CC BY
2
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2024. Т. 79. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2024. Vol. 79. No. 3
УДК 631.42 [(ЬсЩЛ^Й
DOI: 10.55959/М8Ш137-0944-17-2024-79-3-88-96
МОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ АГРЕГАТОВ ЧЕРНОЗЕМОВ ТИПИЧНЫХ И ИХ ИЗМЕНЕНИЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ МОДЕЛЬНЫХ РУЧЕЙКОВЫХ ПОТОКОВ
О. О. Плотникова
ФИЦ Почвенный институт имени В.В. Докучаева, 119017, Россия, Москва, Пыжевский пер., д. 7, стр. 2 E-mail: [email protected]
Черноземы — наиболее плодородные почвы России. Большая часть территории Курской области покрыта черноземами, распахана половина территории, приблизительно пятая часть распаханных земель эродированы. В связи с этим актуально изучение различных аспектов эрозионных процессов, затрагивающих черноземы Курской области. Целью работы являлось оценить влияние мелководных потоков на морфоме-трические характеристики агрегатов черноземов типичных разной степени смытости. Проведен ряд модельных эрозионных экспериментов с капиллярно-увлажненными насыпными образцами верхнего 10-сантиметрового слоя гумусового горизонта типичных пахотных черноземов Курской области. Контрольный вариант — сопоставимый образец чернозема типичного участка «Косимая степь» Центрально-Черноземного природного биосферного заповедника имени профессора В.В. Алехина. Определены морфометрические параметры агрегатов почвы, вынесенных модельными потоками с минимальной, средней и максимальной скоростью (0,3, 0,41-0,45 и 0,54-0,58 м-с-1 соответственно). Анализ результатов экспериментов показал, что агрегаты меньших размеров имеют большие показатели округлости, изометричности, меньший показатель изрезанности поверхности. Агрегаты больших размеров, наоборот, менее округлы и изометричны и более изрезанны. При воздействии на насыпной образец почвы модельным мелководным потоком степень округлости и коэффициент изрезанности поверхности агрегата изменяются обратно пропорционально друг другу. На изменение фактора формы и коэффициент изрезанности поверхности агрегатов оказывает влияние как степень смытости почвы, так и скорость потока, причем эти факторы взаимно усиливают влияние друг друга. На степень изометричности агрегатов влияет главным образом степень смытости почвы, но ее влияние усиливается при добавлении фактора скорости. В зависимости от скорости потока влияние его на морфометрические параметры агрегатов различается: в области низких скоростей происходит окатывающее воздействие, в области высоких скоростей — разрушающее. Продолжение подобных исследований позволит расширить представления о механизмах и закономерностях формирования смытых почв.
Ключевые слова: моделирование эрозии, водная эрозия, эродированные почвы, микроморфометрия почв, black soils, эрозионный лоток.
Введение
Проблема деградации черноземов и других почв с черно- и темногумусовым горизонтом (black soils) в результате развития эрозионных процессов по-прежнему остается актуальной во всем мире ввиду того, что такие почвы являются одними из самых плодородных, а следовательно, представляют собой важнейший ресурс в формировании продовольственной безопасности [FAO, 2022], являющейся одним из больших вызовов, стоящих в настоящее время перед нашей страной [Черкасова и др., 2023]. В России эродированные черноземы составляют существенную долю общей площади пахотных черноземов, в том числе и в Курской области [Golosov
et а1., 2021], что обусловливает высокий интерес к изучению и моделированию эрозионных процессов на этих почвах.
Воздействие эрозии на качество почв и вод в последние десятилетия изучается преимущественно на уровне водосборного бассейна с использованием средств дистанционного зондирования Земли [ВаШиа et а1., 2019; Tsymbarovich et а1., 2020; Zhidkin et а1., 2023], изучение эрозии почвы мелководными потоками проводится главным образом с целями определения параметров эрозионных уравнений, таких как критическое напряжение сдвига и коэффициент эродируемости [Knapen et а1., 2007]. Все меньше исследовательского интереса привлекают свойства эродированных почв, работы по изучению
© Плотникова О.О., 2024
их микростроения были и остаются единичными [Бганцов и др., 1988; Чижикова и др., 2010; Плотникова и др., 2018]. К морфометрическим характеристикам эродированных почв, интересующим ученых, относятся прежде всего мощности горизонтов и глубина вскипания от соляной кислоты, а также характеристики порового пространства [Rachman et al., 2005]. В то же время микромор-фометрические параметры эродированных почв остаются пока мало изученными и могут дать новые сведения для понимания механизмов деградации почв под влиянием процессов отрыва, транспорта и отложения элементарных почвенных частиц и агрегатов водными потоками.
