CC BY
0
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2023. Т. 78. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2023. Vol. 78. No. 3
УДК 631.43
DOI:10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-3-115-124
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ РАЗНОГО ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ ГОРОДСКОГО ОКРУГА СЫКТЫВКАР РЕСПУБЛИКИ КОМИ
Л. И. Аракелова1*, А. Б. Умарова1, Д. Д. Хайдапова1, М. А. Бутылкина1, З. С. Ежелев1, А. В. Федотова2
1 МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, 119991, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12
2 Астраханский государственный университет имени В.Н. Татищева, 416540, Россия, Астрахань, ул. Татищева, д. 22 * E-mail: laraarakelova@yandex.ru
Исследованы механические характеристики почв одного генезиса и разного землепользования г. Сыктывкар: агродерново-подзолистая урби-стратифицированная почва в черте города, постагрозем парковой почвы, подзолистая почва пригородной территории. Проведен анализ их взаимосвязи с содержанием органического вещества и гранулометрическим составом. В агродерново-подзолистой урби-стратифицированной почве прочностные свойства в большей степени обусловлены содержанием крупных гранулометрических фракций (>0,25 мм), а в подзолистой почве — содержанием органического вещества. Были выстроены ряды почв по значениям реологических параметров. Прочность структурных связей, оцениваемая параметром начального модуля упругости, наибольшая у подзолистой почвы. Широким диапазоном линейного вязкоупругого состояния выделяются горизонты агродерново-подзолистой урби-стратифицированной почвы. И пост-агрозем, и подзолистая почва имеют одинаковые средние значения точки начала области вязкого течения.
Ключевые слова: подзолистые почвы, городские почвы, почвенная структура, деформация, гранулометрический состав, органическое вещество, упругость, область вязкого течения, реометр.
Введение
Реологические свойства почвы как дисперсной системы являются характеристиками почвенной структуры и определяют ее устойчивость к внешним нагрузкам. Реологическое поведение почв, по сути, отражает не только размер и форму почвенных частиц, но и различные типы связи между ними. Чувствительность реологических параметров к изменениям свойств твердой фазы почв, в первую очередь ее микроструктурных характеристик [Сус-ленкова и др., 2018], обусловливает интерес исследователей к изучению почв разного генезиса, землепользования, в том числе городских территорий.
Метод реометрии позволяет оценивать структуру почв параметрами прочности межчастичных связей. Он широко используется для изучения микроструктурной прочности почв и понимания природы процессов взаимодействия твердых частиц и почвенной влаги, механизмов агрегации, прочности и стабильности микроструктуры, обусловленных целым комплексом физических, химических, минералогических и микробиологических свойств почвенной системы [Ferreira et al., 2022].
Одним из важнейших свойств почв, обусловливающих реологическое или деформационное поведение почв, является содержание и состав органического вещества. Наряду с известным улучше-
нием агрохимических и физических свойства почв при росте содержания органического вещества оптимизируется структурное состояние почв за счет улучшения упругопластических свойств [Кузнецова, 1998; Шеин, Милановский, 2003; Six et al., 2000, 2004]. Органическое вещество способно менять свойства поверхности твердой фазы путем формирования различных пленок. Одновременно оно является одним из основных структурообразователей и служит своего рода «клеем», который обеспечивает адгезию частиц при образовании почвенных агрегатов. В работе В.И. Даниловой с соавторами [1994] обсуждаются механизмы влияния органического вещества на микрооструктуренность. Авторами показано, что поверхностно-активные органические вещества на поверхности частиц препятствуют образованию ближних коагуляционных контактов, способствуют микрооструктуренности и придают почвенным частицам водопрочность, что подтверждается исследованиями ряда авторов [Шрамм, 2003; Хайдапова и др., 2016; Markgraf, Horn, 2006; Markgraf et al., 2011]. Устойчивость почв к воздействию воды в том числе может быть обусловлена силами, предотвращающими возникновение высоких давлений расклинивания и быстрое попадание воды в поры [Хайдапова и др., 2014]. Важным фактором, влияющим на реологические показатели, по мнению ряда ученых, является гранулометрический состав почв
© Аракелова Л.И., Умарова А.Б., Хайдапова Д.Д., Бутылкина М.А., Ежелев З.С., Федотова А.В., 2023 |
BY-NC
[Sillanpaa, Webber, 1961; Edwards et al., 1967; Lehrsch, 1998]. Показано, что макроагрегаты почв с большим содержанием глины менее уязвимы к механическому воздействию в процессах замораживания-оттаивания. Отметим и сложности исследования северных почв, т. к. коагуляционная структура и деформационные свойства таких почв имеют сложную природу, обусловленную многокомпонентным составом почв и большим разнообразием происходящих в них процессов [Холопов и др., 2018].
