Почвоведение, 2021, № 9, стр. 1019-1032

ВВЕДЕНИЕ

Стартовой характеристикой любой почвы является ее морфологическое описание, обязательно включающее характеристику структуры почвенных горизонтов и слоев. Согласно концепции иерархии структурных уровней организации почв [4], агрегатный уровень формируется в процессе почвообразования путем взаимодействия элементарных почвенных частиц, приводящего к появлению характерных для каждого типа почвообразования микроагрегатов, агрегатов и новообразований. По сути, данный уровень – это начальный этап пространственной организации твердой фазы почв, во многом наследуемый от материнской породы и трансформируемый процессами почвообразования. Именно поэтому в становлении направлений исследования почвенной структуры, аспектов ее образования и свойств работали многие выдающиеся отечественные ученые-почвоведы: С.А. Захаров, В.Р. Вильямс, И.Н. Антипов-Каратаев, К.К. Гедройц, П.В. Вершинин, С.И. Долгов, Н.А. Качинский, А.Д. Воронин, Б.Г. Розанов и другие.

В настоящее время можно выделить 3 основных направления изучения почвенной структуры, имеющих свою историю развития и весьма связанных между собой.

Первая группа исследований направлена на анализ морфологии и распределения агрегатов по размерам. Одной из первых работ в области изучения почвенных агрегатов явилась работа Захарова [8], которая и в настоящее время традиционно используются в отечественном почвоведении при морфологическом описании почв. На западе первые упоминания о классификации агрегатов по их форме можно встретить у Кинга в 1907 г. [36]; в 1934 г. эта работа была дополнена и детализирована Бейвером [30], а в 1937 г. Департаментом сельского хозяйства США издано руководство по полевому исследованию почв, используемое и в настоящее время и включающее морфологическое описание структуры на основе этих работ [42]. Предприняты успешные попытки связать форму агрегатов, гранулометрический состав и тип почвообразования [9], выявлены диагностические признаки морфологии агрегатов отдельных генетических горизонтов [16]. По мере развития инструментальных методов исследования почв широкое развитие получило изучение микроморфологических характеристик [27, 36, 41], в том числе неразрушающими методами рентгеновской компьютерной томографией [18, 29, 41] и сканирующей электронной микроскопией [34, 43].

В современном почвоведении считается общепринятым понятие структуры как распределения агрегатов по форме и размерам. На его основе используется целый ряд оценочных параметров структуры для успешного роста и развития культурных растений: содержание агрономически ценных агрегатов [10], коэффициент структурности АФИ [3], средневзвешенный и среднегеометрический диаметры агрегатов [19, 37].

Вторая группа исследований анализирует структуру почв с точки зрения выполняемых ею функций – способности удерживать и проводить влагу, растворенные вещества и воздух, формировать и дифференцировать среду обитания для живых организмов [5, 33]. Предприняты попытки связать форму агрегатов и их пространственное расположение в составе почвенных горизонтов на передвижение в них влаги [13]. Большое внимание уделяется поровому пространству почвы (распределению пор по размерам, форме, извилистости, непрерывности, функциям) и свойствам поверхности твердой фазы почв (гидрофобности, сорбируемости, ее площади и пр.) [45, 47] и их изменению, что может влиять на сорбционные и транспортные характеристики почв [31, 32, 48].

Третья группа исследований направлена на изучение устойчивости почвенных агрегатов при воздействии естественных и антропогенных факторов. Устойчивость почвенных агрегатов в первую очередь оценивается по воздействию на них влаги [22, 28, 38, 44], разработаны различные методы и критерии оценки водоустойчивости структуры [19, 35].

Среди методов почвенной физико-механики в последние годы особую популярность приобрели реометрические методы, исследующие силу сцепления частиц почв, процессы разрушения и восстановления связей между ними, и отражающие морфологию почвенных частиц [40, 43].

При сельскохозяйственном использовании земель возможна быстрая трансформация структуры почв [12, 20, 21, 46], причем установлено, что сразу после вспашки происходит временное увеличение пористости почвы, затем постепенная усадка с изменением геометрии пор, нарушением их связности, что сказывается на гидрофизических свойствах почв [28, 39]. При длительном воздействии сельскохозяйственной техники меняются формы и ориентации макропор с незначительным изменением микро- и мезопористости, что приводит к уплотнению почв на некоторой глубине от поверхности [17, 25]. Иной эффект оказывают корневые системы растений, способствуя созданию стабильной и связанной системы биопор, улучшающей транспорт воды и газов [10, 39].

