Note. * [The name of the soil is given in accordance with the classification of soils of Russia [10]; ** the name of the soil is given in accordance with the WRB classification system [22].

Рис. 2. Кривая зависимости модуля упругости (G') и вязкости (G'') от величины дефор¬мации на примере данных, полученных для элювиального горизонта Eg светлозема иллювиально-железистого поверхностно-глееватого северной тайги (разрез Р-3) Fig. 2. Elastic(G')and viscosity (G'') modulus versus deformation curve (horizon Eg of soil profile Р-3) On the Y-axis-Strainvalue;on the X-axis - Energy of shear (Deformation)

определения (р=0,05). Знак «-» показывает что показатель в данных пробах не определяли.

[Note. * Hereinafter, the mean values and the limits of the confidence interval of its determination error are given (p = 0.05). - indicates that the value in these samples was not determined]. Примечание. * Здесь и далее приведены средние арифметические значения показателя и границы доверительного интервала погрешности его

Результаты исследования и обсуждение

Реологические свойства почв зависят от нескольких базовых составляющих: гранулометрического и минералогического состава почв, содержания органических веществ, насыщенности почвенно-поглощающего комплекса основаниями [19, 24-26]. Для выявления влияния биоклиматических факторов на реологические свойства почв нами подобраны объекты, сформированные на крупнопылеватых суглинистых отложениях водно-ледникового (КУ-I, КУ-Ш, КУ-IV) и моренного (КУ-II, КУ-V) происхождения. Почвы южной и средней тайги развиты на тяжелых и средних крупнопылеватых суглинках, почвы северной, крайнесеверной тайги и лесотундры - на средних и легких крупнопылеватых суглинках (см. табл. 2). Некоторое облегчение гранулометрического состава исследуемых почв в направлении к северу может быть обусловлено особенностями седиментации водно-ледниковых и переотложения моренных пород [8, 9].

Морфологическое строение текстурно-дифференцированных почв южной (КУ-I) и средней (КУ-II) тайги характеризуется наличием тяжелого текстурного горизонта ВТ в средней части профиля с хорошо выраженной призматической структурой, глинистыми кутанами и белесыми скелетанами. Общая мощность текстурных горизонтов в исследуемых почвах достигает 70-75 см. Отличительным морфологическим признаком дерново-подзолистой почвы, кроме текстурного горизонта, является наличие в верхней части профиля гумусо-аккумулятивного горизонта AY (4-12 см) с хорошо выраженной зернисто-порошистой структурой, переходящего в белесый листоватый элювиальный горизонт EL без признаков оглеения. К специфической особенности морфологического строения среднетаежной почвы следует отнести формирование вложенного микропрофиля подзола в верхней части профиля, что характерно для хорошо дренированных подзолистых почв [8].

Профиль почв ключевых участков, выделенных в подзонах северной (КУ-Ш), крайнесеверной (КУ-IV) тайги и лесотундры (КУ-V), отличается по морфологическому строению от вышеописанных почв. В их профиле под подзолистым горизонтом ELg(hi), как правило, диагностируется иллювиально-гумусово-железистый горизонт BHF (или BF), образующийся в результате глее-альфегумусовых процессов [8, 27, 28]. Усиление процессов промерзания почв к северу сопряжено с развитием в средней части профиля почв специфичной угловато-крупитчатой структуры (криометаморфическое оструктуривание) при отсутствии или слабой выраженности текстурного горизонта ВТ. Это позволяет отнести почвы участков КУ-Ш, КУ-IV, КУ-V к отделу криометаморфических, типу светлоземов иллювиально-железистых [10, 11]. Роль криогенного фактора в формировании такого типа структуры (CRM) отмечена в работах многих авторов [27, 29-32]. Наиболее предрасположены по своим свойствам к мерзлотному оструктуриванию легкосуглинистые почвообразующие породы [8]. Присутствие в них фракции крупной пыли способствует более активному дроблению твердой фазы почвы при промораживании, благодаря созданию системы достаточно крупных пор [33]. Именно в них в первую очередь начинает замерзать вода при температурах, близких к нулевым (чем тоньше поры, тем ниже температура замерзания воды). Общая мощность горизонтов с криометаморфическим острук- туриванием в исследуемых светлоземах достигает 95 см. Поверхностный застой влаги, усиливающийся в направлении к северу, определяет развитие в светлоземах процессов оглеения и потечности гумуса, диагностируемых по соответствующим морфохроматическим признакам в горизонтах Eg (серо-сизые пятна, ржаво-коричневые мелкие конкреции), Eg,hi (серо-сизые пятна, конкреции, буровато-коричневое прокрашивание на контакте с органогенным горизонтом), и процессов оглеения в нижней части профиля - на контакте с подстилающей породой (КУ-IV, КУ-V).

