МОРФОЛОГИЯ ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ (МИКРОТОМОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ)

МОРФОЛОГИЯ ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ
(МИКРОТОМОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ)
Абросимов Константин Николаевич, Скворцова Елена Борисовна
Почвенный институт им. В.В. Докучаева 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 дерновоподзолистых 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) – 28 (23-24) – 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 - (23-24) - 45 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.
ВТ1 - 45-65 см – 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.
ВT2 - 65-80 см – 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 крупнопризматическая 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 В.Н.
Щепотьева, проект РФФИ № 10-04-00353-а).
Горизонт
AY
EL
серовато
-палевый
EL
палевый
Глубина,
см
0-4
12-16
18-24
BT1
50-54
BC
110-114
Статистика
Плотность
г/см3
Общая
пористость,
%
M
s
M
0,76
0,07
1,23
70,88
2,96
53,44
от массы
29,49
3,33
21,32
от объема
22,13
1,93
26,38
s
0,11
3,97
1,74
1,63
M
s
M
s
M
s
1,53
0,08
1,63
0,07
1,74
0,05
43,31
3,14
40,63
2,85
36,81
1,83
17,34
0,70
22,25
1,12
20,39
0,77
26,50
1,16
36,12
1,36
35,50
0,89
Влажность,%
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
Герке К.М., Скворцова Е.Б., Корост Д.В. Томографический метод исследования порового
пространства почв: состояние проблемы и изучение некоторых почв России Почвоведение. - Москва:
МАИК “Наука/Интерпериодика”, 2012. № 7 стр. 781–791. - ISSN 0032-180X
Скворцова Е.Б., Герке К.М., Корост Д.В., Абросимов К.Н. Бюллетень Почвенного института им.
В.В. Докучаева. 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. 2008. 145: 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. 2008. 145: 381-389.
*- Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ, проект № 13-04-00409-а