Изменчивость морфометрических профилей порового пространства в дерново-подзолистой и серой лесной почвах Восточно-Европейской равнины
Автор: Скворцова Е.Б., Рожков В.А., Юдина А.В., Васильева Н.А.
Журнал: Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева @byulleten-esoil
Статья в выпуске: 87, 2017 года.
Бесплатный доступ
Среди количественных показателей порового пространства наибольшей генетической специфичностью обладают морфометрические данные. Показатели размеров, формы и ориентации пор, формирующие морфометрические профили порового пространства, отражают вертикальную изменчивость морфологического строения почвенных пор. Компьютерный анализ порового пространства в шлифах из основных генетических горизонтов почв выявил латеральную изменчивость, а также сходство и различия морфометрических профилей порового пространства в дерново-подзолистых и серых лесных почвах европейской территории России в диапазоне пор 0.2 мм
Профили порового пространства, микроморфология, пространственная изменчивость формы и ориентации пор
Короткий адрес: https://sciup.org/14313700
IDR: 14313700 | DOI: 10.19047/0136-1694-2017-87-73-85
Текст научной статьи Изменчивость морфометрических профилей порового пространства в дерново-подзолистой и серой лесной почвах Восточно-Европейской равнины
В почвоведении принято анализировать профильное изменение генетически значимых признаков почвы. Разработаны и широко используются представления о гумусовом, карбонатном, солевом профилях. По аналогии с ними можно говорить о генети- ческих профилях порового пространства (ППП) почвы, представляющих собой систему пор в вертикальной очередности почвенных горизонтов. Ранее показано, что среди количественных показателей порового пространства наибольшей генетической специфичностью обладают морфометрические данные (Соколов, 1988; Скворцова, 1994; Кызласов, Шоба, 2001; Кызласов, 2003; Murphy-etal., 1977; Protzetal., 1992; Moran, 1994; Lindqvist, Akesson, 2001). Профильные распределения показателей размеров, формы и ориентации пор формируют морфометрические ППП, отражающие вертикальную изменчивость морфологического строения почвенных пор и агрегатов (Скворцова, Рожков, 2011).
Как и другие показатели, морфометрические данные о почвенных порах обладают пространственной изменчивостью. Несмотря на трудоемкость морфометрических исследований, в литературе имеются данные о варьировании размеров, формы и ориентации пор и трещин в почвенной массе (Поляков, 1975; Таргульян, Целищева, 1983; Скворцова, Морозов, 1995; Дядькина, 2004) . Однако в большинстве опубликованных работ описана латеральная изменчивость пор в толще генетических горизонтов и/или на разных глубинах почвенного профиля (Скворцова и др., 2015) . Изменчивость морфометрических ППП до настоящего времени не изучалась, что обедняет представление об анизотропии порового пространства и почвы в целом.
Данные исследования особенно актуальны для пор в диапазоне 0.2 мм < d < 2.0 мм, которые в большинстве горизонтов профиля формирует основной объем межагрегатного порового пространства и обладают наибольшей педогенной специфичностью ( Скворцова, 2008 ).
Цель проведенных исследований заключается в выявлении изменчивости, а также в определении сходства и различий морфометрических ППП в дерново-подзолистых и серых лесных почвах для диапазона пор 0.2 мм < d < 2.0 мм на протяжении 4метровых траншей.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
ППП изучали в дерново-подзолистой почве под ельником сложным в районе д. Дарьино Московской области и в серой лесной почве под широколиственным лесом Тульских засек в районе с. Крапивна Тульской области Российской Федерации. Почвы неодинаковы по гранулометрическому составу, что позволяет ожидать различий в строении и изменчивости их порового пространства (табл. 1).
Исследовали шлифы вертикальной ориентации, выполненные из основных генетических горизонтов почв в 15-кратной повторности с постоянным горизонтальным шагом опробования в 25 см в пределах 4-метровых траншей глубиной 1.6 м. Траншеи были заложены на выровненных участках под кронами деревьев на расстоянии 2.0–2.5 м от стволов. Почва в пределах траншей имеет стабильные морфологические свойства и характеризует элементарные почвенные ареалы лесных биогеоценозов.