Физико-химические свойства исследованных почв во многом близки (см. табл. 2), однако имеют некоторые особенности, связанные с влиянием биоклиматических зональных и подзональных условий. Почвы характеризуются повышенной кислотностью, минимальные значения величины рН KCl- вытяжки отмечаются в подстилочно-торфяном (2,55-3,80 ед. рН) и подзолистом (2,76-3,60 ед. рН) горизонтах светлоземов (разрезы Р-3, Р-39, Р-4-1), что может быть связано с высоким содержанием здесь ненасыщенных низкомолекулярных органических кислот [3]. В дерново-подзолистой почве (разрез Л-2) эти соединения частично нейтрализуются зольными элементами, поступающими при разложении травянистой растительности напочвенного покрова, поэтому кислотность здесь немного ниже (4,33-4,80 ед. рН). Дерново-подзолистая (Л-2) и подзолистая почвы (Р-1-П) характеризуются четкой дифференциацией профиля по содержанию частиц илистой фракции и содержанию обменных оснований (см. табл. 2). В светлоземах содержание обменных оснований крайне низкое по всему профилю, что может быть следствием специфики минералогического и химического состава почвообразующих пород. К северу, вследствие более суровых климатических условий, усиливается фульватный характер почвенного органического вещества и возрастает потечность гумусовых соединений [1, 3]. Значительная часть высоко- и низкомолекулярных органических кислот, поступающих из подстилки, осаждается ниже по профилю в форме алюмо- и железо-гумусовых соединений. Это диагностируется по максимальному содержанию оксалат- и дитионитрастворимых соединений железа в горизонте BHF микропрофиля подзола.

Данные реологических исследований представлены в табл. 3. В дерновоподзолистой текстурно-дифференцированной почве южной тайги наиболее прочные межчастичные контакты со значениями G' до 1,23-106 Ра формируются в верхнем гумусово-аккумулятивном горизонте AY (4-12 см), отличающемся повышенным содержанием гумусовых веществ и органоминеральных альфегумусовых соединений (см. табл. 2).

Содержание железа по Тамму в горизонте AY достигает 1,39%, общего углерода - до 1,17%. Подвижные формы альфегумусовых соединений обволакивают частицы почв, способствуя формированию прочных и жестких «мостиков» в местах контактов между минеральными частицами. Кроме того, существенный вклад в повышение прочности межчастичных контактов в исследуемой почве может вносить сезонное промерзание [34]. Промораживание способствует уплотнению частиц и формированию более прочных конденсационных типов межчастичных контактов в почвах. По данным температурных наблюдений, выполненных в период с 1987 по 1989 г. [6], максимальная глубина промерзания почв на участке КУ-I достигала 1055 см, продолжительность периода с отрицательными температурами почв составляла 101-128 дней. В условиях происходящих глобальных климатических изменений [35] потепление климата, несомненно, будет сказываться на изменении гидротермического режима почв [36, 37]. Не исключено, что в настоящее время глубина промерзания исследуемой дерново-подзолистой почвы меньше, тем не менее влияние фактора промерзания на ее реологические свойства не следует исключать.

Альфегумусовая пропитка, а так же процессы промерзания способствуют созданию прочных, но более хрупких конденсационных связей, которые легко разрушаются и слабо восстанавливаются при механическом воздействии. На это указывают низкие значения предела пластичной деформации при повышенной прочности межчастичных почвенных связей. Серо-гумусовый горизонт AY почвы участка КУ-I при максимальных значениях модуля упругости (G' = 1,23-106 Ра) характеризуется наиболее низким значением предела пластичности (величина показателя CROSSOVER составляет 1,57%). В нижележащем горизонте EL (12-23 см) происходит резкое увеличение значений предела пластичной деформации (CROSSOVER = 5,18%), что может быть обусловлено повышенным трением выветрелых и диспергированных минеральных частиц в процессе оподзоливания и промораживания [29, 38].