В данной работе основное внимание будет сосредоточено на рассмотрении структуры как формы агрегатов, их микрооструктуренности и устойчивости к механическому воздействию в зональном ряду почв европейской части РФ и при сравнении естественных и пахотных почв. Были поставлены следующие задачи: 1 – подобрать зональный ряд естественных и пахотных почв, имеющих тяжелый гранулометрический состав и отличающихся спецификой морфологического строения и типом землепользования; 2 – исследовать почвенную микроструктуру во взаимосвязи с генезисом почв и морфологией почвенных агрегатов; 3 – изучить реологическое поведение исследуемых почв как характеристику почвенной микрооструктуренности и ее устойчивости при увеличении внешней нагрузки.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования явились [11]: дерново-подзолистые почвы Московской области под лесом и пашней, чернозем типичный мощный Курской области под лесом и под пашней, чернозем слитой Республики Адыгея под залежью с кустарниковой растительностью и пашней, желтозем дендрария г. Сочи. Рассмотрим их профильное строение.

Дерново-подзолистая почва под лесом согласно “Классификации и диагностике…” [26] (WRB – Albic Glossic Retisols (Lomic, Cutanic)) представляет собой постлитогенную текстурно-дифференцированную дерново-палево-подзолистую почву на покровных суглинках, подстилаемых мореной и расположенную под пологом смешанного леса, представленного елью, березой, бересклетом, орешником, папоротником, мхами, GPS-координаты: 56°05′59.6″ N, 37°49′09.4″ E. Почва имеет следующее строение профиля: O (0–3 см) – AY (3–12 см) – AEL (12–25 см) – EL (25–40 см) – BEL (40–60 см) – BT1 (60–80(85) см) – BT2 (80(85)–140 см). Верхние легкосуглинистые горизонты глубже 40 см сменяются среднесуглинистыми. Гумусовые горизонты имеют комковатую структуру, в оподзоленных выражена плитчатость агрегатов, а иллювиальные слои имеют агрегаты призматической формы (рис. 1, 1). Дерново-подзолистая почва под пашней [26] (WRB – Albic Glossic Retisols (Lomic, Cutanic)) – постлитогенная текстурно-дифференцированная типичная агродерново-подзолистая среднесуглинистая среднемощная на покровных суглинках, подстилаемых мореной, расположена на опытном поле Почвенного института им. В.В. Докучаева (GPS: 56°08′01.2″ N, 37°48′07.3″ E). Строение профиля: PU1 (5–20 см) – PU2 (20–30 см) – BEL (30–60 см) – BT1 (60–80 см) – BT2 (>80 см). В ней утяжеление гранулометрического состава наблюдается с глубины 60 см, а почвенная структура в нижней старопахотной части гумусового слоя, включающей часть оподзоленного горизонта, приобретает плитчато-ореховатую структуру. Нижние горизонты имеют схожую форму агрегатов.

Рис. 1.

Морфология агрегатов: 1 – дерново-подзолистой почвы под лесной растительностью; 2 – дерново-подзолистой почвы под пашней; 3 – чернозема типичного под лесной растительностью; 4 – чернозема типичного под пашней; 5 – чернозема слитого под залежью; 6 – чернозема слитого под пашней; 7 – желтозема.

Следующая группа объектов исследования представлена черноземами типичными Курской области на лёссовидных суглинках [24]. Почва под лесом – это постлитогенный аккумулятивно-гумусовый чернозем миграционно-мицеллярный на тяжелом лёссовидном суглинке [26] (WRB – Haplic Chernozems (Loamic, Aric, Pachic)), расположенный на территории Стрелецкого участка ЦЧ ГПБЗ имени проф. В.В. Алехина под покровом дубравы снытевой урочища Дуброшина (GPS: 51°33'55.2″ N, 36°05'15.4″ E). Строение его профиля следующее: AU (0–5 см) – AU2 (5–30 см) – AU3 (30–60(70) см) – AB (60(70)–96(100) см) – BCAmc1 (96(100)–120 см) – BCAmc2 (120–…см). Гумусовые горизонты имеют комковато-зернистую структуру с появлением слабой плитчатости в нижней части, глубже зернистые агрегаты формируют слабо выраженные глыбисто-призматические структурные элементы (рис. 1, 3). Чернозем типичный под пашней или постлитогенный аккумулятивно-гумусовый агрочернозем миграционно-мицеллярный на лёссовидном суглинке [26] (WRB – Haplic Chernozems (Loamic, Aric, Pachic)), располагается под посевами злаков на опытном поле Курского НИИ АПП (GPS: Координаты 51°37′17.1″ N, 36°15′42.0″ E). Строение профиля: PU1 (0–20 см) – PU2 (20–40 см) – AU (40–65 см) – AB (65–80 см) – BCAmc1 (80–110(130) см) – BCAmc2 (110(130)–…см). Пахотные слои до глубины 40 см представлены мелкозернисто-порошистой структурой переходящей в мелкозернистую с признаками плитчатости в горизонте АВ, нижняя часть профиля имеет выраженную глыбисто-призматическую структуру.

