ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2009, № 11, с. 1345-1353
УДК 631.4
ФИЗИКА ПОЧВ
ИЗМЕНЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ПОР И АГРЕГАТОВ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ДЕГРАДАЦИИ СТРУКТУРЫ ПАХОТНЫХ ПОЧВ
© 2009 г. Е. Б. Скворцова
Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7
Поступила в редакцию 12.01.2008 г.
На примере суглинистых почв Европейской территории России показано, что для полной оценки физической деградации пахотных почв необходимо в дополнение к агрофизическим показателям учитывать пространственно-геометрические признаки почвенной структуры. Рассмотрены различные варианты геометрической трансформации структуры пахотных горизонтов. В качестве основных диагностических показателей исследованы форма и ориентация пор в образцах ненарушенного сложения (шлифах). С помощью компьютерного анализа изображения почвенных пор в шлифах выделены и охарактеризованы уровни геометрической трансформации структуры, отражающие уплотнение почвы без нарушения формы и ориентации агрегатов, изменение формы агрегатов от комковатой до угловато-блоковой, формирование плитчатой структуры с горизонтальной ориентировкой пор и агрегатов, полное исчезновение обособленных структурных отдельностей и формирование массивной структуры почвы. Обсуждена проблема достоверности оценок геометрической трансформации с учетом пространственного варьирования структурно-геометрических свойств пахотного горизонта. Рассмотрены некоторые структурно-функциональные особенности выделенных уровней геометрической трансформации структуры.
ВВЕДЕНИЕ
В почвоведении под физической деградацией понимают "негативное изменение (деформацию) сложения почв и ухудшение комплекса их физических свойств" [4]. Данное определение физической деградации включает в себя представление о почвенном сложении, то есть о пространственной или структурно-геометрической организации почвенной массы. Согласно определению, показатели структурно-геометрической организации должны участвовать в оценке степени физической деградации почвы. Однако до последнего времени агрофизическую деградацию почвы оценивали без количественного учета геометрических параметров. Широко используемые показатели плотности, пористости и агрегатного состава пахотных горизонтов характеризуют степень уплотнения почвы и изменение распределения агрегатов по размерам, но не отражают нарушения формы и ориентации почвенных агрегатов и пор. В результате при оценке деградации почвы теряется важная пространственно-геометрическая информация. Это не только сужает возможности диагностики почвенной деградации, но также обедняет представления о негативных процессах и явлениях, присущих деградированным почвам.
В данной статье рассмотрены представления о геометрической трансформации структуры (ГТС) как изменении пространственной организации пахотных горизонтов, охарактеризованы уровни ГТС суглинистых почв, обсуждены перспективы использования пространственно-геометрических парамет-
ров почвенных пор и агрегатов в качестве показателей физической деградации почвы.
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ НАРУШЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПАХОТНЫХ ПОЧВ
Представление о геометрической трансформации возникло в результате изучения геометрической составляющей почвенной структуры [10]. Известно, что для полной характеристики структурного состояния дисперсных систем необходимо учитывать три группы признаков: морфометриче-ские, энергетические и геометрические [5, 11]. Первые две группы характеризуют морфологию структурных элементов, их количественные соотношения и характер связи между ними. Геометрические признаки отражают особенности пространственной организации структурных элементов или пространственную композицию системы.
Отсюда следует, что ГТС почвы в широком смысле не исчерпывается изменением размеров и формы агрегатов. ГТС включает изменение всех пространственно-геометрических показателей почвенной массы, в том числе формы и ориентации структурных отдельностей, а также пор между ними. Естественно, данное представление о ГТС применимо для почвенных образцов ненарушенного сложения.
Одним из важнейших факторов ГТС почвы является сельскохозяйственное освоение. ГТС пахотных горизонтов может иметь различную направленность, отражая как процессы окультури-
вания почвы, так и процессы ее физической деградации. В пахотных горизонтах суглинистых почв существует большое разнообразие видов ГТС, что позволяет дифференцировать этапы проградации и деградации структуры.
Согласно определению, главными носителями информации о ГТС являются твердые структурные элементы и поровое пространство, дополняющее эти элементы до полного объема почвы. Для характеристики ГТС в ненарушенных почвенных образцах поровое пространство более информативно, чем почвенные агрегаты. С одной стороны, геометрическое строение пор упаковки буквально отражает форму и взаимное расположение структурных отдельностей. С другой стороны, поры, не связанные с агрегированностью почвы (биогенные поры, поры выщелачивания), сами формируют структурную организацию почвы. Так, строение пор, защемленных в неагрегированной почвенной массе, определяет тип почвенной микроструктуры [13].
