Rheological Properties of Boreal Semihydromorphic Soils: Relationship with Physico-Chemical Properties and Temperature Conditions

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Интенсификация техногенного воздействия на таежные экосистемы (вырубка лесов, проезд тяжелой техники, строительство инфраструктурных объектов и др.) обусловливает активизацию и развитие эрозионных процессов, нарушающих строение и функционирование лесных почв. Особенно это актуально в отношении полугидроморфных почв, характеризующихся периодическим или застойным переувлажнением. В силу климатических особенностей (значительного количества осадков, низких температур, слабого испарения) почвенный покров Республики Коми формируется в условиях повышенного увлажнения и длительного промерзания с проявлением разнообразных деформационных процессов: тиксотропии, плывунности, солифлюкции, морозобойного растрескивания, пучения и др. Полугидроморфные почвы занимают более 30% (≈12 млн га) территории Республики Коми, они имеют большое лесохозяйственное значение [1]. Важнейшим биосферно-экологическим качеством таежных полугидроморфных почв является аккумуляция в биогеоценозе органического вещества в виде органогенного горизонта – оторфованной лесной подстилки. Учитывая возможность повышения количества осадков в условиях климатических изменений, которые прогнозируются в северном полушарии к концу XXI в. [26, 28], следует ожидать увеличения влажности почв, что отразится и на их физических свойствах. Для оценки физико-механических изменений необходимы реологические исследования почв, которые позволяют количественно и качественно оценить характер межчастичного взаимодействия почв, а также выявить механические свойства почв: упругость, вязкость, пластичность [15, 20]. Реологический подход хорошо зарекомендовал себя в работах многих исследователей [21–25, 27, 29–32, 37–39]. В почвоведении реологический метод широко используется как в практических целях, так и в вопросах теоретической направленности. В частности, реологический подход часто применяется при изучении деградации почвенной структуры под влиянием антропогенного воздействия [15, 34–36, 41]. Ранее были исследованы деформационные характеристики таежных подзолистых почв, формирующихся в хорошо дренируемых условиях [17]. Выявлены особенности реологических свойств подзолистых почв с разной степенью увлажнения, формирующихся в северной части таежно-лесной зоны [18]. Исследования показали, что подзолистые почвы северной части региона имеют некоторые особенности в физико-химических и реологических свойствах, которые обусловлены их длительным промерзанием и переувлажнением. Установлено, что наиболее прочные межчастичные контакты с упруго-хрупкими свойствами формируются в горизонтах профиля криометаморфических почв (Folic Albic Stagnosols, Histic Gleyic Stagnosols), отличающихся высоким содержанием гумусовых веществ и органо-минеральных альфегумусовых соединений. Настоящая работа является продолжением предыдущих исследований и направлена на изучение реологических свойств полугидроморфных подзолистых почв, формирующихся в зональном ряду от южной тайги до лесотундры. Эти исследования позволят более полно оценить структурное состояние и устойчивость таежных полугидроморфных почв в условиях изменяющегося климата и возрастающего техногенного давления, а также более четко охарактеризовать специфические особенности подзолистых почв, выявить дополнительные диагностические показатели на основе характеристики их физических параметров.

Цель работы – определить методом амплитудной развертки (колебательный метод) особенности реологического поведения полугидроморфных почв, формирующихся под таежной растительностью на территории Республики Коми, во взаимосвязи с их физико-химическими свойствами и температурными условиями.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Территория исследований располагается в пределах северо-восточной части Восточно-Европейской равнины на территории Республики Коми. Климат региона умеренно-континентальный умеренно-холодный [1]. Активная циклоническая деятельность обусловливает выпадение достаточно большого количества атмосферных осадков (489–622 мм/год). К северу снижается среднегодовая температура воздуха (от +1°С в подзоне южной тайги до –4.1°С в лесотундре), значительно увеличивается количество дней с отрицательными температурами (от 172 до 221), возрастает коэффициент увлажнения (от 1.1–1.2 до 2.0–2.5).

Объектами исследования послужили текстурно-дифференцированные (Haplic Albic Retisol) и криометаморфические (Histic Gleyic Stagnosols) почвы, формирующиеся в полугидроморфных условиях под пологом еловых лесов на суглинистых и супесчаных почвообразующих породах. Для изучения реологических свойств таежных почв выбраны пять ключевых участков, расположенных в различных подзонах тайги, а также в лесотундре. На каждом участке заложено по два почвенных разреза. Всего в работе использовано 10 полнопрофильных почвенных разрезов и 60 образцов почв. Краткая характеристика ключевых участков представлена в табл. 1. Названия почв даны в соответствии с принципами диагностики и классификации почв России 2004 г. [9, 12] и системой классификации почв WRB [42].

 

Таблица 1. Краткая характеристика объектов исследования

Зона/ подзона	Координаты ключевого участка	Номер разреза	Растительность	Тип, подтип почвы*	Тип, подтип почвы**
Южная тайга	КS-I 59°38ʹN 49°22ʹE	L-1	Ельник кислично-зеленомошный	Haplic Albic Retisol	Дерново-подзолистая слабоглееватая
		L-3	Ельник кустарничково-сфагновый	Haplic Albic Retisol	Дерново-подзолистая глееватая
Средняя тайга	КS-II 61°39ʹN 50°41ʹE	R-8-H	Ельник чернично-зеленомошный	Haplic Albic Retisol	Торфяно-подзолисто-глееватая торфянистая
		R-3-P	Ельник кустарничково-сфагновый	Haplic Albic Retisol	Торфяно-подзолисто-глееватая торфяная
Северная тайга	КS-III 64°51ʹN 57°37ʹE	R-3-H	Ельник кустарничково-сфагновый	Histic Gleyic Stagnosols	Светлозем торфянистый потечно -гумусовый глееватый
		R-2	Ельник осоково-сфагновый	Histic Gleyic Stagnosols	Светлозем торфяный потечно -гумусовый глееватый
Крайне-северная тайга	КS-IV 65°53ʹN 60°30ʹE	R-42	Ельник кустарничково-сфагновый	Histic Gleyic Stagnosols)	Светлозем торфянистый потечно -гумусовый глееватый
		R-71	Ельник кустарничково-сфагновый	Histic Gleyic Stagnosols	Светлозем торфяный потечно -гумусовый глееватый
Лесо-тундра	КS-V 66°39ʹN 62°29ʹE	R-4-H	Ельник кустарничково-сфагновый	Histic Gleyic Stagnosols	Светлозем торфянистый потечно -гумусовый глееватый
		R-4-2	Ельник кустарничково-сфагновый	Histic Gleyic Stagnosols	Светлозем торфяный потечно -гумусовый глееватый

* Название почвы приведено в соответствии с системой классификации WRB [42].

** Название почвы приведено в соответствии с классификацией почв России [9].

 

Физико-химические свойства почв исследовали в соответствии с общепринятыми методами [3, 14]. Величину рН солевой (КСl) суспензии с соотношением почва : раствор 1 : 2.5 определяли потенциометрически со стеклянным электродом, содержание общего углерода и азота – газохроматографическим методом на CNHS-анализаторе ЕА-1100 Carlo Erba, обменных катионов (Са^2+, Мg²⁺) – вытеснением NH₄Cl с последующим атомно-абсорбционным определением на приборе Shimadzu АА-6300, оксалатнорастворимых форм соединений железа и алюминия – по Тамму, дитиониторастворимых – по Мера–Джексону, гранулометрический состав – по Качинскому. Результаты аналитических исследований приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Физико-химические свойства почв

