Гранулометрический состав почв конечно-моренной гряды Верхневолжского постледникового района (Восточно-Европейская равнина, Тверская область)

Северо-западный район России сформировался в основном под действием ледниковых и постледниковых процессов пространственного перераспределения твердофазных осадков, характеризующихся супесчаным и суглинистым составом верхней метровой толщи и подстиланием глинистой красно-бурой морены (Природообустройство Полесья, 2016; Роде, 2008; Воронин, Бере зин, 1981 и др.). Как правило, эти двучлены имеют специфические региональные особенности как в их историческом формировании, так и в современных режимах: водном, воздушном, тепловом, питательном и др. (Воронин, Березин, 1981; Кирюшин, 1996; Зай- дельман, 1991 и др.). Последние имеют особое значение в сельскохозяйственном использовании почв, применении агрохимикатов, оптимизации агроландшафтного обустройства. Эта зона не только неустойчивых тепловых ресурсов, но и избыточного увлажнения, приводящего к периодически застойному (застойнопромывному) водному режиму и, соответственно, дерновоподзолистым почвам с признаками гидроморфизма (Зайдельман, 1991; Зайдельман, 2011 и др.). Для современного ведения сельского хозяйства и понимания основных почвенно-ландшафтных процессов требуется количественное изучение и анализ состояния почвенного покрова, научно обоснованное прогнозирование функционирования почвенного покрова как основы оптимизации управления агропроизводством. Вполне понятно, что основой для исследований и анализа почвенно-ландшафтных процессов является изучение физико-механических свойств дисперсной части почвы, прежде всего ее гранулометрического состава, причем не только в поверхностных горизонтах, но и по всему профилю вплоть до моренных отложений, т. к. именно профильное распределение гранулометрического состава, наличие различных гранулометрических слоев, их мощность и переходные контактные внутрипрофильные зоны определяют особенности водного, воздушного, теплового режимов, которые в основном и формируют региональные условия управления сельскохозяйственным производством.

Цель данного исследования – количественная характеристи- ка профильно-ландшафтных распределений гранулометрического состава почв агроландшафта конечно-моренной гряды ВосточноЕвропейской равнины (Тверская обл.). Задачи: (1) профильное послойное определение гранулометрического состава дерновоподзолистых глубокоогленных почв на двучленных отложениях, (2) определение связи профильного распределения гранулометрического состава с геоморфологией исследуемого региона и (3) выделение текстурно-характерных закономерностей распределения гранулометрических фракций агроландшафта конечно-моренной гряды Восточно-Европейской равнины (Тверская обл.).

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводились на агроэкологическом полигоне ВНИИМЗ – филиала “Почвенного института им. В.В. Докучаева”, который, занимая площадь 50 га, расположен в 4 км к востоку от г. Тверь (Иванов и др., 1999) , на моренном холме с относительной высотой 15 м, с четко выраженными геоморфологическими элементами: плоской вершиной, северным пологим склоном крутизной 2–3°, южными склонами (3–5°) и межхолмными депрессиями (северной и южной).

Почвообразующие породы на территории стационара – двучленные отложения. В его южной части мощность кроющего песчано-супесчаного наноса местами превышает 1.5 м. На вершине и северном склоне холма пахотные горизонты сложены супесью и легким суглинком (по морфологическому описанию), мощность легкого кроющего наноса здесь около 1 м, а в межхолмной депрессии морена местами выходит на поверхность. Почвенный покров – вариация-мозаика дерново-подзолистых почв разной степени гидроморфности. Полигон осушен гончарным дренажем со средним междренным расстоянием 30 м.

В качестве объекта исследований выбрано опытное поле ВНИИМЗ – филиала “Почвенного института им. В.В. Докучаева” (рис. 1), на котором представлены дерново-подзолистые почвы разной степени оглеения. Опытный участок расположен на осушаемых землях. Глубина закладки гончарного дренажа в среднем составляет 1 м. Междренное расстояние составляет 20 м в транзитно-аккумулятивных микроландшафтах, 30 м – в транзитных вариантах и 40 м – в элювиальных вариантах (рис. 1). По данным за 2020–2021 гг., в начале вегетации растений (апрель – май) средний по агроландшафту уровень грунтовых вод (УГВ) находился на глубине 87 см от поверхности почвы, однако существенно различался в точках наблюдения (точки 1–3, рис. 1). На южном склоне он составлял 85–100 см, а на северном (точки 6–8) – 90–112 см. В конце мая – июне УГВ уже составлял 102–140 см и 115–110 см на южном и северном склонах при 115–130 см в центральной части. В конце засушливого сезона 2021 г. УГВ стабилизировался, составляя в среднем по ландшафту 115–125 см от поверхности почвы. Следует отметить однако, что во влажные годы (например, 2020 г.) УГВ может иметь более значительные колебания как во времени, так и по рельефу: например, в первой декаде июня наблюдалось повышение уровня грунтовых вод до 54 см от поверхности почвы (в среднем по агроландшафту). Наиболее близкое залегание грунтовых вод отмечено на вариантах северного склона (22–38 см от поверхности почвы). В конце июня и в начале июля наблюдалось снижение уровня почвенно-грунтовых вод до 76–124 и 122–196 см от поверхности почвы соответственно. В третьей декаде июля залегание грунтовых вод было наиболее близко к поверхности почвы. В среднем по агроландшафту ГВ находились на уровне 37 см от поверхности почвы. В вариантах северного склона ГВ поднялась до уровня 22–18 см, а в точке 5 отмечалось затопление посевов. В августе и сентябре 2020 г. УГВ составлял от 131 до 93 см от поверхности почвы (Иванов и др., 2021).