Были исследованы слитые черноземы на делювиальных глинах в Майкопском районе Республики Адыгея [6]. Чернозем слитой (вертисоль) под залежью представлен постлитогенным аккумулятивно-гумусовым черноземом слитизированным на делювиальных глинах и расположен под кустарниковой растительностью [26] (WRB – Vertisols), преимущественно черноплодным боярышником и злаковыми травами (GPS: 44°43′13.9″ N, 40°03′37.3″ E). Строение профиля: AU1 (0–5 см) – AU2 (5–16 см) – AUv (16–43 см) – BCAv (43–…см). Верхние горизонты имеют комковато-зернистую структуру, уже с глубины 16 см переходящую в глыбисто-призматическую (рис. 1, 5).

Чернозем слитой пахотный расположен на полях ФГБНУ “Адыгейский научно-исследовательский институт сельского хозяйства” под подсолнечником (GPS: 44°43′15.9″ N, 40°03′36.3″ E). Строение профиля: PU1 (0–4 см) – PU2 (4–40 см) – AUv (40–… см). В данном варианте почв только верхние 4 см имеют зернистую структуру, глубже почвенные горизонты состоят из глыбисто-призматических структурных отдельностей. Обращает внимание наличие в профилях изученных слитых почв мелких камней размером менее 2–3 мм.

Был исследован желтозем, который по “Классификации и диагностике…” [26] (WRB – Alisols) относится к постлитогенным структурно-метаморфическим желтоземам (элювиально-поверхностно-глеевая почва на желтоцветном делювии) и располагается в Краснодарском крае в дендрарии ФГБНУ ВНИИЦиСК г. Сочи под злаковыми травами, мандаринами, фейхоа (GPS: 43°34′05″ N, 39°44′55″ E). Строение профиля: AY (0–6(10) см) – BEL (6(10)–19(23) см) – BM (19923)–73(75) см) – CLM (73(75)–…см). Его отличает комковато-порошистая и комковатая структура верхних горизонтов и бесструктурность почвы с глубины 19–23 см.

Таким образом, все исследованные почвы имеют тяжелый гранулометрический состав от легко- до среднесуглинистого состава и следующее разнообразие структуры: верхних горизонтов – комковатая, порошистая или зернистая; средних и нижних – комковатая, глыбистая, призматическая или бесструктурная.

Методы исследования. Полевое морфологическое описание структуры почв проводилось по методу Захарова [16]. Для определения основных физических свойств почв использовали классические методы физики почв: плотность почвы определяли буровым методом с объемом бура 100 см³ [3]; плотность твердой фазы почв – пикнометрическим методом, агрегатный состав почв – методом сухого просеивания по Саввинову, содержание общего углерода – методом сухого сжигания на анализаторе АН-7529М [19]. Гранулометрический анализ почв был проведен с использованием метода лазерной дифракции на лазерном анализаторе размера частиц “Analysette 22 comfort” (Fritsch, Германия). Диспергирование образцов осуществлялось на ультразвуковой установке Digital Sonifier S-250D (Branson Ultrasonics, США). Энергия ультразвука составила 450 Дж/мл.

