Изменения порового пространства почвенных конструкций в лабораторных физических моделях

УДК 632.934

ИЗМЕНЕНИЯ ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА ПОЧВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ЛАБОРАТОРНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ

Е.В. Шеин, Е.А. Торбик, К.Н. Абросимов

С помощью микротомографического метода изучена динамика структуры поро-вого пространства насыпных почвенных конструкций разного строения в процессах инфильтрации влаги и увлажнения—иссушения. Модельные лабораторные эксперименты в колонках физически моделировали инфильтрацию влаги после проникновения осадков нормой 600 мм при свободном ее оттоке с нижней границы колонки и последующим многократным иссушением почвенных конструкций разного чередования слоев из песка, торфа и гор. А и В дерново-подзолистой почвы. В дву- и трехмерных томографических изображениях проанализировано изменение порового пространства и взаимопроникновение твердой фазы на границах между отдельными горизонтами почвенных конструкций.

Ключевые слова: микротомография, почвенные конструкции, поровое пространство, дисперсные системы.

Введение

В настоящее время весьма актуальны задачи создания почвенных конструкций разного назначения, например, спортивных полей (футбол, гольф и др.), зеленых автостоянок в городе, зеленых крыш, травяного покрова для скверов и парков, ландшафтных объектов в парково-усадебных зонах и черте города и т.д. [1, 2, 4, 5]. Такие конструкции нередко создаются из отдельных дисперсных материалов (грунты, почвенные слои, торф и др.), представляя собой искусственные слоистые образования различного целевого назначения [7]. При этом они должны стать оптимальной средой для роста и развития растений, являясь эффективным средством регуляции гидротермического режима корне-обитаемой толщи, вследствие чего особое внимание уделяется изучению не только физико-химических свойств отдельных слоев, но и функционированию конструкций как единой системы. Поэтому большое значение имеет трансформация свойств на границе почвенных горизонтов: изначально ровные границы в процессе существования конструкции претерпевают те или иные изменения, внося свой вклад в работу всей системы в целом. В итоге весьма актуальным становится исследование динамики порового пространства в процессе функционирования, в том числе и на границах дифференцированных слоев. За рубежом с помощью томографии изучали строение пор почв рисовых полей [ 11 ], пахотных горизонтов, под охранными лесополосами [14], исследовали влияние влажности на структуру почвы [10], изменение почвенной структуры и пористости под влиянием отрицательных температур [13].

В российском почвоведении этот метод пока менее популярен, но первые работы в этой области уже опубликованы [3, 6, 8]. Томографический

метод не требует трудоемкой пробоподготовки и позволяет получать массовые морфологические данные о строении порового пространства почв в дву-и трехмерных изображениях. В отличие от микроморфологических исследований 3D-томография дает возможность изучать поровое пространство в ненарушенном виде при любой влажности, но имеет определенные пределы в использовании: порог разрешения в устройстве томографической съемки составляет 8,75 мкм на пиксел, ниже которого невозможно различить твердую фазу и поры почвы.

Цель работы — изучение изменения порового пространства слоев искусственной почвы с помощью неразрушающего томографического метода в процессах увлажнения—иссушения. Основные задачи: физическое моделирование процессов инфильтрации и иссушения влаги в колоночных слоистых почвенных конструкциях; изучение структуры порового пространства и ее изменений в пограничных слоях почвенных конструкций в процессе увлажнения—иссушения с помощью 2D- и 3D-томографии.

Объекты и методы исследования

Анализировали образцы из гор. А (0—20 см) и В (80—100 см) суглинистой окультуренной дерново-подзолистой почвы с территории Почвенного стационара МГУ, низинный торф (степень разложения >30%, рНсол 5,5—6,5, гумифициро-ванный, разложенный, биологически активный, измельченный, без добавления минеральных компонентов), отмытый карьерный песок. Физические свойства компонентов определены традиционными методами [8].

Почвенные горизонты оказались весьма контрастными по физическим свойствам (таблица). Для торфа характерно наибольшее содержание углеро-

Некоторые физические свойства исследуемых горизонтов

Слой Плотность твердой фазы (р8), г/см3 Содержание С, ^орг' % Содержание частиц >0,25 мм (мокрое просеивание), % Содержание физической глины, %

Горизонт Апах 2,51 1,89 15,7 39,4

Горизонт В 2,55 0,31 11,9 44,6

Песок 2,74 0,01 — 11,2

Торф 0,97 42,07 — —

да, низкие значения плотности твердой фазы. Высокой плотностью обладали песчаные и почвенные слои. В гор. В наблюдалось наибольшее количество ила, гор. Апах отличался агрегированностью и наличием органического вещества.