В средней и нижней части профиля дерново-подзолистой почвы реологические показатели прочности и пластичности выравниваются и становятся менее динамичными (см. табл. 3). Высокая прочность контактов (G') постепенно ослабляется книзу до 4,7-105 Ра, величины предела пластичной деформации (CROSSOVER) при этом выходят на средние по профилю значения 4,2%. В то же время значения диапазона упругой деформации (LVE-range), наоборот, увеличиваются от верхней к нижней части профиля с 0,003% (горизонт AY) до 0,0073% (ВС). Такое изменение реологических свойств обусловлено постепенным ослаблением вниз по профилю Л-2 пе- догенных факторов и проявлением реологических свойств, в большей степени связанных с гранулометрическим и минералогическим составом почвообразующей породы. Эта связь носит опосредованный характер, так как минеральные глинистые частицы более тяжелого по гранулометрическому составу текстурного горизонта (ВТ) и материнской почвообразующей породы (С) способствуют повышенному накоплению влаги, которая обволакивает почвенные частицы, увеличивая расстояние между ними и ослабляя тем самым межчастичное взаимодействие [18]. Однако при этом значительно теряется общая жесткость структуры или прочность межчастичных контактов (G'). Не исключено, что повышенный диапазон упругой деформации (LVE-range) в нижней части профиля Л-2 может быть обусловлен различной формой глинистых частиц. Последнее создает дополнительное упругое сопротивление при деформации [39].

В подзолистой с микропрофилем подзола текстурно-дифференцированной почве, формирующейся в условиях средней тайги (КУ-II, разрез Р-1-П), наиболее прочные межчастичные контакты (G' = 1,29-106-1,36-106 Ра) зафиксированы в подгоризонтах микропрофиля подзола - EL[e] (5-10 см) и EL[hf] (10-15 см). Повышенная прочность здесь также обусловлена иллювиальной пропиткой и цементацией почвенной массы высоко- и низкомолекулярными органическими веществами в сочетании с влиянием альфегумусовых соединений (см. табл. 2). В этих горизонтах (EL[e]-EL[hf]) выявлено наиболее высокое для минеральной части профиля содержание Собщ (0,31-0,70%) и повышенное - оксалатрастворимых форм соединений железа по Тамму (Fe2O3 0,31-0,56%). Повышенная жесткость подгоризонтов микропрофиля подзола может быть обусловлена также дилатантным упрочнением частиц в начале деформационного процесса вследствие низкого содержания здесь частиц илистой фракции. Дополнительным фактором, определяющим формирование контактов с повышенной прочностью в верхних горизонтах почвы участка КУ-II, могут служить процессы промерзания. В зимний период почвы на данном участке промерзают до глубины 40 см [40]. Воздействие всех этих факторов приводит к образованию очень прочных конденсационных взаимодействий с низким диапазоном упругого деформирования (величина LVE-range составляет 0,0033%). Такие контакты, как отмечено ранее, быстро разрушаются при механическом воздействии, медленно и слабо восстанавливаясь впоследствии. сезонный промерзание почва оглеение

В направлении к нижней части профиля наблюдается ослабление прочности межчастичных контактов c минимальными значениями G' (4,65-105 Ра) в нижней части текстурно-дифференцированного горизонта ВТ (100-120 см). При этом значения диапазона упругой деформации, наоборот, несколько увеличиваются (LVE-range 0,0049%), что аналогично поведению реологических свойств почвы южной тайги (разрез Л-2). Ослабление прочности контактов обусловлено постепенным утяжелением гранулометрического состава породы и более гидрофильными свойствами минеральных глинистых частиц. В срединной части профиля, а именно в горизонте BEL (45-60 см), зафиксированы максимальные значения содержания оксалатрастворимых форм железа по Тамму (0,76%) и органического углерода (0,38%). Однако в связи с максимально высоким содержанием здесь илистых (34%) и глинистых (51%) частиц эти соединения на усиление прочности контактов уже не оказывают влияния.

