Реологические свойства таежных полугидроморфных почв: взаимосвязь с физико-химическими свойствами и температурными условиями

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрены результаты реологических исследований почв нарушенного сложения, пасты, на модульном реометре MCR 302 методом амплитудной развертки, колебательный метод. Объектом исследования являются полугидроморфные почвы (Histic Albic Retisol, Histic Gleyic Stagnosols) таежной зоны северо-востока европейской части России, Республика Коми. Показано, что наиболее жесткие взаимодействия между частицами почвы формируются в горизонтах с высоким содержанием подвижных органических веществ фульватной природы и органо-минеральных альфегумусовых соединений E Lhi, g – ELg – CRM. Повышенная жесткость конструкции обусловлена цементацией частиц почвы в результате поступления Al – Fe -гумусовых веществ c формированием прочных межчастичных связей в почвах. Не менее важную роль в реологическом поведении почв играют процессы промерзания–оттаивания. Влияние сезонного промерзания наиболее четко проявляется в профиле полугидроморфных вариантов светлоземов (Histic Gleyic Stagnosols) в их криометаморфических горизонтах CRM, где повышенная жесткость почвенных связей обусловлена конденсационным уплотнением частиц в условиях длительного периода температур около 0С, “нулевая завеса”. При возрастании увлажнения почв наблюдается значительная дезагрегация минеральной массы почв. Об этом свидетельствует значительное увеличение диапазона пластичности – Crossover. Дезагрегированные почвы более склонны к процессам эрозии и смыва, однако мощный мохово-торфяной горизонт, формирующийся в верхней части профиля полугидроморфных почв, предохраняет их от негативных деформационных явлений. К северу, в направлении от текстурно-дифференцированных почв южной тайги к криометаморфическим почвам лесотундры наблюдается усиление жесткости и хрупкости межчастичных почвенных контактов. Это сопряжено с более активным поступлением в минеральную часть профиля органических веществ фульватной природы, в том числе комплексных альфегумусовых соединений, а также интенсивным и длительным промерзанием почв. Показано, что реологические параметры могут быть использованы в качестве дополнительных показателей при диагностике и классификации таежных почв.

Об авторах

Ю. В. Холопов

Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: Yuraholopov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5725-746X
Россия, Сыктывкар

Д. Д. Хайдапова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: Yuraholopov@yandex.ru
Россия, Москва

