Физико-механические свойства автоморфных таежных почв Республики Коми (по данным реологических исследований)

Главная

Статья в Elpub

РУС ENG

Вестник Томского государственного университета. Биология. 2018; : 24-53

Физико-механические свойства автоморфных таежных почв Республики Коми (по данным реологических исследований)

Холопов Ю. В., Хайдапова Д. Д., Лаптева Е. М.

https://doi.org/10.17223/19988591/42/2

Аннотация

Рассмотрены особенности физико-механических свойств в ряду автоморфных почв Республики Коми - дерново-подзолистых и подзолистых текстурно-дифференцированных (Folic Albic Retisol) южной и средней тайги, светлоземов иллювиально-железистых (Folic Albic Stagnosols) северной, крайнесеверной тайги и лесотундры. Установлено, что наиболее прочные межчастичные контакты формируются в горизонтах, отличающихся высоким содержанием подвижных гумусовых веществ фульватной природы и органоминеральных альфегумусовых соединений. Воздействие сезонного промерзания на реологические свойства почв наиболее четко проявляется в профиле светлоземов, где повышенная прочность межчастичных взаимодействий в средней части профиля (на глубине 40-60 см) обусловлена конденсационным уплотнением частиц в результате формирования фронта промерзания с длительным периодом околонулевых температур. К северу отмечается усиление прочности межчастичных почвенных взаимодействий вследствие интенсификации процессов оглеения, а также увеличения глубины промерзания почв. В этом же направлении снижаются значения предела пластичной деформации и диапазона упругой деформации почвенной структуры, что свидетельствует о повышении хрупкости межчастичных взаимодействий. Прочные, но хрупкие межчастичные почвенные контакты обладают низкой структурной устойчивостью, быстро разрушаясь и медленно восстанавливаясь при превышении предельных механических нагрузок.

Список литературы

1. Атлас почв Республики Коми / под ред. Г.В. Добровольского, А.И. Таскаева, И.В. Забоевой. Сыктывкар : ООО «Коми республиканская типография», 2010. 356 с.

2. Шамрикова Е.В., Груздев И.В., Пунегов В.В., Хабибуллина Ф.М., Кубик О.С. Водорастворимые низкомолекулярные органические кислоты в автоморфных суглинистых почвах тундры и тайги // Почвоведение. 2013. № 6. С. 691-697. doi: 10.7868/S0032180X13060099

3. Забоева И.В. Почвы и земельные ресурсы Коми АССР. Сыктывкар, 1975. 343 с.

4. Структурно-функциональная организация почв и почвенного покрова европейского Северо-Востока. СПб. : Наука, 2001. 224 с.

5. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты и общая теория гумусообразования. М. : Изд-во МГУ, 1990. 325 с.

6. Канев В.В. Параметры оглеения и подзолообразования в почвах на покровных суглинках северо-востока Русской равнины. Екатеринбург : УрО РАН, 2001. 221 с.

7. Классификация и диагностика почв СССР / сост.: В.В. Егоров, В.М. Фридланд, Е.Н. Иванова, Н.И. Розов, В.А. Носин, Т.А. Фриев. М. : Колос, 1977. 224 с.

8. Тонконогов В.Д. Автоморфное почвообразование в тундровой и таежной зонах Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнин. М. : Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева, 2010. 304 с.

9. Пастухов А.В. О генезисе и классификационном положении автоморфных почв на покровных суглинках в микроэкотоне тундра-лесотундра // Вестник Санкт-Петербургского университета. 2008. Сер. 3. Вып. 3. С. 117-126.

10. Классификация и диагностика почв России / под ред. Л.Л. Шишова, В.Д. Тонконогова, И.И. Лебедевой, М.И. Герасимовой. Смоленск : Ойкумена, 2004. 342 с.

11. Полевой определитель почв России. М. : Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева, 2008. 182 с.

12. Markgraf W., Horn R., Peth S. An approach to rheometry in soil mechanics: Structural changes in bentonite, clayey and silty soils // Soil Tillage Res. 2006. Vol. 91. PP. 1-14.