Значения предела пластичной деформации (CROSSOVER) практически не меняются по профилю. Наиболее высокие показатели этого параметра характерны для подгоризонтов микропрофиля подзола EL[e]-EL[hf] (2,8%). Механизм увеличения предела пластичной деформации в этой части профиля подзолистой текстурно-дифференцированной почвы скорее всего аналогичен механизму возрастания этой величины в элювиальном горизонте EL (12-23 см) дерново-подзолистой почвы.

При переходе от текстурно-дифференцированных почв южной и средней тайги к криометаморфическим почвам северной, крайнесеверной тайги и лесотундры набор факторов, влияющих на их реологическое поведение, остается практически неизменным. Однако появляются некоторые особенности, связанные с изменением гидротермического режима почв в условиях более холодного с избыточным увлажнением климата. В криометаморфических почвах значимую роль начинают играть глее-альфегумусовые процессы миграции и аккумуляции подвижных органических веществ и органо-минеральных соединений железа и алюминия, а также более интенсивные процессы промерзания почв. В почве, формирующейся в биоклиматических условиях северной тайги (участок КУ-Ш), наиболее прочные межчастичные контакты формируются в системе горизонтов Eg-BHF-BF (2,28-106-3,66-106 Ра). Подзолистый горизонт Eg (8-13 см) при сравнительно высокой прочности контактов (G' = 2,28-106 Ра) характеризуется наиболее высокими значениями предела пластичной деформации (величина CROSSOVER составляет 4,2%) и диапазона упругой деформации (LVE-range 0,0033%). Такие свойства обусловлены сравнительно высоким содержанием здесь органических веществ (Собщ = 1,54%) при незначительном количестве альфегумусовых соединений (Fe2O3, по Тамму, 0,07%). В нижележащем горизонте BHF (13-15 см) активное накопление иллювиальных органических веществ (Собщ = 2,20%) и альфегумусовых соединений (Fe2O3, по Тамму, 1,38%) обеспечивает наиболее высокие показатели прочности (G' = 3,66-10б Ра) и диапазона упругой деформации (0,0033%). В то же время значения предела пластичной деформации снижаются здесь почти в два раза (2,7%), что говорит о появлении упругохрупких свойств в межчастичных взаимодействиях. Минеральная масса горизонта BF, который генетически является продолжением горизонта BHF, при достаточно высокой прочности контактов (2,51-106 Ра) отличается низкими величинами диапазона упругой деформации (0,00148%) и предела пластичной деформации (2,03%), что указывает на повышение хрупкости межчастичных контактов. Такой результат обусловлен снижением доли иллювиальных подвижных органических веществ (Собщ = 1,09%) при сохранении высокого уровня аккумуляции оксалатрастворимых форм соединений железа (Fe2O3, по Тамму, 1,11%). Это согласуется с данными

В.В. Абруковой, А.С. Манучарова [34] и Л.П. Абруковой [41], отмечавших связь между прочностью почвенных контактов и содержанием подвижных форм полуторных оксидов, а также с работами Н.А. Азовцевой с соавт. [42], подтверждающими значимую роль гумусовых веществ в повышении прочности контактов между глинистыми частицами. На появление значительной жесткости в межчастичных взаимодействиях при накоплении в почвах ди- тионитрастворимых форм железа указывают исследования W. Markgraf et al. [12], N. Stoppe и R. Horn [19].

Повышение прочности контактов в северотаежной почве помимо влияния альфегумусовых соединений определяется более выраженным воздействием криогенного фактора. Проведенные нами наблюдения за температурным режимом почвы участка КУ-Ш показали следующее. В зимний период устойчивые отрицательные температуры фиксировались до глубины 20-30 см. Так называемая «нулевая завеса» (продолжительный период с околонулевыми температурами в пределах 0±0,1°С), с которой связывают формирование специфичного CRM-горизонта [8], приурочена к глубине 3050 см. Наиболее вероятно, что именно этим обстоятельством (промерзание и формирование фронта промерзания с длительным периодом «нулевой завесы») определяется некоторое повышение в профиле величин прочности G' до 2,08-106 Ра на глубине 40-60 см (горизонт CRM1). Как отмечено ранее [34], повышение прочности почвенных контактов при промораживании почв обусловлено дегидратацией и уплотнением почвенных частиц с формированием прочных конденсационных межчастичных взаимодействий. Криометаморфическое оструктуривание в рассматриваемом светлоземе иллювиально-железистом (разрез Р-3) охватывает минеральную часть профиля до глубины 115 см. Не исключено, что горизонты CRM2 (60-70 см) и CRM3 (70-115 см) являются своего рода реликтовыми образованиями, оставшимися от прошлых климатических периодов, характеризующихся более холодными температурными условиями [31]. В настоящее время, в условиях возможного потепления климата, при отсутствии стабильно низких температур в профиле почвы может начаться деградация CRM-горизонтов.