А. Б. Новаковский

Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН

Email: Yuraholopov@yandex.ru
Россия, Сыктывкар

Е. М. Лаптева

Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН

Email: Yuraholopov@yandex.ru
Россия, Сыктывкар

Список литературы

  1. Атлас почв Республики Коми / Под ред. Добровольского Г.В. и др. Сыктывкар: Коми республиканская типография, 2010. 356 с.
  2. Атлас Республики Коми по климату и гидрологии. М.: Дрофа, ДиК, 1997. 116 с.
  3. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. 416 с.
  4. Вершинин П.В. Почвенная структура и условия ее формирования. М.: Изд-во АН СССР, 1958. 187 с.
  5. Жангуров Е.В., Лебедева (Верба) М.П., Забоева И.В. Микростроение генетических горизонтов автоморфных таежных почв Тимана // Почвоведение. 2011. № 3. С. 288–299. https://doi.org/10.1134/S1064229311030203
  6. Забоева И.В. Почвы и земельные ресурсы Коми АССР. Сыктывкар: Коми книжное издательство, 1975. 344 с.
  7. Канев В.В. Параметры оглеения и подзолообразования в почвах на покровных суглинках северо-востока Русской равнины. Екатеринбург: УрО РАН, 2002. 221 с.
  8. Конищев В.Н., Рогов В.В. Влияние криогенеза на глинистые минералы // Криосфера Земли. 2008. Т. 12. № 1. С. 51–58.
  9. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
  10. Лепорский О.Р., Седов С.Н., Шоба С.А., Бганцов В.Н. Роль промораживания в разрушении первичных минералов подзолистых почв // Почвоведение. 1990. № 6. С. 112–116.
  11. Мокиев В.В. Промерзание почв как результативный признак метеорологических показателей холодного периода года (на примере промерзания освоенной и целинной суглинистых почв среднетаежной подзоны Республики Коми) // Вестник Ин-та биологии. 2009. № 5. С. 16–19.
  12. Полевой определитель почв России. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2008. 182 с.
  13. Русанова Г.В., Лаптева Е.М., Пастухов А.В., Каверин Д.А. Современные процессы и унаследованные педогенные признаки в почвах на покровных суглинках южной тундры // Криосфера Земли. 2010. Т. 14. № 3. С. 52–60.
  14. Теория и практика химического анализа почв / Под ред. Воробьевой Л.А. M.: ГЕОС, 2006. 400 с.
  15. Хайдапова Д.Д., Честнова В.В., Шеин Е.В., Милановский Е.Ю. Реологические свойства черноземов типичных (Курская область) при различном землепользовании // Почвоведение. 2016. № 8. С. 955–963. https://doi.org/10.7868/ S 0032180 X 16080049
  16. Хайдапова Д.Д., Милановский Е.Ю., Бутылкина М.А., Шеин Е.В., Дембовецкий А.В. Практикум по физике твердой фазы почв. М.: Буки Веди, 2022. 132 c.
  17. Холопов Ю.В., Хайдапова Д.Д., Лаптева Е.М. Реологические свойства северотаежных автмоорфных и полугидроморфных криометаморфических почв европейского северо-востока России (Республика Коми) // Почвоведение. 2018. № 4. С. 439–450. https://doi.org/10.7868/ S 0032180 X 18040056
  18. Шамрикова Е.В., Пунегов В.В., Груздев И.В., Ванчикова Е.В., Ветошкина А.А. Индивидуал ьные органические соединения водных вытяжек из подзолистых почв Республики Коми // Почвоведение. 2012. № 10. С. 1066–1076. https://doi.org/10.7868/ S 0032180 X 13060099
  19. Шеин Е.В., Болотов А.Г., Хайдапова Д.Д., Милановский Е.Ю., Тюгай З.Н., Початкова Т.Н. Реологические свойства черноземов Алтайского Приобья // Вестник Алтайского гос. аграрного ун-та. 2014. № 8. С. 32–38.
  20. Baumgarten W. Soil microstructural stability as influenced by physicochemical parameters and its environmental relevance on multiple scales: Habilitation thesis, Kiel University, 2013. 263 p.
  21. Baumgarten W. Structural stability of Marshland soils of the riparian zone of the Tidal Elbe River // Soil Till. Res. 2012. V. 125. P. 80–88.
  22. Dealy J.M. Rheometers for Molten Plastics. A Practical Guide to Testing and Property Measurement. N.Y.: Van Nostrand Reinhold, 1982. 302 p.
  23. Ghezzehei T.A., Or D. Rheological Properties of Wet Soils and Clays under Steady and Oscillatory Stresses // Soil Sci. Soc. Am. J. 2001. V. 65. P. 624–637.
  24. Horn R., Smucker A. Structure formation and its consequences for gas and water transport in unsaturated arable and forest soils // Soil Till. Res. 2005. V. 82. P. 5–14.
  25. IPCC, 2014: Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovermental Panel on Climate Change. IPCC, Geneva, Switzerland. 151 p. https://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/syr/YR_AR5_FINAL_full.pdf.
  26. Jeong S., Locat J., Leroueil S., Malet J., Locat J., Leroueil S., Malet J. Rheological properties of fine-grained sediment: the roles of texture and mineralogy // Can. Geotechn. J. 2010. V. 47. P. 1085–1100.
  27. Jones P.D., New M., Parker D.Е., Martin S., Rigor I.O. Surface air temperature and its changes over the past 150 years // Reviews of Geophysics. 1999. V. 37. P. 173–200.
  28. Markgraf W., Horn R., Peth S. An approach to rheometry in soil mechanics – Structural changes in bentonite, clayey and silty soils // Soil Till. Res. 2006. V. 91. P. 1–14.
  29. Markgraf W., Watts C.W. Whalley W.R., Hrkac T., Horn R. Influence of organic matter on rheological properties of soil // Appl. Clay Sci. 2012. V. 64. P. 25–33.
  30. Markgraf, W. Bellmann C., Caspari A., Horn R. Quantifying microstructural stability of South-Brazilian soils by the application of rheological techniques and zeta potential measurements // A Christian-Albrechts-University zu Kiel, Institute for Plant Nutrition and Soil Science. Kiel, 2010. P. 1778–1782.
  31. Markgraf W., Horn R. Rheological investigations in soil micro mechanics: Measuring stiffness degradation and structural stability on a particle scale // Progress in Management Engineering. N.Y.: Nova Science Publishers, 2009. P. 237–279.
  32. Markgraf W., Horn R. Scanning electron microscopyenergy dispersive scan analyses and rheological investigations of south-Brazilian soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 2007. V. 71. P. 851–859.
  33. Mezger T.G. The Rheology Handbook. Hanover, 2011. 436 p.
  34. Micheli E. Tombacz E., Szegi T., Gal A. The Relationship of Rheological Parameters and Erodibility of Soils // 12th ISCO Conference Beijing. 2002. P. 111–115.
  35. Or D., Ghezzehei T.A. Modeling post-tillage structural dynamics: a review // Soil Till. Res. 2002. V. 64. P. 41–59.
  36. Pertile P., Reichert J.M., Gubiani P.I., Holthusen D., Costa A. Rheological Parametersas Affected by Water Tension in Subtropical Soils // Revista Brasileira de Ciência do Solo. 2016. V. 40. https://doi.org/10.1590/18069657rbcs20150286.
  37. Scherer G.W. Viscous sintering with a pore-size distribution and rigid inclusions // J. Am. Ceram. Soc. 1988. V. 71. P. 447–448.
  38. Silva H.R. Wetting-induced changes in near surface soil physical properties affecting surface irrigation. Ph.D. dissertation. Logan: Utah State Univ, 1995. 188 p.
  39. Stoppe N., Horn R. How far are rheological parameters from amplitude sweep tests predictable using common physicochemical soil properties? // IOP Conference Series: Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 790. P. 012032.
  40. Stoppe N., Horn R. Microstructural strength of tidal soils – a rheometric approach to develop pedotransfer functions // J. Hydrol. Hydromech. 2018. V. 66. P. 87–96. https://doi.org/10.1515/johh-2017-0031.
  41. World Reference Base for Soil Resources 2014, update 2015. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports No. 106. FAO, Rome, 2015.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Кривая зависимости модуля запаса (G’) и потерь (G”) от величины деформации (a); кривая зависимости фактора потерь (tgδ) от величины деформации (b)

