Почвоведение, 2021, № 9, стр. 1133-1142

ВВЕДЕНИЕ

Для характеристики порового пространства дисперсных пород и почв используют общие, дифференциальные и индивидуальные объемы пор, а также протяженность границ, линейные размеры, количество, форму, ориентацию пор, их взаимное расположение. Для выявления специфики педогенеза эти показатели не равноценны. Так, значения общей пористости сами по себе не являются специфическими почвенными признаками. Сравнимые с почвами величины общего объема пор наблюдаются во многих полидисперсных геологических породах [7]. Более специфичны для почв профильные изменения общей и дифференциальной пористости, пространственное варьирование этих показателей [1, 4]. Наибольшей педогенной специфичностью обладает морфологическое строение почвенных пор на агрегатном, морфонном и горизонтном уровнях организации почвы. На этих уровнях строение пор отражает четкие различия между почвой и почвообразующей породой, между различными почвенными горизонтами.

Для изучения морфологического строения межагрегатных и внутриагрегатных почвенных пор используют методы оптической и электронной микроскопии, а также более современный метод компьютерной рентгеновской томографии, позволяющий неинвазивным путем исследовать внутреннее строение почвенных монолитов разного размера [3, 13, 14, 20]. Компьютерная томография является информативным, но до настоящего времени редким и дорогостоящим методом исследования. Поэтому особенно актуально применение этого метода для уникальных почвенных объектов, таких как вторые гумусовые горизонты (ВГГ) в полигенетичных суглинистых почвах Восточно-Европейской равнины. Известно, что эти горизонты отличаются от поверхностных гумусово-аккумулятивных аналогов по характеру микростроения, в том числе по объемам и форме почвенных пор [8]. Однако следует отметить, что опубликованные данные получены методами качественного или полуколичественного анализов. Детальные морфометрические исследования порового пространства вторых гумусовых горизонтов ранее не проводились. Актуальность подобных исследований обусловлена не только генетическими задачами, но также установленной связью между томографическими показателями почвенных пор и биологической активностью почвы [16, 18], параметрами гидравлической проводимости, коэффициентами диффузии грунт–газ и проницаемостью грунт–воздух [11], тепловыми параметрами среды [17] и др. Таким образом, томографический анализ открывает новые перспективы в диагностике и функциональной характеристике почв со вторым гумусовым горизонтом.

Цель работы заключалась в установлении специфических особенностей пространственной организации почвенных пор в качестве новых диагностических признаков полигенетичных почв со вторым гумусовым горизонтом на территории Восточно-Европейской равнины. В представленной статье на качественном и количественном уровне исследованы объемы и форма почвенных макро- и мезопор в основных генетических горизонтах темно-серой почвы со вторым гумусовым горизонтом [6] (Luvic Retic Greyzemic Phaeozem (Loamic) по классификации WRB [14]).

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили на юго-западе Каширского района Московской области. Территория характеризуется средней лесистостью (от 15 до 20%) и, согласно лесорастительному районированию, относится к зоне хвойно-широколиственных лесов [5]. Разрез заложен в обширной западине под пологом широколиственного леса. Координаты разреза: 54°46′37.52″ N, 38°01′55.34″ E.

Исследованная почва является типичным представителем почвенного покрова в западинных формах рельефа юга Восточно-Европейской равнины. Почвенный профиль имеет следующее строение: AU, 0–40 см (подразделяется на слои: AU1 0–15 см, AU2 15–30 см, AU3el 30–40 см); AUel,hh 30(40)–55(60) см; BT1el 55(60)–85 см, BT2 85–110 см; BT3 110–140 см; BC >140 см (индексация горизонтов по классификации и диагностике почв России [6]).