Деградация почв вследствие антропогенного воздействия ведет к снижению их механической устойчивости. Этот вопрос традиционно изучается для сельскохозяйственных почв, в том числе и в рамках развития сельского хозяйства на северных территориях России [Иванов, Иванова, 2017]. Однако в последние годы в связи с ростом площадей урбанизированных территорий повышается интерес к изучению устойчивости городских почв. Территории городов подвержены целому комплексу негативных факторов, ведущих к стремительной деградации почв. При анализе их устойчивости многими авторами в первую очередь изучается содержание органического вещества, его качественные характеристики, причем выбор городских почвенных объектов базируется на большом разнообразии органических компонентов почв и высоких скоростях их трансформации, что позволяет регистрировать изменения твердой фазы почв в короткие сроки [Вайгель и др., 2014; Bekier et al., 2023]. В работе Бекьера с соавторами [Bekier et al., 2023] показано, что антропогенное воздействие различной степени увеличивало содержание органического углерода в поверхностных горизонтах городских почв центральной части г. Вроцлава и снижало разложение органического вещества. При антропогенном воздействии в его составе преобладала негидролизую-щаяся, остаточная углеродная фракция, особенно гумины, что свидетельствует о наличии соединений, устойчивых к биотрансформации. В городских почвах для усиления трансформации органического вещества в более зрелые и устойчивые формы, по мнению ряда авторов, необходимо предпринимать специальные действия [Burghardt, 1994; Biasioli et al., 2006; Kaluza-Haladyn, 2019], как, например, внесение органических удобрений в виде компостов, что дает возможность обеспечивать устойчивость почв к внешним воздействиям в течение продолжительного периода времени. Поэтому рациональное использование городских почв должно базироваться на улучшении качественных и количественных показателей почвенного органического вещества [Bekier et al., 2023].
Интерес представляют почвы северных регионов с невысоким содержанием органического вещества и зачастую со слабой степенью его разложения. Эти территории характеризуются длительными периодами отрицательных температур воздуха и
многократными фазовыми переходами почвенной влаги при промерзании почв, что ведет к механическим повреждениям структуры и деформационным процессам, обусловливающим специфику реологического поведения почв. Л.П. Абруковой [1970] и И.В. Забоевой [1975] было положено начало изучения реологических свойств почв Республики Коми в 70-х годах XX века. Так, Л.П. Абруковой были детально рассмотрены процессы тиксотро-пии в тундрово-глеевых почвах юго-восточной части Большеземельской тундры в окрестностях г. Воркута. Усиление проявления тиксотропных свойств в подзональном ряду полугидроморфных подзолистых почв при продвижении к северу отмечено в работе И.В. Забоевой. Авторы связали тиксотропность северных почв с длительностью их переувлажнения в течение вегетационного периода, а также с качественными особенностями органического вещества в их составе: преобладанием органического вещества фульватного типа, играющего роль стабилизатора, а не коагулятора коллоидной части почв. В работе Ю.В. Холопова с соавторами [2018] также отмечается, что деформационные свойства, в частности тиксотропия и плы-вунность, характерны для переувлажненных почв с ярко выраженной сезонностью погодных условий. Кроме того, при исследовании подзолистых почв северных территорий европейской части РФ авторы указали на сложный характер их генезиса и распространения, связанный с распределением водно-ледниковых отложений пылевато-суглинистого гранулометрического состава. Это нашло отражение в значениях реологических показателей исследованных почв: при продвижении к северу таежной зоны происходит заметное снижение устойчивости почвенной микроструктуры к механическим воздействиям с формированием более хрупких межчастичных связей [Холопов и др., 2018].
Работами зарубежных исследователей выявлена разница в устойчивости макро- и микроагрегатов к промерзанию. Было обнаружено [Six et al., 2004], что макроагрегаты более восприимчивы к разрушению при промерзании, чем микроагрегаты, более того, наблюдалось повышение устойчивости микроагрегатов при замораживании в условиях высокой влажности. На микроструктурном уровне была доказана различная устойчивость агрегатов к разрушающему воздействию увлажнения и колебаний температуры [Скворцова и др., 2018].
Однако механическая устойчивость городских почв северных регионов очень слабо изучена, несмотря на высокую актуальность этого вопроса для промерзающих почв при строительстве зданий и дорог, для решения вопросов создания здоровой городской среды путем озеленения территорий. Поэтому целью данной работы стало определение реологических характеристик урбанозема г. Сыктывкар в сравнительном анализе со слабоизменен-
ной парковой почвой и подзолистой почвой пригородной территории. Были поставлены следующие задачи: 1) определить гранулометрический состав и содержание углерода исследуемых почв как важных структурообразующих параметров, влияющих на механическое поведение почвы; 2) определить реологические характеристики исследуемых почв: начальный модуль накопления (модуль упругости), G' (Па); диапазон линейного вязкоупругого состояния — LVE-range (%); точку пересечения модулей накопления (упругости) и потерь (вязкости) — точка начала области вязкого течения — Crossover; 3) выяснить значимость влияния содержания отдельных гранулометрических фракций и содержания органического углерода на реологические характеристики почв; 4) выявить зависимость деформационных свойств почвы от условий ее землепользования.