Целью настоящей работы является оценка влияния ручейковых потоков на морфометрические характеристики агрегатов черноземов типичных разной степени смытости. Задачи работы: 1) проведение модельных эрозионных экспериментов; 2) изготовление почвенных шлифов из агрегатов фракций, в которые попадает средневзвешенный диаметр агрегатов, влекомых потоками с разной скоростью; 3) оценка морфометрических параметров агрегатов и анализ их изменения в результате воздействия потоков.
Материалы и методы
Объектами исследования являются пахотные горизонты черноземов типичных пахотных не-смытого, слабо- и среднесмытого (согласно Классификации и диагностике почв СССР [Егоров и др., 1977]) — Haplic Chernozem (Aric, Loamic, Pachic) [IUSS Working Group WRB, 2015]. Отбор образцов производился на территории Опытного поля Курского ФАНЦ. В качестве контрольного варианта использованы образцы целинного чернозема типичного, отобранные на территории Центрально-Черноземного природного биосферного заповедника имени профессора В.В. Алехина (участок «Косимая степь»), предоставленные О.Б. Роговой и Е.Ю. Милановским. Для эрозионных экспериментов использовали насыпные образцы верхнего 10-сантиметрового слоя пахотных горизонтов исследуемых почв. Эксперименты по моделированию ручейко-вых потоков проводились на большом эрозионном лотке (БЭЛ). Порядок проведения эрозионных экспериментов и фотография БЭЛ приводятся в работе Плотниковой и др. [2018]. Угол наклона русла лотка и расход воды в потоке подбирали таким образом, чтобы поток оставался мелководным (ручейковым), то есть его глубина не превышала бы 0,015 м, и при этом была бы возможность провести эксперименты в диапазоне скоростей потока от 0,29 до 0,58 м-с"1.
По результатам эрозионных экспериментов рассчитывали средневзвешенный диаметр вынесенных потоком агрегатов почвы. Затем из фракции вынесенных потоком агрегатов, в которую попадал этот диаметр, изготавливались почвенные шлифы.
Также шлифы изготавливались из соответствующей фракции агрегатов образцов, не участвовавших в эрозионных экспериментах. Затем проводилась съемка шлифов с помощью оптического поляризационного микроскопа Olympus ВХ51 с цифровой фотокамерой Olympus DP26 (Olympus, Германия; приборы Центра коллективного пользования научным оборудованием «Функции и свойства почв и почвенного покрова» Почвенного института им. В.В. Докучаева). Полученные снимки бинаризовались полуавтоматическим методом с использованием ПО Adobe Photoshop CS5 при помощи инструмента Magnetic Lasso. Настройки инструмента: растушевка — 0 пк, сглаживание — да, ширина — 5 пк, контрастность — 100%, частота — 57, без уточнения краев. Примеры бинаризованных изображений шлифов представлены на рис. 1.
s (а) s Ii 1 if* Vf S • te) ^ ^ V
<R> ЛЬ 1 а гч ¡1 I X -В-1 о. <Г) Is! т* 1 w Мл -J (з) 1 1
Рис. 1. Бинаризованные изображения шлифов из агрегатов черноземов типичных (Курская область): а-г — до размыва на эрозионном лотке; д-з — влекомые модельными ручейковыми потоками. Увеличение: а, д, в, ж, з — 40х; б, г, е — 20х.
Скорости потока: д — 0,31 м-с-1; е — 0,44 м-с-1; ж — 0,54 м-с-1; з — 0,45 м-с-1 Примечание (для рис.1, 2): контроль — целинный чернозем участка «Косимая степь» ЦЧЗ.
