ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 9, с. 1061-1072
К 100-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ Г.В. ДОБРОВОЛЬСКОГО
УДК 631.4
ВАРЬИРОВАНИЕ МИКРОМОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТРОЕНИЯ ПОР В СУГЛИНИСТЫХ ПОЧВАХ ЮЖНОЙ ТАЙГИ И ЛЕСОСТЕПИ ЕВРОПЕЙСКОЙ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ*
© 2015 г. Е. Б. Скворцова1, В. А. Рожков1, В. Н. Щепотьев1, В. Н. Дмитренко1,
З. Н. Тюгай2, С. Ф. Хохлов1
Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7, стр. 2 2Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119899, Москва, Ленинские горы
e-mail: eskvora@mail.ru Поступила в редакцию 06.02.2015 г.
В развитие идей Г.В. Добровольского о пространственной изменчивости микроскопических признаков почвы исследована внутригоризонтная и профильная вариабельность показателей строения видимых в шлифах пор d = 0.2—2.0 мм в траншеях длиной 4 м и глубиной 1.5—1.8 м, заложенных на целинных дерново-подзолистых и серых лесных почвах Московской и Тульской областей России. Показано, что большинство микроморфометрических показателей почвенных пор имеет среднюю и высокую внутригоризонтную вариабельность (коэффициент вариации V = 11—33%). Минимальное варьирование характерно для величины среднего фактора формы пор в шлифе (V = 5—14%), что указывает на внутригоризонтную стабильность формы порового пространства почвы. Проведено сравнение профильного варьирования геометрических параметров пор в исследованных почвах. В качестве дополнительной характеристики рассмотрено варьирование параметров пор в пределах шлифов как отдельных объектов исследования.
Ключевые слова: варьирование, поровое пространство почвы, форма почвенных пор, микроморфология, микроморфометрия.
Б01: 10.7868/80032180X15090105
ВВЕДЕНИЕ
Проблема пространственной изменчивости почвенных свойств актуальна для разных уровней организации почвы и почвенного покрова. В рамках этой проблемы накоплено множество фактических данных, проведены различные теоретические обобщения [3, 7, 10, 12, 16, 27, 33]. В то же время в дополнение к проведенным исследованиям по-прежнему актуально получение новых сведений о пространственном варьировании свойств почвы, в первую очередь об изменчивости редких и малоизученных почвенных показателей.
К числу таких малоизученных показателей относится морфологические показатели строения пор [21]. Для количественной характеристики строения пор используют морфометрические данные: величины линейных размеров, периметра, габаритов пор, различные соотношения этих и других показателей. Для получения морфометри-ческих данных используют натурные измерения,
* Выполнена при финансовой поддержке РНФ, проект № 14-16-00065 и РФФИ, проекты № 10-04-00353а и № 13-04-00409а.
а также различные варианты лабораторного анализа микроморфологических шлифов, рентгеновских проекций, трехмерных реконструкций, растровых электронных изображений.
В зависимости от масштаба исследования выделяют почвенные крипто- и микропоры < < 0.03 мм), мезопоры (^ = 0.03—0.75 мм), макропоры (^ > 0.75 мм) [23]. Последние подразделяются разными авторами на очень тонкие (^ = = 0.75—1 мм), тонкие (^ = 1—2 мм), средние (^ = = 2—5 мм) и грубые (^ > 5 мм) макропоры [15]. Наиболее тонкие поры исследуют методами электронной микроскопии [5, 19]. Многие макропоры и трещины доступны измерению в полевых условиях [6, 20]. Однако большинство мор-фометрических исследований посвящено порам d = 0.03—2 мм, которые хорошо видны в микроморфологических шлифах или рентгеновских изображениях малоформатных образцов (3 х х 4 см).
Пространственная изменчивость таких малоформатных визуальных изображений почвы изучена явно недостаточно. Хотя еще в 1977 г. академик Г.В. Добровольский, один из основоположни-
ков российской почвенной микроморфологии, указывал на необходимость и важность анализа вариабельности микроморфологических показателей [4]. Несмотря на активное развитие микротомографических исследований порового пространства [2, 29], статистический анализ плоских срезов (в том числе шлифов) в настоящее время не потерял своей актуальности [8, 9, 21]. В двумерных срезах поровое пространство выглядит более дискретным, что позволяет увеличить разнообразие морфометрических показателей, доступных для измерения. Недостатки двумерных изображений, которые особенно заметны при анизометричном строении пор, компенсируются правильно выбранной ориентировкой срезов и их большим количеством [18].