Материалы и методы
Климат г. Сыктывкар характеризуется как переходный от морского к континентальному, отличительными чертами которого являются низкая температура воздуха зимой и невысокая летом, высокая влажность воздуха, и в целом имеет неустойчивые погодные условия в течение года [Природно-климатическая характеристика..., 2012]. Средняя месячная температура воздуха самого теплого месяца июля составляет 16,6°С, самого холодного января — -15,1°С. Зима продолжительная и довольно суровая. Зимний сезон длится около пяти месяцев: с конца третьей декады октября до середины третьей декады марта. Снежный покров предохраняет почву от глубокого промерзания, его средняя высота по данным снегомерной съемки в лесу составляет 70 см. Весна, как правило, затяжная и прохладная с частыми возвратами холодов. Лето, продолжительностью около трех месяцев начиная с третьей декады мая — короткое, умеренно теплое. Осень характеризуется ранними заморозками, оживлением атмосферной циркуляции, увеличением повторяемости сплошной облачности и сокращением часов солнечного сияния [Природно-климатическая характеристика., 2012].
Объектом исследования были выбраны следующие варианты почв.
Почва 1. Почва в зоне застройки, представленная агродерново-подзолистой урби-стратифици-рованной ненасыщенной крайне мелкой среднесу-глинистой почвой на покровном суглинке (Dystric Albic Retisol (Aric, Novic, Prototechnic, Loamic)). Почвенный разрез был заложен на станции Юннатов, координаты: 61.41156, 50.48486.
Почва 2. Парковая почва, представленная постагроземом текстурно-дифференцированным, среднепахотным, профильно оглееным легко суглинистым на водно-ледниковых отложениях (Stagnic Glossic Retisol (Loamic, Aric, Cutanic)). Разрез также
был заложен на станции Юннатов в парковой ее части, координаты: 61.688467, 50.812737. Данная почва прежде подвергалась вспашке, однако в последние годы она не обрабатывается.
Почва 3. Почва пригородной территории — подзолистая перегнойная с микропрофилем подзола ненасыщенная крайне мелкая сверхглубоко осветленная супесчано/тяжелосуглинистая на покровном суглинке (Dystric Albic Retisol (Abruptic, Loamic, Protospodic)). Разрез был заложен рядом с территорией почвенного стационара института Биологии Коми РАН, координаты: 61.6618056, 50.68775.
Названия почв даны в соответствии с принципами диагностики и классификации почв России 2004 г. [Классификация., 2004] и с Полевым определителем почв России [Полевой определитель., 2008]. Для классификации городских почв использовали также классификационные разработки группы авторов — предложение по включению городских почв в Классификацию почв России [Прокофьева и др., 2014].
Определение содержания общего углерода проводилось на экспресс-анализаторе АН-7529 методом сжигания в потоке кислорода [Милановский, 2011]. Гранулометрический состав был определен методом лазерной дифракции [Милановский, 2011] на лазерном анализаторе размеров частиц Mastersizer 3000e (Malvern, UK), подготовка проб осуществлялась при помощи ультразвукового дис-пергатора зондового типа Digital Sonifier S-250D (Branson Ultrasonics, USA). Реологические параметры насыпных образцов почв, предварительно просеянных через сито 1 мм и подвергшихся суточному капиллярному увлажнению, определялись методом амплитудной развертки на модульном компактном реометре MCR-302 (Anton Paar, Австрия) в трехкратной повторности. Анализ данных вели по средним величинам [Хайдапова и др., 2016].
Средние значения реологических параметров (G', Crossover) для горизонтов сравнивались в пределах отдельных почвенных профилей и в совокупности всех рассматриваемых горизонтов с использованием критерия Тьюки при уровне значимости 0,05. По результатам сравнения были сформированы группы однородных средних (табл. 2). Аналогичное сравнение средних значений диапазона вязко-упругого поведения (LVE-range) провести не удалось вследствие отсутствия варьирования при оценке данного параметра для некоторых горизонтов.
Результаты
Рассмотрим гранулометрический состав почв, являющийся базовой характеристикой при анализе их реологического поведения.
На рисунке представлено процентное содержание гранулометрических фракций в горизонтах почвенных профилей.
