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 0^о–33^о), наклонные (отклонение от вертикали 33^о–66^о); горизонтальные и субгоризонтальные (отклонение от вертикали 66^о–90^о) (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, %

Почва Ттрещиновидные пор Поры с округлыми срезами Поры с горизонтальной и субгоризонтальной ориентировкой Дерновоподзолистая Серая лесная 40 13 60 53 47 27 лесной почвы уровень сходства таких ППП несколько ниже (73, 89 и 72% соответственно), что согласуется с данными визуального и кластерного анализа.

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.