Горизонт	Глубина, см	рНKCl	Собщ, %	Ca2+	Mg2+	Fe2O3 (o)*, %	Сумма частиц, %		Горизонт	Глубина, см	рНKCl	Собщ, %	Ca2+	Mg2+	Fe2O3 (o)*, %	Сумма частиц, %
				смоль(+)/кг			< 0.001 мм	< 0.01 мм					смоль(+)/кг			< 0.001 мм	< 0.01 мм
KS-V. Лесотундра
Разрез R-4-H. Светлозем-торфянистый потечно-гумусовый глееватый (Histic Gleyic Stagnosols)									Разрез R-4-2. Светлозем-торфяный потечно-гумусовый глееватый (Histic Gleyic Stagnosols)
Т1	0–7	3.3	45.2	10.5	5.4	0.06	–	–	T1	0–5	3.4	45.9	11.7	6.4	–	–	–
Т2	7–13	3.4	36.4	1.5	1.0	0.87	–	–	T2	5–20	3.1	44.2	6.7	5.6	–	–	–
ELhi,g	13–17	3.6	2.00	0.1	0.1	0.65	12	26	T3	20–25	3.4	42.4	3.5	2.7	–	–	–
ELhi,g	17–25	3.9	0.24	0.5	0.4	0.40	10	19	ELhi,g	25–29	3.6	1.02	0.4	0.2	0.63	9	22
Bcrm	25–41	3.9	0.55	0.1	0.1	0.52	8	16	Bcrm,g	29–40	3.6	0.29	0.9	0.7	0.59	12	23
CRMg	41–70	3.9	0.2	1.7	1.3	0.41	11	22	CRMg	40–65	3.4	0.21	5.4	4.1	0.69	25	38
ВCg	70–90	3.9	0.22	1.3	1.1	0.46	9	20	Dg	65–80	3.6	0.27	6.4	4.9	0.92	25	32
KS-IV. Крайнесеверная тайга
Разрез R-42. Светлозем-торфянистый потечно-гумусовый глееватый (Histic Gleyic Stagnosols)									Разрез R-71. Светлозем-торфяный потечно-гумусовый глееватый (Histic Gleyic Stagnosols)
T1	0–4	3.2	42.7	0.3	0.1	–	–	–	Т1	0–3	–	42.6	–	–	–	–	–
T2	4–8	3.4	42.7	0.2	0.1	–	–	–	Т2	3–7	–	42.6	–	–	–	–	–
T3	8–18	3.6	41.0	0.1	0.04	–	–	–	Т3	7–20	–	36.7	–	–	–	–	–
ELhi,g	18–20	3.9	1.38	0.1	0.02	0.5	14	25	ELhi,g	20–25	3.8	3.2	1.2	0.4	1.37	25	45
ELg,hi	20–30	4.0	0.41	0.1	0.04	0.73	15	26	ELg,hi	25–30	3.8	0.57	0.5	0.3	0.91	14	29
Bcrm	30–40	4.1	0.28	0.1	0.04	0.71	15	24	Bcrm	30–40	3.2	0.30	0.5	0.3	0.75	12	26
CRM1	40–50	4.5	0.27	–	–	0.41	16	33	Bcrm	40–50	3.8	0.29	1.0	0.9	0.96	18	34
CRM2	50–60	4.0	0.24	0.1	0.03	0.43	19	34	CRM1	50–60	3.8	0.23	2.8	1.3	1.07	20	36
BC	60–70	3.9	0.29	0.1	0.03	0.37	20	33	CRM2	60–70	3.8	0.20	4.1	2.2	0.96	20	38
C	70–80	3.9	0.27	0.1	0.03	0.37	22	38	CRM3	70–82	3.9	0.20	6.5	4.0	0.80	25	40
C	80–100	4.2	0.19	0.1	0.02	0.27	8	15	BCg	82–100	4.0	0.20	9.6	6.2	0.51	34	46
KS-III. Северная тайга
Разрез R-3-H. Светлозем-торфянистый потечно-гумусовый глееватый (Histic Gleyic Stagnosols)									Разрез R-2. Светлозем-торфяный потечно-гумусовый глееватый глееватый (Histic Gleyic Stagnosols)
Т1	0–8	2.9	44.4	1.9	1.7	0.04	–	–	О	0–7	2.6	44.9	–	–	–	–	–
Т2	8–14	3.1	44.6	0.9	0.5	0.43	–	–	Т1	7–14	2.5	45.6	–	–	–	–	–
Т3	14–17	3.5	37.7	0.4	0.2	1.68	–	–	Т2	14–20	2.8	45.1	–	–	–	–	–
ELhi,g	17–20	3.5	7.8	0.1	0.1	0.17	11	15	Т3	20–25	3.1	46.1	–	–	–	–	–
ELg	20–30	4.0	0.47	0.1	0.1	0.46	10	15	ELhi,g	25–28	3.1	7.6	0.6	0.2	0.18	10	22
Bcrm,g	30–40	4.1	0.31	0.2	0.1	0.33	9	14	ELhi,g	28–30	3.4	3.0	0.5	0.2	0.26	13	21
Bcrm,g	40–50	4.1	0.24	0.2	0.2	0.38	9	15	Bcrm,g	30–40	3.7	0.56	0.6	0.2	0.41	8	14
CRM1g	50–60	4.1	0.33	0.4	0.3	0.51	10	18	Bcrm,g	40–50	3.8	0.38	0.6	0.2	0.5	7	13
CRM2g	60–80	3.9	<0.15	6.9	1.0	0.29	13	19	Bcrm,g	50–60	3.8	0.37	0.6	0.2	0.45	8	15
CRM3g	80–96	3.8	<0.15	4.5	2.6	0.47	21	26	CRM1g	60–70	3.8	0.23	0.8	0.2	0.60	8	14
CRM3g	96–118	3.8	0.16	6.6	3.6	–	23	26	CRM2g	70–90	3.6	<0.15	1.2	0.4	0.38	8	14
CRM3g	118–150	3.9	0.17	7.9	4.5	0.44	20	27	BCg	90–110	3.6	<0.15	1.4	0.4	0.41	8	16
BCg	150–170	4.0	<0.15	8.5	5.1	0.45	21	30	BCg	110–130	3.5	<0.15	2.3	0.8	0.31	12	18
Cg	170–180	4.0	<0.15	8.3	5.0	0.46	21	30
KS-II. Средняя тайга
Разрез R-8-H. Торфяно-подзолистая глееватая торфянистая (Histic Albic Retisol)									Разрез R-3-P. Торфяно-подзолистая глееватая торфяная (Histic Albic Retisol)
Т1	0–6	4.0	42.1	21.9	3.7	0.17	–	–	T1	0–7	3.2	44.4	24.7	4.7	–	–	–
Т2	6–13	4.1	26.5	3.1	1.2	0.89	–	–	T2	7–20	3.6	37.4	22.2	2.6	–	–	–
ELhi,g	13–19	3.9	0.57	0.3	0.2	0.65	9	18	T3	20–24	3.8	16.2	5.6	1.7	–	–	–
ELg	19–30	4.0	0.19	1.6	0.9	0.49	11	21	ELhi,g	24–32	3.8	11.8	–	–	0.29	20	31
BEg	30–50	4.1	0.18	5.9	2.1	0.37	20	28	ELg	32–43	3.8	5.2	1.4	0.6	0.59	23	38
BТ1g	50–70	4.4	0.20	12.4	3.8	0.26	25	33	BElg	43–56	3.6	0.44	1.8	1.0	0.98	23	35
BТ2g	70–90	4.7	0.16	12.1	3.8	0.23	25	34	BT1g	56–64	3.6	0.16	2.3	1.4	0.67	22	28
BCg	90–130	4.9	0.15	11.2	3.6	0.17	23	33	BT2g	64–77	3.6	0.13	5.8	2.3	0.52	22	29
BCg	130–140	5.5	0.20	13.0	3.5	–	23	27	BT3g	77–89	3.7	0.115	7.2	3.1	0.41	19	30
									BCg	89–100	3.8	0.117	8.2	3.6	0.37	22	32
									BCg	100–120	3.9	0.128	8.5	3.7	0.38	21	29
									Сg	120–130	4.0	–	8.4	3.7	0.44	20	31
KS-I. Южная тайга
Разрез L-1. Дерново-подзолистая слабоглееватая (Histic Albic Retisol)									Разрез L-3. Дерново-подзолистая глееватая (Histic Albic Retisol)
O1	0–2	4.5	38.7	6.2	2.91	–	–	–	T1	0–4	4.0	43.2	21.7	4.9	–	–	–
O2	2–4	3.5	21.0	1.4	0.84	–	–	–	T2	4–6	3.7	39.8	6.6	3.27	–	–	–
AYg	4–7	3.5	2.40	0.8	0.49	1.41	14	39	T3	6–12	3.8	22.0	36.9	17.3	–	–	–
ELg	7–14	3.8	0.30	1.2	1.06	0.70	8	27	AYg	12–15	3.5	9.2	1.5	1.21	1.82	–	–
BEL	14–27	3.7	0.26	4.2	2.66	1.01	9	32	ELg	15–23	3.8	0.71	2.5	2.56	0.54	18	37
BTel	27–40	3.7	0.16	10.3	6.3	0.47	12	31	BEL	23–36	3.8	0.25	10.3	6.3	1.00	21	40
BT1	40–60	3.8	0.22	12.3	7.8	0.61	27	43	BT	36–50	3.8	0.26	13.7	7.5	0.39	32	50
BT2	60–75	3.9	0.20	14.1	8.0	0.49	32	47	BT1	50–70	3.9	0.28	13.9	7.4	0.32	39	54
BT2	75–100	3.9	0.21	14.2	8.7	0.48	37	50	BT2	70–88	4.0	0.22	13.3	8	0.3	39	51
BT3	100–120	3.9	0.18	14.8	9.1	0.38	38	51	BT2	88–100	4.1	0.19	14.8	8.6	0.28	35	47
ВС	120–135	4.0	–	14.6	8.9	0.33	–	–	BT3	100–114	4.1	0.19	14.6	8.7	0.39	38	53
С	135–140	4.0	–	7.4	1.86	0.38	–	–	BCg	114–135	4.2	0.20	14.1	8.5	0.39	36	51
									BСg	135–145	4.2	0.24	9.7	2.58	0.35	37	54

Примечание. Знак “–” указывает на то, что значение в этих образцах не было определено.* – по Тамму.