Современный гумусовый гор. AU среднесуглинистый, темноокрашенный, перерыт почвенной фауной, дифференцирован по окраске, плотности и структуре. На глубине 0–15 см окраска темно-серая, структура комковато-зернистая с выраженной горизонтальной плитчатостью, сложение рыхлое. На глубине 15–30 см в окраске появляется буроватый оттенок, структура комковато-порошистая, есть отдельные уплотненные участки. На глубине 30–40 см заметны белесые скелетаны, структура комковато-порошистая, местами неясно-плитчатая, сложение плотноватое. Второй гумусовый горизонт AUel,hh тяжелосуглинистый, окраска темнее предыдущего, неравномерная с бурыми и белесыми пятнами, плотный, пористый, структура зернисто-комковатая, местами неясно-плитчатая, многопорядковая. По граням структурных отдельностей темные гумусовые кутаны и белесые скелетаны; нижняя граница языковатая. Горизонт BT1el плотный, бурый с серыми глинисто-гумусовыми кутанами и редкими белесоватыми скелетанами, структура крупноореховато-призматическая, многопорядковая, призмы имеют вертикальную ориентацию. Горизонт BT2 более увлажнен, тяжелосуглинистый до глинистого, бурый с серыми гумусовыми потеками, структура глыбисто-призматическая, вязкий, плотный. BT3 тяжелосуглинистый до глинистого, бурый с темными гумусовыми потеками по ходам корней или морозобойным трещинам, встречаются ортштейны и марганцевые примазки, плотный, структура неясно-глыбистая. Гор. BC – темно-бурый, тяжелый лёссовидный суглинок.

Анализ мезо- и тонкого макропорового пространства проводили в цилиндрических почвенных микромонолитах d = 3 см и h = 4 см, отобранных из срединных частей генетических горизонтов. Для изучения более грубых макропор отбирали профильный цилиндрический макромонолит диаметром в 10 см и высотой 100 см, охватывающий почву от поверхности до горизонта BT2.

Исследование микромонолитов проводили на микротомографе Bruker SkyScan 1172 (Почвенный институт им. В.В. Докучаева) с разрешением 16 мкм/пиксель, что допускает анализ мезо- и тонких макропор d = 0.03–2 мм. Для изучения макромонолита использовали лабораторный макротомограф геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Монолит сканировали с разрешением 100 мкм/пиксель, что позволяет исследовать строение макропор d > 2.0 мм в верхней метровой толще почвы.

При обработке результатов томографического сканирования использовали программное обеспечение SkyScan и Image-Pro [12]. В микромонолитах определяли величины общей томографической пористости (суммарный объем пор, доступных анализу в соответствии с принятым разрешением сканирования), открытую пористость и закрытую пористость. Открытую пористость определяли как суммарный объем пор, пересекающих границы виртуального анализируемого цилиндра, а закрытую – как суммарный объем пор, не выходящих за пределы этого цилиндра. На основании величин общей и закрытой томографической пористости рассчитывали величины относительной закрытой пористости (% от общей томографической пористости). Кроме того, в вертикальных двумерных срезах через компьютерные реконструкции микромонолитов определяли морфометрические показатели формы тонких макропор d = 0.1–2 мм, отличающихся большим разнообразием морфологического строения. В качестве показателя формы пор использовали фактор формы F = (4πS/P ² + D/L)/2, где S – площадь, P – периметр, D – поперечный габарит, L – продольный габарит пор в двумерных срезах [9, 19].

Исследование почвы в макромонолите проводили на качественном уровне. В дополнение к томографическим анализам в почве определяли общее содержание гумуса по методу Тюрина и базовые физические показатели (табл. 1 и 2). Для характеристики гранулометрического состава почвы использовали седиментационный пипеточный метод по Качинскому. Влажность почвы определяли термостатно-весовым методом, плотность почвы ненарушенного сложения – буровым методом в модификации Качинского с объемом буриков 100 см³. Сопротивление пенетрации определяли микропенетрометром МВ-2 с углом при вершине конуса (плунжера) 30°. Общую пористость рассчитывали по соотношению плотности сложения и плотности твердой фазы почвы, определенной пикнометрически. Полную влагоемкость определяли лабораторным методом насыщения монолитов. Повторность всех определений 10-кратная. Для физических показателей рассчитывали средние арифметические значения, стандартное отклонение и коэффициент вариации. Результаты морфометрического анализа пор обрабатывали методами многомерной статистики.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для исследованной почвы в целом характерен элювиально-иллювиальный тип профильного распределения илистой фракции (табл. 1), большое содержание гумуса в подгоризонтах AU1, AU2 и AU3el (соответственно 6.36, 3.83 и 2.55%) и резкое уменьшение степени гумусированности в горизонтах, залегающих под ВГГ.

Второй гумусовый горизонт по общему содержанию гумуса (2.88%) близок к нижней части современного гор. AU. При этом по литературным данным количество бактерий и архей в данном ВГГ резко понижено и мало отличается от малогумусовых горизонтов ВТ, а содержание микромицетов, напротив, повышено и превышает показатели всех остальных горизонтов [2]. Сложное сочетание химических и бактериологических показателей ВГГ в дополнение к проблематичному генезису указывает на неоднозначность его современных функций.