Мезо- и микроморфометрические исследования показали, что эмпирические распределения пор по форме отражают основные типы структурной организации почвы (рис. 1). При комковатой структуре в поровом пространстве преобладают изометричные изрезанные поры упаковки комковатых агрегатов, при угловато-блоковой структуре - вытянутые изрезанные и трещино-видные поры. В почве с массивным, не разделенным на агрегаты строением большинство пор имеет изометричную слабоизрезанную и округлую форму. В случае анизометричных структур большое значение имеет распределение пор по ориентации, которое отражает наличие и ориентацию вытянутых агрегатов. Любые изменения в характере распределений пор по форме и ориентации указывают на наличие структурных деформаций почвы, а степень этих изменений позволяет судить о степени деформации почвенной структуры, в том числе об уровне ГТС почвы.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Для характеристики различных уровней ГТС почвы были исследованы пахотные горизонты суглинистых агропочв Европейской территории России (ЕТР) при различной агрогенной нагрузке. Исследовали следующие варианты неблагоприятного сельскохозяйственного воздействия на почву: 1 - длительная распашка дерново-подзолистой почвы без внесения удобрений; 2 - длительное внесение 3№К в агродерново-подзолистую почву; 3 -избыточное уплотнение агросерой почвы тракторами; 4 - длительное применение черного пара в аг-рочерноземе типичном; 5 - длительная мелкая обработка агрочернозема южного; 6 - орошение содовыми водами агрочернозема южного под посевами пшеницы. Кроме того, исследовали ва-
рианты благоприятного воздействия на почву: 1 -длительное внесение навоза в агродерново-подзо-листую почву; 2 - распашка серой лесной почвы и чернозема типичного на фоне удобрений без избыточного уплотнения тракторами; 3 - безотвальное рыхление агрочернозема южного; 4 - возделывание овсяно-гороховой смеси на агрочерноземе южном в богарных условиях.
Определение структурного состояния почвы проводили в шлифах вертикальной ориентации размером 3 х 4 см с помощью компьютерного анализа изображения видимого в шлифах поро-вого пространства. Размер шлифов достаточен для характеристики строения агрономически ценных агрегатов. В шлифах измеряли все макропоры диаметром 0.2-2.0 мм, для каждой поры определяли площадь, периметр и линейные габариты (ширину и длину описанного прямоугольника, ориентированного вдоль длинной оси поры). По результатам измерений рассчитывали фактор формы Р = (4л$/Р2 + Э/Ь)/2, где S - площадь, Р -периметр, Э и Ь - соответственно поперечный и продольный габариты. Определяли также показатель ориентации пор как угол отклонения длинной оси поры от вертикали. Анализировали характер распределения пор по 5 классам формы (трещиновидные Р < 0.2; вытянутые изрезанные Р = 0.21-0.4; изометричные изрезанные Р = 0.410.6; изометричные слабоизрезанные Р = 0.61-0.8; округлые Р = 0.81-1.0) и по 3 классам ориентации (вертикальные и субвертикальные, наклонные, горизонтальные и субгоризонтальные) [7].
УРОВНИ ГТС ПАХОТНЫХ ГОРИЗОНТОВ
Микроморфометрический анализ показал, что пахотные горизонты окультуренных дерново-подзолистых почв, неуплотненных неэродиро-ванных серых лесных почв, недеградированного типичного чернозема и недеградированного южного чернозема имеют сходное строение межагрегатных макропор диаметром 0.2-2.0 мм. В наибольшей степени сходство проявляется в верхних 10 см, где сильнее сказываются влияние агротехнической обработки и действие корней растений. К общим чертам относятся: характер распределения пор по фактору формы (Р) и характер распределения пор по ориентации.
Для всех недеградированных пахотных горизонтов на глубине 0-10 см распределение пор по 5 классам фактора формы Р имеет симметричный вид с хорошо выраженным максимумом в среднем классе с Р = 0.41-0.6. Такое распределение пор по форме специфично для комковатой структуры почвенной массы (рис. 1 А). Распределение пор по ориентации близко к равномерному или имеет тенденцию к преобладанию вертикальных и субвертикальных пор. Это означает, что поровое пространство, а также большинство поч-
А
Б
В
50 40 30 20 10 0
* 50
ор, 40 п
е 30
и н а
р
е д
о С
20 10
50 40 30 20 10
У777Л I
Л | I
1
2 3 4 5 Форма пор
Рис. 1. Примеры распределения макропор по форме в почве с комковатой (А), трещиновато-блоковой (Б) и массивной (В) структурой. Форма пор (здесь и на рис. 4): 1 - трещиновидная, 2 - вытянутая изрезанная, 3 - изометричная изрезанная, 4 - изометричная слабоизрезанная, 5 - округлая.
0
0
венных агрегатов в пахотном горизонте в целом изометричны. Горизонтальные поры для недеградированных пахотных горизонтов не характерны.
Полученные результаты показывают, что в ходе благоприятного сельскохозяйственного
освоения происходит агрогенная конвергенция формы и ориентации макропорового пространства суглинистых почв, что отражает агрогенную конвергенцию формы и ориентации почвенных агрегатов. Процессы конвергенции возникают в результате механиче
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.