Вниз по профилю разреза Р-3 прочность контактов постепенно снижается, достигая минимальных значений величины G' (2,50-105 Ра) в материнской породе С. Значения диапазона упругой деформации и предела пластичной деформации варьируют в пределах 0,00148-0,0033% (LVE-range) и 1,85-3,8% (CROSSOVER) без общей тенденции к понижению или повышению, как это наблюдалось в профиле почв южной (Л-2) и средней (Р-1-П) тайги. Такое поведение реологических свойств почвы Р-3 обусловлено более легким составом породы и низким содержанием обменных оснований в сравнении с текстурно-дифференцированными почвами. Таким образом, активное накопление подвижных органических веществ и альфегумусовых соединений, а также более длительные и мощные процессы промерзания смещают микроструктурные контакты в профиле северотаежного светлозе- ма в сторону более прочных, но хрупких взаимодействий.

Аналогичная картина отмечена и для светлозема иллювиально-железистого потечно-гумусового глееватого крайнесеверной тайги (участок КУГУ, разрез Р-39). В его профиле при величинах прочности G' до 1,15-10б Ра, наиболее высокие показатели диапазона упругой деформации (LVE-range 0,0033%) и предела пластичной деформации (CROSSOVER 2,34%) отмечены для верхнего подзолистого горизонта Eg,hi (4-7 см), что сопряжено с высоким содержанием здесь органических веществ (Собщ = 2,0%) и незначительным - альфегумусовых соединений (Fe2O3, по Тамму, 0,45%). В системе иллювильно-(гумусово)-железистых горизонтов микропрофиля подзола BHF-BF повышенная прочность межчастичных контактов (значения модуля упругости G' 1,84-10б-1,52-10б Ра) также сочетается с минимальными значениями предела пластичной деформации (CROSSOVER 1,01-1,22%) и более низкими по сравнению с горизонтом Eg,hi показателями диапазона упругой деформации (LVE-range = 0,00149-0,00150%). Как и в профиле северотаежного светлозема, полученные для почвы крайнесеверной тайги данные сопряжены с аккумуляцией в горизонтах BHF-BF органических веществ (Собщ 2,6-1,47%) и комплексных альфегумусовых соединений железа (Fe2O3, по Тамму, 1,320,95%).

Максимальные значения прочности межчастичных контактов (G' до 2,29-10б Ра) при незначительных величинах диапазона упругой деформации (0,00150%) и предела пластичной деформации (CROSSOVER = 1,30%) зафиксированы здесь в средней части профиля - в криометаморфических горизонтах Bcrm (17-30 см), CRM1 (33-46 см) и CRM2 (46-60 см). Наиболее вероятно, что это повышение прочности обусловлено процессами промерзания с формированием зоны «нулевой завесы», так как в этих горизонтах, с одной стороны, не происходит накопления железа, а с другой - высокое содержание илистых и глинистых частиц (см. табл. 2) должно, наоборот, приводить к снижению жесткости контактов. Результаты почвенно-температурных наблюдений [37] подтверждают значимость криогенного фактора. Глубина промерзания (включая зону с околонулевыми температурами 0±0,1°C) достигает в почве крайнесеверной тайги 50 см. Длится этот период в течение 3,5 месяца. Вниз по профилю величины прочности G' убывают до 1,16-106 Ра вследствие снижения (или отсутствия) влияния педогенных факторов. Показатели предела пластичной (1,01-1,49%) и диапазона упругой (0,00148-0,0033%) деформации находятся постоянно на низком уровне, что, видимо, обусловлено слабой гидрофильностью глинистых минералов почвообразующих пород аналогично почве участка КУ-ГГГ.