Для изучения микроструктуры были выбраны 3 агрегата преобладающего размера из диапазона агрономически ценных агрегатов из каждого горизонта. Помимо исследования микростроения их поверхности, изучались особенности внутреннего строения. Для этого были сделаны сколы тонким лезвием по линии, проходящей через центр агрегата. Съемку поверхностей и сколов проводили методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на приборе JEOL, JSM-6380LA при увеличениях от ×30 до ×7000. Пробоподготовку, съемку и анализ снимков вели по ранее апробированной на образцах разного генезиса методике [43]. Количество снимков для каждого почвенного горизонта в зависимости от содержания в нем органического вещества составило от 70 до 200 для выбора наиболее типичных картин рельефа поверхностей, дающих представление об особенностях пространственной организации агрегатов. Такой подход был применен впервые.

Основные реологические характеристики почв получали на ротационном вискозиметре “Реотест-2” с коаксиальной цилиндрической системой, имеющей рабочий объем 17 мл [19]. Пробоподготовку проводили следующим образом: воздушно-сухой образец растирали пестиком с резиновым наконечником, просеивали через сито 1 мм. Навеску почвы массой 17 г помещали в бюкс и капиллярно насыщали в течение суток для приобретения вязко-текучей консистенции. Измерения зависимости напряжения сдвига или вязкости почвенной суспензии от скорости сдвига проводили в диапазоне скоростей от 0.1667 до 72.9 с^–1. Каждый цикл имел 12 скоростей и состоял из прямого и обратного ходов – увеличения и уменьшения нагрузки. На основании полученных значений были построены реологические кривые исследуемых образцов. По кривым течения и кривым вязкости были определены следующие реологические параметры: ${{\eta }_{{{{Р}_{{{\text{к1}}}}}}}}$ – вязкость начала течения, наибольшая структурная вязкость (γ = 0.1667 с^–1); η_кон – конечная эффективная вязкость образца, которая соответствует наименьшей скорости деформации (γ = 0.1667 с^–1) по обратной реологической кривой; η_min – минимальная структурная вязкость; Р_к1 – напряжение сдвига, соответствующее началу течения образца (γ = 0.1667 с^–1); Р_к2 – динамический предел текучести, соответствует началу разрушения; Р_m – напряжение сдвига, соответствующее полному разрушению структуры; Р_к1/Р_к2 – характеристика прочности образуемых связей; Р_m/Р_к1 – характеристика диапазона напряжений, при которых разрушается структура. Обработку данных вели в электронных пакетах Exсel и Statistica.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Основные свойства почвы, обуславливающие свойства поверхности твердой фазы и почвенной структуры, представлены в табл. 1. Гранулометрический состав верхних горизонтов черноземов был закономерно тяжелее, чем у дерново-подзолистых почв, и соответствовал суглинку тяжелому.

В черноземах слитых обнаружено самое высокое содержание физической глины (<0.01 мм) – более 60% – с практически полным отсутствием дифференцированности во всем профиле почв. Сходным гранулометрическим составом представлены горизонты профиля желтозема, за исключением более легкого верхнего горизонта. Профили чернозема типичного являются менее однородными и более легкими по гранулометрическому составу. В черноземе типичном под пашней содержание физической глины больше, чем в лесном аналоге. В дерново-подзолистых почвах наблюдается закономерно меньшее содержание тонких фракций, причем в лесной почве содержание физической глины во всех горизонтах больше по сравнению с пахотной почвой. Изменение гранулометрического состава по профилю дерново-подзолистых почв отражает процессы почвообразования, наименьшее содержание физической глины выявлено для горизонтов AEL и EL, наибольшее – для горизонтов BT.

Значения плотности почв и плотности твердой фазы почв соответствуют типичным диапазонам согласно их генезису. Наибольшими величинами плотности твердой фазы выделяется профиль желтоземов, содержащий значительные количества железа [16], а наименьшими – типичный чернозем с высоким содержанием общего углерода, который в верхних слоях представлен органическим веществом, а в нижних – карбонатами [21]. В слитом черноземе повышенные значения плотности твердой фазы связаны с их генезисом: почвообразующие породы представлены тяжелыми майкопскими глинами [15].

Агрегатный анализ показал, что для всех исследуемых почв фракция больше 10 мм была преобладающей, за исключение верхнего горизонта чернозема типичного под лесом. Для всех почв под лесом, независимо от генезиса, распределение агрегатов по размерам более равномерное, чем в пахотных почвы, что согласуется с данными Холодова [23], показавшим, что вовлечение почв в сельскохозяйственное использование увеличивает размер агрегатов.