 

Наблюдения за температурным режимом почв проводили с помощью цифровых логгеров HOBO-U12 (США). Температурные датчики устанавливали на глубину 0, 20, 50 и 100 см от поверхности почвы, период измерений – через каждые 3 ч с 2012 по 2013 гг.

Реологические исследования образцов почв нарушенного сложения (пасты) выполняли на базе модульного реометра MCR-302 Anton Paar (Австрия) методом амплитудной развертки (колебательный метод) с измерительными системами плита-плита на кафедре физики почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Подробное описание методики проведения исследований представлено в работах [16, 17, 29, 34]. Для проведения измерений растертую и просеянную через сито с диаметром отверстий 1 мм почву массой 2 г капиллярно насыщали дистиллированной водой в течение 24 ч до состояния влажности максимального капиллярного водонасыщения. Далее подготовленный образец загружали в прибор, помещая его между измерительными пластинами, верхняя из которых подвергала почвенный образец колебательным нагрузкам с постоянной частотой и увеличивающейся амплитудой. В каждом образце после проведения реологического испытания определяли влажность весовым способом, высушивая образец при 105°C. Испытания проводили при контроле нормальной силы <10 Н. Технические режимы испытаний: расстояние между плато h ~ 1–5 мм, диаметр плато – 2.5 см, деформация сдвига γ – 0.001–100%, угловая частота f – 0.5 Гц, количество измеряемых точек 30, температуру образца поддерживали элементами Пельтье на постоянном уровне 20°С. В ходе проведенных испытаний были получены следующие параметры, характеризующие реологические свойства почв (рис. 1a): G’ (Па) – модуль запаса, является мерой энергии деформации, сохраненной образцом в процессе сдвига, (значения модуля запаса G’ в начале деформационного сдвига использованы для характеристики жесткости межчастичных почвенных контактов), G” (Па) – модуль потерь, является мерой энергии деформации, израсходованной во время процесса сдвига и потерянной для образца. Модули G’ и G” являются составной частью комплексного модуля сдвига G*, модуль G’– представляет упругую составляющую поведения вязкоупругого материала, LVE-range (%) – линейный диапазон вязкоупругого поведения (отражает область с постоянными величинами или с незначительными изменениями модуля запаса G’).

 

Рис. 1. Кривая зависимости модуля запаса (G’) и потерь (G”) от величины деформации (a); кривая зависимости фактора потерь (tgδ) от величины деформации (b)

 

Crossover (%) – диапазон пластичной деформации (определяется по точке пересечения модулей запаса и потерь (G’ = G”), которая фиксирует полное разрушение структурных связей с переходом системы из состояния гель в золь или из твердообразного в текучее). Величина tgδ = G” / G’ – расчетная величина, необходимая для определения отношения вязкой и упругой частей вязкоупругого деформационного поведения. Величина I ntegral Z – интегральная зона фактора потерь, которая отражает величину межчастичного взаимодействия (рис. 1b).

Статистическую обработку данных проводили в программном пакете IBM SPSS Statistic.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Морфологическое строение и физико-химические свойства почв. Для выявления влияния биоклиматических факторов на реологические свойства полугидроморфных таежных почв подобраны объекты, сформированные на близких по составу почвообразующих породах. Почвы южной (KS-I) и средней (KS-II) тайги развиты на пылеватых средних суглинках, почвы северной (KS-III), крайне северной тайги (KS-IV) и лесотундры (KS-V) – на пылеватых легких суглинках и пылеватых супесях.

Морфологическое строение почв (Haplic Albic Retisol) южной (KS-I) и средней тайги (KS-II) характеризуется наличием тяжелого текстурного горизонта ВТ в средней части профиля, с хорошо выраженной призматической структурой, глинистыми кутанами и белесыми скелетанами – текстурно-дифференцированные почвы. Общая мощность текстурных горизонтов достигает 90–100 см. Отличительным морфологическим признаком рассмотренных текстурно-дифференцированных почв, формирующихся в условиях периодического поверхностного переувлажнения, является, кроме текстурного горизонта, наличие в верхней части профиля серогумусого горизонта А Yg (L-1, L-3) и элювиального потечно-гумусового горизонта ELhi, g (Р-8-Н, Р-3-П), характеризующихся высоким содержанием гумуса и слаборазложившихся растительных остатков, а также признаками оглеения.

В профиле криометаморфических почв Histic Gleyic Stagnosols, формирующихся в полугидроморфных условиях в подзонах северной (KS-I), крайне северной (KS-IV) тайги и лесотундры (KS-V), имеются как морфологические признаки, сближающие их с почвами южной и средней тайги, так и некоторые отличительные признаки. К близким признакам следует отнести формирование под лесной торфянистой подстилкой элювиальных горизонтов (ELhi, g) с высоким содержанием гумуса иллювиальной природы (потечный гумус) и слаборазложившихся растительных остатков. Отличительной особенностью морфологического строения светлоземов (Histic Gleyic Stagnosols) является развитие в средней части профиля почв специфичной угловато-крупитчатой структуры (криометаморфическое оструктуривание – горизонт CRM) при отсутствии или слабой выраженности текстурного горизонта (ВТ). Появление криометаморфических горизонтов в профиле светлоземов обусловлено усилением процессов промерзания почв к северу. Роль криогенного фактора в формировании такого типа CRM структуры отмечена в работах многих авторов [5, 8, 10]. Наиболее предрасположены по своим свойствам к мерзлотному оструктуриванию почвообразующие породы легкосуглинистого гранулометрического состава. Присутствие в них фракции крупной пыли способствует более активному дроблению твердой фазы почвы при промораживании благодаря созданию системы достаточно крупных пор [4]. Именно в них в первую очередь начинает замерзать вода при температурах, близких к нулевым (чем тоньше поры, тем ниже температура замерзания воды). Общая мощность горизонтов с криометаморфическим оструктуриванием (горизонт CRM) в исследуемых светлоземах достигает 120 см. В настоящее время в связи с глобальными климатическими изменениями [26], криометаморфические горизонты, не подверженные процессам длительного промерзания, являются своего рода реликтовыми образованиями, оставшимися от прошлых климатических периодов, характеризующихся более холодными температурными условиями [13].

Все рассмотренные почвы характеризуются повышенной кислотностью, с минимальными значениями величины рН KCl-вытяжки в верхних подстилочно-торфяных (рН 2.48–3.60) горизонтах, что может быть связано с высоким содержанием здесь ненасыщенных низкомолекулярных органических кислот [19]. Почвы южной и средней тайги (Haplic Albic Retisol) характеризуются более четкой дифференциацией профиля по содержанию частиц илистой фракции и содержанию обменных оснований. В почвах северной части региона (Histic Gleyic Stagnosols) содержание обменных оснований низкое по всему профилю. Это может быть следствием специфики минералогического и химического составов почвообразующих пород. К северу вследствие более суровых климатических условий усиливается фульватный характер почвенного органического вещества, и возрастает потечность гумусовых соединений [1, 6]. Значительная часть высоко-и низкомолекулярных органических кислот, поступающих из подстилки, осаждается ниже по профилю в форме алюмо-и железо-гумусовых соединений, фиксируемых по высокому содержанию оксалатнорастворимых соединений железа по Тамму.