В биоклиматических условиях лесотундры (участок КУ-V) отмечается некоторое ослабление миграции по профилю альфегумусовых соединений (см. табл. 2). Формирующийся под подзолистым горизонтом Eg,hi иллювиально-железистый горизонт BF (15-27 см) характеризуется незначительной аккумуляцией оксалат- и дитионитрастворимых форм железа по сравнению с горизонтами BHF-BF в северо- (КУ-ГГГ) и крайнесеверотаежном (КУ-IV) светлоземах. Наиболее прочные контакты с максимальными значениями модуля упругости G' (2,64-106 Ра) в профиле Р-4-1 также зафиксированы в верхнем подзолистом горизонте Eg,hi (5-15 см). Однако крайне низкие значения предела пластичной (CROSSOVER 0,97%) и диапазона упругой (LVE-range 0,00147%) деформации, полученные для этого горизонта, свидетельствуют о значительной хрупкости этих контактов. Как отмечает Л.П. Абрукова [41], органические вещества фульватной природы отрицательно влияют на процессы структурообразования, являясь не коагуляторами, а стабилизаторами коллоидной части почв, и, таким образом, способствуют проявлению плы- вунно-дилатантных свойств при их переувлажнении.

Низкие значения упругости межчастичных контактов сохраняются по всему профилю разреза Р-4-1. Некоторое повышение прочности G' (до 1,85-106 Ра), отмеченное в горизонте Bcrm (27-45 см), наиболее вероятно обусловлено процессами промерзания с формированием на данной глубине фронта промерзания, существующего в течение трех-четырех месяцев [37]. Вниз по профилю прочность контактов G' постепенно убывает (до 1,25-106 Ра) с резким снижением величины предела пластичной деформации в подстилающей породе (гор. D, глубина 110-140 см), отличающейся более легким опесчаненным гранулометрическим составом (см. табл. 2). Полученные данные (сравнительно высокие значения прочности контактов практически по всему профилю почвы в сочетании с крайне низкими значениями диапазона упругой деформации и невысокими величинами предела пластичной деформации) свидетельствуют о слабой устойчивости данной почвы к механическим нагрузкам.

Согласно результатам статистической обработки полученных данных, показатель диапазона упругой деформации (LVE-range) положительно коррелирует с содержанием обменных оснований (р = 0,000001) и частиц физической глины (р = 0,007), отрицательно - с содержанием дитионитраство- римых форм железа (р = -0,07). Аналогичная зависимость от содержания обменных оснований (р = 0,0008) и частиц физической глины (р = 0,004) выявлена и для величины предела пластичной деформации (CROSSOVER). То есть более тяжелая по гранулометрическому составу порода с высоким содержанием обменных оснований способствует увеличению упругого сопротивления почвенной структуры в начале деформационного воздействия, при преодолении которого (по мере увеличения нагрузки) система переходит в упруговязкое или пластичное состояние [17]. Для величины прочности (G') межчастичных почвенных контактов отрицательная корреляционная связь выявлена с содержанием обменных оснований (р = -0,01) и положительная - с показателем соотношения общего углерода и общего азота C/N (р = 0,03).

Получается, что чем шире величина C/N, тем выше прочностные характеристики межчастичных почвенных взаимодействий. В то же время увеличение в породе обменных оснований снижает жесткость почвенных контактов. Известно, что широкие показатели соотношения C/N в подзолистых почвах обусловлены слабой трансформацией органического вещества с преобладанием фульватного типа гумуса, а также высоким содержанием низкомолекулярных органических веществ [43]. Кроме того, снижению содержания азота в составе почвенного органического вещества способствуют процессы оглеения [44]. К северу возрастает фульватный характер гумуса, усиливается его потечность, что способствует увеличению в профиле почв мощности слоя с более высокими показателями прочности почвенных контактов. В условиях Севера альфегумусовые соединения - основные элементы, принимающие участие в процессе микроагрегатообразования при повышенной влажности и ненасыщенности почв основаниями [45, 46].