Скачать (186KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределение реологических параметров (a – LVE-range, %, b – G’, MПa, c – Crossover, %, d – Integral Z) в текстурно-дифференцированных и криометаморфических горизонтах почв ключевых участков разных подзон: KS-I – южная тайга (горизонт ВТ), KS-II – средняя тайга (горизонт ВТ), KS-III – северная тайга (горизонт CRM), KS-IV – крайне северная тайга (горизонт CRM), KS-V – лесотундра (горизонт CRM)

Скачать (175KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределение реологических параметров (a – LVE-range, %, b – G’, MПa, c – Crossover, %, d – Integral Z) в гумусовоаккумулятивных и потечно-гумусовых горизонтах почв ключевых участков разных подзон: KS-I – южная тайга (горизонт АYg), KS-II – средняя тайга (горизонт ELhi,g), KS-III – северная тайга (горизонт ELhi,g), KS-IV – крайне северная тайга (горизонт ELhi,g), KS-V – лесотундра (горизонт ELhi,g)

Скачать (160KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Результаты PCA ординации основных диагностических почвенных горизонтов (ELhi,g, ВТ, CRM, С) с использованием матрицы парных корреляций. Доля объясненной дисперсии для РСА1 – 32%, для РСА2 – 19%. Вектор корреляции – указывает на реологический параметр (G’, Integral Z, Crossover, LVE), с которым наиболее тесно коррелируют физико-химические свойства исследуемых горизонтов почв, что визуально отражается на графике в виде их группировки в направлении вектора корреляции

Скачать (166KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024