13. Mezger T.G. The Rheology Handbook / 3-rd Revised Edition. Hanover, Germany, 2011. РР. 436.

14. Хайдапова Д.Д., Холопов Ю.В., Забоева И.В, Лаптева Е.М. Реологические особенности коагуляционной структуры северотаежных торфянисто-подзолисто-глееватых почв Европейского Северо-Востока // Вестник Московского университета. Сер. 17. Почвоведение. 2014. №1. С. 20-25.

15. 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 государственного аграрного университета. 2014. № 8. С. 32-38.

16. Болотов А.Г. Методика измерения реологических свойств почвы с помощью реометра // Дальневосточный аграрный вестник. 2015. № 3. С. 13-17.

17. 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. doi: 10.7868/S0032180X16080049

18. Pertile P., Reichert J.M., Gubiani P.I., Holthusen D., Costa A. Rheological parameters as affected by water tension in subtropical soils // Revista Brasileira de Ciencia do Solo. 2016. Vol. 40(0). doi: 10.1590/18069657rbcs20150286

19. Stoppe N., Horn R. Microstructural strength of tidal soils - a rheometric approach to develop pedotransfer functions // J. Hydrol. Hydromech. 2018. Vol. 66. PP. 87-96. doi: 10.1515/johh-2017-0031

20. Атлас Республики Коми по климату и гидрологии / под ред. А.И. Таскаева. М. : ДиК; Дрофа, 1997. 116 с.

21. СП 131.13330.2012 Строительная климатология. Актуализированная версия СНиП 23-01-99. М., 2012. 109 с.

22. IUSS Working Group WRB. 2015. 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.

23. Теория и практика химического анализа почв / под ред. Л.А. Воробьевой. М. : ГЕОС, 2006. 400 с.

24. Фукс Г.И., Абрукова Л.П., Бурибаев Я.Б. Влияние поглощенных оснований на реологические свойства почвообразующих глин // Почвоведение. 1973. № 10. С. 70-90.

25. Горбунов Н.И., Абрукова Л.П. Реологические свойства и минералогический состав слитых почв // Почвоведение. 1974. № 8. С. 74-85.

26. Манучаров А.С., Абрукова В.В., Черноморченко Н.И. Методы и основы реологии в почвоведении. М. : Изд-во МГУ, 1990. 97 с.

27. Русанова Г.В., Денева С.В., Шахтарова О.В. Особенности генезиса автоморфных почв северной лесотундры (юго-восток Большеземельской тундры) // Почвоведение. 2015. № 2. С. 145-155. doi: 10.7868/S0032180X15020100

28. Пастухов А.В. Микроморфологическое строение мерзлотных и длительно сезонно-промерзающих суглинистых почв Европейского Северо-Востока // Известия Коми научного центра УрО РАН. 2012. Вып. 4(12). С. 30-39.

29. 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.

30. Конищев В.Н., Рогов В.В. Влияние криогенеза на глинистые минералы // Криосфера Земли. 2008. Т. XII, № 1. С. 51-58.

31. 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. XIV, № 3. С. 52-60.

32. Жангуров Е.В., Лебедева (Верба) М.П., Забоева И.В. Микростроение генетических горизонтов автоморфных таежных почв Тимана // Почвоведение. 2011. № 3. С. 288299. doi: 10.1134/S1064229311030203

33. Вершинин П.В. Почвенная структура и условия ее формирования. М. : Изд-во Академии наук СССР, 1958. 187 с.

34. Абрукова В.В., Манучаров А.С. Реологическая характеристика тундровой поверхностно-глеевой почвы // Почвоведение. 1986. № 9. С. 44-52.

35. 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 [Core Writing Team, R.K. Pachauri and L.A. Meyer (ads.). IPCC, Geneva, Switzerland. 151 p.