Реологические свойства почв. Данные реологических исследований представлены в табл. 3. Буквенные обозначения (a–e) отражают значимые (p < 0.05) различия между горизонтами почв на основе Post-hoc анализа по критерию Тьюки. Установлено, что в текстурно-дифференцированных почвах (дерново-подзолистые слабоглееватые и глееватые) южной тайги (ключевой участок KS-I) наиболее жесткие межчастичные контакты (G’ до 1.10 МПа) формируются в верхней части профиля почв (горизонты АYg, ELg, ВELg), в области накопления гумуса, низкомолекулярных органических веществ и органо-минеральных альфегумусовых соединений. Это согласуется с данными работ [29, 33], отмечавших появление значительной жесткости в межчастичных взаимодействиях при накоплении в почвах дитионито-растворимых форм железа. Существенный вклад в повышение жесткости межчастичных контактов в рассмотренных дерново-подзолистых слабоглееватых и глееватых почвах может вносить сезонное промерзание. По данным температурных наблюдений, почвы на участке KS-I находятся в мерзлом состоянии до глубины 30 см в течение 100–128 сут [7]. Промораживание почв способствует уплотнению частиц и формированию более прочных конденсационных типов межчастичных контактов. Альфегумусовое иллювиирование, а также процессы промерзания способствуют созданию жестких, но более хрупких межчастичных связей, которые резко разрушаются при превышении механической нагрузки и долго восстанавливаются после снятия нагрузки. На это указывает узкий линейный диапазон вязкоупругого поведения в горизонтах АYg, ELg, ВELg, фиксируемый по параллельному ходу кривой G’ в области линейной вязкоупругости LVE-range. Исключением является гумусово-аккумулятивный (АYg) горизонт почвы L-3, в котором, несмотря на высокое содержание альфегумусовых соединений (железо по Тамму до 1.82%), отмечаются низкие значения жесткости контактов (G’ 0.404 M Ра) и высокие величины упругой (LVE-range 7.3 × 10^–3%) и пластичной (Crossover 6.21%) деформации. Такой результат обусловлен повышенным содержанием слаборазложившихся органических остатков – количество общего углерода в горизонте АYg достигает 9.2%. Сцепленные органические компоненты действуют подобно пружине, увеличивая упругое сопротивление почвы. При этом значительно снижается общая жесткость межчастичных контактов (G’). Повышенные значения пластичности в элювиальных горизонтах ELg обеих почв до 5.18 (L-2) и 6.19% (L-1) обусловлены слабой агрегированностью данных горизонтов. Дезагрегированные горизонты имеют более высокое количество межчастичных контактов, что отражается на реологических показателях в виде высоких значений диапазона пластичности (Crossover). Высокая жесткость контактов (G’) постепенно ослабляется вниз по профилю до 0.44 МПа. Величины пластичности (Crossover) при этом выходят на средние по профилю значения – 3.48%, в то время как значения упругой деформации (LVE-range), наоборот, увеличиваются до 7.26 × 10^–3% в горизонтах BT и ВСg. Такое изменение реологических свойств обусловлено постепенным ослаблением с глубиной педогенных процессов и проявлением в большей степени реологических свойств, связанных (опосредованно) с гранулометрическим и минералогическим составом почвообразующей породы. Текстурный горизонт ВТ и материнская порода ВСg отличаются более тяжелым гранулометрическим составом, высокой степенью насыщенности основаниями, способствующими повышенному накоплению влаги. Последняя увеличивает расстояние между почвенными частицами, ослабляя тем самым жесткость межчастичного взаимодействия [15, 40]. Таким образом, в профиле полугидроморфных почв южной тайги наиболее высокими показателями структурного взаимодействия (Integral Z) характеризуются иллювиальные текстурные горизонты ВТ за счет повышенной упругости и пластичности межчастичных контактов. В верхней части профиля почв структурная устойчивость почв к механическим нагрузкам ограничивается хрупкостью формирующихся контактов и слабыми внутриагрегатными связями.

 