ю о
Описательные статистики фактора формы (ББ), степени изометричности (Я<1п) и коэффициента изрезанности поверхности (и)
типичных Курской области, влекомых модельными ручейковыми потоками
Таблица 1 агрегатов черноземов
Код фракции Фракция, мм V,M-c~1 1V FF Rdn U
X Me Min Max X Me Min Max x8 Me Min Max
CHKOSST.S1.22 1-2 0,31 28 0,57 0,57 0,30 0,79 0,11 0,66 0,66 0,42 0,83 0,10 1,35 1,33 1,12 1,84 0,15
CHKOSST.S3.22 3-5 0,44 16 0,48 0,47 0,24 0,68 0,12 0,55 0,56 0,41 0,72 0,10 1,48 1,46 1,21 2,06 0,22
CHKOSST.S5.23 2-3 0,58 11 0,55 0,54 0,30 0,74 0,12 0,67 0,68 0,54 0,81 0,08 1,38 1,36 1,16 1,82 0,18
CHKOSST.FR. 1_2 1-2 - 27 0,58 0,59 0,34 0,70 0,08 0,61 0,61 0,43 0,80 0,09 1,32 1,30 1,20 1,72 0,11
CHKOSST.FR.2_3 2-3 - 15 0,48 0,47 0,32 0,65 0,12 0,62 0,62 0,43 0,78 0,11 1,47 1,46 1,24 1,77 0,18
CHKOSST.FR.3_5 3-5 - 14 0,44 0,45 0,25 0,64 0,11 0,55 0,54 0,45 0,71 0,07 1,56 1,49 1,25 2,01 0,22
CHNESM.S7.23 2-3 0,55 16 0,48 0,51 0,30 0,63 0,09 0,58 0,59 0,45 0,70 0,09 1,46 1,40 1,26 1,81 0,15
CHNESM.S9.24 1-2 0,41 30 0,63 0,65 0,44 0,86 0,11 0,67 0,70 0,45 0,89 0,11 1,28 1,24 1,08 1,51 0,12
CHNESM.S 10.24 1-2 0,29 16 0,53 0,54 0,41 0,64 0,07 0,59 0,59 0,37 0,76 0,11 1,38 1,37 1,25 1,56 0,09
CHNESM.FR. 1_2 1-2 - 28 0,51 0,53 0,17 0,69 0,12 0,65 0,68 0,45 0,79 0,09 1,45 1,38 1,20 2,40 0,25
CHNESM.FR.2_3 2-3 - 14 0,42 0,46 0,25 0,60 0,13 0,53 0,51 0,40 0,72 0,10 1,60 1,48 1,29 2,00 0,27
CHSLAB.S 12.24 1-2 0,32 22 0,50 0,52 0,22 0,72 0,12 0,56 0,55 0,38 0,77 0,10 1,45 1,39 1,18 2,11 0,23
CHSLAB.S13.24 1-2 0,44 13 0,50 0,47 0,31 0,78 0,15 0,59 0,58 0,38 0,83 0,13 1,46 1,46 1,13 1,79 0,21
CHSLAB.S 14.22 3-5 0,58 19 0,45 0,47 0,28 0,55 0,08 0,52 0,50 0,25 0,72 0,13 1,51 1,45 1,35 1,90 0,16
CHSLAB.FR. 1_2 1-2 - 20 0,57 0,57 0,42 0,67 0,07 0,60 0,60 0,40 0,78 0,09 1,34 1,32 1,22 1,55 0,09
CHSLAB.FR.3_5 3-5 - 33 0,50 0,50 0,33 0,66 0,08 0,56 0,57 0,38 0,74 0,10 1,43 1,42 1,23 1,75 0,12
CHSRED.S17.23 2-3 0,54 51 0,53 0,54 0,33 0,72 0,09 0,56 0,55 0,34 0,79 0,12 1,39 1,36 1,18 1,73 0,13
CHSRED.S18.22 3-5 0,45 14 0,48 0,48 0,31 0,63 0,09 0,56 0,54 0,33 0,80 0,13 1,46 1,45 1,26 1,80 0,14
CHSRED.S20.25 0,5-1 0,32 65 0,61 0,61 0,42 0,75 0,08 0,67 0,68 0,41 0,86 0,09 1,29 1,28 1,16 1,55 0,09
CHSRED.FR.0.5_1 0,5-1 - 87 0,59 0,59 0,40 0,73 0,08 0,64 0,64 0,41 0,84 0,09 1,32 1,30 1,17 1,58 0,09
CHSRED.FR.2_3 2-3 - 15 0,42 0,42 0,28 0,50 0,07 0,53 0,50 0,42 0,72 0,10 1,56 1,53 1,42 1,90 0,14
CHSRED.FR.3_5 3-5 - 13 0,52 0,50 0,43 0,63 0,06 0,63 0,62 0,37 0,80 0,11 1,40 1,41 1,26 1,53 0,08
Примечание. Расшифровка кодов фракций: CHKOSST — чернозем типичный участка «Косимая степь» (ЦЧЗ); CHNESM — чернозем типичный пахотный несмытый; CHSLAB — чернозем типичный пахотный слабосмытый; CHSRED — чернозем типичный пахотный среднесмытый; Sl.22-S20.25 — скорость потока в экспериментах на большом эрозионном лотке (БЭЛ) и номер фракции; S1.22 — 0,31 м-с"1,1-2 мм; S3.22 — 0,44 м/с, 3-5 мм; S5.23 — 0,58 м-с"1,2-3 мм; S7.23 — 0,55 м-с"1,2-3 мм; S9.24 — 0,41 м-с4,1-2 мм; S10.24 — 0,29 м-с"1,1-2 мм; S12.24 — 0,32 м-с1,1-2 мм; S13.24 — 0,44 м-с"1, 1-2 мм; S14.22 — 0,58 м-сч, 3-5 мм; S17.23 — 0,54 м-с"1,2-3 мм; S18.22 — 0,45 м-с"1, 3-5 мм; S20.25 — 0,32 м-сч, 0,5-1 мм; FR — размер фракции агрегатов, не участвовавших в экспериментах на БЭЛ. V — скорость потока, N — объем выборки.