36. Дымов А.А., Старцев В.В. Изменение температурного режима подзолистых почв в процессе естественного лесовозобновления после сплошнолесосечных рубок // Почвоведение. 2016. № 5. С. 599-608. doi: 10.7868/S0032180X16050038

37. Каверин Д.А., Пастухов А.В., Жангуров Е.В. Особенности температурного режима светлоземов северотаежных ландшафтов (европейский Северо-Восток России) // Известия Коми научного центра УрО РАН. 2016. № 1 (25). С. 23-29.

38. Соколова Т.А., Шоба С.А., Бганцов В.Н., Чернова Г.Н. Преобразования минеральной массы в подзолистых почвах на озерно-ледниковых глинах // Почвоведение. 1983. № 1. С. 101-112.

39. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов: учебное пособие для строительных вузов. М. : Высшая школа, 1978. 447 с.

40. 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 Института биологии. 2009. № 5. С. 16-19.

41. Абрукова Л.П. Кинетика процессов тиксотропного структурообразования в почвенных суспензиях // Почвоведение. 1970. № 3. С. 104-114.

42. Азовцева Н.А., Лазарева Е.В., Парфенова А.М., Хайдапова Д.Д., Клюева В.В. Влияние органических веществ на реологическое поведение почв и модельных почвенных систем при различных режимах увлажнения // Современные проблемы изучения почвенных и земельных ресурсов. М. : Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева, 2017. С. 66-67.

43. Кононова М.М. Органическое вещество почвы. Его природа, свойства и методы изучения. М. : Изд-во АН СССР, 1963. 314 с.

44. Зайдельман Ф.Р. Генезис и экологические основы мелиорации почв и ландшафтов : учебник. М. : КДУ, 2009. 448 с.

45. Тюлин А.Ф. Органоминеральные коллоиды в почве, их генезис и значение для корневого питания высших растений. М. : Изд-во АН СССР, 1958. 52 с.

46. Антипов-Каратаев И.Н. Вопросы физикохимии почв и методы исследования. М. : Изд-во АН СССР, 1959. 157 с.

Tomsk State University Journal of Biology. 2018; : 24-53

Physico-mechanical properties of automorphic taiga soils of the Komi Republic (according to rheological studies)

Kholopov Y. V., Khaydapova D. D., Lapteva E. M.

https://doi.org/10.17223/19988591/42/2

Abstract

We carried out rheological studies of automorphic taiga soils formed at silty-loamy rocks in spruce forests to assess their structural-mechanical features determining soil resistance to the mechanical impact. Soil pits were made at five model sites located in taiga and forest-tundra zones (Table 1 and Fig. 1). Rheological measurements were performed using a module rheometer MCR 302 "Anton Paar" (Austria) by the method of amplitude sweep (oscillating method) using measurement systems plate-by-plate. Rheological properties were assessed according to the following parameters (Fig. 2): the modulus of elasticity (G'), the elastic deformation range -LVE-range (Linear viscoelastic), the modulus of viscosity (G''), and plastic deformation range - CROSSOVER (Flow point) measured using the point of modules crossover (G'=G''). We also investigated the main physico-chemical properties of soils: рН, content of organic carbon, exchangeable bases, oxalate-and dinitro-soluble forms of ferrum, and granulometric composition. Temperature regime of soils was studied using loggers "HOBO-U12" (USA) set at the depth of 0-20-50-100 cm. The clearest rheological features of taiga soils due to their hydrological and climate environment were observed in the upper mineral horizons. In the lower part of the soil profile, rheological parameters determined by physico-chemical and lithological soil properties were clearer. The most stable interparticle contacts with G' over 1.00 10⁶ Ра were noticed in the horizons with a high content of labile humic substances of fulvic origin and organic-mineral alphehumic compounds (Table 3 and 4). At site CS-I with soil Folic Albic Retisol, this was humus accumulative horizon AY. In the podzolic soil with podzol microprofile texture-differentiated soil of the middle taiga (site CS-II Folic Albic Retisol), it was illuvial horizon of podzol microprofile EL[hf]. In illuvial ferrous svetlozems (Folic Albic Stagnosols) of the northern (CS-III), far northern taiga (CS-IV) and forest-tundra (CS-V), these were horizons of podzol microprofile (Eg-BHF-BF). An increased stability of the structure was due to the cementation of soil particles as a result of alphehumic compounds intake with the following formation of strong interparticle contacts. Another reason was the seasonal freezing. The impact of freezing on rheological properties of soils was the clearest in svetlozems (Folic Albic Stagnosols). An increased stability of interparticle contacts was found in the area of zero veil (0±0.1°С) at the depth of 3050 cm due to condensation sealing of the particles caused by freezing. Moving to the north (from southern taiga to forest tundra), the stability of soil microstructure against mechanical damages decreased due to the formation of strong but fragile interparticle contacts. The mean value of the modulus of elasticity (G') increased from 7.95 10⁵ Ра (southern taiga, soil L-2) to 1.69 10⁶ Ра (forest tundra, soil Р-4-1). LVE-range values decreased when moving to the north (less than 0.00328%). Plastic deformation range CROSSOVER was less than 3.48%, which indicated an increased fragility of strong interparticle contacts. These strong but fragile contacts have low structural stability and demonstrate rapid destruction and slow recovering under extreme mechanical influences.