По содержанию илистой фракции, плотности почвы, общей пористости ВВГ занимает промежуточное положение в профиле, причем верхняя его часть (40–50 см) по физическим свойствам тяготеет к гумусовому горизонту AU3el, нижняя часть (50–60 см) – к текстурному горизонту BT1el (табл. 2). Вертикальная дифференциация ВГГ (гор. AUel,hh) выражена не только по значениям физических показателей, но также по их горизонтальной пространственной изменчивости. Так, в верхней части ВГГ коэффициенты вариации всех показателей (кроме влажности и сопротивления пенетрации) в 1.5–1.8 раза меньше, чем в его нижней части. С учетом пониженного варьирования физических свойств отбор почвенных микромонолитов для томографического анализа ВГГ проводили на глубине 45–50 см.

Макротомографический анализ грубых макропор d > 2 мм выявил в профиле темно-серой почвы наличие крупных биогенных полостей (рис. 1). В горизонтах AU1 и AU2 эти полости встречаются часто, представлены ходами мелких почвенных позвоночных, имеют вытянутую форму и горизонтальную ориентацию. Ниже по профилю крупные полости присутствуют в меньшем количестве и обычно вытянуты в вертикальном направлении. ВВГ по свойствам грубых макропор занимает промежуточное положение между верхними и нижними горизонтами и не отличается выраженной специфичностью.

Рис. 1.

Томографическое 2D изображение грубых макропор d > 2 мм (1, поры черные) и фотоизображение профиля темно-серой почвы со вторым гумусовым горизонтом (2).

Микротомографический анализ более детально раскрывает особенности порового пространства исследованной почвы. По полученным данным общая томографическая пористость (для исследованных пор d = 0.03–2 мм) и расчетная физическая пористость почвы имеют сходные профильные распределения (рис. 2.1 и 2.2 ). Однако на всех исследованных глубинах и во всех генетических горизонтах физические значения общей пористости превышают томографические данные в 2–5 раз и более. Эти различия обусловлены тем, что принятое разрешение томографического сканирования исключает из анализа тонкие микро- и субмикропоры. Влияние лимита разрешений сильнее сказывается в нижних горизонтах с массивной структурой почвы и менее выражено в верхних агрегированных горизонтах.

Размерное ограничение томографического исследования не снижает его диагностической значимости. Многие томографические показатели информативны для оценки сберегающей и проводящей функций почв. Это различные виды объемной томографической пористости: общая, открытая, закрытая. Другие томографические показатели позволяет количественно характеризовать габариты, форму, ориентацию и прочие морфолого-геометрические показатели почвенной пористости и структуры.

Среди объемных томографических показателей большой интерес представляет величина закрытой пористости. Как указано в методах исследования, под закрытой томографической пористостью понимают суммарный объем пор, расположенных внутри виртуального анализируемого объема и не выходящих за его пределы. Другими словами, закрытые поры полностью заключены внутри анализируемого объема, они не имеют контакта с внешними порами и, в силу этого, их проводящие функции сильно ограничены.

На рис. 2 (кривые 3 и 4) показаны профильные изменения величин открытой и закрытой томографической пористости, выраженные в процентах от анализируемого объема образца. Различия в характере кривых обусловлены тем, что в верхних хорошо агрегированных горизонтах преобладают сильно разветвленные межагрегатные томографически открытые поры, тогда как в нижних горизонтах массово встречаются изолированные томографически закрытые полости.

Рис. 2.

Профильные изменения расчетной объемной пористости (1) и различных категорий томографической пористости: общей (2), открытой (3), закрытой (4), закрытой в процентах от общей пористости (5) в темно-серой почве с ВГГ. Сканирование на микротомографе SkyScan 1172, габариты образца 3 × 4 см, разрешение сканирования 16 мкм/пиксель.