а)
б)
lURrz (0-8 см) IP (35-65 см)
0,005-0,010
URao (8-30 см) ■ BEL (75-95 см)
0,050-0,250 > 0,250
Размер частиц, мм
в)
< 0,001
0,001-0,005
AUpa,g1 (0-10 см) IBTg1(25-50 см)
0,005-0,010
Pg2 (10-15 см) I BTg2 (50-100 см)
0,010-0,050 PG (15-25см)
0,050-0,250 > 0,250
размер частиц, мм
< 0,001 0,001-0,005 0,005-0,010 0,010-0,050 0,050-0,250 > 0,250
AYEL (7-17 см) BEL (e-hf) (17-25 см) ELg,f(25-38 см) размер частиц, мм
■ BEL1(38-50 см) I BEL2(45-60 см) BBT1(60-95 см)
Рисунок. Гранулометрический состав горизонтов почв: а) почва 1 — агродерново-подзолистая урби-стратифицированная; б) почва 2 — постагрозем; в) почва 3 — подзолистая
60
50
40
30
20
10
0
< 0,001
60
50
40
30
20
10
0
60
ш 50
40
30
20
10
0
Исследованные почвы по гранулометрическому составу верхнего горизонта относятся к легкому суглинку [Вадюнина, Корчагина, 1973]. Во всех вариантах почв преобладает фракция крупной пыли. Однако профиль агродерново-подзолистой урби-стратифицированной почвы (почва 1) не дифферен-
цирован по ее содержанию, и значения колеблются в диапазоне 40-45%. В подзолистой (почва 3) почве наибольшее содержание данной фракции наблюдается в верхних горизонтах (50-53%), а в парковой — в нижних слоях (40-52%). Содержание илистой фракции в городских почвах увели-
чивается с глубиной, не превысив 4,06%, в отличие от зональной почвы 3, которая имеет выраженный рост количества тонких фракций в горизонте BEL1 с глубины 38 см. В данной почве наблюдается высокое содержание песчаной фракции в горизонте ЕLgf, что указывает на вероятность процессов лессиважа в профиле данной почвы. Для городских почв отмечается увеличение доли песчаных компонентов, что является характерным для урбанизированных территорий [Прокофьева и др., 2007].
Другим показателем, оказывающим ключевое влияние на реологическое поведение почв, является содержание органического углерода, данные по которому представлены в табл. 1.
Таблица 1
Содержание органического углерода и влажность исследуемых почв после капиллярного насыщения
Распределение содержания органического углерода по профилю исследованных почв является классическим, уменьшаясь от верхнего слоя вниз по профилю. В городских почвах его концентрации достигают значений более 3-4%, резко снижаясь глубже 30 см. Подзолистая почва очень бедна по количеству органического вещества, только горизонт ОЬ (0-7 см) имеет значения выше 1%.
Перейдем к рассмотрению реологических показателей и начнем с параметра начального модуля упругости и распределения его значений по профилю исследуемых почв (табл. 2). Модуль накопления или модуль упругости Па) является мерой энергии деформации, сохраненной образцом во время процесса сдвига. По сути, в этой области
почва обладает упругими свойствами. После прекращения сдвигового усилия накопленная энергия действует как движущая сила для процесса восстановления полученных изменений [Mezger, 2011]. Прочность структурных связей наибольшая у верхнего горизонта подзолистой почвы AYEL (7-17 см). Наименее прочными связями со слабой дифференциацией по профилю обладает постагро-зем (почва 2) — разница между горизонтами слабо выражена по данному показателю. В целом все три почвы находятся в одном диапазоне значений начального модуля упругости, за исключением верхних горизонтов почвы 1 и почвы 2. Для горизонтов AYEL подзолистой почвы и AUpa,gl постагрозема выявлено наибольшее количество статистически значимых отличий, как в пределах почвенных профилей, так и в совокупности всех рассматриваемых горизонтов (табл. 2). В пределах профиля агро-дерново-подзолистой урби-стратифицированной почвы статистически значимых различий между средними значениями начального модуля упругости выявлено не было.
Диапазон линейной вязкоупругой деформации почв характеризует область, в которой структура образца способна вернуться в исходное состояние [Mezger, 2011]. Наименьшие значения имеет подзолистая почва (почва 3), особенно оподзоленная часть ее профиля. Причем величины данного диапазона в горизонте BEL2 (45-60 см) почти совпадают с горизонтом P (35-65 см) агродерново-подзоли-стой урби-стратифицированной почвы (почва 1), которая оказалась в большей степени устойчивой к внешнему воздействию по сравнению с подзолистой и постагроземом. Нижние горизонты трех исследованных почв близки по данному показателю.
Значения точки Crossover (точка начала области вязкого течения) характеризуют границы перехода тела из пластичного в вязкое состояние, т. е. при достижении точки Crossover под действием прикладываемой силы в образце происходят необратимые разрушения структурных связей, и почва переходит в область текучего поведения [Mezger, 2011].