Методом компьютерного анализа изображения в каждом шлифе измеряли морфометрические показатели всех видимых в поле зрения тонких почвенных макропор ( d = 0.2–2.0 мм). Формат поля зрения для всех шлифов составлял 2 × 2 см. Количество измеренных пор (объем выборки) варьировал от 200 до 500 шт. Для каждой поры измеряли ее площадь ( S ), периметр ( P ), продольный ( L ) и поперечный ( D ) габариты, а также рассчитывали показатель формы F = (4π S / P 2 + D / L )/2 и определяли показатель ориентации (угол отклонения длинной оси поры от вертикального направления в шлифе). На основе полученных данных каждый шлиф был охарактеризован эмпирическими распределениями пор по пяти классам формы: трещиновидные ( F ≤0.2), вытянутые изрезанные ( F = 0.21–0.4), изометричные изрезанные ( F = 0.41–0.6), изомет-ричные слабоизрезанные ( F = 0.61–0.8), округлые ( F = 0.81–1.0) и по трем классам ориентации: вертикальные и субвертикальные (отклонение от вертикали 0о–33о), наклонные (отклонение от вертикали 33о–66о); горизонтальные и субгоризонтальные (отклонение от вертикали 66о–90о) (табл. 2).
Полученные морфометрические данные обработаны методами многомерной статистики для выявления изменчивости морфометрических ППП и оценки степени их сходства (различий). Для статистического анализа данных использовали программное обеспечение Statistica и разработанный в Почвенном институте им. В.В. Докучаева пакет программ многомерной статистики и кластер-анализа TAXON (Рожков 1989, 2011) .
Таблица 2. Показатели формы и ориентации пор в шлифах из 4- метровых траншей (n = 15)
Горизонт, глубина, см |
Показа-тель |
Средний фактор формы пор ( F ) |
Содержание пор, % |
|||||||
различной формы |
различной ориентации |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
1 |
2 |
3 |
|||
AY, |
M |
0.44 |
Дер 2.60 |
ово-п 40.60 |
одзоли 43.07 |
стая по 12.60 |
чва 1.13 |
34.27 |
32.53 |
33.20 |
0–4 |
s |
0.02 |
2.56 |
4.50 |
3.81 |
3.68 |
0.35 |
4.74 |
3.14 |
2.86 |
m |
0.01 |
0.66 |
1.16 |
0.98 |
0.95 |
0.09 |
1.22 |
0.81 |
0.74 |
|
AEL, |
M |
0.35 |
26.73 |
35.00 |
27.67 |
9.67 |
0.93 |
18.00 |
23.33 |
58.67 |
6–11 |
s |
0.05 |
13.73 |
4.41 |
9.67 |
2.47 |
0.70 |
8.75 |
6.41 |
14.30 |
m |
0.01 |
3.55 |
1.14 |
2.50 |
0.64 |
0.18 |
2.26 |
1.66 |
3.69 |
|
EL, |
M |
0.41 |
24.07 |
25.47 |
26.00 |
19.67 |
4.13 |
15.27 |
24.53 |
60.20 |
17– |
s |
0.03 |
5.64 |
4.87 |
5.69 |
5.09 |
1.96 |
3.31 |
3.78 |
5.97 |
23 |
m |
0.01 |
1.46 |
1.26 |
1.47 |
1.32 |
0.51 |
0.85 |
0.98 |
1.54 |
Bt, |
M |
0.46 |
17.80 |
26.00 |
24.47 |
24.60 |
7.13 |
31.00 |
31.40 |
37.60 |
55– |
s |
0.05 |
6.39 |
4.61 |
3.16 |
6.39 |
1.96 |
6.55 |
4.34 |
7.19 |
60 |
m |
0.01 |
1.65 |
1.19 |
0.82 |
1.65 |
0.51 |
1.69 |
1.12 |
1.86 |
C, |
M |
0.47 |
11.80 |
25.80 |
31.33 |
25.00 |
6.00 |
32.00 |
28.33 |
39.67 |
150 |
s |
0.06 |
6.77 |
7.78 |