Проведена оценка структуры почв по содержанию агрономически ценных агрегатов (табл. 2). Для дерново-подзолистых почв и желтозема характерна смена качества структуры вниз по профилю с хорошей до неудовлетворительной. В черноземах типичных наблюдается отличная структура всех горизонтов, за исключением нижних, где происходит переход в градацию хорошая. Выделяется чернозем слитой, в котором вне зависимости от типа землепользования структура является неудовлетворительной по всему профилю. Размер преобладающей фракции диапазона агрономически ценных агрегатов варьирует в зависимости от генезиса почв и типа землепользования. Так, в верхних горизонтах дерново-подзолистой почвы под лесом преобладали агрегаты размером 5–7 и 7–10 мм, в горизонтах EL, BEL и BT – 1–2, 3–5 и 7–10 мм соответственно, а во всех горизонтах пахотной почвы – 5–7 и 7–10 мм. Для чернозема типичного под лесом в наибольшей степени представлена фракция 3–5 мм диапазона 10–0.25 мм, а в пахотной почве – 1–2 мм. В слитых черноземах и среди агрономически ценных агрегатов преобладают фракции размером 7–10 мм.

Микроструктура. Съемка поверхности и срезов агрегатов методом СЭМ показала, что микроструктура почв разного генезиса имеет свои особенности, заметные уже на небольших увеличениях (×500). Различия между горизонтами профилей и специфика землепользования обнаруживаются при больших увеличениях, начиная с ×2000.

В дерново-подзолистых почвах агрегаты верхних горизонтов имеют рыхлое внутреннее строение и включают визуально определяемые элементарные почвенные частицы (ЭПЧ), что отчетливо видно на сколах агрегатов (рис. 2). В профиле выделяются горизонты EL и BEL, их агрегаты еще более рыхлые, пористые и в значительной степени состоят из мелких отмытых минеральных зерен, особенно заметных на больших увеличениях (×2000 и ×7000), что соответствует классическим представлениям об оподзоленных горизонтах [7]. Структурные отдельности нижнего горизонта BT плотные, однородные, трещиноватые, присутствует эффект склеенности в однородную массу. Наибольшие различия между типами землепользования для дерново-подзолистых почв выявлены для верхних горизонтов. Агрегаты гумусово-аккумулятивного горизонта почвы под лесом включают большое количество мелких ЭПЧ, в то время как в пахотной почве представлены крупные микроагрегаты, образующие плотную структуру с меньшей пористостью. Для нижнего горизонта BT естественной почвы характерно обилие крупных пор, заметных при минимальном увеличении (×30), и почти полное отсутствие тонких пор при большом увеличении (×7000), в отличие от пахотной почвы с заметной пористостью при высоких увеличениях.

Рис. 2.

Микростроение дерново-подзолистой почвы под лесной растительностью (А), под пашней (Б). Здесь и на рис. 3, 4: I – поверхности агрегатов, II – сколы агрегатов при увеличениях: 1 – ×30, 2 – ×2000, 3 – ×7000.

В верхних горизонтах чернозема типичного под лесом проявляется однородная связность и слитность поверхности и скола агрегатов, а их поры представляют собой пустоты разной формы и размеров в однородной органо-минеральной массе. На увеличениях ×2000 выделяются отдельные ЭПЧ (рис. 3). В нижнем горизонте BCAmc крупные поры менее выражены (×30). В горизонте BCAmc почвы под пашней при больших увеличениях (×2000) наблюдаются крупные отмытые минеральные частицы, плотно сомкнутые с микроагрегатами.

Рис. 3.

Микростроение чернозема типичного под лесной растительностью (А), под пашней (Б).

Агрегаты слитого чернозема также плотно упакованы и склеены, а при увеличении ×2000 просматриваются единичные минеральные зерна (рис. 4). Только при увеличении ×7000 обнаруживается разница в верхних горизонтах – в пахотных почвах микроструктура агрегатов представлена плотно сомкнутыми микроагрегатами меньшего размера, чем в почвах под залежью.

Рис. 4.

Микростроение чернозема слитого под залежью (А), под пашней (Б) и желтозема (В).

Поверхность агрегатов желтозема отличается от скола крупными порами, заметными при малом увеличении (×30), при среднем увеличении значимого различия не наблюдается – и поверхность, и скол имеют однородную плотную структуру без выделения отдельных ЭПЧ, и только при самых больших увеличениях обнаруживается сомкнутая микроагрегированность структурных отдельностей.