Подзолистая почва (почва 3) оказалась очень изменчивой по этой характеристике, максимальные значения предела текучести наблюдаются в верхнем гумусированном слое, затем значения резко снижаются в подзолистом слое и после некоторого увеличения в оподзоленных горизонтах снова снижаются в нижних слоях. В отличие от подзолистой постагрозем и агродерново-подзолистая урби-стра-тифицированная почва характеризуются меньшей устойчивостью к нагрузке, переходя в необратимое вязкое состояние с полностью разрушенными структурными связями, особенно это выражено в агродерново-подзолистой урби-стратифициро-ванной почве. Интересно отметить тот факт, что переходный слой (глубина 15 см) для всех трех почв имеет близкие значения точки Crossover. Наиболь-
Почва Горизонт, глубина, см С % W (%)перед реологическим исследованием
Почва 1: агродерново-подзолистая урби-стратифицированная (Dystric Albic Retisol (Aric, Novic, Proto-technic, Loamic)) URrz (0-8) 4,18 37,1
Urao (8-30) 1,78 45,7
P (35-65) 0,64 48,1
BEL (75-95) 0,30 41,5
Почва 2: постагрозем (Stagnic Glossic Retisol (Loamic, Aric, Cutanic)) AUpa, gl (0-10) 3,49 68,9
Pg2(10-15) 2,54 60,9
PG (15-25) 2 50,7
BTg1(25-50) 0,31 42,6
BTg2(50-100) 0,16 40
Почва 3: подзолистая (Dystric Albic Retisol (Abruptic, Loamic, Protospodic)) Oh (2-7) 1,27 -
AYEL (7-17) 0,30 36,7
E (e-hf) (17-25) 0,14 32,2
ELg,f (25-38) 0,07 30,1
BEL1 (38-50) 0,10 39,3
BEL2 (45-60) 0,14 45,9
BT1 (60-95) 0,14 43,3
on
Агродерново-подзолистая урб. (Dystric Albic Retisol (Aric, Novic, Prototechnic, Loamic)) Постагрозем (Stagnic Glossic Retisol (Loamic, Aric, Cutanic)) Подзолистая почва (Dystric Albic Retisol (Abruptic, Loamic, Protospodic)) Название почвы
BEL (75-95 cm) P (35-65 см) Urao (8-30 cm) BTg2(50-100 cm) BTgl(25-50 cm) PG (15-25 cm) OQ Ю 0 1 о is. AUpa.gl (0-10 cm) BTl(60-95 cm) BEL2(45-60 cm) BELl(38-50 cm) ELg.f (25-38 см) EL (e-hf) (17-25 см) AYEL (7-17 cm) Горизонт
U) U) U) U) U) s
3.28E-03 4.88E-03 4.88E-03 ^ И о U) 3.81E-03 3.81E-03 4.88E-03 U) И о U) 3.28E-03 4.88E-03 3.28E-03 2.21E-03 2.20E-03 3.09E-03 и LVE-range, деформация (%)
U) U) U) И о On U) U) U) И о On oo+aoo'o У U) И о У U) U) И о У U) U) И о oo+aoo'o У U) U) И о oo+aoo'o oo+aoo'o У U) U) И о On 5.77E-06 У U) U) И о On 8.95E-04
1.74E+06 1.05E+06 9.00E+05 1.25E+06 1Д4Е+06 8.67E+05 9.07E+05 4.83E+05 9.64E+05 1.00E+06 1.29E+06 1.05E+06 1.06E+06 1.89E+06 и Начальный модуль упругости С' (Па)
6.86E+05 2.01E+05 1Д8Е+05 2.82E+05 2.43E+05 1.07E+05 9Д1Е+04 1.43E+05 1.68E+04 U) U) И + о U) И + о 3.02E+05 On U) И + о ^ 1.59E+05
cr cr СГ cr cr СГ СГ cr cr Группы однородных средних в пределах профиля
Ьса cr o СГ Ьс<1 Ьсс! СГ СГ СГ СГ o bcd cr o СГ o Группы однородных средних в совокупности всех горизонтов
0,98 1,39 1,72 1,70 1,85 1,74 1,82 2,99 "-<1 no о 00 U) о 2,61 1,75 и Crossover, деформация (%)
0,26 0,06 о 0,79 о 0,08 о 00 о 0,24 0,55 0,09 0,58 о 0,12
сг cr cr СГ cr СГ СГ СГ о cr o СГ Группы однородных средних в пределах профиля
СГ СГ abcd СГ o abcd О О- cr o abcd о- bcd СГ o Группы однородных средних в совокупности всех горизонтов
n
H Si н
s
n H
S Л
re n К S re И
Si
к н
s
n H
S К S
re о w о
4
5 Л re n К S И 1=1
№ g
re н
о и s
w
л
Si
re g
В и a о л и
4
ю о\ а
5
с
ю ьо
вяохоИэф -д-у 'яэкэжд 'внияшчхАд 'у]/\[ 'вяопвКивх 'И'И 'bhocIbjma 'д'у 'вжшэлвс[у ']/['Ц
шее число статистически значимых отличий по этому параметру в совокупности всех рассматриваемых горизонтов выявлено для горизонтов ELg,f подзолистой почвы и Аира^1 постагрозема.
