МОРФОЛОГИЯ ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ (МИКРОТОМОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ)
,
Почвенный институт им. Россельхозакадемии, Москва
Введение
Морфологическое строение порового пространства является важным почвенно-генетическим показателем почвы. Специфика почвенных пор заключается в том, что в целом они обладают более полной структурно-генетической информацией, чем агрегатный и гранулометрический состав почвы. Помимо пор упаковки элементарных почвенных частиц и агрегатов в почве существует множество других полостей, не имеющих прямой связи со структурными отдельностями. Это ходы корней, червороины, биогенные камеры, пузырьковые поры, поры выщелачивания и др. Полигенетичность и парагенетичность почвенных пор отражает сущность почвы как биокосного тела и обусловливает обширные диагностические возможности порового пространства.
Долгое время представление о морфологии почвенных пор складывалось на основе макро-, мезо - и микроморфологического анализа почвенных сколов и/или плоских срезов почвы (шлифов и аншлифов). В настоящее время появились технические возможности для морфологического анализа порового пространства на базе компьютерной томографии – неразрушающего метода визуализации внутренней структуры объектов с использованием рентгеновского излучения. Томографический метод не требует трудоёмкой пробоподготовки и позволяет получать массовые морфологические данные о строении порового пространства почв в двумерных и трехмерных изображениях. За рубежом с помощью томографов изучали строение пор в почвах рисовых полей (Sander et all, 2008), в пахотных почвах и под охранными лесополосами (Udawatta, Anderson, 2008), исследовали влияние влажности на структуру почвы (Pires et, 2007), наблюдали морозное изменение почвенной структуры и пористости (Torrance et all, 2008). В российском почвоведении томография почв пока менее популярна, хотя первые работы в этой области уже опубликованы (Герке и др., 2011, Gerke K. M., 2011, Tairova A. A., Gerke K. M., 2011, Скворцова и др., 2013).
Цель нашего исследования заключается в получении новых данных о строении порового пространства суглинистых почв с текстурно-дифференцированным профилем. Эти почвы имеют проблематичный генезис и отличаются сложным сочетанием литогенных и педогенных признаков. Микротомографический анализ позволит раскрыть новые аспекты структурной организации дерново-подзолистых почв.
Объекты и методы
Исследовали целинную дерново-подзолистую почву на плоском водоразделе под 80-90-летним ельником сложным в районе деревни Дарьино Пушкинского района Московской области. Почва развита на покровных суглинках, подстилаемых некарбонатной мореной на глубине более 2-3 м. Профиль исследованной почвы имеет следующее строение (индексация горизонтов по Классификации почв России 2004):
AY - неоднородный по мощности от 0 до 4-7 см – темно-серый, свежий, очень рыхлый, структура комковато-порошистая, по корням – очень мелкие непрочные комки, легкий суглинок (на грани с супесью), очень зоогенный, очень много корней, граница неровная, четко заметна по цвету, плотности, структуре.
АЕL - 4(7)-12(17) см – буровато-палевый, слабо увлажнен, слабо уплотнен, пылеватый легкий суглинок, хорошо выраженная тонкая плитчатость (пластинчатость), в нижней части AEL много мелких Fe-Mn ортштейнов. Черные червороины, ходы корней, граница с нижележащим EL неровная, переход отчетлив по окраске.
EL - (12(17) –– белесый с палевым оттенком, очень светлый, есть диффузные пятна с более выраженной палевой окраской, слабо увлажнен, уплотнен, мелкопористый, пылеватый легкий суглинок, структура пластинчатая, толщина пластинок ~ 2 мм, много мелких Fe Mn конкреций, есть мелкие (<1-2 мм) глинистые включения, переход к BEL постепенный.
BEL - (23-см – пестроокрашен, слабо увлажнен, неоднородный по гранулометрическому составу, чередуется материал EL и ВТ. Материал ЕL в виде трещин и карманов, есть морфоны «клюква в сахаре»: - мелкие плотно упакованные фрагменты ВТ в толще EL. Переход постепенный, заметен по окраске, плотности, структуре.