Поскольку в почвах с хорошо выраженной агрегатной структурой доля закрытой пористости в общем объеме анализируемого образца обычно невелика, имеет смысл оценивать закрытую пористость в процентах от объема общей томографической пористости (рис. 2, кривая 5). При переходе к относительным значениям закрытой томографической пористости характер профильного изменения показателя в целом не изменяется, однако размах значений может увеличиться более чем в 5 раз, что имеет дополнительное диагностическое значение. Так, сопряженный анализ закрытой томографической пористости по отношению к образцу и по отношению к объему общей пористости показал двойственную природу второго гумусового горизонта: по величине абсолютной закрытой пористости ВГГ мало отличается от горизонта AU3el (рис. 2, кривая 4), а по величине относительной закрытой пористости он заметно приближается к гор. BT1el (рис. 2, кривая 5). В этом проявляется специфическое для исследованного ВГГ сочетание многопорядковой агрегированности и сравнительно уплотненного сложения (физическая плотность ВГГ в 1.1–1.2 раза больше, чем в горизонте AU3el (табл. 2)). Первое обусловливает малые абсолютные значения закрытой пористости, а второе – ее повышенные относительные значения.

В наибольшей степени специфика ВГГ проявляется при анализе формы тонких макропор d = = 0.1–2 мм. Визуальный анализ микротомографических реконструкций монолитов d = 3 см, h = 4 см показал, что в современном гумусовом горизонте присутствует множество вытянутых изрезанных пор упаковки плитчатых и комковато-блоковых агрегатов, а также их агломератов (рис. 3, А, 1–3). В горизонте ВГГ широко распространены более изометричные разветвленные поры упаковки зернисто-комковатых агрегатов (рис. 3, А, 4). В горизонтах ВТ почвенная масса уплотнена, в поровом пространстве преобладают поры с округлыми и вытянутыми трещиновидными срезами (рис. 3, А, 5 и 6). Аналогичную качественную информацию можно получить по двумерным срезам через микротомографические монолиты (рис. 3, Б).

Рис. 3.

Томографические 3D (А, поры светлые) и 2D (Б, поры темные) реконструкции монолитов d =3 см, h = 4 см из темно-серой почвы с ВГГ. Горизонты: 1 – AU1, 2 – AU2, 3 – AU3el, 4 – AUel,hh, 5 – BT1el, 6 – BT2.

Качественные данные подтверждаются количественными показателями, полученными при компьютерном морфометрическом анализе тонких макропор пор d = 0.1–2 мм в двумерных срезах. В качестве показателя формы пор использовали фактор формы F. В опубликованных ранее работах показано, что для характеристики и диагностики строения порового пространства почвы в двумерных срезах достаточно эмпирических распределений пор по пяти классам фактора формы F: 0 < F ≤ 0.2 (поры трещиновидной формы); 0.2 < F ≤ 0.4 (поры вытянутой изрезанной формы); 0.4 < F ≤ 0.6 (поры изометричной изрезанной формы); 0.6 < F ≤ 0.8 (поры изометричной слабоизрезанной формы); 0.8 < F ≤ 1.0 (поры округлой формы) [9, 19].

В исследованной почве эмпирические распределения пор d = 0.1–2 мм по пяти классам фактора формы отражают выявленные на качественном уровне особенности порового пространства (табл. 3). Так, в поверхностном слое гумусового горизонта (AU1, 5–10 см) и в горизонтах ВТ повышено содержание трещиновидных пор (до 8–11%). Во всех гумусовых горизонтах, включая ВГГ, содержание изометричных изрезанных пор превышает 35% от общего количества пор в поле зрения. При этом ВГГ выделяется среди остальных горизонтов максимальным содержанием изометричных изрезанных пор (0.4 < F ≤ 0.6) и пор с округлыми срезами (0.8 < F ≤ 1.0). Наличие последних согласуется с литературными данными, полученными ранее на качественном уровне [8].

Методом кластерного анализа было охарактеризовано сходство и различие исследованных горизонтов темно-серой почвы по форме их тонких макропор (рис. 4). Уровень сходства более 80% обнаружен для нижней части современного гумусового горизонта (AU2 и AU3el). Благодаря наличию трещиновидных пор весьма высокое сходство обнаружено между горизонтами AU1 и BT1el, BT2 (65–70%.) На этом фоне второй гумусовый горизонт резко отличается от всех горизонтов профиля. Уровень его сходства с остальными горизонтами составляет 30–40%.

Рис. 4.

Дендрограмма сходства генетических горизонтов темно-серой почвы с ВГГ по форме пор d = 0.1–2 мм.