Обсуждение
Для оценки взаимосвязи содержания органического углерода и отдельных гранулометрических фракций с реологическими параметрами был проведен корреляционный анализ. Выбор гранулометрических фракций был обусловлен представлениями об их влиянии на механические свойства почв [Холопов и др., 2018]. В табл. 3 представлены результаты корреляционного анализа с учетом землепользования. Значения коэффициента корреляции, которые статистически значимы при а=0,05, выделены жирным шрифтом.
Таблица 3
Корреляционная связь (коэффициент корреляции
Пирсона) между реологическими параметрами, отдельными гранулометрическими фракциями и содержанием органического углерода
В образцах агродерново-подзолистой урби-стратифицированной почвы (почва 1) влияние содержания среднего песка на диапазон линейного вязкоупругого состояния, начальный модуль накопления (модуль упругости) и точку начала области вязкого течения (Crossover) — незначительно, как и влияние значений концентрации углерода. Сопротивление к разрушению структурных связей в этой почве зависит от содержания в ней илистой фракции. Особенностью городских почв является специфика содержащегося в них органического вещества. В силу особенностей землепользования можно предположить, что органический углерод в агродерново-подзолистой урби-стратифицирован-ной почве имеет, в том числе, антропогенное происхождение и не отвечает в полной мере классическим представлениям о свойствах и составе органических компонентов почвы.
В постагроземе (почва 2) влияние гранулометрического состава (илистой фракции) и содержания углерода на ее переход к вязкоупруго-му состоянию равноценно. Интересно отметить, что в данной почве начальный модуль накопления (модуль упругости) возрастает при уменьшении содержания углерода. Особенностью территории, где был заложен разрез, явилось то, что в течение последнего года она стала использоваться как площадка для выгула лошадей, почва имеет постоянное пополнение органическим веществом, которое на данном этапе еще не является структурообразо-вателем.
Значения диапазонов линейного вязкоупругого состояния исследуемых почв показывают следующее: городские почвы 1 и 2 имеют схожий диапазон линейного вязкоупругого состояния в пределах от 0,00328 до 0,0049%. В подзолистой почве (почва 3) диапазон заметно уже и равномерно увеличивается по профилю от 0,0022, достигая 0,0049% в субэлювиальном горизонте BEL2 (46-60 cм). В данной почве диапазон линейного вязкоупругого состояния — LVE-range — напрямую обусловлен содержанием углерода, а гранулометрический состав почвы лишь отчасти повлиял на это значение. По-видимому, в данной зрелой почве со сформированными структурными связями зависимость между содержанием органического вещества, гранулометрическим составом и реологическими показателями имеет более сложный непрямолинейный характер.
Расчет коэффициентов корреляции для всех исследуемых образцов независимо от типа землепользования не выявил значимых величин. Это указывает на влияние антропогенного фактора на структурные характеристики почв. Увеличение содержания углерода не делает городские почвы более устойчивыми к деформациям под действием нагрузки. Причем для почвы в зоне застройки главным фактором, влияющим на деформационные свойства, является гранулометрический состав, в
Содержание гранулометрических фракций и углерода, % Начальный модуль накопления (модуль упругости), G', Па Диапазон линейного вязкоупруго-го состояния, LVE-range, % Точка начала области вязкого течения — Crossover, %
Почва 1: Агродерново-подзолистая урби-стратифицирован-ная (Dystric Albic Retisol (Aric, Novic, Prototechnic, Loamic))
Ил (<0,001 мм) 0,19 -0,97 -0,88
Средний и крупный песок (>0,250 мм) 0,89 0,37 0,69
Углерод -0,26 0,54 0,56
Почва 2: Постагрозем (Stagnic Glossic Retisol (Loamic, Aric, Cutanic))
Ил (<0,001 мм) 0,89 -0,39 -0,54
Средний и крупный песок (>0,250 мм) -0,71 0,68 0,24
Углерод -0,95 0,18 0,70
Почва 3: Подзолистая (Dystric Albic Retisol (Abruptic, Loamic, Protospodic))
Ил (<0,001 мм) -0,35 0,78 -0,71
Средний и крупный песок (>0,250 мм) -0,19 -0,48 0,71
Углерод 0,83 0,13 -0,28
Все почвы
Ил (<0,001 мм) 0,06 -0,06 -0,59
Средний и крупный песок (>0,250 мм) 0,32 -0,07 0,40
Углерод -0,38 0,41 0,13
первую очередь содержание илистой и песчаной фракций.
Заключение
Таким образом, проведенные исследования выявили специфику верхних горизонтов городских почв в содержании органического вещества, концентрация которого превысила 3,5%, и распределении гранулометрических фракций, отличающегося от такового подзолистой почвы большим содержанием песчаных компонентов.
По средним значениям реологических параметров горизонтов исследованных почв их можно выстроить в следующие ряды:
- по начальному модулю упругости: Подзолистая почва > Агродерново-подзолистая урби-стратифицированная почва > Постагрозем;
- по диапазону линейного вязкоупругого состояния: Агродерново-подзолистая урби-стратифицированная почва > Постагрозем > Подзолистая почва;
- по величине Crossover, % (точка начала области вязкого течения): Подзолистая почва = Постагрозем > Агродерново-подзолистая урби-стратифицированная почва.