Для получения морфометрических показателей агрегатов бинарные снимки обрабатывали в программе CTan (Bruker, United Kingdom) с помощью функции 2d-анализа изображений. Рассчитывали следующие морфометрические показатели (МП): фактор формы (form factor) — FF, который характеризует степень отличия формы агрегата от окружности, степень изометричности (roundness) — Rdn, показывающая, насколько форма агрегата вытянутая, и коэффициент изрезанности поверхности агрегатов (unevenness) — U, который показывает, насколько неровны, шероховаты границы агрегатов. Формулы расчета МП приведены в работе Плотниковой и др. [2019].
Для морфометрических параметров почвенных агрегатов были рассчитаны описательные статистики. Влияние факторов исходной степени смытости почвы и скорости модельного потока на изменение параметров агрегатов оценивали с помощью многофакторного дисперсионного анализа в программной среде RStudio. Коррекцию уровней значимости выполняли методом [Benjamini, Yekutieli, 2001].
Результаты
Для оценки степени влияния модельных мелководных потоков на морфометрические параметры агрегатов нами были выбраны фракции, соответствующие средневзвешенному диаметру влекомых агрегатов при трех вариантах скорости потока. Варианты скорости подбирали таким образом, чтобы они были приблизительно равны между собой при разных степенях смытости исследуемых почв и по возможности являлись наименьшей, средней и наибольшей из диапазона скоростей размыва образцов на БЭЛ. Стоит отметить, что при исходном воздушно-сухом состоянии образцов выносились чаще всего агрегаты, соответствующие фракциям 0,5-0,25 и <0,25 мм. В связи с недостоверным выделением границ таких мелких агрегатов на снимках шлифов и искажением последующего анализа было принято решение не анализировать влияние размыва на морфометрические параметры этих агрегатов. Таким образом, анализировали агрегаты исходно капиллярно-увлажненных образцов. Для удобства все изучаемые фракции были закодированы. Описательные статистики выборок полученных морфо-метрических показателей представлены в табл. 1.
Среди влекомых потоком агрегатов чернозема косимой степи наименьшим фактором формы характеризуются агрегаты, снесенные потоком при средней скорости, а наибольшим фактором формы — снесенные при минимальной скорости. В случае чернозема пахотного несмытого наименьший FF присущ агрегатам, снесенным при максимальной скорости, а наибольший — снесенным при средней скорости. Среди изученных фракций агрегатов среднесмытого пахотного чернозема наименьший FF соответствует фракции, снесенной потоком
со средней скоростью, а наибольший FF — фракции, снесенной с минимальной скоростью. В целом среди размытых на БЭЛ почв больший FF присущ агрегатам пахотного несмытого чернозема, а меньший — агрегатам слабосмытого чернозема.
Рассматривая фактор формы агрегатов изучаемых почв, не размытых на БЭЛ, можно сказать, что самым большим FF характеризуются фракции 0,5-1 мм среднесмытого пахотного чернозема и 1-2 мм чернозема косимой степи и слабосмытого пахотного. Наименьшим FF характеризуются фракции неразмытых агрегатов размером 2-3 мм несмытого и среднесмытого пахотных черноземов и 3-5 мм чернозема косимой степи.
Рассматривая фактор формы всех изученных фракций черноземов типичных, можно заметить, что независимо от степени смытости почвы и факта размыва образца на БЭЛ наименьшим FF отличаются крупнейшие из изученных фракций — 3-5 мм, а наибольшим FF — наименьшие фракции, 0,5-1 и 1-2 мм. Таким образом, чем крупнее агрегаты, тем они менее изометричны.
Наибольшей степенью изометричности среди фракций агрегатов чернозема косимой степи, размытых на БЭЛ, характеризуются снесенные потоком при максимальной скорости (0,58 м-с-1), а наименьшей — снесенные при средней скорости (0,44 м-с-1). В случае несмытого пахотного чернозема степень изометричности агрегатов, снесенных потоком с минимальной и максимальной скоростями, приблизительно одинакова, а КЛп агрегатов, влекомых потоком средней скорости, максимальна, как и в случае слабосмытого пахотного чернозема. Наибольшая степень изометричности размытых на БЭЛ агрегатов пахотного среднесмытого чернозема соответствует фракции 0,5-1 мм, влекомой потоком при минимальной скорости (0,32 м-с-1).
Среди агрегатов исходных образцов наибольший КЛп характерен для фракций 1-2 мм несмытого и 0,5-1 мм среднесмытого пахотных черноземов, а наименьший КЛп соответствует фракциям 2-3 мм несмытого и среднесмытого пахотных черноземов.