References

1. Atlas pochv Respubliki Komi / pod red. G.V. Dobrovol'skogo, A.I. Taskaeva, I.V. Zaboevoi. Syktyvkar : OOO «Komi respublikanskaya tipografiya», 2010. 356 s.

2. Shamrikova E.V., Gruzdev I.V., Punegov V.V., Khabibullina F.M., Kubik O.S. Vodorastvorimye nizkomolekulyarnye organicheskie kisloty v avtomorfnykh suglinistykh pochvakh tundry i taigi // Pochvovedenie. 2013. № 6. S. 691-697. doi: 10.7868/S0032180X13060099

3. Zaboeva I.V. Pochvy i zemel'nye resursy Komi ASSR. Syktyvkar, 1975. 343 s.

4. Strukturno-funktsional'naya organizatsiya pochv i pochvennogo pokrova evropeiskogo Severo-Vostoka. SPb. : Nauka, 2001. 224 s.

5. Orlov D.S. Gumusovye kisloty i obshchaya teoriya gumusoobrazovaniya. M. : Izd-vo MGU, 1990. 325 s.

6. Kanev V.V. Parametry ogleeniya i podzoloobrazovaniya v pochvakh na pokrovnykh suglinkakh severo-vostoka Russkoi ravniny. Ekaterinburg : UrO RAN, 2001. 221 s.

7. Klassifikatsiya i diagnostika pochv SSSR / sost.: V.V. Egorov, V.M. Fridland, E.N. Ivanova, N.I. Rozov, V.A. Nosin, T.A. Friev. M. : Kolos, 1977. 224 s.

8. Tonkonogov V.D. Avtomorfnoe pochvoobrazovanie v tundrovoi i taezhnoi zonakh Vostochno-Evropeiskoi i Zapadno-Sibirskoi ravnin. M. : Pochvennyi in-t im. V.V. Dokuchaeva, 2010. 304 s.

9. Pastukhov A.V. O genezise i klassifikatsionnom polozhenii avtomorfnykh pochv na pokrovnykh suglinkakh v mikroekotone tundra-lesotundra // Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta. 2008. Ser. 3. Vyp. 3. S. 117-126.

10. Klassifikatsiya i diagnostika pochv Rossii / pod red. L.L. Shishova, V.D. Tonkonogova, I.I. Lebedevoi, M.I. Gerasimovoi. Smolensk : Oikumena, 2004. 342 s.

11. Polevoi opredelitel' pochv Rossii. M. : Pochvennyi in-t im. V.V. Dokuchaeva, 2008. 182 s.

12. Markgraf W., Horn R., Peth S. An approach to rheometry in soil mechanics: Structural changes in bentonite, clayey and silty soils // Soil Tillage Res. 2006. Vol. 91. PP. 1-14.