7.44 |
7.68 |
4.55 |
8.38 |
4.56 |
7.61 |
m |
0.01 |
1.75 |
2.01 |
1.92 |
1.98 |
1.18 |
2.16 |
1.18 |
1.97 |
|
AY, |
M |
0.46 |
6.87 |
Серая 36.00 |
лесная 33.60 |
почва 18.27 |
5.27 |
31.13 |
31.13 |
37.73 |
0–5 |
s |
0.03 |
3.91 |
7.54 |
5.67 |
5.24 |
2.60 |
6.88 |
4.52 |
6.36 |
m |
0.01 |
1.01 |
0.95 |
1.46 |
1.35 |
0.67 |
1.78 |
1.17 |
1.64 |
|
AEL, |
M |
0.48 |
6.67 |
28.13 |
37.47 |
21.73 |
6.00 |
31.53 |
33.40 |
35.13 |
17– |
s |
0.05 |
5.56 |
7.52 |
5.73 |
6.99 |
3.00 |
5.64 |
3.79 |
5.64 |
22 |
m |
0.01 |
1.44 |
1.94 |
1.48 |
1.81 |
0.77 |
1.46 |
0.98 |
1.46 |
BEL, |
M |
0.47 |
13.33 |
27.73 |
27.33 |
23.60 |
8.00 |
32.13 |
32.47 |
35.40 |
30– |
s |
0.06 |
9.75 |
5.39 |
6.70 |
5.85 |
3.02 |
5.77 |
5.74 |
8.12 |
35 |
m |
0.02 |
2.52 |
1.39 |
1.73 |
1.51 |
0.78 |
1.49 |
1.48 |
2.10 |
Bt, |
M |
0.50 |
13.27 |
22.80 |
26.40 |
36.13 |
11.40 |
31.87 |
33.13 |
35.00 |
50– |
s |
0.06 |
6.33 |
5.14 |
5.82 |
4.45 |
5.41 |
5.57 |
5.53 |
6.21 |
55 |
m |
0.01 |
1.63 |
1.33 |
1.50 |
1.15 |
1.40 |
1.44 |
1.43 |
1.60 |
C, |
M |
0.51 |
14.38 |
16.19 |
25.25 |
33.94 |
10.25 |
18.56 |
25.44 |
56.00 |
150 |
s |
0.05 |
8.15 |
5.55 |
8.04 |
8.17 |
4.54 |
6.46 |
5.39 |
9.92 |
m |
0.01 |
2.04 |
1.39 |
2.01 |
2.04 |
1.13 |
1.61 |
1.35 |
2.48 |
Примечание. M – среднее арифметическое; s – стандартное отклонение, m – ошибка среднего. Форма пор: 1 – трещиновидная; 2 – вытянутая изрезанная; 3 – изометричная изрезанная; 4 – изометричная слабоизрезанная; 5 – округлая. Ориентация пор: 1 – вертикальная и субвертикальная, 2 – наклонная, 3 – горизонтальная и субгоризонтальная.
Использование многомерных статистических методов позволяет получить представление о варьировании совокупности почвенных свойств, в том числе оценить пространственную изменчивость ППП, сопоставить егопо разным морфометрическим показателям, сравнить между собой ППП разных почв (Рожков, 1989; Sciascia, 2013; Chen, Vigneau, 2016) .
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для сравнительной оценки изменчивости ППП на малых расстояниях анализировали 15 эмпирических профильных распределений следующих показателей: 1 – содержания в шлифах трещиновидных пор; 2 – содержания в шлифах пор с округлыми срезами; 3 – содержания в шлифах пор с горизонтальной и субгоризонтальной ориентировкой. Выбор показателей обусловлен их диагностическим значением: обилие трещиновидных пор указывают на присутствие в шлифе мелких обособленных агрегатов угловатой формы (зернистых, ореховатых), разделенных трещиновидными порами упаковки. Обилие пор с округлыми срезами (пузырьки, биогенные каналы) специфично для почвенной массы с массивным не разделенным на агрегаты строением. Преимущественно горизонтальная ориентировка пор в плоскости вертикального шлифа указывает на наличие в почве плитчатых и пластинчатых структурных отдельностей.