Постагрозем занимает промежуточное положение, его прочность зависит как от гранулометрического состава, так и от содержания органического углерода.
Корреляционный анализ показал, что зависимости между значениями реологических параметров и содержанием органического вещества и распределением гранулометрических фракций имеют значимый характер только при учете особенностей использования территории.
Информация о финансировании работы
Подбор объектов исследования, морфологический анализ почв и определение гранулометрического состава почв выполнено при финансовой поддержке проекта РФФИ № 19-29-05252 мк, исследование реологических параметров проведено в рамках Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды» на оборудовании, приобретенном по Программе развития МГУ, изучение распределения органических компонентов в исследуемых почвах выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации «Физические основы экологических функций почв: технологии мониторинга, прогноза и управления».
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрукова Л.П. Изучение тиксотропных свойств почв с помощью ротационного вискозиметра // Почвоведение. 1970. № 8.
2. Вадюнина А.Ф., КорчагинаЗ.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М., 1973.
3. Вайгель А.Э., Умарова А.Б., Сусленкова М.М. и др. Изменение свойств твердофазных компонентов почвенных конструкций в первые годы их функционирования // Вестн. Алтайского гос. аграрного ун-та. 2014. № 5.
4. Данилова В.И. Влияние органического вещества на микрооструктуренность и изменение плотности в цикле набухания-усадки дерново-подзолистых и черноземных почв // Почвоведение. 1994. № 2.
5. Забоева И.В. Почвы и земельные ресурсы Коми АССР. Сыктывкар, 1975.
6. Иванов В.А., Иванова Е.В. Сельское хозяйство Северных и Арктических территорий: предпосылки, условия и возможности развития // Корпоративное управление и инновационное развитие экономики Севера: Вестн. Научно-исследовательского центра корпоративного права, управления и венчурного инвестирования Сыктывкарского гос. ун-та. 2017. № 2.
7. Кузнецова И.В. Содержание и состав органического вещества черноземов и его роль в образовании водопрочной структуры // Почвоведение. 1998. № 1.
8. Милановский Е.Ю., Хайдапова Д.Д., Поздняков А.И. и др. Практикум по физике твердой фазы почв: Учебное пособие. М., 2011.
9. Прокофьева Т.В., Седов С.Н., Каздым А.А. Источники, состав и условия формирования глинистого материала городских почв // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2007. № 60.
10. Прокофьева Т.В., ГерасимоваМ.И., Безуглова О.С. и др. Введение почв и почвоподобных образований городских территорий в классификацию почв России // Почвоведение. 2014. № 10.
11. Скворцова Е.Б., Шеин Е.В., Абросимов К.Н. и др. Влияние многократного замораживания-оттаивания на микроструктуру агрегатов дерново-подзолистой почвы (микротомографический анализ) // Почвоведение. 2018. № 2.
12. Сусленкова М.М., Умарова А.Б., Бутылкина М.А. Микроструктура почв разного генезиса и ее трансформация в составе конструктоземов в условиях г. Москвы // Почвоведение. 2018. № 10.
13. Хайдапова Д.Д., Честнова В.В., Шеин Е.В. и др. Реологические свойства черноземов типичных (Курская область) при различном землепользовании // Почвове-дение.2016. № 8.
14. Хайдапова Д.Д., Холопов Ю.В., Забоева И.В. и др. Реологические особенности коагуляционной структуры северотаежных торфянисто-подзолисто-глееватых почв Европейского Северо-Востока // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2014. № 1.
15. Холопов Ю.В., Хайдапова Д.Д., Лаптева Е.М. Физико-механические свойства автоморфных таежных почв Республики Коми (по данным реологических исследований) // Вестн. Томск. гос. ун-та. Сер. Биология. 2018. № 42.
16. Шеин Е.В., Милановский Е.Ю. Роль и значение органического вещества в образовании и устойчивости почвенных агрегатов // Почвоведение. 2003. № 1.
17. Шрамм Г. Основы практической реологии и рео-метрии / Пер. В.Г. Куличихина. М., 2003.
18. Классификация и диагностика почв России. Смоленск, 2004.
19. Полевой определитель почв России. М., 2008.
20. Природно-климатическая характеристика городского округа «Сыктывкар» [Электронный ресурс]. 2012. Дата обновления: 02.11.2012. URL: https://clck.ru/33khUF (дата обращения: 23.01.2023).
21. Bekier J., Jamroz E., Walenczak-Bekier K. et al. Soil Organic Matter Composition in Urban Soils: A Study of Wroclaw Agglomeration, SW Poland // Sustainability. 2023. Vol. 15, 2277. https://doi.org/10.3390/ su15032277
22. Biasioli M., Berberis R., Ajmone-Marsan F. The influence of large city on some soil properties and metal content // Sci. Total Environ. 2006. Vol. 356. [CrossRef] [PubMed].