Таким образом, реологические исследования таежных почв показали, что при продвижении к северу таежной зоны заметно снижается устойчивость почвенной микроструктуры к механическим воздействиям с формированием прочных, но более хрупких межчастичных взаимодействий. В почвах южной (разрез Л-2) и средней (Р-1-П) тайги жесткие межчастичные контакты со значениями G' более 1,00^10б Ра приурочены только к верхней части профиля (до глубины 15-34 см), в почве северной тайги (Р-3) - до глубины 70 см, в почвах крайнесеверной тайги (Р-39) и лесотундры (Р-4-1) повышенной прочностью межчастичных взаимодействий отличается весь профиль до глубины более 100 см.

В светлоземах интенсивное поступление подвижных органических веществ наряду с активным протеканием глее-альфегумусовых процессов, длительным промерзанием почв, а также более легким гранулометрическим составом почвообразующих пород способствует формированию прочных, но более хрупких межчастичных взаимодействий. Хрупкие слабоупругие контакты с низкой пластичностью обладают узким пределом деформирования, быстро разрушаются при нагрузках, слабо восстанавливаясь в течение длительного времени после их снятия. Этим объясняется склонность северных почв к плывунности и солифлюкции. В исследуемом нами ряду таежных почв наиболее устойчивые (с наиболее широким диапазоном упругой и пластичной деформации) к механическим нагрузкам межчастичные почвенные взаимодействия формируются в дерново-подзолистых текстурно-дифференцированных почвах южной тайги, чему способствует менее агрессивный состав поступающих из подстилки органических веществ, в состав которых входят гуматы кальция [б]. Полученный вывод согласуется с результатами исследований черноземов Курской области [17] и Алтайского Приобья [15].

Авторы этих работ отмечают рост устойчивости к механическим нагрузкам в почвах, более богатых органическим веществом, а также с высоким содержанием карбонатов в породе. Ими показано, что органическое вещество черноземов выполняет основную структурирующую роль в межчастичных взаимодействиях, повышая устойчивость (водоустойчивость в насыщенном состоянии) и препятствуя переходу почвы в текучее состояние. При уменьшении влажности органическое вещество препятствует формированию прочных (кристаллизационных) связей между минеральными частицами почв, обеспечивая тем самым благоприятное агрегатное строение и не позволяя почвенным частицам цементироваться в глыбы [17].

Выводы

Впервые определены реологические характеристики почвенных паст автоморфных таежных подзолистых почв, выполненные при влажности максимального набухания методом амплитудной развертки на реометре MCR-302 («Anton Paar», Австрия).

Реологические особенности автоморфных таежных и лесотундровых почв, обусловленные гидрологическими и климатическими факторами их формирования, наиболее четко проявляются в верхних горизонтах профиля почв, в нижней части профиля в большей мере сохраняются реологические параметры, определяемые физико-химическими и литологическими свойствами почвообразующих пород.

Наиболее прочные межчастичные контакты со значениями G' более 1,00^10б Ра формируются в горизонтах с высоким содержанием гумусовых веществ и органоминеральных альфегумусовых соединений. В дерново-подзолистой текстурно-дифференцированной почве южной тайги (Л2) - это гумусово-аккумулятивный горизонт AY, в подзолистой с микропрофилем подзола текстурно-дифференцированной почве средней тайги (Р-1-П) - иллювиальный горизонт микропрофиля подзола EL[hf], в светлоземах иллювиальножелезистых северной (Р-3), крайнесеверной (Р-39) тайги и лесотундры (Р-4-1) - горизонты микропрофиля подзола (Eg-BHF-BF). Повышенная прочность структуры обусловлена цементацией почвенных частиц в результате поступления альфегумусовых соединений с формированием жестких межчастичных контактов, а также влиянием процессов промерзания. Воздействие промораживания на реологические свойства почв наиболее четко проявляется в профиле светлоземов, где в области формирования нулевой завесы (0±0,1°С), т.е. на глубине 30-50 см от поверхности почвы, зафиксирована повышенная прочность межчастичных взаимодействий, обусловленная конденсационным уплотнением частиц в процессе промерзания.