Оценивая степень изометричности агрегатов изученных фракций черноземов типичных, стоит отметить две особенности: 1) как и в случае с фактором формы, наибольшие значения степени изоме-тричности присущи мелким агрегатам — 0,5-1 и 1-2 мм, а вот наименьшие КЛп оказались характерны для фракции 2-3 мм; 2) в большинстве случае КЛп размытых на БЭЛ агрегатов выше, чем КЛп исходных агрегатов.
Из размытых на БЭЛ агрегатов изученных черноземов Курской области по коэффициенту из-резанности поверхности наиболее изрезанными оказались следующие фракции: чернозем косимой степи, 3-5 мм, скорость средняя; слабосмытый пахотный чернозем, 1-2 и 3-5 мм, скорости средняя и максимальная; среднесмытый пахотный черно-
зем, 3-5 мм, скорость средняя. Стоит отметить, что коэффициент изрезанности во всех случаях составляет =1,45-1,46, а в трех случаях из четырех описанных выше наиболее изрезанными являются агрегаты фракции 3-5 мм, самой крупной из изученных.
Наименьшую изрезанность из размытых на БЭЛ имеют фракции: 1-2 мм, чернозем косимой степи, минимальная скорость; 1-2 мм, несмытый пахотный чернозем, средняя скорость; 0,5-1 мм, среднесмытый пахотный чернозем, минимальная скорость.
Размеры фракций, не размытых на БЭЛ, имеющих наибольшую изрезанность поверхности агрегатов: 2-3 и 3-5 мм, косимая степь; 2-3 мм, несмы-тый чернозем; 3-5 мм, слабосмытый чернозем; 2-3 и 3-5 мм, среднесмытый чернозем. Наименьшую изрезанность из исходных фракций имеют: 1-2 мм, косимая степь, и 0,5-1 мм, среднесмытый пахотный чернозем. Нетрудно отметить следующую закономерность: вне зависимости от степени смытости почвы и размыва на БЭЛ, чем крупнее агрегаты,
Таблица 2
Результаты многофакторного дисперсионного анализа значений фактора формы (FF)) степени изометричности (Rdn) и коэффициента изрезанности поверхности (И) агрегатов черноземов типичных Курской области
55 Степени свободы Ив Р
FF
Свободный член 100,72 1 100,72 9862,65 0,000
Смытость 0,12 3 0,04 4,05 0,007
Скорость 0,11 3 0,04 3,68 0,012
Смытостьхскорость 0,61 9 0,07 6,60 0,000
Ошибка 5,63 551 0,01
Rdn
Свободный член 131,93 1 131,93 12271,01 0,000
Смытость 0,16 3 0,05 4,97 0,002
Скорость 0,06 3 0,02 1,81 0,143
Смытостьхскорость 0,47 9 0,05 4,82 0,000
Ошибка 5,92 551 0,01
и
Свободный член 728,44 1 728,44 29622,48 0,000
Смытость 0,31 3 0,10 4,23 0,006
Скорость 0,23 3 0,08 3,07 0,027
Смытостьхскорость 1,34 9 0,15 6,03 0,000
Ошибка 13,55 551 0,02
Примечание. 88 — сумма квадратов, Мв — средний квадрат, Б — Б-критерий, р — уровень значимости. Курсивом отмечены строки, для которых р <а.
тем больше коэффициент изрезанности их поверхности.
Результаты многофакторного дисперсионного анализа для морфометрических параметров агрегатов, влекомых потоком, представлены в табл. 2.
Данные табл. 2 показывают, что на изменение фактора формы агрегатов оказывает влияние как степень смытости почвы, так и скорость, при которой образцы размываются потоком, причем один фактор усиливает влияние другого. С коэффициентом изрезанности поверхности агрегатов ситуация такая же, как и с фактором формы. На изометрич-ность же агрегатов влияние оказывает только степень смытости почвы, но ее влияние усиливается при добавлении фактора скорости. Дисперсионный анализ не показал статистически значимого влияния скорости потока на степень изометричности агрегатов без учета фактора степени смытости исходной почвы. Результаты многофакторного дисперсионного анализа изученных морфометриче-ских параметров графически представлены на рис. 2 и 3. Поскольку, согласно табл. 2, на изометрич-ность агрегатов оказывает влияние больше степень смытости почвы, из которой отобран образец для эксперимента, чем скорость, при которой эксперимент проводился, то рис. 3 построен в координатах смытости, а не скорости.