23. Burghardt W. Soils in urban and industrial environments // Journal Plant Nutr. Soil Sci. 1994. Vol. 157.
24. Edwards A.P., Bremner J.M. Microaggregates in soils // Journal Soil Science. 1967. № 18.
25. Kaluza-Haladyn A., Jamroz E., Bekier J. Humic substances of differently matured composts produced from municipal solid wastes and biomass of energetic plants // Soil Science. Annu. 2019. № 70.
26. Lehrsch G.A. Freeze-thaw cycles increase near-surface aggregate stability // Soil Science. 1998. Vol. 163, № 1.
27. Lehrsch G.A., Sojka R.E., Carter D.L. et al. Freezing effect on aggregate stability affected by texture, mineralogy and organic matter // Soil Science. Soc. Am. Journal. 1991. № 55.
28. Markgraf W., Horn R. Rheological strength analysisof K+-treated and of CaCO3-rich soils // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2006. Vol. 169.
29. Markgraf W., Glinski J., Horabik J. et al. Rheology in Soils // Encyclopedia of Agrophysics, 2011.
30. Mezger T.G. The Rheology Handbook. 3-rd Revised Edition. Germany, 2011.
31. Rat Batista Ferreira, José Miguel Reichert, Dorthe Holthusen et al. Freeze-thaw cycles affecting rheological properties of Antarctic soils // Geoderma. Vol. 428, 2022. https://doi. org/10.1016/j.geoderma.2022.116220
32. Sillanpaa M., Webber L.R. The effect of freezing-thawing and wetting-drying cycles on soil aggregation // Can. Journal. Soil Sci. 1961.
33. Six J., Bossuyt H. et al. A history of research on the link between (micro)aggregates, soil biota, and soil organic matter dynamics // Soil and Tillage Research. 2004. Vol. 79.
34. Six J., Elliott E.T., Paustian K. Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation: a mechanism for C sequestration under no-tillage agriculture // Soil Biol. Bio-chem. 2000. 32.
35. IUSS Working Group WRB. World Reference Base for Soil Resources 2014. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports № 106. FAO, Rome, 2014. Мировая реферативная база почвенных ресурсов 2014. Мировая система почвенной классификации для диагностики почв и создания легенд почвенных карт. Исправленная и дополненная версия 2015 / Пер. И.А. Спиридоновой; под ред. М.И. Герасимовой и П.В. Красильникова. М., 2017.
Поступила в редакцию 17.03.2023 После доработки 12.04.2023 Принята к публикации 28.04.2023
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2023. Т. 78. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2023. Vol. 78. No. 3
RHEOLOGICAL PROPERTIES OF SOILS OF DIFFERENT LAND USE IN THE SYKTYVKAR URBAN DISTRICT OF THE KOMI REPUBLIC
L. I. Arakelova, A. B. Umarova, D. D. Khaidapova, M. A. Butylkina, Z. S. Ezhelev, A. V. Fedotova
The mechanical characteristics of soils of the same genesis and different land use of Syktyvkar are studied: agrod-ernovo-podzolic urban-stratified soil within the city, post-frost park soil, podzolic soil of suburban territory. The analysis of their relationship with the content of organic matter and granulometric composition is carried out. In agrodern-podzolic urban-stratified soil, the strength properties are largely due to the content of large granulometric fractions (> 0.25 mm), and in podzolic soil — the content of organic matter. Rows of soils were built according to the values of rheological parameters. The strength of structural bonds, estimated by the parameter of the initial modulus of elasticity, is greatest in podzolic soil, a wide range of linear viscoelastic state distinguishes the horizons of agroderno-podzolic urban-stratified soil. Both post-frost and podzolic soil have the same average values of the starting point of the viscous flow region.
Key words: podzolic soils, urban soils, soil structure, deformation, granulometric composition, organic matter, elasticity, viscous flow area, rheometer.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Аракелова Лариса Игоревна, аспирант кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: laraarakelova@yandex.ru
Умарова Аминат Батальбиевна, докт. биол. наук, профессор, зав. кафедрой физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: a.umarova@gmail.com
Хайдапова Долгор Доржиевна, канд. биол. наук, доц. (с.н.с.) кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: dkhaydapova@yandex.ru
Бутылкина Марина Александровна, канд. биол. наук, доц. кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: m.butylkina@gmail.com
Ежелев Захар Сергеевич, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: ejelevsoil@gmail.com
Федотова Анна Владиславовна, докт. биол. наук, профессор, директор Инновационного естественного института Астраханского государственного университета имени В.Н. Татищева, e-mail: a.v.fedotova@gmail.com
© Arakelova L.I., Umarova A.B., Khaidapova D.D., Butylkina M.A., Ezhelev Z.S., Fedotova A.V., 2023 124