Таблица 3. Реологические свойства почв

Горизонт	Глубина, см	Линейный диапазон вязкоупругой деформации LVE-range, x × 10–3%	Модуль запаса G’, МПa	Предел пластичности Crossover, %	Integral Z	Горизонт	Глубина, см	Линейный диапазон вязкоупругой деформации LVE-range, x × 10-3%	Модуль запаса G’, МПa	Предел пластичности Crossover, %	Integral Z
Разрез R-4-H. Светлозем торфянистый потечно-гумусовый глееватый (Histic Gleyic Stagnosols)						Разрез R-4-2. Светлозем торфяный потечно-гумусовый глееватый (Histic Gleyic Stagnosols)
ELhi,g	13–17	3.28 ± 0.40a	1.08 ± 0.14a	1.95 ± 0.23a	1.10 ± 0.14a	ELhi,g	25–29	1.5 ± 0.20a	1.23 ± 0.16a	3.06 ± 0.36a	2.24 ± 0.29a
ELhi,g	17–25	1.50 ± 0.20b	1.26 ± 0.16a	6.04 ± 0.71b	4.50 ± 0.59b	Bcrm,g	29–40	2.2 ± 0.30a	1.26 ± 0.20a	6.35 ± 0.74b	4.44 ± 0.58b
Bcrm,g	25–41	2.21 ± 0.29b	1.38 ± 0.18a	1.35 ± 0.16a	1.02 ± 0.13a	CRMg	40–65	3.3 ± 0.40b	1.55 ± 0.20a	1.85 ± 0.22c	1.13 ± 0.15a
CRMg	41–70	2.20 ± 0.29b	2.10 ± 0.27b	1.16 ± 0.14a	0.93 ± 0.12a	Dg	65–80	1.5 ± 0.20a	1.71 ± 0.22a	1.72 ± 0.20c	1.09 ± 0.14a
BCg	70–90	2.20 ± 0.29b	2.16 ± 0.28b	1.11 ± 0.13a	0.73 ± 0.09a
KS-IV. Крайнесеверная тайга
Разрез R-42. Светлозем торфянистый потечно-гумусовый глееватый (Histic Gleyic Stagnosols)						Разрез R-71. Светлозем торфяный потечно-гумусовый глееватый (Histic Gleyic Stagnosols)
ELhi,g	18–20	2.21 ± 0.29a	1.09 ± 0.14ab	1.58 ± 0.18ab	0.92 ± 0.12ab	ELhi,g	20–25	3.28 ± 0.43a	1.58 ± 0.20a	0.76 ± 0.09a	0.45 ± 0.06a
ELg,hi	20–30	3.27 ± 0.43a	1.59 ± 0.20c	2.40 ± 0.28c	1.63 ± 0.21c	ELg,hi	25–30	2.20 ± 0.29b	1.33 ± 0.17ab	1.64 ± 0.19a	1.02 ± 0.13a
Bcrm	30–40	2.20 ± 0.29a	1.38 ± 0.18bc	1.95 ± 0.23ac	1.45 ± 0.19cd	Bcrm	30–40	3.28 ± 0.43a	1.19 ± 0.15ac	8.55 ± 1.00b	6.72 ± 0.87b
CRM	50–60	2.21 ± 0.29a	1.22 ± 0.16bc	1.49 ± 0.1ab	1.14 ± 0.15ad	Bcrm	40–50	1.49 ± 0.20b	1.02 ± 0.13bc	1.12 ± 0.13a	0.72 ± 0.09a
BC	60–70	3.28 ± 0.43b	0.96 ± 0.12b	1.23 ± 0.14b	0.78 ± 0.10ab	CRM1	50–60	1.49 ± 0.20b	1.35 ± 0.17ab	1.62 ± 0.19a	1.05 ± 0.14a
C	70–80	2.20 ± 0.29a	1.50 ± 0.19ac	1.41 ± 0.16b	0.99 ± 0.13ab	CRM2	60–70	2.21 ± 0.29b	1.28 ± 0.16ac	1.26 ± 0.15a	0.80 ± 0.10a
C	80–100	3.28 ± 0.43b	1.18 ± 0.15bc	1.23 ± 0.14b	0.70 ± 0.09b	CRM3	70–82	3.28 ± 0.43a	1.14 ± 0.15ac	1.33 ± 0.16a	0.76 ± 0.10a
						BCg	82–100	3.28 ± 0.43a	0.84 ± 0.11c	1.74 ± 0.20a	1.02 ± 0.13a
KS-III. Северная тайга
Разрез R-3-H. Светлозем торфянистый потечно-гумусовый глееватый (Histic Gleyic Stagnosols)						Разрез R-2. Светлозем торфяный потечно-гумусовый глееватый (Histic Gleyic Stagnosols)
ELhi,g	17–20	4.88 ± 0.60a	0.77 ± 0.99ab	3.37 ± 0.39a	1.78 ± 0.23ab	ELhi,g	25–28	3.28 ± 0.40a	0.62 ± 0.08a	2.24 ± 0.26a	1.27 ± 0.17a
ELg	20–30	2.21 ± 0.30bc	1.1 0 ± 0.14ab	1.28 ± 0.15bc	0.89 ± 0.12cd	ELhi,g	28–30	2.21 ± 0.30b	1.14 ± 0.15b	1.16 ± 0.14ab	0.27 ± 0.04b
Bcrm,g	30–40	3.27 ± 0.40c	1.58 ± 0.20ab	1.14 ± 0.13bc	0.66 ± 0.09cd	Bcrm,g	30–40	1.50 ± 0.20b	1.86 ± 0.24c	0.58 ± 0.07b	0.36 ± 0.05b
Bcrm,g	40–50	1.50 ± 0.20b	1.79 ± 0.23ac	1.98 ± 0.23c	1.85 ± 0.24a	Bcrm,g	40–50	2.20 ± 0.30b	1.33 ± 0.17b	1.18 ± 0.14ab	0.77 ± 0.10ab
CRM1g	50–60	2.22 ± 0.30bc	2.76 ± 0.35c	0.54 ± 0.06b	0.34 ± 0.04c	Bcrm,g	50–60	2.20 ± 0.30b	1.87 ± 0.24c	3.81 ± 0.44c	2.85 ± 0.37c
CRM2g	60–80	2.22 ± 0.30bc	1.23 ± 0.16ab	6.59 ± 0.77d	4.84 ± 0.63e	CRM1g	60–70	2.20 ± 0.30b	1.47 ± 0.19bc	4.11 ± 0.48cd	2.98 ± 0.39c
CRM3g	80–96	3.27 ± 0.40c	1.73 ± 0.22bc	1.24 ± 0.14bc	0.76 ± 0.10cd	CRM2g	70–90	3.28 ± 0.40a	1.12 ± 0.14ab	2.22 ± 0.26a	1.36 ± 0.18a
CRM3g	96–118	3.25 ± 0.40c	1.09 ± 0.14ab	1.41 ± 0.16bc	0.86 ± 0.11cd	BCg	90–110	1.48 ± 0.20b	1.23 ± 0.16b	6.11 ± 0.71e	4.48 ± 0.58d
CRM3g	118–150	3.28 ± 0.40c	0.95 ± 0.12ab	1.72 ± 0.20c	1.15 ± 0.15bd	BCg	110–130	1.48 ± 0.20b	1.35 ± 0.17b	5.26 ± 0.61de	3.35 ± 0.44c
BCg	150–170	3.28 ± 0.40c	0.83 ± 0.10ab	1.39 ± 0.16bc	0.90 ± 0.12cd
Cg	170–180	4.88 ± 0.60a	0.70 ± 0.09b	1.72 ± 0.20c	1.10 ± 0.14bd
KS-II. Средняя тайга
Разрез R-8-H. Торфяно-подзолисто-глееватая торфянистая (Histic Albic Retisol)						Разрез R-3-P. Торфяно-подзолисто-глееватая торфяная (Histic Albic Retisol)
ELhi,g	13–19	2.20 ± 0.29a	1.71 ± 0.22a	1.15 ± 0.13a	0.67 ± 0.09a	ELhi,g	24–32	7.26 ± 0.95a	0.51 ± 0.06a	3.48 ± 0.41a	1.98 ± 0.26ab
ELg	19–30	2.20 ± 0.29a	1.71 ± 0.22a	1.49 ± 0.17ab	0.99 ± 0.13ab	ELg	32–43	3.28 ± 0.43b	0.94 ± 0.12bc	2.34 ± 0.27a	1.39 ± 0.18a
BELg	30–50	3.28 ± 0.43a	1.06 ± 0.14b	1.48 ± 0.17ab	0.92 ± 0.12ab	BELg	43–56	4.88 ± 0.64b	1.05 ± 0.13c	5.18 ± 0.61b	3.28 ± 0.43c
BТ1g	50–70	2.20 ± 0.29a	0.87 ± 0.11bc	1.80 ± 0.21bc	1.06 ± 0.14b	BT1g	56–64	3.28 ± 0.43b	0.91 ± 0.12bc	3.48 ± 0.41a	2.60 ± 0.34bc
BТ2g	70–90	4.88 ± 0.64b	0.68 ± 0.08bc	1.88 ± 0.22bc	1.10 ± 0.14b	BT2g	64–77	4.88 ± 0.64b	0.84 ± 0.11cd	3.48 ± 0.41a	2.46 ± 0.32bc
BCg	90–130	4.88 ± 0.64b	0.62 ± 0.08c	1.93 ± 0.23bc	1.14 ± 0.15b	BT3g	77–89	4.88 ± 0.64b	0.66 ± 0.08abd	3.48 ± 0.41a	2.17 ± 0.28ab
Cg	130–140	4.88 ± 0.64b	0.59 ± 0.07c	2.05 ± 0.24c	1.16 ± 0.15b	BCg	89–100	4.88 ± 0.64b	0.60 ± 0.07ad	5.18 ± 0.61b	3.20 ± 0.42c
						BCg	100–120	4.88 ± 0.64b	0.61 ± 0.08ad	3.48 ± 0.41a	2.19 ± 0.28ab
KS-I. Южная тайга
Разрез L-1. Дерново-подзолистая слабоглееватая (Histic Albic Retisol)						Разрез L-3. Дерново-подзолистая глееватая (Histic Albic Retisol)
AYg	4-7	3.28 ± 0.43a	0.99 ± 0.13a	1.88 ± 0.22a	1.13 ± 0.15a	AYg	12-15	7.28 ± 0.96a	0.40 ± 0.05a	6.21 ± 0.73a	3.06 ± 0.40ab
ELg	7-14	3.28 ± 0.43a	1.00 ± 0.13a	6.19 ± 0.72b	4.85 ± 0.63b	ELg	15–23	3.27 ± 0.43b	1.12 ± 0.14b	6.20 ± 0.72a	4.20 ± 0.55c
BEL	14-27	3.26 ± 0.43a	1.06 ± 0.14a	6.19 ± 0.72b	4.67 ± 0.61b	BELg	23–36	3.28 ± 0.43b	0.96 ± 0.12bc	5.18 ± 0.61ab	3.19 ± 0.41b
BTel	27-40	4.88 ± 0.64a	0.65 ± 0.08bc	4.16 ± 0.49c	2.80 ± 0.36c	BT1	36–50	4.88 ± 0.64b	0.78 ± 0.10cd	4.16 ± 0.49bc	2.94 ± 0.38ab
BT1	40-60	3.27 ± 0.43a	0.82 ± 0.10ab	3.48 ± 0.41c	1.95 ± 0.25ac	BT1	50–70	4.88 ± 0.64b	0.62 ± 0.08ad	4.16 ± 0.49bc	2.43 ± 0.32bd
BT1	60-75	4.88 ± 0.64a	0.63 ± 0.08bc	3.48 ± 0.41c	2.05 ± 0.27ac	BT2	70–88	4.88 ± 0.64b	0.59 ± 0.07ad	3.48 ± 0.41c	2.21 ± 0.29bd
BT2	75-100	4.88 ± 0.64a	0.54 ± 0.07bc	3.48 ± 0.41c	2.09 ± 0.27ac	BT2	88–100	4.88 ± 0.64b	0.56 ± 0.07ad	3.48 ± 0.41c	2.09 ± 0.27ad
BT2	100-120	7.26 ± 0.95b	0.44 ± 0.05c	3.48 ± 0.41c	1.97 ± 0.26ac	BCg	100–114	7.26 ± 0.95a	0.46 ± 0.06a	3.48 ± 0.41c	1.92 ± 0.25d
						BCg	114–135	4.88 ± 0.64b	0.55 ± 0.07ad	2.80 ± 0.33c	1.65 ± 0.21d
						BСg	135-145	7.26 ± 0.95a	0.52 ± 0.07a	2.80 ± 0.33c	1.59 ± 0.21d

 