По трансекте с юга на север были заложены почвенные разрезы (точки 1–8). Разрез 4 расположен на вершине холма, слабо дренируемого водораздела, разрезы 1, 2, 3 – на южном склоне. Разрезы 5, 6, 7 и 8 – в средней и нижней части северного склона. Почвенными разрезами (разрезы 4 и 5) агроландшафт был охарактеризован по центральной оси (рис. 1) от дерново-подзолистых глееватых в южной части до глубокоогленных в северной части на двучленах разной мощности.

Особенности морфологии почв этого агроландшафта состоят в характере залегания почвенно-генетических горизонтов и глубине моренных отложений.

Губино

т 3о

Условные обозначения

Почвы

Прибытково т2 т3

т4

300 м

Рис. 1. Карта-схема почвенно-ландшафтных условий опытного поля ВНИИМЗ с рельефной характеристикой юго-северной катены почвенных разрезов (точки 1–8).

Fig. 1. Map of soil and landscape conditions of the VNIIMZ experimental field with relief characteristics of soil pits (points 1–8) along the southnorthern catena.

- транзитный

^^^^^^е - транзитно аккумулятивный

Ландшафтно-рельефная схема участка

- слабооглеенные

Границы элементарных ландшафтов

^^^^^^™ - элювиальный

- элювиальноаккумулятивный

H, мА 15 0т

5 -I

1500 мсевер

Отметим, что в исследованных почвах моренного ландшафта подзолистые горизонты выражены слабо, и нельзя выделить отдельный элювиальный горизонт. В центральной части (на буг- ровом повышении) залегают в комплексе с агрогумусовыми глеевыми почвами в основном агродерново-подзолисто-глеевые почвы с профилем (индексация горизонтов выполнена по классификации почв России 2004 г.): P (0–21 см) пахотный, легкосуглинистый, темно-серый, агрегатная структура не выражена, Pad (21–30) – плотнее P, выражено агрогенное уплотнение, ВTg (30–46) – светлее, отмечаются отдельные примазки и светло-красные помазки, ВTg2 (47–90) – светло-голубые пятна оглеения, наиболее часто встречаются с глубины 70 см, постепенный переход к красноватобурой морене. В этой части тяжелосуглинистая, карбонатная морена, которая на большей части опытного поля залегает на глубине 1.5–1.7 м, поднимается до глубины 1.0–1.2 м. Агродерново-подзолисто-глеевые и глееватые почвы, как указывалось, приурочены к средней части склона и к бугровой повышенной. Межд-ренное расстояние – 28–30 м, смешанный тип водного питания (атмосферные осадки и намывные склоновые воды), УГВ – 1.3–1.7 м в сухой период, 0.6–0.7 м во влажный.

В северной части моренные отложения подходят ближе к поверхности (на глубине 30–39 см), подстилая горизонты Р (0–25 см) пахотный, легкий суглинок темно-серого цвета, Рad (21–30), BTg2 осветленный, надморенный с отдельными малозаметными признаками оглеения в виде примазок и пятен, которые наиболее интенсивно встречаются при приближении к зоне морены. К плоской части агроландшафта и к его северной части склона приурочены в основном глубокооглеенные почвы.

Агрогумусовая глеевая почва приурочена к нижней части склона. Пятна и другие следы оглеения встречаются по всему профилю. Междренное расстояние в этой части ландшафта составляет 18–20 м, водное питание за счет намывных склоновых и почвенно-грунтовых вод.

Метод лазерной дифракции (ЛД). Пробоподготовка образцов почв к гранулометрическому анализу методом ЛД проведена на ультразвуковом диспергаторе зондового типа Digital Sonifier S-250D (Branson Ultrasonics, США) при энергии ультразвука равной 450 Дж/мл.