Отметим, что наиболее показательными для описания микростроструктуры агрегатов дерново-подзолистых почв разного типа землепользования оказались сколы, показывающие различия их внутреннего микростроения. Горизонты черноземов и желтоземов не имеют столь выраженной разницы между поверхностью агрегата и его сколом. Вовлечение слитых черноземов в землепользование ведет к увеличению пористости агрегатов пахотного горизонта и заметной, при высоких увеличениях, микрооструктуренности, в отличие от черноземов типичных, в которых наблюдается более плотная упаковка агрегатов верхних слоев почв по сравнению с естественными почвами.

Особенности микростроения почвенных агрегатов нашли свое отражение в реологическом поведении почв (рис. 5). Реологические кривые прямого и обратного хода образуют петли, то есть одной и той же скорости сдвига соответствуют разные по величине напряжения сдвига. Известно, что кривая прямого хода фиксирует поведение почвы под нагрузкой и характер разрушения ее структуры, кривая обратного хода дает представление о способности почвы восстанавливать структуру [14]. Если кривая обратного хода лежит выше кривой прямого хода, можно говорить о явлении реопексии (эта петля обусловлена увеличением прочности), а если ниже – о явлении тиксотропии. Доминирующая роль тех или иных реологических эффектов зависит от различных факторов, но, в первую очередь, от концентрации твердой фазы, типа межчастичных контактов и формы самих частиц [14]. Указанные свойства наиболее ярко проявляются при рассмотрении реологических характеристик исследованных почв по генетическим горизонтам.

Рис. 5.

Реологические кривые: графики зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига (А, В), вязкости от скорости сдвига (Б, Г).

В гумусовых горизонтах под естественной растительностью расположение реологических кривых прямого и обратного хода свидетельствует о проявлении тиксотропии, то есть при механическом воздействии происходит разрушение структуры, а затем, после прекращения воздействия, ее самопроизвольное восстановление в прежнее состояние [42]. Известно, что минеральные и органические коллоиды подавляют тиксотропию [15, 34], а частицы вытянутой формы увеличивают тиксотропные свойства. Из-за создаваемого расклинивающего давления устойчивых гидратно-ионных слоев связь между почвенными частицами ослабляется [45]. Отметим, что понятие о тиксотропности почв связано с представлением о возникновении в почвах особого рода коагуляционной тиксотропной структуры, которая характеризуется образованием рыхлого каркаса из коллоидных и более крупных частиц, преимущественно удлиненной формы, внутри которого находится почвенный раствор [1]. Это согласуется с данными съемки почвенных агрегатов, выявившее их рыхлое сложение в гумусовых горизонтах дерново-подзолистой почвы и чернозема типичного. С глубиной явление тискотропии сменяется на реопексию. В горизонте EL дерново-подзолистой почвы, где присутствуют отмытые округлые минеральные зерна, явление тиксотропии ослабляется, и появляется реопексия. В агрегатах иллювиальных горизонтов с плотным однородным сложением с отсутствием мелких пор, также в большей степени проявляется реопексия. Причиной данного явления, согласно работе Абруковой [2], может быть преобладание в исследуемых почвах прочных конденсационно-кристаллизационных структурных связей внутри агрегатов.

В отличие от естественных почв, кривые образцов пахотных горизонтов дерново-подзолистой почвы и чернозема типичного, демонстрируют явление реопексии, обусловленное более плотным сложением и меньшей пористостью агрегатов. На реологических кривых нижних горизонтов пахотных дерново-подзолистой почвы и чернозема типичного петля реопексии переходит в петлю гистерезиса при уменьшении напряжения сдвига [30]. Это согласуется с исследованиями микроструктуры: на СЭМ-снимках агрегаты нижних горизонтов почв под пашней имеют более рыхлое сложение по сравнению с агрегатами почв под лесной растительностью, что может быть обусловлена образованием коагуляционной структуры.

В слитом черноземе наблюдается тиксотропия верхних горизонтов как пашни, так и залежи. Глубже по профилю уже отчетливо проявляется реопексия, при которой после снятия нагрузки напряжение сдвига и вязкость увеличиваются при обратном ходе.