В условиях средней тайги (ключевой участок KS-II) наиболее жесткие межчастичные взаимодействия (G 1.71 МПа) формируются в верхней части профиля полугидроморфных почв – в горизонтах ELhi, g и ELg (табл. 3). Аналогично почвам южной тайги повышенная жесткость почвенных контактов обусловлена здесь накоплением альфегумусовых соединений, а также процессами промерзания, которые способствуют формированию прочных конденсационных взаимодействий с низкими значениями упругого деформирования и пластичности. По данным наблюдений за динамикой температуры [11], промерзание почв на данном участке достигает 24 см. Исключением является верхний горизонт ELhi, g (24–32 см) профиля торфяно-подзолисто-глееватой почвы (R-3-P), где при низких величинах жесткости (G’ 0.50 МПа) отмечаются повышенные значения упругой деформации (LVE-range 7.3 × 10^–3%) и пластичности (Crossover 4.16%). Как отмечалось ранее, это обусловлено повышенным накоплением в данном горизонте слаборазложившихся органических веществ (С_общ до 11.8%). Наиболее жесткие контакты в профиле этой почвы (R-3-P) формируются в горизонте ВЕ Lg (43–56 см), который характеризуется высоким содержанием оксалатнорастворимых форм железа (Fe₂O₃ по Тамму до 0.98%). Аналогично почвам южной тайги вниз по профилю рассмотренных почв участка KS-2 отмечается ослабление жесткости межчастичных контактов (G’ 0.59 МПа) при возрастании линейного диапазона вязкоупругой деформации (LVE-range 4.88 × 10^–3%). Последнее связано с постепенным утяжелением гранулометрического состава породы. Как можно заметить, профиль полугидроморфной почвы R-3-P отличается более высокими показателями пластичности (Crossover до-2.34–5.18%) и, соответственно, структурного взаимодействия (Integral Z 1.39–3.28). В почве R-8-H значения Crossover находятся в пределах 1.15–2.05%, значения Integral Z 0.67–1.16. Повышенный показатель пластичности и структурного взаимодействия Integral Z в профиле R-3-P, вероятно, обусловлен более слабыми внутриагрегатными связями вследствие более длительного переувлажнения. Переувлажнение, сопровождаемое активизацией процессов оглеения, приводит к значительной деградации почвенных агрегатов. При механическом воздействии агрегаты легко разрушаются до более мелких частиц с возрастанием площади межчастичных контактов (аналогично ELg горизонтам южной тайги KS-1), что при механических испытаниях проявляется в виде увеличения диапазона пластичности и, соответственно, величины структурного взаимодействия Integral Z. Таким образом, с точки зрения почвоведения в данном случае высокие показатели Crossover и Integral Z отражают не повышение, а снижение качества и устойчивости структуры почв.

В реологическом поведении переувлажненных криометаморфических почв – светлоземов торфяных и торфянистых потечно-гумусовых глееватых (Histic Gleyic Stagnosols) северной тайги (участок К S-III), в отличие от аналогичных по характеру увлажнения почв южной и средней тайги (Haplic Albic Retisol), более значимую роль начинают играть глее-альфегумусовые процессы миграции и накопления органических веществ иллювиальной природы в комплексе с органо-минеральными соединениями железа и алюминия, а также более интенсивные процессы промерзания почв. В профиле разреза R-3-H максимально высокие значения жесткости межчастичных контактов (G’ до 2.76 МПа) приурочены к горизонту CRM1g (50–60 см), отличающемуся наиболее высоким содержанием альфегумусовых комплексов (Fe₂O₃ по Тамму до 0.51%). Во второй исследованной на этом участке почве (разрез R-2) аналогичное повышение жесткости наблюдали в горизонте Bcrm,g (30–60 см), что также сопряжено с активным накоплением здесь альфегумусовых соединений (Fe₂O₃ по Тамму до 0.50%). Отчасти, увеличение жесткости в средней части профилей почв R-3-H и R-2 (глубина 50–60 см) может быть связано с воздействием криогенного фактора. Подтверждением этому являются низкие значения линейного диапазона вязкоупругого поведения (LVE-rang e 2.22 × 10^–3%) и пластичности (Crossover 0.54%), что свидетельствует о повышенной хрупкости этих контактов. По данным температурных наблюдений [17], промерзание почв на участке К S-III достигает глубины 20–30 см в течение 2.5 мес. с формированием “нулевой завесы” (продолжительный период с температурами около нуля в пределах 0 ± 0.1°С) до глубины 30–40 см. В верхних элювиальных потечно-гумусовых горизонтах ELhi,g низкая жесткость контактов (G’ 0.77 M Па) при высоких показателях линейного диапазона вязкопургого поведения (LVE-rang e – 3.28 × 10 ^–3 –4.88 × 10 ^–3%) и пластичности (Crossover 3.36%) обеспечивается присутствием значительного количества слаборазложившихся органических остатков (С _общ 7.6–7.8%). Вниз по профилю исследованных почв (R-3-H и R-2) жесткость контактов постепенно снижается, достигая наименьших значений в материнской породе Сg (G’ 0.70 МПа). Горизонт CRM2g (60–80 см) в профиле R-3-H характеризуется резким увеличением значений пластичности (Crossover – 6.59%), что отражается и на высоких показателях структурного взаимодействия (Integral Z 4.84). В профиле R-2 аналогичное увеличение этих параметров (Crossover 6.10%, Integral Z 4.48) происходит в горизонте BCg (90–110 см). Однако, как указано ранее, повышенная пластичность этих горизонтов может быть обусловлена интенсивным распадом микроагрегатов вследствие активного разрушения и выноса пленок аморфного железа в результате усиления процессов оглеения при переувлажнении.

В полугидроморфных почвах (разрезы R-42 и R-71), формирующихся в подзоне крайне северной тайги (участок KS-IV), высокие показатели жесткости контактов характерны для всего профиля с наиболее высокими значениями в верхней и средней части профиля. В почве, вскрытой разрезом R-42, максимальные значения жесткости контактов (G’ до 1.58 МПа) отмечены в горизонтах ELhi,g (20–30 см) и Bcrm (30–40 см), характеризующихся высоким накоплением оксалатнорастворимых форм железа (Fe₂O₃ по Тамму до 0.73%). В профиле почвы R-71 аналогичное увеличение жесткости наблюдали в горизонтах ELhi,g (20–30 см) и CRM1 (50–60 см). Показатели линейного диапазона вязкоупругого поведения (LVE-range) и пластичности (Crossover) в почвах R-42 и R-71 не превышают соответственно 3.28 × 10^–3 и 2.40%, что позволяет говорить о преобладании по всему профилю упруго-хрупких межчастичных взаимодействий. Наиболее высокие значения пластичности (Crossover – 8.55%) зафиксированы в горизонте B EL g (30–40 см) профиля почвы R-71, что, вероятно, связано с интенсивным распадом почвенных микроагрегатов со слабыми внутриагрегатными связями. Этому может способствовать низкое содержание в данном горизонте илистой фракции – до 12%.

В полугидроморфных почвах, формирующихся в лесотундровой зоне (KS-V) – переходной зоне от тайги к тундре, профильное распределение величин жесткости (G’) контактов идет от минимальных значений в верхней части профиля до максимальных в нижней части. Так же, как в полугидроморфных условиях северной и крайне северной тайги, низкая жесткость верхних элювиальных горизонтов ELhi,g в профиле исследованных почв R-4-H и R-4-2 обусловлена аккумуляцией органического вещества иллювиальной природы и слаборазложившихся растительных остатков (С_общ до 2%). Накопление органо-минеральных соединений железа в нижней части профилей почв R-4-H и R-4-2, в сочетании с более глубоким проникновением отрицательных температур в условиях лесотундры, способствует формированию в горизонтах CRMg, BCg и Dg почвенных контактов с более высокими значениями жесткости (G’) – до 2.16 МПа. При этом зафиксированные практически почти по всему профилю рассмотренных почв крайне низкие значения предела пластичности (Crossover 1.11–1.95%) и линейного диапазона вязкоупругого поведения (LVE-range 1.5 × 10^–3 –2.2 × 10^–3%) свидетельствуют о значительной хрупкости и слабой устойчивости к механическим нагрузкам формирующихся здесь почвенных контактов. Исключением являются элювиальный горизонт ЕLhi,g (17–20 см) в профиле почвы R-4-H и криометаморфический горизонт Bcrm,g (29–40 см) в профиле почвы R-4-2, для которых отмечены повышенные значения пластичности (Crossover соответственно до 6.0 и 6.4%) и, как следствие, высокие показатели структурного взаимодействия (Integral Z 4.4–4.5). Как показано раннее, высокие значения Integral Z в данных условиях являются не свидетельством повышенной устойчивости микроструктуры, а результатом активного распада микроагрегатов со слабыми межчастичными связями. Процессы разрушения микроагрегатов обусловлены низким содержанием в данных горизонтах илистых частиц и обменных оснований, а также глеевой мобилизацией и выносом альфегумусовых пленок с поверхности микроагрегатов. Низкая прочность почвенных контактов в сочетании со слабой упругостью обусловливает быстрый переход горизонтов ЕLhi,g и Bcrm,g при механическом воздействии из твердообразного в текучее состояние. Подтверждением этому являются и полевые морфологические описания – в переувлажненном состоянии горизонты ЕLhi,g и Bcrm,g полугидроморфных почв лесотундры (R-4-H и R-4-2) имеют студнеобразное состояние, при постукиваниях лопатой проявляют тиксотропность и текучесть.