ВТсм – бурый до шоколадного, с темными глинистыми кутанами, плотный, средний суглинок, структура неясно-плитчатая, разбивается на мелкие и средние ореховатые отдельности, есть узкие белесые языки, есть белесая присыпка, переход постепенный.
ВTсм – коричневый, увлажнен, плотный, средний суглинок, крупно-призматический, 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).
Сg - > 130 см – грязновато-темнопалевый, влажный, пылеватый средний суглинок. Оглеен: по трещинам сизые потеки, много мелких ортштейнов, примазок, вязкий, плотный, структура крупно-призматическая до глыбистой.
В генетических горизонтах исследованной почвы представлены основные типы агрегатных структур, характерных для суглинистых почв южной тайги (комковатая, пластинчатая, ореховатая, призматическая, массивная) и их переходные формы. Соответственно, в почвенной массе присутствуют различные формы порового пространства, характерные для данных структур (рис. 1).
Исследование физических свойств почвы показали, что гумусовый горизонт AY отличается очень рыхлым сложением, что связано с его интенсивной зоогенной переработкой. Вниз по профилю плотность почвы весьма резко увеличивается. Горизонт EL серовато-палевый, залегающий на границе между AY и EL палевым имеет неоднородное сложение. В его толще чередуются уплотненные участки и зоны зоогенного разрыхления. Максимальной плотностью обладает переходный к покровному суглинку горизонт BC.
Таблица 3. Физические свойства целинной дерново-подзолистой почвы (N=16). (данные , проект РФФИ № -а).
Горизонт | Глубина, см | Статистика | Плотность г/см3 | Общая пористость, % | Влажность,% | |
от массы | от объема | |||||
AY | 0-4 | M | 0,76 | 70,88 | 29,49 | 22,13 |
s | 0,07 | 2,96 | 3,33 | 1,93 | ||
EL серовато-палевый | 12-16 | M | 1,23 | 53,44 | 21,32 | 26,38 |
s | 0,11 | 3,97 | 1,74 | 1,63 | ||
EL палевый | 18-24 | M | 1,53 | 43,31 | 17,34 | 26,50 |
s | 0,08 | 3,14 | 0,70 | 1,16 | ||
BT1 | 50-54 | M | 1,63 | 40,63 | 22,25 | 36,12 |
s | 0,07 | 2,85 | 1,12 | 1,36 | ||
BC | 110-114 | M | 1,74 | 36,81 | 20,39 | 35,50 |
s | 0,05 | 1,83 | 0,77 | 0,89 |
Для микротомографического анализа порового пространства из горизонтов AY (0-4 см), EL серовато-палевый (12-16 см), EL палевый (18-24 см), BEL (30-34 см), BT1 (50-54), BT2 (88-92 см) и BC (110-114 см) были отобраны цилиндрические образцы ненарушенного сложения (микромонолиты) диаметром 5 см и высотой 4 см. Образцы отбирали в пластиковые трубки при полевой влажности Для сохранения полевой влажности образцов трубки с микромонолитами были со всех сторон заклеены лабораторной пленкой Парафильм.
Исследование проводили на лабораторном микротомографе высокого разрешения SkyScan 1172 (Бельгия) с энергией пучка 100 кэВ и разрешением 15,8 мкм. Методика съемки. Для обработки и количественного анализа изображений использовали специализированные программы CT-volume и CT-analyze, поставляемые фирмой изготовителем SkyScan. Из полученных изображений вырезали области, непосредственно содержащие информацию о строении образца (без краевых зон). Для трехмерной визуализации порового пространства все изображения в стеке разделяли на две фазы – твердое вещество и поровое пространство. Разделение производили подборкой одиночного порогового значения по гистограмме интенсивностей пикселей (как среднее значение между пиками, соответствующими двум указанным фазам).