Согласно рис. 2, фактор формы и коэффициент изрезанности поверхности агрегатов до размыва на лотке значимо отличаются только между не-смытым и среднесмытым черноземом, причем для несмытого чернозема характерен наименьший ББ и наибольший и. При этом в эрозионных экспериментах фактор формы агрегатов несмытого пахотного чернозема вначале увеличивается, достигая наибольших значений при средней скорости потока, а затем резко уменьшается при максимальной скорости потока. Фактор формы агрегатов слабосмы-того чернозема с увеличением скорости модельного мелководного потока уменьшается. Для целинного и среднесмытого пахотного черноземов вид кривой одинаковый: при размыве потоком с наименьшей скоростью ББ больше, чем до эксперимента; затем при средней скорости потока ББ резко становится меньше и вновь увеличивается при максимальной скорости потока. Графики изменения коэффициента изрезанности поверхности агрегатов выглядят полностью противоположно графикам изменения фактора формы, то есть чем больше фактор формы, тем меньше изрезанность, и наоборот.
Показатель степени изометричности агрегатов всех почв до размыва на БЭЛ значимо не отличался (рис. 3). При минимальной скорости потока степень изометричности агрегатов уменьшается от целинной к слабосмытому подразряду, а затем снова увеличивается для среднесмытого подразряда. При средней скорости потока степень изометричности агрегатов увеличивается от целинной к несмыто-
К
0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40
1 к \
т 1у 1 / \ ч \ \ \ \ т
т ^— ✓ ✓ к х \ п у •I
1 ✓* К1 \
1,6
1,5
1,4
1,6
1,2
£ Контроль ^ Несмытый чернозем
^ Слабосмытый чернозем £ Среднесмытый чернозем
Рис. 2. Изменение средних значений фактора формы (FF) и коэффициента изрезанности поверхности (и) агрегатов черноземов типичных (Курская область) с увеличением скорости модельного мелководного потока. Обозначения скорости: 0 — контроль до размыва (нет скорости), 1 — минимальная, 2 — средняя, 3 — максимальная. Вертикальные столбцы равны 0,95 доверительных интервалов
и
му пахотному подразряду, затем уменьшается для слабо- и среднесмытого подразряда, причем значимо не отличается между целинным, слабо- и средне-смытым подразрядом. При максимальной скорости потока закономерность похожа на описанную для контроля и минимальной скорости.
0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45
0 12 3
Контроль ^ Скорость 2
Скорость 1 £ Скорость 3
Рис. 3. Изменение средних значений степени изомет-
ричности (КЛп) агрегатов черноземов типичных (Курская область) с увеличением степени смытости исходной почвы Обозначения смытости: 0 — целинный чернозем участка «Косимая степь» ЦЧЗ; 1, 2, 3 — несмытый, слабосмытый, среднесмытый пахотные черноземы соответственно.
Обозначения скорости: контроль — до размыва (нет скорости), скорость 1 — минимальная, скорость 2 — средняя, скорость 3 — максимальная. Вертикальные столбцы равны 0,95 доверительных интервалов
Обсуждение
При анализе всех морфометрических параметров агрегатов, влекомых мелководными модельными потоками, заметна общая тенденция — чем меньше по размеру агрегаты чернозема типичного, тем более они округлы, изометричны и менее изрезанны, и наоборот. Также можно отметить, что показатель степени округлости и коэффициент изрезанности поверхности агрегатов черноземов типичных обратно пропорциональны друг другу для всех изученных почв.
Согласно рис. 2, можно обратить внимание, что для всех подразрядов чернозема типичного, чьи агрегаты были изучены, изменение скорости мелководного потока на морфометрические параметры агрегатов сказывается по-разному. Это наводит на предположение, что для получения более согласованных между собой закономерностей необходимо менять схему эксперимента: изучать влияние скорости потока на каждую размерную фракцию агрегатов изолированно либо увеличивать диапазон изучаемых скоростей, делая его более дробным, а изменение скорости — более плавным.
Отметим, что при минимальной скорости потока фактор формы относительно больше, чем в контрольном варианте, для всех изученных под-разрядов чернозема, кроме слабосмытого. Из этого можно заключить, что небольшие эрозионные события, формирующие потоки с небольшой скоростью (около 0,3 м-с-1), не оказывают существенного разрушающего влияния на агрегаты (диаметр влекомых агрегатов чаще всего 2-3 мм). В то же время при увеличении скорости потока существенно меняются и диаметры влекомых агрегатов, и их степень изометричности, и коэффициент изре-
Кап
занности поверхности, причем эти изменения неодинаковы для изученных подразрядов типичного чернозема. Вероятнее всего, это связано с разницей в характеристиках самих потоков — их турбулентности, касательного напряжения сдвига. Эти характеристики с увеличением скорости потока увеличиваются [Чалов, 2016]. А поскольку чем выше напряжение сдвига, тем больше энергия отрыва частиц и тем больше, соответственно, воздействие потока на частицу [Ларионов и др., 2000], то можно предположить, что для сохранности или разрушения гетерогенных почвенных частиц скорость потока имеет критическое значение. Данные рассуждения косвенно подтверждаются результатами работы коллектива Научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов имени Н.И. Маккавеева (географический факультет МГУ). Они показали, что для монофракционной почвы (фракция агрегатов 1-2 мм) существуют две области скоростей водных потоков, в которых величины эродируемости резко различаются [Ларионов и др., 2019].