Таким образом, проведенные исследования на примере широкого ряда полугидроморфных почв от южной тайги до лесотундры позволили выявить некоторые особенности реологического поведения почв, связанные со спецификой их водного режима (периодическое поверхностное переувлажнение), физико-химическими свойствами и температурными условиями. В разных подзонах тайги эти особенности имеют сходный характер. Наиболее жесткие межчастичные взаимодействия формируются в горизонтах с повышенным накоплением иллювиальных органических веществ фульватной природы и органо-минеральных альфегумусовых соединений. В полугидроморфных почвах жесткость микроструктурных взаимодействий снижена в горизонтах с повышенным накоплением слаборазложившихся органических остатков. В то же время в условиях переувлажнения отдельные горизонты почв проявляют повышенные показатели пластичности (Crossover) и величины структурного взаимодействия (Integral Z). Однако это увеличение не отражает высокую структурную устойчивость полугидроморфных почв, а является, вероятно, результатом деградации почвенных микроагрегатов и более интенсивным их распадом при механическом воздействии. Этот вопрос требует дальнейших исследований.

Особенности реологических свойств почв разных подзон тайги. Анализ реологических данных выявил некоторые особенности в реологическом поведении исследуемых почв в ряду от южной тайги до лесотундры. Оценка реологического поведения в ряду рассмотренных полугидроморфных почв показала заметное снижение устойчивости почвенной микроструктуры при продвижении от южной до крайне северной тайги и лесотундры с формированием жестких, но более хрупких межчастичных взаимодействий. Как видно из рис. 2 и 3, наиболее четко эта тенденция прослеживается в минеральной части, в текстурно-дифференцированных и криометаморфических (BT-CRM) горизонтах почв. Средние значения модуля запаса G’ (рис. 2b) увеличиваются от 0.61–0.64 (южная тайга) до 1.55–2.10 МПа (лесотундра). Параллельно отмечается снижение значений линейного диапазона вязкоупругого поведения (LVE-range) до величин менее 2.20 × 10^–3% и пластичности (Crossover) – менее 1.16% (рис. 2a, 2c), что свидетельствует о повышенной хрупкости формирующихся к северу таежной зоны межчастичных почвенных взаимодействий. Наиболее высокие средние по профилю значения показателей структурного взаимодействия (Integral Z) отмечены для почв южной тайги – до 2.01–2.42, к северу данный показатель имеет тенденцию к снижению с наименьшим значением (0.87) в почве крайне северной тайги R-42. Усиление жесткости почвенных контактов к северу обусловлено активным поступлением в профиль почв подвижных органических веществ, в том числе комплексных альфегумусовых соединений, а также усилением процессов промерзания. К северу возрастает фульватный характер гумуса, усиливается его потечность, что в совокупности с более легким гранулометрическим составом почвообразующих пород способствует увеличению в профиле почв мощности слоя с более высокими показателями жесткости почвенных контактов. В серогумусовых (AYg) и потечно-гумусовых (ELhi, g) горизонтах изменение реологических параметров (рис. 3) в большей мере зависит от содержания органического вещества. В ряду почв L-3, R-3-P, R-2, R-71, R-4-2 средние значения модуля запаса G’ (рис. 3b) увеличиваются от 0.40–0.99 (южная тайга) до 1.08–1.23 МПа (лесотундра). Значения линейного диапазона вязкоупругого поведения (LVE-range) снижаются до величин менее 1.50 × 10^–3% (лесотундра), величины пластичности (Crossover) и Integral Z – менее 0.76% и 0.45 (крайне северная тайга) (рис. 3a, 3с, 3d). В ряду почв L-1, R-8-H, R-3-H, R-42, R-4-H значения модуля запаса G’ меняются в пределах 0.77–1.71 МПа, значения линейного диапазона вязкоупругого поведения (LVE-range) – от 2.20 × 10^–3 до 4.88 × 10^–3%.

 

Рис. 2. Распределение реологических параметров (a – LVE-range, %, b – G’, MПa, c – Crossover, %, d – Integral Z) в текстурно-дифференцированных и криометаморфических горизонтах почв ключевых участков разных подзон: KS-I – южная тайга (горизонт ВТ), KS-II – средняя тайга (горизонт ВТ), KS-III – северная тайга (горизонт CRM), KS-IV – крайне северная тайга (горизонт CRM), KS-V – лесотундра (горизонт CRM)

      – соответственно почвы L-1, R-8-H, R-3-H, R-42, R-4-H

      – соответственно почвы L-3, R-3-P, R-2, R-71, R-4-2

“усы” – стандартное отклонение

 

Рис. 3. Распределение реологических параметров (a – LVE-range, %, b – G’, MПa, c – Crossover, %, d – Integral Z) в гумусовоаккумулятивных и потечно-гумусовых горизонтах почв ключевых участков разных подзон: KS-I – южная тайга (горизонт АYg), KS-II – средняя тайга (горизонт ELhi,g), KS-III – северная тайга (горизонт ELhi,g), KS-IV – крайне северная тайга (горизонт ELhi,g), KS-V – лесотундра (горизонт ELhi,g)

      – соответственно почвы L-1, R-8-H, R-3-H, R-42, R-4-H

      – соответственно почвы L-3, R-3-P, R-2, R-71, R-4-2

“усы”– стандартное отклонение

 

В почвах южной (разрез L-1, L-3) и средней (R-8-H, R-3-P) тайги жесткие межчастичные контакты со значениями G’ более 1.0 МПа приурочены только к верхней и средней части профиля (до глубины 53–56 см), в почве северной (R-3-H, R-2), крайне северной тайги (R-42, R-71) и лесотундры (R-4-H, R-4-2) относительно повышенной прочностью межчастичных взаимодействий отличается весь профиль до глубины более 100 см. Результаты статистической обработки полученного массива данных, выполненные методом главных компонент, показали достаточно четкое разграничение по реологическим параметрам текстурно-дифференцированных ВТ горизонтов полугидроморфных почв южной и средней тайги от криометаморфических горизонтов CRM светлоземов торфяных и торфянистых, представленных в северной части таежной зоны и лесотундры (рис. 4). Видно, что особенности реологического поведения криометаморфических горизонтов (CRM) определяются величиной жесткости межчастичных почвенных контактов – G’. Напротив, реологические свойства текстурно-дифференцированных горизонтов (ВТ) в большей степени определяются значениями линейного диапазона вязкоупругого повдения (LVE-range) и пластичной деформации (Crossover). Как уже отмечалось выше, характер реологического поведения во многом обусловлен физико-химическими свойствами почвы и почвообразующей породы. Расчет коэффициента корреляции Пирсона (табл. 4) выявил наиболее высокую взаимосвязь линейного диапазона вязкоупругой деформации (LVE-range) с содержанием в почве обменных оснований (r = 0.57, р < 0.001), частиц илистой фракции (r = 0.44, р < 0.001) и величиной влажности (r = 0.7, р < 0.001).

 

Рис. 4. Результаты PCA ординации основных диагностических почвенных горизонтов (ELhi,g, ВТ, CRM, С) с использованием матрицы парных корреляций. Доля объясненной дисперсии для РСА1 – 32%, для РСА2 – 19%. Вектор корреляции – указывает на реологический параметр (G’, Integral Z, Crossover, LVE), с которым наиболее тесно коррелируют физико-химические свойства исследуемых горизонтов почв, что визуально отражается на графике в виде их группировки в направлении вектора корреляции

 

Таблица 4. Расчет коэффициентов корреляции Пирсона для полученного массива данных о свойствах зонального ряда полугидроморфных таежных почв, n = 79

Реологический параметр	R
	Cобщ, %	Fe2О3(d), %a	∑Ca+Mg смоль (+)/кг b	pHKCl	влажность, %	∑ частиц, %
						0.25–0.05 мм	<0.001 мм	<0.01 мм
Модуль запаса G’, M Па	–0.23*	–0.3**	–0.63***	–0.12	–0.63***	0.5***	–0. 53***	–0. 48**
Линейный диапазон вязкоупругой деформации LVE-range, %	0.34**	0.32**	0. 57***	0.14	0.7***	–0.31**	0.44***	0. 38***
Диапазон пластичной деформации или точка Crossover, %	0.07	0.17	0.11	–0.31**	0.17	–0.26*	–0.06	0.01
Величина Integral Z	–0.03	0.11	0	–0.26*	0.02	–0.2*	–0.13	–0.04

* Уровень значимости (p < 0.05),** – уровень значимости (p < 0.01),*** – уровень значимости (p < 0.001), без знака* корреляция не значима (p > 0.05),

^a По Джексону, %, ^b – сумма обменных оснований Ca²⁺ + Mg^2+, смоль(+)/кг.