Гранулометрический анализ проводился в два этапа. На первом этапе (ситовой метод) растирали навеску почвы 20 г и пропускали через сито 1 мм. Затем к фракции меньше 1 мм добавляли 30 мл дистиллированной воды и подвергали суспензию диспергированию ультразвуком в течение 5 мин с мощностью 60% на ультразвуковом диспергаторе. Заметим, что химические диспергирующие реактивы не добавляли, а диспергацию проводили лишь физическим методом ультразвуковой обработки, поскольку такой метод считается общепринятым для разделения микроагрегатов до уровня элементарных почвенных частиц, не разрушая последние (North, 1976). После ультразвуковой обработки суспензию пропускали через сито с диаметром отверстий 0.25 мм. Оставшуюся фракцию > 0.25 мм выпаривали и высушивали при 105 °С. Затем рассчитывали процент гравия 1-3 мм и фракцию крупного песка 0.25–1 мм (ISO 13320 – Particle size analysis, 2009; Eshel et al., 2004; Теории и методы физики почв, 2007). На втором этапе проводили анализ гранулометрических частиц размером менее 0.25 мм на лазерном дифрактометре Mastersizer 3000E (Великобритания). К навеске от 250 до 400 мг, в зависимости от содержания песчаных частиц, добавляли 30 мл дистиллированной воды и обрабатывали ультразвуком в течение 5 мин. Полученную суспензию анализировали на лазерном дифрактометре в 3 повторностях.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Прежде всего рассмотрим профильные дифференциальные послойные распределения гранулометрических элементов в почвенном профиле на вершине холма на примере разреза 4 (рис. 2). Следует отметить положения горизонтальных участков и экстремумов (межфракционных переломов) на этих кривых, указывающих на предположительное окончание одной фракции определенного диапазона размеров и начало следующей. Так, на рисунке 2 видно увеличение глинистых частиц размером < 2 мкм с небольшим максимумом (1 мкм) для большинства слоев, постепенное увеличение фракции пыли от 2 до 50 мкм без выраженного максимума и явное доминирование песчаной фракции с диаметром более 50 мкм при максимуме содержания частиц с размером 100– 110 мкм.

Рис. 2. Дифференциальные кривые послойного (по 10 см) профильного распределения гранулометрического состава почв (в качестве примера приведен грансостав разреза 4 на центральном бугровом повышении).

Fig. 2. Differential curves of the layered (10 cm layer by layer) profile distribution of the particle size composition of soils (the particle size distribution in the soil pit 4 located on the central hillock rise was taken as an example).

Совершенно ясно, что доминирует песчаная фракция (4.5– 6%) во всех исследованных 10-см слоях с максимумом в слоях 30– 50 см, где ее максимальное содержание достигает 6%. При углублении, с 60 см, содержание пыли немного увеличивается, но также увеличивается содержание среднего и крупного песка, как будет показано ниже, т. е. при приближении к моренному слою содержание песчаных частиц в целом возрастает. Пик распределения песчаных частиц достаточно узкий, что указывает на “отмытость и отсортированность” песчаных частиц размерами 100–110 мкм. При этом в верхней части профиля, вплоть до 30 см, существенно выражена и фракция пыли, что отмечал А.А. Роде (Роде, 2008) для супесчаных почв Полесья. Подобные распределения гранулометрических элементов характерны и для других почвенных разрезов. Однако при сравнительной характеристике распределения гранулометрических фракций проявляются и другие особенности, связанные, видимо, как с особенностями постледникового формирования рельефа, так и с эрозионной деятельностью и агротехническими условиями использования почвенного покрова в сельскохозяйственных целях.

По дифференциальным кривым были рассчитаны основные гранулометрические фракции по классификации Качинского с учетом фракций, полученных ситовым методом (рис. 4). Из диаграмм видно, как изменялось содержание основных фракций (по классификации Качинского) при сравнении распределений содержаний фракций в профилях почв (Теории и методы, 2007; Воро нин, Березин, 1981 и др.). По классификации Н.А. Качинского, гранулометрический состав южного склона меняется от песка связного и супесей до суглинка легкого, а для почв северного склона происходит смена в ряду суглинок средний – супесь – суглинок легкий. Обратим внимание на суммарное содержание фракций ила и пыли (частиц < 50 мкм) в профилях исследуемых почв. Заметим, что содержание пыли к вершине холма исследуемой территории возрастает от 18 до 43%. Еще более заметное увеличение содержания тонких частиц (пыли) к разрезам 6 и 8, где в верхних слоях (0–40 см) содержание пыли может превышать 50%.

В разрезах южной части трансекты начинают проявляться фракции крупного (500–1 000 мкм) и среднего песка (250–500 мкм).

Рис. 3. Статистики (среднее, ошибка среднего и стандартное отклонение) содержания фракции ила ( а ) и пыли ( б ) по профилю почвенных разрезов (нумерация сохранена как на рис. 1) по трансекте опытного поля.