К северу (в направлении от южной тайги к лесотундре) наблюдается усиление прочных, но хрупких межчастичных почвенных взаимодействий вследствие более интенсивных процессов оглеения, а также более мощного промерзания почв. В автоморфных почвах среднее по профилю значение модуля упругости (G') увеличивается от '7,95-105 Ра в почве южной тайги (Л-2) до 1,б9А0б Ра в почве лесотундры (Р-4-1). К северу снижаются значения предела упругости (со значениями LVE-range менее 0,00328%) и пластичности (CROSSOVER менее 3,48%), что свидетельствует о повышении хрупкости прочных межчастичных взаимодействий. Прочные, но хрупкие межчастичные почвенные контакты обладают низкой структурной устойчивостью к механическим нагрузкам, что при повышении влажности может обусловливать проявление тиксотропности или плывунности почв.

Литература

1. Атлас почв Республики Коми / под ред. Г.В. Добровольского, А.И. Таскаева, И.В. Забоевой. Сыктывкар : ООО «Коми республиканская типография», 2010. 356 с.

2. Шамрикова Е.В., Груздев И.В., Пунегов В.В., Хабибуллина Ф.М., Кубик О.С. Водорастворимые низкомолекулярные органические кислоты в автоморфных суглинистых почвах тундры и тайги // Почвоведение. 2013. № 6. С. 691-697.

3. Забоева И.В. Почвы и земельные ресурсы Коми АССР. Сыктывкар, 1975. 343 с.

4. Структурно-функциональная организация почв и почвенного покрова европейского

5. Северо-Востока. СПб. : Наука, 2001. 224 с.

6. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты и общая теория гумусообразования. М. : Изд-во МГУ, 1990. 325 с.

7. Канев В.В. Параметры оглеения и подзолообразования в почвах на покровных суглинках северо-востока Русской равнины. Екатеринбург : УрО РАН, 2001. 221 с.

8. Классификация и диагностика почв СССР / сост.: В.В. Егоров, В.М. Фридланд, Е.Н. Иванова, Н.И. Розов, В.А. Носин, Т.А. Фриев. М. : Колос, 1977. 224 с.

9. Тонконогов В.Д. Автоморфное почвообразование в тундровой и таежной зонах Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнин. М. : Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева, 2010. 304 с.

10. Пастухов А.В. О генезисе и классификационном положении автоморфных почв на покровных суглинках в микроэкотоне тундра-лесотундра // Вестник Санкт- Петербургского университета. 2008. Сер. 3. Вып. 3. С. 117-126.

11. Классификация и диагностика почв России / под ред. Л.Л. Шишова, В.Д. Тонконогова, И.И. Лебедевой, М.И. Герасимовой. Смоленск : Ойкумена, 2004. 342 с.

12. Полевой определитель почв России. М. : Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева, 2008. 182 с.

13. Markgraf W., Horn R., Peth S. An approach to rheometry in soil mechanics: Structural changes in bentonite, clayey and silty soils // Soil Tillage Res. 2006. Vol. 91. PP. 1-14.

14. Mezger T.G. The Rheology Handbook / 3-rd Revised Edition. Hanover, Germany, 2011. PR 436.

15. Хайдапова Д.Д., Холопов Ю.В., Забоева И.В, Лаптева Е.М. Реологические особенности коагуляционной структуры северотаежных торфянисто-подзолисто- глееватых почв Европейского Северо-Востока // Вестник Московского университета. Сер. 17. Почвоведение. 2014. №1. С. 20-25.

16. Шеин Е.В., Болотов А.Г., Хайдапова Д.Д., Милановский Е.Ю., Тюгай З.Н., Початкова Т.Н. Реологические свойства черноземов Алтайского Приобья // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2014. № 8. С. 32-38.

17. Болотов А.Г. Методика измерения реологических свойств почвы с помощью реометра // Дальневосточный аграрный вестник. 2015. № 3. С. 13-17.

18. Хайдапова Д.Д., Честнова В.В., Шеин Е.В., Милановский Е.Ю. Реологические свойства черноземов типичных (Курская область) при различном землепользовании // Почвоведение. 2016. № 8. С. 955-963.

19. Pertile P., Reichert J.M., Gubiani PI., Holthusen D., Costa A. Rheological parameters as affected by water tension in subtropical soils // Revista Brasileira de Ciкncia do Solo. 2016. Vol. 40(0).