Для изучения структуры почвенного пространства в процессах увлажнения—иссушения было сформировано три модельных варианта почвенных конструкций:

Вариант I — гор. В (мощность 1 см), песок (1 см), торф (1 см), гор. В (1,5 см) (далее — В—Т—П—В); вариант II — гор. А, смесь торфа и песка (пропорция 3:5 по объему), гор. В (далее — А—(Т+П)—В); вариант III — песок, торф, гор. В (мощность слоев — 1,5 см, диаметр — 3 см) (далее — П—Т—В).

Для каждого варианта создавали по две насыпные почвенные конструкции — опыт и контроль (на рисунках — справа и слева соответственно). В течение месяца колонки опытов многократно проливали и высушивали (примерно 30 повторов). Общая норма полива — 600 мм водного слоя. В контрольном варианте полив производили только один раз. Изменение строения порового пространства прослеживали на лабораторном микротомографе высокого разрешения SkyScan 1172 (Бель-

гия) с энергией пучка 100 кэВ и разрешением 15,8 мкм. Для осуществления съемки почвенные колонки помещали в томографическую установку. Дальнейшую обработку и количественный анализ изображений проводили с помощью специализированных программ СТ-volume и CT-analyze, поставляемых фирмой-изготовителем SkyScan. Из полученных изображений вырезали области (без краевых зон), содержащие информацию о строении образца. Для трехмерной визуализации изображения разделяли на две фазы — твердое вещество и поровое пространство — путем подборки одиночного порогового значения по гистограмме интенсивнос-тей пикселей (как среднее значение между пиками, соответствующими двум указанным фазам).

Результаты и их обсуждение

Размер образца и выбранный режим съемки позволяли исследовать поры диаметром 0,1—2,0 мм, к которым относятся таковые упаковки структурных отдельностей. Анализ плоских срезов почвы (микроморфологические шлифы и микротомографические 2D-изображения) показал, что в разных генетических горизонтах поры существенно различаются по форме, ориентации и взаимному расположению в почвенной массе.

На рис. 1 представлены 2D- и 3D-изображения вертикального среза почвенной конструкции варианта II — А—(Т+П)—В). В первом случае (2D) поры показаны черным цветом. В результате многократного повторения циклов увлажнения—ис-

20-изображение ЗО-изображение

Рис. 1. Изменения в почвенной конструкции варианта II (А—(Т+П)—В) под действием инфильтрации и иссушения

Рис. 2. Изменения в почвенной конструкции варианта III

сушения на границе гор. А и смеси торфа и песка образовалась крупная трещина. В контрольном варианте заметно просыпание смешанного слоя в нижележащий вследствие сильной дифференциации размеров почвенных отдельностей. Для опытного варианта характерно увеличение переходной границы между горизонтами, так как фрагменты смеси торфа и песка наблюдаются вплоть до нижней границы подстилающего горизонта.

Для более четкой визуализации пространства изображения были разделены на две фазы — твердое вещество и поровое пространство, последнее в варианте II (А—(Т+П)—В) представлено белым цветом (рис. 1, 3D-изображение). Ярко выраженные изменения структуры порового пространства характерны для гор. В: увеличение количества тупиковых пор за счет слипания структурных отдельностей и уплотнения в результате циклов увлажнения—иссушения. Структура пор в гор. А сохраняется в связи с коагуляционным действием органического вещества (таблица).

Для варианта III (П—Т—В) свойственно обильное проникновение зерен кварца в торфяной го-

ризонт (рис. 2, опыт). Изначально ровная граница торф—песок превратилась в волнистую с затеками. В гор. В видны крупные тупиковые поры и небольшой объем влагопроводящего порового пространства. Уменьшение его здесь связано, видимо, с уплотнением вследствие многочисленных циклов увлажнения—иссушения. Граница торф— гор. В размыта. Кроме того, в этом горизонте (опыт) заметно слипание агрегатов, что приводит к изменению структуры порового пространства: сокращению влагопроводящих и формированию тупиковых пор.

В конструкции варианта I, состоящей из четырех слоев (В—Т—П—В), в опыте размыта граница песок—гор. В. Границы гор. В—торф и торф—песок в результате циклов увлажнения—иссушения существенных изменений не претерпели.

Во всех вариантах опыта наблюдается размытость на границах слоев.

Заключение

Почвенные конструкции, состоящие из слоев природных дисперсных материалов (почвенные горизонты, торф, песок) заметно изменяют строение профиля и порового пространства в процессе циклов увлажнения и иссушения: изменяются толщина слоев, проникновение песка в глубину конструкции, увеличивается трещиноватость, уплотняются глинистые слои, а в целом по профилю, уменьшается резкость перехода от одного слоя к другому.