Специфика порового пространства ВГГ связана с обилием морфонов, имеющих четко выраженную зернисто-комковатую структуру. Если для современных гумусовых горизонтов характерно обилие вытянутых изрезанных пор с фактором формы F ≤ 0.4, то в горизонте ВГГ более половины тонких макропор представлено изометричными изрезанными порами упаковки комковатых агрегатов с фактором формы 0.4 < F ≤ 0.6 (табл. 3). Благодаря этому ВГГ является единственным в профиле горизонтом, поровое пространство которого характеризуется средними значениями фактора формы F = 0.5 (рис. 5).

Рис. 5.

Профильное распределение средних арифметических значений фактора формы F для пор d = 0.1–2 мм в темно-серой почве с ВГГ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволяют заключить, что качественные и количественные томографические данные о мезопорах и тонких макропорах d = 0.03–2 мм являются информативными показателями структурной организации темно-серой лесной почвы с ВГГ. Для пор данного размера профильные распределения открытой и общей томографической пористости позволяют разделить профиль почвы на 3 части: рыхлую (0–30 см), уплотненную (30–60 см) и плотную (глубже 60 см). Горизонт ВГГ расположен в пределах средней части (30–60 см) и занимает среднее положение по величинам общей и открытой томографической пористости. Закрытая томографическая пористость имеет низкие значения во всех агрегированных горизонтах, включая ВГГ. Сопоставление величин закрытой томографической пористости в процентах от объема образца и в процентах от общей томографической пористости выявило двойственную природу ВГГ: по первому показателю он мало отличается от горизонта AU3el, а по второму приближается к горизонту BT1el.

Срединное положение данного ВГГ в текстурно-дифференцированном профиле исследованной почвы позволяет сравнить его с переходным горизонтом BEL дерново-подзолистых почв. Оба эти горизонта расположены на границе элювиальной и иллювиальной толщи почвы в зоне утяжеления гранулометрического состава, что позволяет ожидать некоторого сходства их структурного состояния и строения тонких почвенных макропор (d = 0.1–2 мм). Однако этого не было обнаружено.

Ранее показано, что в дерново-подзолистой почве по данным кластерного анализа сходство гранулометрического состава горизонта BEL с горизонтом BT1 выражено сильнее, чем с горизонтами AY, AEL, EL (46 и 35% соответственно) [10 (рис. 4, I)]. При этом утяжеление гранулометрического состава не мешает формированию в горизонте BEL структуры с элементами пластинчатости (в белесых облегченных фрагментах) и плитчатости (в бурых утяжеленных фрагментах). Благодаря такой структурной организации форма и ориентация тонких почвенных макропор в горизонте BEL имеет высокий уровень сходства с горизонтами EL и AEL (80–86%). В то время как уровень сходства с текстурными горизонтами не превышает 30–40% [10 (рис. 4, III)].

В горизонте ВГГ наблюдается другая ситуация. По гранулометрическому составу ВГГ близок скорее к гумусовым горизонтам AU2 и AU3el (уровень сходства 45%), чем к текстурным горизонтам (сходство 31%). Что касается формы почвенных пор, то по этому показателю ВГГ не имеет существенного сходства ни с современными гумусовыми, ни с текстурными горизонтами профиля. Данная особенность ВГГ связана с обилием морфонов, имеющих четко выраженную зернисто-комковатую структуру. Если для современных гумусовых горизонтов характерна склонность к угловато-плитчатому (горизонт AU1) и угловато-блоковому (горизонты AU2 и AU3el) строению агрегатов и их агломератов, для которых специфично обилие вытянутых изрезанных пор с F ≤ 0.4, то в горизонте ВГГ более половины тонких макропор представлено изометричными изрезанными порами упаковки зернисто-комковатых агрегатов. Благодаря этому в исследованной почве ВГГ является единственным горизонтом, в котором среднее арифметическое значение фактора формы F для пор d = 0.1–2 мм достигает величины F = 0.5. Полученные данные позволяют говорить о специфичности структуры и порового пространства ВГГ в темно-серых почвах. Следует также подчеркнуть, что для морфологической диагностики порово-структурного состояния почвы форма пор более информативна, чем их томографические объемы, которые, как и любые другие объемные показатели, не несут информации о геометрии пор и агрегатов. Применительно к исследованной почве важно отметить, что отличие ВГГ от современных гумусовых горизонтов по форме тонких макропор можно расценивать как дополнительный аргумент в пользу реликтового происхождения второго гумусового горизонта.