13. Mezger T.G. The Rheology Handbook / 3-rd Revised Edition. Hanover, Germany, 2011. RR. 436.

14. Khaidapova D.D., Kholopov Yu.V., Zaboeva I.V, Lapteva E.M. Reologicheskie osobennosti koagulyatsionnoi struktury severotaezhnykh torfyanisto-podzolisto-gleevatykh pochv Evropeiskogo Severo-Vostoka // Vestnik Moskovskogo universiteta. Ser. 17. Pochvovedenie. 2014. №1. S. 20-25.

15. Shein E.V., Bolotov A.G., Khaidapova D.D., Milanovskii E.Yu., Tyugai Z.N., Pochatkova T.N. Reologicheskie svoistva chernozemov Altaiskogo Priob'ya // Vestnik Altaiskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2014. № 8. S. 32-38.

16. Bolotov A.G. Metodika izmereniya reologicheskikh svoistv pochvy s pomoshch'yu reometra // Dal'nevostochnyi agrarnyi vestnik. 2015. № 3. S. 13-17.

17. Khaidapova D.D., Chestnova V.V., Shein E.V., Milanovskii E.Yu. Reologicheskie svoistva chernozemov tipichnykh (Kurskaya oblast') pri razlichnom zemlepol'zovanii // Pochvovedenie. 2016. № 8. S. 955-963. doi: 10.7868/S0032180X16080049

19. Stoppe N., Horn R. Microstructural strength of tidal soils - a rheometric approach to develop pedotransfer functions // J. Hydrol. Hydromech. 2018. Vol. 66. PP. 87-96. doi: 10.1515/johh-2017-0031

20. Atlas Respubliki Komi po klimatu i gidrologii / pod red. A.I. Taskaeva. M. : DiK; Drofa, 1997. 116 s.

21. SP 131.13330.2012 Stroitel'naya klimatologiya. Aktualizirovannaya versiya SNiP 23-01-99. M., 2012. 109 s.

23. Teoriya i praktika khimicheskogo analiza pochv / pod red. L.A. Vorob'evoi. M. : GEOS, 2006. 400 s.

24. Fuks G.I., Abrukova L.P., Buribaev Ya.B. Vliyanie pogloshchennykh osnovanii na reologicheskie svoistva pochvoobrazuyushchikh glin // Pochvovedenie. 1973. № 10. S. 70-90.

25. Gorbunov N.I., Abrukova L.P. Reologicheskie svoistva i mineralogicheskii sostav slitykh pochv // Pochvovedenie. 1974. № 8. S. 74-85.

26. Manucharov A.S., Abrukova V.V., Chernomorchenko N.I. Metody i osnovy reologii v pochvovedenii. M. : Izd-vo MGU, 1990. 97 s.

27. Rusanova G.V., Deneva S.V., Shakhtarova O.V. Osobennosti genezisa avtomorfnykh pochv severnoi lesotundry (yugo-vostok Bol'shezemel'skoi tundry) // Pochvovedenie. 2015. № 2. S. 145-155. doi: 10.7868/S0032180X15020100

28. Pastukhov A.V. Mikromorfologicheskoe stroenie merzlotnykh i dlitel'no sezonno-promerzayushchikh suglinistykh pochv Evropeiskogo Severo-Vostoka // Izvestiya Komi nauchnogo tsentra UrO RAN. 2012. Vyp. 4(12). S. 30-39.

29. Leporskii O.R., Sedov S.N., Shoba S.A., Bgantsov V.N. Rol' promorazhivaniya v razrushenii pervichnykh mineralov podzolistykh pochv // Pochvovedenie. 1990. № 6. S. 112-116.

30. Konishchev V.N., Rogov V.V. Vliyanie kriogeneza na glinistye mineraly // Kriosfera Zemli. 2008. T. XII, № 1. S. 51-58.