Общее представление о варьировании ППП могут дать профильные распределения коэффициентов вариации исследованных морфометрических показателей (табл. 3). По полученным данным, содержание в шлифах трещиновидных, округлых и горизонтальных (субгоризонтальных) пор в профилях обеих почв характеризуются крайне неоднородной вариабельностью с разбросом коэффициентов вариации V = 9–98%. Максимальное варьирование в обеих почвах отмечено для трещиновидных пор и пор с округлыми срезами. При этом для трещиновидных пор значения коэффициентов вариации в дерново-подзолистой почве ниже, чем в серой лесной (за исключением гор. AY). Варьирование пор с горизонтальной и субгоризонтальной ориентировкой выражено в меньшей степени ( V = 9– 24%) и не имеет устойчивых различий между почвами.
Полученные данные подтверждаются визуальным анали-зомизображений ППП по исследованным показателям (рис. 1).
Таблица 3 . Коэффициенты вариации ( V , %) содержания в шлифах трещиновидных, округлых, горизонтальных и субгоризонтальных пор (4метровые траншеи, n = 15)
Горизонт, глубина, см |
Трещиновидные поры |
Поры с округлыми срезами |
Горизонтальные и субгоризонтальные поры |
Дерново-подзолистая почва |
|||
AY, 0–4 |
98 |
31 |
9 |
AEL, 6–11 |
51 |
75 |
24 |
EL, 17–23 |
23 |
47 |
10 |
Bt, 55–60 |
36 |
27 |
19 |
C, 150 |
57 |
76 |
19 |
Серая лесная почва |
|||
AY, 0–5 |
57 |
49 |
17 |
AEL, 17–22 |
83 |
50 |
16 |
BEL, 30–35 |
73 |
38 |
23 |
Bt, 50–55 |
48 |
47 |
18 |
C, 180 |
57 |
44 |
18 |
Так, дерново-подзолистая почва в целом отличается большей синхронностью ППП, чем серая лесная (рис. 1А). Максимальный разброс отмечен для содержания трещиновидных пор на глубине 10–20 см, что соответствует элювиальным горизонтам AEL и EL. Большой разброс для всех показателей наблюдается также на глубинах около 60 см в гор. ВТ1.
Менее выраженная синхронность ППП серой лесной почвы (рис. 1Б), возможно, связана с наличием в профиле крупномерных агрегатов, не полностью представленных в микроморфологиче-ских шлифах. Максимальный разброс данных обнаружен на глубине 20–40 см для трещиновидных пор (гор. AEL и BEL). Для пор с горизонтальной и субгоризонтальной ориентировкой выраженных максимумов в ППП не выявлено.
Некоторое представление о различиях ППП исследованных почв с учетом их изменчивости может дать сравнение усредненных морфометрических показателей всех генетических горизонтов во всей совокупности исследованных ППП. Объем выборки по каждому показателю для пяти горизонтов в 15-и профилях составляет n =75. Сравнение показало, что в дерново-подзолистой почве

Рис. 1. Пространственная изменчивость морфометрических показателей в профилях порового пространства дерново-подзолистой (А) и серой лесной (Б) почвы. Содержание пор в шлифах (% от общего количества пор): трещиновидных (I), с округлыми срезами (II), с горизонтальной и субгоризонтальной ориентировкой (III). Данные для 15-и профилей в 4метровых траншеях с шагом 25 см.
по сравнению с серой лесной в целом повышено содержание трещиновидных пор и пор с горизонтальной и субгоризонтальной ориентировкой. Выявленные различия статистически достоверны на уровне 0.8.
Для уточнения предполагаемых различий проведен расчет линейной дискриминантной функции, описывающей гиперплоскость, которая разделяет исследованные почвы по профильному содержанию трещиновидных, округлых и горизонтальных (субгоризонтальных) пор. Анализ показал, что данные для серой лесной почвы на числовой оси занимают интервал 0–153 (размах 153 значения), данные для дерново-подзолистой почвы – интервал 50–196 (размах 146 значений). Таким образом, дерново-подзолистая почва отличается от серой лесной небольшим сдвигом в область высоких значений и более компактным расположением данных. Компактное расположение данных для дерново-подзолистой почвы согласуется с визуально выраженной синхронностью ее ППП на рис. 1.
Кластерный анализ не выявил определенных закономерностей в латеральном распределении ППП на протяжении 4метровых траншей (рис. 2).