В то же время в случае с показателем изоме-тричности закономерности его изменения в зависимости от степени смытости почвы более схожи между собой, сильно выбивается только средняя скорость модельного потока. Отмечается, что с появлением сельскохозяйственной обработки и смытости изометричность агрегатов уменьшается, однако затем с увеличением смытости до средней агрегаты снова становятся более изометрич-ными. Причем для среднесмытого чернозема при минимальной скорости изометричность агрегатов становится даже немного больше, чем до размыва, зато при средней и максимальной скоростях изометричность существенно уменьшается. Можно предположить, что при этих скоростях в водном потоке создаются такие режимы, когда агрегаты почвы не катятся по дну, а перемещаются скачкообразно [Lee et al., 2006], что приводит к их сильному разрушению и уменьшению изомет-ричности.
Заключение
В результате определения морфометрических параметров агрегатов черноземов типичных, вынесенных модельными потоками при минимальной, средней и максимальной скоростях (0,3, 0,41-0,45 и 0,54-0,58 м-с-1 соответственно), можно сделать следующие выводы:
1. Агрегаты меньших размеров имеют большие показатели округлости, изометричности, меньший показатель изрезанности поверхности. Агрегаты больших размеров, наоборот, менее округлы и изо-метричны и более изрезанны.
2. При воздействии на насыпной образец почвы модельным мелководным потоком степень округлости и коэффициент изрезанности поверхно-
сти агрегата изменяются обратно пропорционально друг другу.
3. На изменение фактора формы и коэффициент изрезанности поверхности агрегатов оказывает влияние как степень смытости почвы, так и скорость потока, причем эти факторы взаимно усиливают влияние друг друга. На степень изометрич-ности агрегатов влияет главным образом степень смытости почвы, но ее влияние усиливается при добавлении фактора скорости.
4. В зависимости от скорости потока влияние его на морфометрические параметры агрегатов различается: в области низких скоростей происходит окатывающее воздействие, в области высоких скоростей — разрушающее.
В заключение можно отметить, что в результате проведенного исследования получены новые знания о воздействии потоков с разной скоростью на агрегаты реальной почвы, а не модельных смесей. Однако требуется продолжение и расширение схемы эксперимента для формулирования более четких закономерностей. В будущем предлагается увеличить диапазон скоростей потока и использовать в экспериментах различные размерные фракции агрегатов изолированно друг от друга. Это позволит развить представления о механизмах и закономерностях формирования смытых почв.
Информация о финансировании работы
Данная работа финансировалась за счет средств бюджета Почвенного института им. В.В. Докучаева (тема НИР 0439-2022-0013). Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.
Благодарность
Автор выражает благодарность В.В. Демидову за помощь в проведении эрозионных экспериментов, М.А. Лебедеву за изготовление почвенных шлифов, М.П. Лебедевой, И.А. Фастовцу и Е.Б. Скворцовой за консультации.
СОБЛЮДЕНИЕ
ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ
В данной работе отсутствуют исследования человека или животных.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бганцов В.Н., Мосолова А.И., Санжарова С.И. и др. Микроморфологические исследования влияния полимерных препаратов на структурное состояние типичного чернозема // Микроморфология антропогенно измененных почв. М., 1988.
2. Егоров В.В., Фридланд В.М., Иванова Е.Н. и др. Классификация и диагностика почв СССР. М., 1977.
3. Ларионов Г.А., Добровольская Н.Г., Кирюхина З.П. и др. Эродирующая и транспортирующая способность мелководных потоков // Эрозия почв и русловые процессы. М., 2000. Вып. 12.
4. Ларионов Г.А., Горобец А.В., Добровольская Н.Г. и др. Эродируемость модельной почвы в широком диапазоне скоростей водного потока // Почвоведение. 2019. № 10.
5. Плотникова О.О., Демидов В.В., Лебедева М.П. Действие мелководных потоков на поверхностные горизонты чернозема типичного различной степени смыто-сти // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2018. Вып. 91.
6. Плотникова О.О., Лебедева М.П., Демидов В.В. и др. Сравнение микроморфометрических показателей агрегатов несмытого и среднесмытого пахотного чернозема типичного в лабораторном эрозионном эксперименте // Почвоведение. 2019. № 10.