Уже на ранних этапах развития микроморфо-метрии многие авторы уделяли внимание проблеме численности шлифов, необходимой и достаточной для получения достоверных результатов [1, 13, 24, 25, 27, 31]. По полученным данным, при изучении видимых в шлифах пор необходимый объем выборки колебался от 4—6 до 20—30 и даже 100 шлифов. Такие различия в объемах выборок обусловлены как генетическим разнообразием почв, так и различиями в применяемых методах подсчета пористости. Сказываются также неодинаковые уровни значимости, принятые разными авторами. Необходимый объем выборки может зависеть также от вида изучаемых морфометрических параметров. Так, было показано, что в пахотном черноземе типичном изменчивость формы пор в пределах генетических горизонтов ниже, чем изменчивость их размеров. При этом для оценки формы пор с вероятностью 90% достаточно 2—4 шлифов [17].
Опубликованные материалы указывают на то, что пространственная изменчивость строения пор в шлифах подчиняется общим закономерностям, выявленным для других почвенных свойств: показатели варьирования зависят от размера образцов, от системы их отбора, от условий проведения анализа [26]. Разными авторами установлено, что варьирование морфометрических показателей пор в пределах одного разреза может оказаться выше, чем между различными разрезами [32]. Внутригоризонтное варьирование средних по шлифу морфометрических показателей для пор диаметром 0.1—2 мм в целом больше, чем для пор d = 0.03—0.1 мм [17]. Выявлена зависимость степени варьирования пор от размера образца в ряду: микромонолит Кубиены—шлиф—поле зрения в шлифе. Показано, что с уменьшением формата образца варьирование суммарной площади пор возрастает, а формы пор — не изменяется или уменьшается [30]. В то же время отмечено, что пространственная изменчивость строения пор весьма специфична, что осложняет экстраполяцию полученных данных на почвы разного типа.
В частности установлено, что варьирование суммарной площади и формы макропор в пахотных почвах существенно отличается от аналогичных показателей для почв пастбищ [30].
Главной особенностью шлифов как индивидуальных элементов опробования при анализе вариабельности является их собственная (в пределах шлифа) неоднородность. По схеме М.В. Раца в модификации В.П. Самсоновой шлиф или малоформатное 3D-изображение отражают микронеоднородность почвы, поскольку включают мелкие компоненты, которые на 2—3 порядка меньше размеров элемента опробования [16]. Благодаря этому анализ шлифов или малоформатных 3D-изображений позволяет охарактеризовать изменчивость пор не только на горизонт-ном, профильном уровне и уровне почвенного покрова (в выборках, состоящих из множества шлифов как элементов опробования), но также на агрегатном уровне и уровне элементарных почвенных частиц (ЭПЧ) (в пределах шлифа в выборках, состоящих из видимых в шлифе пор).
Цель проведенных исследований заключается в установлении масштабов варьирования микро-морфометрических показателей видимых в шлифах тонких макропор ^ = 0.2—2.0 мм) в пределах элементарных почвенных ареалов основных зональных почв южной тайги и лесостепи (дерново-подзолистых и серых лесных).
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Изготовлены и исследованы методом компьютерного анализа изображения 150 шлифов вертикальной ориентации, характеризующих микростроение пор в основных генетических горизонтах дерново-подзолистых и серых лесных почв.
2. В местах отбора микроморфологических образцов определены величины плотности и общей пористости почвы, сопротивления пенетрации и содержания органического углерода.
3. Определены коэффициенты вариации 13-ти микроморфометрических показателей почвенных пор в шлифах, а также физических свойств почвы и содержания углерода.
4. Проведен сравнительный анализ изменчивости отдельных морфометрических показателей, усредненного фактора формы пор в шлифах, физических свойств и содержания углерода в генетических горизонтах и в профилях исследованных почв.
5. Исследовано варьирование площади и линейных размеров пор в пределах шлифов.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Изменчивость порового пространства изучали в дерново-подзолистой почве под ельником
сложным в районе д. Дарьино Московской обл. и в серой лесной почве под широколиственным лесом Тульских засек в районе с. Крапивна Тульской обл. Российской Федерации. В генетических горизонтах указанных почв представлены основные типы агрегатных структур, характерные для суглинистых почв южной тайги и лесостепи (комковатая, зернистая, пластинчатая, ореховатая, призматическая, массивная), и их переходные формы. Соответственно, в почвенной массе присутствуют различные формы порового пространства, характерные для данных структур.
Исследовали шлифы вертикальной ориентации, выполненные в 15-кратной повторности по горизонтальным линиям опробования с постоянным шагом в 25 см из основных генетических горизонтов в пределах четырехметровых траншей глубиной 1.5—1.8 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.
Изображения некоторых исследованных шлифов приведены на рис. 1. Методом компьютерного анализа изображения в каждом шлифе измеряли морфометрические показатели всех видимых в поле зрения тонких почвенных макропор ^ = = 0.2—2.0 мм). Поры данного размера в суглинистых почвах характеризуются наибольшим разнообразием форм. Формат поля зрения для всех шлифов составлял 2 х 2 см. Количество измеренных пор (объем выборки) варьировал от 50— 100 штук в гор. С и от 200 до 500 штук в гор. ЛУ. Для каждой поры измеряли ее площадь (¿), периметр (Р
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.