Однако исследованные почвы различаются по численности профилей с высоким уровнем сходства. Так, в дерновоподзолистой почве по всем показателям содержание профилей с уровнем сходства >70% превышает таковое для серой лесной почвы (табл. 4). При этом в обеих почвах наибольшее количество сходных профилей отмечено для пор с округлыми срезами, а наименьшее – для трещиновидных пор.
Дендрографический анализ позволил количественно оценить сходство ППП для каждой почвы. Так, для дерновоподзолистой почвы уровень сходства профильных распределений содержания трещиновидных пор составляет 79%, округлых пор – 96% и горизонтальных (субгоризонтальных) пор – 77%. Для серой

23,00 I II 27,00
15,00 20,25
7,00 13,50
Рис 2. Дендрограммы сходства 15-и профилей порового пространства в дерново-подзолистой (А) и серой лесной (Б) почве по содержанию пор в шлифах: I – трещиновидных; II – с округлыми срезами; III – с горизонтальной и субгоризонтальной ориентировкой.
Таблица 4. Содержание ППП с уровнем сходства >70% для разных почв и по разным показателям, %
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Профили порового пространства почвы, наряду с другими почвенными свойствами, характеризуются латеральной изменчивостью. В том числе существует изменчивость ППП на малых расстояниях в несколько метров, отражающая неоднородность порового пространства почвы при минимальном влиянии внешних факторов. Одним из способов изучения этой изменчивости является детальный анализ морфометрических показателей пор в траншеях малой протяженности. Исследование вертикальных микроморфологических шлифов показало, что латеральное варьирование ППП по содержанию трещиновидных, округлых и горизонтально (субгоризонтально) ориентированных пор в дерновоподзолистой и серой лесной почвах весьма высоко (коэффициенты вариации большинства показателей превышают 15–20%). При этом в обеих почвах изменчивость профильных распределений трещиновидных и округлых пор выше, чем пор с горизонтальной (субгоризонтальной) ориентировкой. Дерново-подзолистая почва по сравнению с серой лесной в целом характеризуется менее выраженным варьированием ППП по всем исследованным показателям.
Список литературы Изменчивость морфометрических профилей порового пространства в дерново-подзолистой и серой лесной почвах Восточно-Европейской равнины
- Глобус А.М. Неизотермический внутрипочвенный влагоперенос. Автореф. дис. … докт. с.-х. н. Л., 1977. 48 с.
- Корякин Н.В. Основы химической термодинамики. М.: Академия, 2003. 463 с.
- Муромцев Н.А., Коваленко П.И., Семенов Н.А., Мажайский Ю.А., Яцык Н.В., Шуравилин А.В., Воропай Г.В., Анисимов К.Б., Коломиец С.С. Внутрипочвенный влагообмен, водопотребление и водообеспеченность многолетних культурных травостоев. Рязань, 2013. 300 с.
- Муромцев Н.А., Семенов Н.А., Мажайский Ю.А., Анисимов К.Б. Закономерности накопления, потерь и возврата влаги и химических веществ при внутрипочвенном влагообмене//Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2014. № 76. С. 111-125.
- Муромцев Н.А., Анисимов К.Б. Некоторые особенности формирования водного режима дерново-подзолистой почвы на различных элементах геоморфологической катены//Бюл. Почв. ин-та. 2014. № 77. С. 78-93.
- Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Энергомассообмен в системе растение-почва-приземный воздух. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 358 с.
- Руководство по монтажу и использованию автоматической метеостанции. Гавард, 2009. 63 с.
- Durner W., Or. D. Soil Water Potential Measurement//Encyclopedia of Hydrological Sciences. 2006. Apr. P. 1-14.
- Durner W., Jansen U., Iden S. C. Effective hydraulic properties of layered soils at the lysimeter scale determined by inverse modelling//European J. Soil Science. 2008. V. 59 (1). P. 114-124 DOI: 10.1111/Дж.1365-2389.2007.00972.х
- Nolz R., Cepuder P., Balas J., Loiskandl W. Soil water monitoring in a vineyard and assessment of unsaturated hydraulic parameters as thresholds for irrigation management//Agricultural Water Management. 2016. V. 164. Part 2. P. 235-242.