7. Чалов Р.С. Русловые процессы (русловедение). М., 2016.
8. Черкасова О.В., Строков А.С., Цветнов Е.В., Карпова Д.В., Беляева М.В., Чекин М.Р., Марахова Н.А. Вопросы оценки продовольственной безопасности в Российской Федерации // Вестн. Моск. ун-та. Серия 17. Почвоведение. 2023. № 2.
9. Чижикова Н.П., Лебедева (Верба) М.П., Лебедев М.А. Минералогический состав и микростроение почв аккумулятивно-денудационного ландшафта северной части лесостепи и сносимого при эрозии материала // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2010. Вып. 65.
10. Fu B, Merritt W.S., Croke B.F.W., Weber T.R., Jake-man A.J. et al. A review of catchment-scale water quality and erosion models and a synthesis of future prospects // Environmental Modelling & Software. 2019. Vol. 114.
11. Benjamini Y., Yekutieli D. The control of the false discovery rate in multiple testing under dependency // Annals of Statistics. 2001. Vol. 29, № 4.
12. FAO. 2022. Global status of black soils. Rome. https://doi.org/10.4060/cc3124en
13. Golosov V.N., DobrovolskayaN.G., Sidorchuk A.Y. et al. Soil loss on the arable lands of the forest-steppe and steppe zones of European Russia and Siberia during the period of intensive agriculture // Geoderma. 2021. Vol. 381.
14. Lee H.-Y., Lin Y.-T., Yunyou J. et al. On three-dimensional continuous saltating process of sediment particles near the channel bed // Journal of Hydraul. Res. 2006. Vol. 44, № 3.
15. Knapen A., Poesen J., Govers G. et al. Resistance of soils to concentrated flow erosion: A review // Earth-Science Reviews. 2007. Vol. 80, № 1-2.
16. Rachman A., Anderson S.H., Gantzer C.J. Comput-ed-Tomographic Measurement of Soil Macroporosity Parameters as Affected by Stiff-Stemmed Grass Hedges // Soil Sci. Soc. Am. J. 2005. Vol. 69.
17. Tsymbarovich P., Kust G., Golosov V. et al. Soil erosion: An important indicator for the assessment of land degradation neutrality in Russia // International Soil and Water Conservation Research. 2020. Vol. 8, № 4.
18. IUSS Working Group WRB. 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.
19. Zhidkin A.P., Komissarov M.A., Shamshurina E.N. et al. Soil Erosion in the Central Russian Upland: A Review // Eurasian Soil Science. 2023. Vol. 56, № 2.
Поступила в редакцию 01.02.2024 После доработки 24.03.2024 Принята к публикации 24.04.2024
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2024. Т. 79. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2024. Vol. 79. No. 3
MORPHOMETRIC PARAMETERS OF TYPICAL CHERNOZEM AGGREGATES AND THEIR CHANGES AFTER THE INFLUENCE OF MODEL SHALLOW-WATER FLOWS
O. O. Plotnikova
The aim of the work was to evaluate the effect of shallow-water flows on the morphometric characteristics of aggregates of typical Chernozems of varying degrees of erosion. A number of model erosion experiments were carried out with capillary-moistened bulk samples of the upper 10-centimeter layer of the humus horizon of typical plowed Chernozems of the Kursk region. The control variant is a comparable sample of chernozem from a typical site of the virgin steppe Chernozem in the Central Black Earth State Natural Biosphere Reserve named after Professor V.V. Alekhin. Morphometric parameters of soil aggregates transported by model flows with minimum, average and maximum velocity (0,3, 0,41-0,45 and 0,54-0,58 m-s-1, respectively) were determined. It was shown that smaller aggregates have higher form factor, roundness, and a lower edge unevenness. Larger aggregates, on the contrary, are less rounded and isometric and have higher unevenness. In erosion experiments with shallow-water flows, roundness and unevenness of the aggregate surface change inversely to each other. The change in form factor and unevenness is influenced by both the degree of soil erosion and the flow rate, and these factors mutually enhance the influence of each other. Aggregate roundness is mainly influenced by the degree of soil erosion, but its effect is enhanced by the addition of a flow rate factor. Depending on the flow rate, its effect on the morphometric parameters of aggregates varies: in the area of low speeds, a rolling effect occurs, in the area of high speeds, a destructive one. The continuation and expansion of such studies will expand the understanding of the mechanisms and patterns of formation of washed soils.
Keywords: erosion modelling, water erosion, eroded soils, erosion flume, soil micromorphometry, black soils.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Плотникова Оксана Олеговна, канд. биол. наук, науч. сотр. лаборатории минералогии и микроморфологии почв ФГБНУ ФИЦ «Почвенный институт им. В.В. Докучаева», e-mail: [email protected]
© Plotnikova O.O., 2024