 

Аналогичные тесные взаимосвязи, но уже с отрицательной связью, установлены для величины жесткости (G’) межчастичных почвенных контактов с величиной влажности (r = –0.63, р < 0.001), содержанием обменных оснований (r = –0.63, р < 0.001) и частиц илистой фракции (r = –0.53, р < 0.001). Корреляция величины G’ с фракцией мелкого песка (r = –0.48, р < 0.01), вероятно, обусловлены тем, что содержание частиц мелкого песка обратно взаимосвязано с количеством частиц илистой фракции.

Для величины предела пластичной деформации (Crossover) и показателя структурного взаимодействия (Integral Z) четко выраженной связи с какими-либо физико-химическими параметрами в исследуемых почвах не обнаружено, кроме слабой отрицательной корреляции с величиной рН_KCl и фракцией мелкого песка. Статистический анализ показал, что более тяжелая по гранулометрическому составу почвообразующая порода с высоким содержанием обменных оснований способствует увеличению упругого сопротивления почвенной структуры в начале деформационного воздействия, при преодолении которого (по мере увеличения нагрузки) система переходит в упруго-вязкое или пластичное состояние. При этом такая почва характеризуется менее жесткими почвенными контактами. Более легкие по гранулометрическому составу криометаморфические горизонты отличаются более плотными и жесткими межчастичными контактами.

Таким образом, несмотря на близость полугидроморфных текстурно-дифференцированных и криометаморфических почв по морфологическому строению и физико-химическим характеристикам, они достаточно четко различаются по реологическим параметрам, особенно горизонты ВТ и CRM. Это может быть использовано при диагностике и классификации подзолистых и криометаморфических почв. В исследуемом ряду полугидроморфных таежных почв наиболее устойчивые к механическим нагрузкам межчастичные почвенные взаимодействия (с наиболее широким линейным диапазоном вязкоупругой и пластичной деформации) формируются в текстурно-дифференцированных почвах южной тайги, чему способствует более тяжелый гранулометрический состав почвообразующей породы, насыщенной обменными основаниями. Аналогичная закономерность выявлена ранее в исследованиях, выполненных на примере таежных почв от южной тайги до лесотундры, формирующихся в хорошо дренируемых условиях [18]. Однако почвенные контакты в автоморфных условиях отличаются еще более жестким характером – с менее высокими значениями упругости и пластичности и более высоким величинами жесткости.

В условиях севера при повышенной влажности и низкой насыщенности почв основаниями альфегумусовые соединения способствуют увеличению значительного запаса структурной прочности. Они – основной связующий материал для почвенных частиц в процессе микроагрегатообразования. Характерной чертой отдельных горизонтов полугидроморфных почв (AYg, ELg – KS-I, BELg – KS-II, CRM3g, BCg – KS-III, Bcrm – KS-IV, Bcrmg, ELhi,g – KS-V) можно считать наличие повышенного показателя пластичности, который отражается в значительной склонности этих горизонтов к пластичности и плывунности. Высокие показатели пластичности обусловлены, вероятно, деградацией и более интенсивным разрушением почвенных микроагрегатов, что сопряжено с низким содержанием здесь илистых частиц и обменных оснований, а также глеевой мобилизации и выносом альфегумусовых пленок с поверхности микроагрегатов. Жесткие и слабоупругие контакты обладают узким пределом пластичного деформирования, быстро разрушаются при нагрузках, слабо восстанавливаясь в течение длительного времени после их снятия. Дезагрегированные почвы более склонны к процессам эрозии и смыва, однако мощный мохово-торфяной горизонт, формирующийся в верхней части профиля полугидроморфных почв, предохраняет их от негативных деформационных явлений.

Полученные данные согласуются с результатами исследований реологических характеристик заболоченных почв в прибрежной зоне р. Эльбы [41]. Авторы отмечают положительную роль органических веществ, карбонатов и органо-минеральных соединений железа в сохранении устойчивости почв к механическим нагрузкам. К неблагоприятным факторам, снижающим прочностные и упругие свойства микроструктуры почв, исследователи относят переувлажненность и повышенное содержание в почвенно-поглощающем комплексе ионов натрия.

ВЫВОДЫ

1. Различия в характере межчастичных почвенных связей и механических свойствах (упругость, вязкость, пластичность) в верхних серогумусовых (AYg) и иллювиально-гумусовых (ELhi, g) горизонтах исследуемых почв связаны преимущественно с содержанием органических веществ. Реологические особенности диагностических горизонтов (BT и CRM) в средней части профиля почв обусловлены как физико-химическими свойствами, так и климатическими и гидрологическими условиями формирования почв.
2. Наиболее жесткие межчастичные контакты со значениями G’ более 1.0 МПа формируются в горизонтах с высоким содержанием гумусовых веществ и органо-минеральных альфегумусовых соединений иллювиальной природы (ELhi,g–ELg–CRM). Повышенная жесткость структуры обусловлена цементацией почвенных частиц органо-минеральными соединениями с формированием слабоупругих межчастичных контактов, а также конденсационным уплотнением частиц в процессе промерзания–оттаивания. Устойчивость жесткого межчастичного взаимодействия ограничивается повышенной хрупкостью с узким пределом пластичности (Crossover <3.48%) и линейного диапазона вязкоупругого деформирования (LVE-range <3.28 × 10^–3%). Такие контакты резко разрушаются при механическом воздействии и долго восстанавливаются после снятия нагрузки.
3. В отдельных горизонтах полугидроморфных почв наблюдается значительное увеличение значений диапазона пластичности (AYg, ELg – KS-I, BELg – KS-II, CRM 3 g, BCg – KS-III, Bcrm – KS-IV, Bcrmg, ELhig – KS-V) до 6.5–8.5% и показателя структурного взаимодействия (Integral Z) почв до 4.84–6.72, которое является следствием деградации и более интенсивного разрушения микроагрегатов.
4. В направлении от полугидроморфных текстурно-дифференцированных почв южной и средней тайги к полугидроморфным криометаморфическим почвам северной, крайне северной тайги и лесотундры наблюдается усиление жесткости межчастичных почвенных контактов G’ от 0.61 (южная тайга) до 2.10 МПа (лесотундра), что сопряжено с более активным поступлением органических веществ фульватной природы, в том числе комплексных альфегумусовых соединений, а также длительным промерзанием почв, охватывающим профиль почв на большую глубину.
5. Уменьшение в ряду полугидроморфных почв от южной тайги к лесотундре величины линейного диапазона вязкоупругой деформации (LVE-range) до значений <2.20 × 10 ^–3% и пластичной деформации (Crossover) <1.16% свидетельствует о снижении общей структурной устойчивости северо-таежных почв и почв лесотундры к механическим нагрузкам по сравнению с почвами южной и средней тайги.
6. Реологические параметры, наряду с физико-химическими свойствами и морфологическими признаками, могут быть использованы для диагностики таежных почв и установления их классификационной принадлежности.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках темы государственного задания ИБ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН: “Криогенез как фактор формирования и эволюции почв бореальных и арктических экосистем европейского Северо-Востока в условиях современных антропогенных воздействий, глобальных и современных региональных климатических трендов” (регистрационный номер: 122040600023-8).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

Yu. V. Kholopov

Institute of Biology of the Komi Science Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: Yuraholopov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5725-746X
Russian Federation, Syktyvkar

D. D. Khaydapova

Lomonosov Moscow State University

Email: Yuraholopov@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

A. B. Novakovsky

Institute of Biology of the Komi Science Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: Yuraholopov@yandex.ru
Russian Federation, Syktyvkar

E. M. Lapteva

Institute of Biology of the Komi Science Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: Yuraholopov@yandex.ru
Russian Federation, Syktyvkar

References

Supplementary files