Количественное изучение профиля порового пространства почвы с помощью томографии актуально при формировании новых подходов к исследованию почвенных свойств для включения этих показателей в количественные прогнозные методы динамической оценки режима и функционирования почвенных конструкций.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ, проект № 14-16-00065.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Андроханов В.А., Овсянникова С.В., Курачев В.М. Техноземы: свойства, режимы, функционирование. Новосибирск, 2000.

2. Бурыкин A.M., Засорина Э.В. Некоторые закономерности гумусонакопления и гумусообразования в молодых почвах техногенных экосистем КМА // Тез. докл. VIII Всесоюз. съезда почвоведов. Т. 1. Новосибирск, 1989.

3. Герке К.М., Скворцова Е.Б., Корост Д.В. Томографический метод исследования порового пространства почв: состояние проблемы и изучение некоторых почв России // Почвоведение. 2012. № 7.

4. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Функции почв в биосфере и экосистемах: экологическое значение почв. М., 1990.

5. Курбатова А.С., Башкин В.Н., СмагинА.В. и др. Экологические функции городских почв. М., 2004.

6. Скворцова Е.Б., Шеин Е.В., Абросимов К.М. и др. Рентгеновская микротомография в российском почвоведении: достижения и перспективы // Мат-лы Всерос. конф. с междунар. участием и школа молодых ученых «Соврем. методы исслед. почв и почвен. покрова» 9—11 ноября 2015. Анталия, Турция.

7. Смагин А.В. Теория и практика конструирования почв. М., 2012.

8. Шеин Е.В. Курс физики почв. М., 2005.

9. Gerke K.M., Skvortsova E.B., Korost D.V. Variability of soil structure within the same profile studied by the means of mCT // Pedometrics 2011 — Innovations in pedometrics. Trest, Czech Republic, 2011. P. 44.

10. Pires L.F., Bacchi O.O.S., Reichardt K. Assessment of soil structure repair due to wetting and drying cycles through 2D tomographic image analysis // Soil and Tillage Res. 2007. Vol. 94. P. 537—545.

11. Sander T, Gerke H.H., Rogasik H. Assessment of Chinese paddy-soil structure using X-ray computed tomography // Geoderma. 2008. Vol. 20. P. 303—314.

12. Tairova A.A., Gerke K.M. Analyzing mCT images: soil pore size distributions and permeability estimations using simple network models // Pedometrics 2011 — Innovations in pedometrics. Trest, Czech Republic, 2011. P. 43.

13. Torrance J.K., Elliot T, Martin R., Heck R.J. X-ray computed tomography of frozen soil // Cold regions sci. and technol. 2008. Vol. 53. P. 75—82.

14. Udawatta R., Anderson S.H. CT-measured pore characteristics of surface and subsurface soils influenced by agroforestry and grass buffers // Geoderma. 2008. Vol. 20. P. 381—389.

Поступила в редакцию 18.09.2016

CHANGES OF SOIL STRUCTURES PORE SPACE

IN THE LABORATORY PHYSICAL MODEL BY MICROTOMOGRAPHY

E.V. Shein, EA. Torbik, K.N. Abrosimov

Mikrotomograficheskim method investigated the dynamics of the structure of the pore space of soil bulk structures of various buildings in moisture infiltration processes and moisture-draining. Model laboratory experiments in columns physically simulated moisture infiltration after penetration rate of precipitation of 600 mm in free outflow of water from the lower boundary of the column and then repeated draining soil structures of different interleaving layers of sand, peat and horizons A and B sod-podzolic soils. In the two-dimensional and three-dimensional tomographic images analyzed changes in the pore space and the interpenetration of the solid phase at the boundaries between the individual horizons of soil structures: the infiltration of precipitation initially smooth border turned into a wavy with streaks of sand from the sand layer structures penetrated a considerable distance into the underlying layers of different composition and nature (for example, to the underlying layers of peat).

Key words: microtomography, soil structure, pore space, disperse systems.

Сведения об авторах

Шеин Евгений Викторович, докт. биол. наук, профессор ф-та почвоведения МГУ им.М.В.Ломоносова. E-mail: evgeny.shein@gmail.com. Торбик Екатерина Алексеевна, аспирант 4-го года обучения каф. физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ им.М.В.Ломоносова. E-mail: kateacles21@mail.ru. Абросимов Константин Николаевич, канд. геогр. наук, ст. науч. сотр. лаборатории физики и гидрологии почв Почвенного ин-та им. В.В.Докучаева. E-mail: kv2@bk.ru.