Для нижних горизонтов исследуемых почв независимо от типа землепользования видна следующая картина: с глубиной проявление одного свойства сменяет другое. Так, например, если в желтоземе в верхних горизонтах наблюдались петли реопексии, то с глубиной проявляются обратные петли гистерезиса – тиксотропии. Для нижних горизонтов лесных почв диапазон напряжений, при котором осуществляется сдвиговая нагрузка, в несколько раз больше, чем в пахотных.

Рассчитанные реологические параметры представлены в табл. 3. Выявлено, что “предел Шведова” (Р_к1), соответствующий началу деформационных процессов, ниже у образцов почв, находящихся в сельскохозяйственном использовании. Выделение нескольких пределов прочности (Р_к2) свидетельствует о ступенчатом разрушении структуры и падении эффективной вязкости, а, следовательно, об иерархической организации различных по своей прочности структурных связей в почве. На реологических кривых некоторых горизонтов дерново-подзолистой почвы и желтозема можно наблюдать несколько Р_к2, но разница между этими пределами прочности минимальна. В черноземе типичном и слитом можно выделить несколько пределов прочности (Р_к2), сильно отличающихся друг от друга по своей величине. Это свидетельствует о более сложной микроструктурной организации в этих почвах.

Предел пластично-вязкого разрушения структуры (Р_m) больше в почвах, не вовлеченных в сельскохозяйственное использование. Напряжение сдвига, соответствующее полному разрушению структуры слитых черноземов, в таблице не указано, так как значения вышли за рамки возможного определения на приборе. Это означает, что для разрушения структурных связей нужно приложить нагрузку больше, предусмотренного конструкцией прибора.

По величине отношения Р_к1/Р_к2, выражающего наличие дилатантных свойств, можно сделать вывод, что прочность образуемых связей максимальна в желтоземах и характеризуется тем, что при малой скорости деформации система ведет себя как жидкость, с увеличением скорости деформации сопротивление резко возрастает и становится почти независимым от деформирующей силы, что отвечает поведению твердого тела [1]. Диапазон напряжений, при котором разрушается структура Р_m/Р_к1, среди исследованных почв наибольший в желтоземе. В горизонте BM (40–60 см) он достигает 8.9, что определенно указывает на неньютоновское поведение смеси, когда с увеличением напряжений сдвига в пастообразной суспензии с течением времени увеличивается ее вязкость. Этим также можно объяснить медленное структурообразование этих слоев при наличии небольших напряжений сдвига.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На примере естественных почв разного генезиса и почв, вовлеченных в сельскохозяйственное использование, исследованы их морфологические и микроструктурные характеристики и свойства.

Выяснено, что типы почвенной структуры и формы макроагрегатов исследованных почв обусловлены, прежде всего, особенностями процессов почвообразования. Тип землепользования влияет на размер структурных фракций: в пахотных вариантах дерново-подзолистой почвы и чернозема типичного содержание глыбистой фракции практически по всему профилю оказалось больше, чем в аналогах с естественной растительностью. В слитых черноземах содержание глыбистой фракции во всех горизонтах еще больше и составляет более 50% независимо от типа землепользования.

Впервые проведены исследования микроструктуры поверхности агрегатов и их срезов (сколов) методом СЭМ, позволившие описать пространственную организацию почвенных агрегатов. Агрегаты исследованных горизонтов почв разного генезиса отличаются друг от друга микрооструктуренностью уже при малых увеличениях (×500). Особенно отчетливо выделяются горизонты EL дерново-подзолистой почвы отмытыми минеральными частицами, а ее нижние горизонты – наличием крупных пор и полостей при малых увеличениях и плотной склеенностью микроагрегатов при большем увеличении.

Тип землепользования оказывает наибольшее влияние на специфику микростроения почвенных агрегатов пахотных почв, в которых наблюдается более плотная упаковка и меньшая пористость по сравнению с естественными для дерново-подзолистой почвы и чернозема типичного. В слитом черноземе пахота увеличивает микроструктуренность верхнего горизонта, обнаруживаемую только при больших увеличениях. Исследование реологического поведения почв показало, что в гумусовых горизонтах естественных почв в значительной степени выражены коагуляционные структуры. В верхних горизонтах пахотных почв преобладают конденсационно-кристаллизационные типы структурных связей, что может указывать на продолжающиеся процессы структурообразования. Исключение составляют черноземы слитые, в верхних горизонтах которых хорошо развита коагуляционная структура и преобладает тиксотропия, а в нижних – реопексия.