Fig. 3. Statistics (mean, mean error and standard deviation) of the content of the fraction of silt ( a ) and dust ( б ) on the profile of soil sections (numbering is preserved as in Fig. 1) on the transect of the experimental field.

Таким образом, вдоль по северному склону постепенно начинают возрастать фракции пыли при уменьшении относительного содержания песка. Естественен вопрос – с чем это связано? Отметим два факта, которые могут помочь в причинноследственном обсуждении этого вопроса. Первый факт очевиден: моренные отложения приближаются к поверхности, тем самым все в большей степени участвуя в процессе почвообразования. Второй – все большее участие в формировании гранулометрического профиля пылеватых фракций, как отмечалось выше, их содержание возрастает в разрезах № 6 и 8. Эти факты можно объяснить явлением эрозии поверхности почвы. Верхние слои почвы смываются, приближая глинистые моренные слои к поверхности, и тем самым относительно утяжеляя профиль почв.

■ 0-1 ■ 1-5 ■ 5-10

10-50 ■ 50-250 ■ 250-1000    >1000

Рис. 4. Профильные диаграммы распределения гранулометрических фракций с глубиной (по Н.А.Качинскому).

Fig. 4. Profile diagrams of particle size (fractions) distribution with depth (according to N.A. Kachinskiy).

Кроме того, эрозионные потоки несли в основном тонкие, пылеватые частицы, способствуя их накоплению на северном склоне.

Обратим внимание на второй аспект профильного распределения гранулометрических элементов – неравномерность их распределения по слоям.

Этот аспект важен в связи с тем, что почвенные слои различного грансостава формируют застойные гидрологические условия, различные гидрологические экраны, которые могут играть заметную роль в водном режиме почв, сказываться на почвенной гидрологии – водоосбеспеченности растений в корнеобитаемом слое. При сравнении дифференциальных кривых (рис. 2) можно выделить закономерные пики песчаных частиц с максимумом содержаания 4.5–6% в диапазоне диаметров частиц 100–110 мкм. Этому максимуму мелкого песка предшествует достаточно равномерное и распеделение пылеватых частиц размером от 3 до 20 мкм при их среднем содержании 1–2% и плавно возрастающее от 0 до 1.5% содержание физической глины (размер частиц < 2 мкм).

По профильным диаграммам наблюдается ярко выраженная смена почвенно-гранулометрических слоев, в основном в разрезах северного склона. Отчетливо выделяется верхний слой – до 30–40 см – с большим содержанием пылеватых частиц (45–50%) и более однородный по соотношению всех гранулометрических фракций. Затем выделяется средний опесчаненый слой – до 70–80 см – с преобладанием частиц мелкого песка (50–250 мм) до 40–45%, а также более глубокие слои до 120 см, примыкающие к подстилающей морене, в которых наблюдается постепенное увеличение пылеватых частиц. Такая неоднородность гранулометрического профиля свойственна почвам всей трансекты, за исключением точки 1, где профиль в целом более легкого грансостава, что связано с аккумулятивными отложениями близлежащего водотока.

ВЫВОДЫ

В профиле дерново-подзолистых глееватых почв исследованного Опытного поля ВНИИМЗ на дифференциальных кривых распределения частиц отчетливо выделяются фракции глины (< 2

мкм), пыли (2–50 мкм) и физического песка (> 50 мкм), что позволяет обоснованно использовать математические прогностические гидрологические модели с их педотрансферным сопровождением (например, SWAT) в пределах исследованной территории.

В профиле (до глубины 110 см) дерново-подзолистых почв изученного ландшафта выделяются в основном три гранулометрически однородных слоя: верхний с пахотным горизонтом (0–30 см), средний – более опесчаненный, по сравнению с выше и нижележащими слоями (до 70–80 см), и надморенный (до 120 см). Эти слои специфичны по содержанию гранулометрических элементов для почв южного, северного склонов и центральной части агроландшафта. Именно они должны быть учтены при формировании препроцессорного пакета свойств для гидрологической характеристики и при прогнозе гидрологии почвенного покрова (гидрологически важные слои).

Почвы склонов разной экспозиции различаются по грансо-ставу в пределах почвенного профиля, по гранулометрической контрастности почвенных слоев и преобладанию пылеватой и тонкопесчаной фракций. Так, в средней части профиля почв северного склона преобладают пылеватые фракции, а в почвах южной части ландшафта наблюдается сравнительно повышенное содержание песчаной фракции (преобладает фракция тонкого песка, 50– 250 мкм, на втором месте фракция крупной пыли, 10–50 мкм), что, видимо, связано с историческими процессами формирования профилей на двучленных отложениях, эрозией и, возможно, с современными агротехнологическими процессами.