Обсуждение результатов
Размер образца и выбранный режим съемки позволяют исследовать поры диаметром 0,1 - 2,0 мм, к которым относятся поры упаковки структурных отдельностей (комковатых, пластинчатых, угловато-блоковых и пр.), а также ходы корней и другие биогенные полости. Анализ плоских срезов почвы (микроморфологических шлифов и микротоморграфических 2D изображений) показал, что в различных генетических горизонтах эти поры существенно различаются по форме, ориентации и взаимному расположению в почвенной массе. Однако многие детали строения пор можно обнаружить только в 3D изображениях (рис. 2). Так, в гумусовых горизонтах почвы велика степень сообщаемости пор, что способствует свободному протеканию (перколяции) почвенных растворов. Специфической особенностью подзолистых горизонтов является наличие плоских горизонтальных полостей, разделяющих пластинчатые структурные отдельности. Кроме того, в подзолистой толще имеются разрозненные пузырьковые поры, не связанные с остальным поровым пространством. Происхождение этих пор проблематично, хотя наиболее вероятно появление пузырьков в результате сезонного промерзания верхних почвенных горизонтов (Скворцова и др., 2013). В горизонтах BT1 и BC размеры структурных отдельностей превышают размеры исследованных почвенных образцов. На микротомографических изображениях гор. BT1 присутствуют фрагменты плоскостных пор, разделяющих призматические структурные отдельности. Имеются также мелкие поры, защемленные в почвенной массе, и тонкие поры по ходам корней. В гор. ВС микротомографические изображения характеризует строение внутрипедной массы, не разделенной на агрегаты. В 3D изображении хорошо видны современные и реликтовые ходы корней, многие из которых имеют тенденцию к горизонтальной ориентировке.
Заключение
Проведенные исследования являются одним из этапов изучения и анализа генетических профилей порового пространства почв. Полученные микротомографические 2D и 3D изображения, а также сопровождающие их морфометрические данные являются основой для морфогенетической типизации и параметризации поровых профилей дерново-подзолистой почвы. Развитие представлений о профилях порового пространства почвы актуально для формирования новых подходов к исследованию почвенных свойств, режимов и функций, для включения количественных показателей порового пространства почв в число оснований для почвенных классификаций различного назначения, для демонстрационных и образовательных целей.
Список литературы
, , Корост метод исследования порового пространства почв: состояние проблемы и изучение некоторых почв России Почвоведение. - Москва: МАИК “Наука/Интерпериодика”, 2012. № 7 стр. 781–791. - ISSN X
, , Абросимов Почвенного института им. . 2013. Выпуск 71. С. 65-79.
Gerke K. M., Skvortsova E. B., Korost D. V.Variability of soil structure within the same profile studied by the means of mCT Book of abstracts, Pedometrics 2011 - Innovations in pedometrics. 31 August - 2 September, 2011, Trest, Czech Republic.2011. - P. 44.
Pires L. F., Bacchi O. O.S., Reichardt K. Assessment of soil structure repair due to wetting and drying cycles through 2D tomographic image analysis. // Soil and Tillage Research. 2007. 94: 537-545.
Sander T., Gerke H. H., Rogasik H. Assessment of Chinese paddy-soil structure using X-ray computed tomography. // Geoderma. 20: 303-314.
Tairova A. A., Gerke K. M. Analyzing mCT images: soil pore size distributions and permeability estimations using simple network models Book of abstracts, Pedometrics 2011 - Innovations in pedometrics. 31 August - 2 September, 2011, Trest, Czech Republic.2011. - P. 43.
Torrance J. K., Elliot T., Martin R., Heck R. J. X-ray computed tomography of frozen soil. // Cold regions science and technology. 2008. 53: 75-82.
Udawatta R., Anderson S. H. CT-measured pore characteristics of surface and subsurface soils influenced by agroforestry and grass buffers. // Geoderma. 20: 381-389.
*- Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ, проект № -а