31. Rusanova G.V., Lapteva E.M., Pastukhov A.V., Kaverin D.A. Sovremennye protsessy i unasledovannye pedogennye priznaki v pochvakh na pokrovnykh suglinkakh yuzhnoi tundry // Kriosfera zemli. 2010. T. XIV, № 3. S. 52-60.

32. Zhangurov E.V., Lebedeva (Verba) M.P., Zaboeva I.V. Mikrostroenie geneticheskikh gorizontov avtomorfnykh taezhnykh pochv Timana // Pochvovedenie. 2011. № 3. S. 288299. doi: 10.1134/S1064229311030203

33. Vershinin P.V. Pochvennaya struktura i usloviya ee formirovaniya. M. : Izd-vo Akademii nauk SSSR, 1958. 187 s.

34. Abrukova V.V., Manucharov A.S. Reologicheskaya kharakteristika tundrovoi poverkhnostno-gleevoi pochvy // Pochvovedenie. 1986. № 9. S. 44-52.

36. Dymov A.A., Startsev V.V. Izmenenie temperaturnogo rezhima podzolistykh pochv v protsesse estestvennogo lesovozobnovleniya posle sploshnolesosechnykh rubok // Pochvovedenie. 2016. № 5. S. 599-608. doi: 10.7868/S0032180X16050038

37. Kaverin D.A., Pastukhov A.V., Zhangurov E.V. Osobennosti temperaturnogo rezhima svetlozemov severotaezhnykh landshaftov (evropeiskii Severo-Vostok Rossii) // Izvestiya Komi nauchnogo tsentra UrO RAN. 2016. № 1 (25). S. 23-29.

38. Sokolova T.A., Shoba S.A., Bgantsov V.N., Chernova G.N. Preobrazovaniya mineral'noi massy v podzolistykh pochvakh na ozerno-lednikovykh glinakh // Pochvovedenie. 1983. № 1. S. 101-112.

39. Vyalov S.S. Reologicheskie osnovy mekhaniki gruntov: uchebnoe posobie dlya stroitel'nykh vuzov. M. : Vysshaya shkola, 1978. 447 s.

40. Mokiev V.V. Promerzanie pochv kak rezul'tativnyi priznak meteorologicheskikh pokazatelei kholodnogo perioda goda (na primere promerzaniya osvoennoi i tselinnoi suglinistykh pochv srednetaezhnoi podzony Respubliki Komi) // Vestnik Instituta biologii. 2009. № 5. S. 16-19.

41. Abrukova L.P. Kinetika protsessov tiksotropnogo strukturoobrazovaniya v pochvennykh suspenziyakh // Pochvovedenie. 1970. № 3. S. 104-114.

42. Azovtseva N.A., Lazareva E.V., Parfenova A.M., Khaidapova D.D., Klyueva V.V. Vliyanie organicheskikh veshchestv na reologicheskoe povedenie pochv i model'nykh pochvennykh sistem pri razlichnykh rezhimakh uvlazhneniya // Sovremennye problemy izucheniya pochvennykh i zemel'nykh resursov. M. : Pochvennyi in-t im. V.V. Dokuchaeva, 2017. S. 66-67.

43. Kononova M.M. Organicheskoe veshchestvo pochvy. Ego priroda, svoistva i metody izucheniya. M. : Izd-vo AN SSSR, 1963. 314 s.

44. Zaidel'man F.R. Genezis i ekologicheskie osnovy melioratsii pochv i landshaftov : uchebnik. M. : KDU, 2009. 448 s.

45. Tyulin A.F. Organomineral'nye kolloidy v pochve, ikh genezis i znachenie dlya kornevogo pitaniya vysshikh rastenii. M. : Izd-vo AN SSSR, 1958. 52 s.

46. Antipov-Karataev I.N. Voprosy fizikokhimii pochv i metody issledovaniya. M. : Izd-vo AN SSSR, 1959. 157 s.

Физико-механические свойства автоморфных таежных почв Республики Коми (по данным реологических исследований)

Аннотация

Physico-mechanical properties of automorphic taiga soils of the Komi Republic (according to rheological studies)

Abstract

События