Lesnoy Vestnik / Forestry BulletinLesnoy Vestnik / Forestry BulletinЛесной вестник / Forestry Bulletin2542-1468Eco-Vector70695210.18698/2542-1468-2024-3-78-86Biological and technological aspects of forestryБиологические и технологические аспекты лесного хозяйстваResearch ArticleClarification of consepts about soil water stability mechanismУточнение представлений о механизме водоустойчивости почвUshkovaDar’ya A.УшковаДарья Александровна
Russian Federation

student of the Faculty of Soil Science

студентка факультета почвоведения

gennadiy.fedotov@gmail.comGorepekinIvan V.ГорепекинИван Владимирович
Russian Federation

Researcher at the Eurasian Center for Food Security, Faculty of Soil Science

научный сотрудник Евразийского центра по продовольственной безопасности, Факультет почвоведения МГУ

decembrist96@yandex.ruFedotovGennadiy N.ФедотовГеннадий Николаевич
Russian Federation

Dr. Sci. (Biol.), Senior Researcher of the Faculty of Soil Science

д-р биол. наук, вед. науч. сотр. факультета почвоведения

gennadiy.fedotov@gmail.comBatyrevYuriy P.БатыревЮрий Павлович
Russian Federation

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

batyrev@mgul.ac.ruM.V. Lomonosov Moscow State UniversityФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»BMSTU (Mytishchi branch)ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (Мытищинский филиал)2906202428378862804202628042026Copyright ©; 2024, Ushkova D.A., Gorepekin I.V., Fedotov G.N., Batyrev Y.P.Copyright ©; 2024, Ушкова Д.А., Горепекин И.В., Федотов Г.Н., Батырев Ю.П.2024Ushkova D.A., Gorepekin I.V., Fedotov G.N., Batyrev Y.P.Ушкова Д.А., Горепекин И.В., Федотов Г.Н., Батырев Ю.П.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/2542-1468/article/view/706952

The aggregate composition of soils and the water stability of aggregates are related to soil organic matter, its quantity and quality, but so far there is no satisfactory hypothesis explaining the mechanisms of this relationship. The purpose of the work is to verify the significance of the wedging water pressure influence on soil water stability and clarify ideas about the mechanism of this phenomenon. The assessment of soil water stability was carried out by the author's method of blades. The conducted verification showed that its correlation with the Savvinov wet sieving method carried out on 17 soil samples exceeds 85 %. During the experiments, it was found that when the units come into contact with water, their water stability decreases exponentially. The decrease in water stability in contact with water is usually explained by the wedging water pressure. Our experiments on replacing water with salt solutions during capillary humidification of aggregates did not confirm this theory. Therefore, using a scanning electron microscope, we tested the solution obtained after capillary contact of the aggregates with water. It was found that during capillary contact of aggregates with water, a labile part of humic substances is released there. Thus, the water stability of soil samples in contact with water is reduced due to the release of HS and a decrease in the number of structure-forming bonds in the aggregate.

Агрегатный состав почв и водоустойчивость агрегатов связаны с органическим веществом почв, его количеством и качеством, но до сих пор не существует удовлетворительной гипотезы, объясняющей механизмы этой взаимосвязи. Цель работы — проверка значимости влияния расклинивающего давления воды на водоустойчивость почв и уточнение представлений о механизме данного свойства. Оценку водоустойчивости почв проводили авторским методом лезвий. Проведенная проверка показала, что его корреляция с методом мокрого просеивания по Саввинову, проведенная на 17 образцах почв, превышает 85 %. В ходе экспериментов установлено, что при контакте агрегатов с водой их водоустойчивость экспоненциально снижается. Снижение водоустойчивости при контакте с водой принято объяснять расклинивающим давлением воды. Проведенные эксперименты по замене воды на растворы соли при капиллярном увлажнении агрегатов не подтвердили эту теорию. Поэтому при помощи растрового электронного микроскопа был проверен раствор, полученный после капиллярного контакта агрегатов с водой. Установлено, что при капиллярном контакте агрегатов с водой туда выделяется лабильная части гуминовых веществ. Таким образом, водоустойчивость почвенных образцов при контакте с водой снижается за счет выхода гуминовых веществ и уменьшения количества структурообразующих связей в агрегате.

water stability and organic matter of the soilwedging water pressuretemperature effect on water stabilitydiphilicity of soil organic matterводоустойчивость и органическое вещество почврасклинивающее давление водывлияние температуры на водоустойчивостьдифильность органического вещества почвLamichhane J.R., Debaeke P., Steinberg C., You M.P., Barbetti M.J., Aubertot J.N. Abiotic and biotic factors affecting crop seed germination and seedling emergence: a conceptual framework. Plant and soil, 2018, v. 432, pp. 1–28.Lamichhane J.R., Debaeke P., Steinberg C., You M.P., Barbetti M.J., Aubertot J.N. Abiotic and biotic factors affecting crop seed germination and seedling emergence: a conceptual framework // Plant and soil, 2018, v. 432, pp. 1–28.Haydu-Houdeshella C-A., Grahamb R.C., Hendrixc P.F.,Petersonc A.C. Soil aggregate stability under chaparral species in southern California. Geoderma, 2018, v. 320, pp. 201–208.Haydu-Houdeshella C-A., Grahamb R.C., Hendrixc P.F.,Petersonc A.C. Soil aggregate stability under chaparral species in southern California // Geoderma, 2018, v. 320, pp. 201–208.Mao J., Nierop K.G.J., Dekker S.C., Dekker L.W., Chen B. Understanding the mechanisms of soil water repellency from nanoscale to ecosystem scale: a review. J. of Soils and Sediments, 2019, v. 19, pp. 171–185.Mao J., Nierop K.G.J., Dekker S.C., Dekker L.W., Chen B. Understanding the mechanisms of soil water repellency from nanoscale to ecosystem scale: a review // J. of Soils and Sediments, 2019, v. 19, pp. 171–185.Ivanova O.I., Burakov D.A. Eroziya pochv [Soil erosion]. Krasnoyarsk: Krasnoyarskiy gosudarstvenniy agrarniy universitet, 2020, 103 p.Иванова О.И., Бураков Д.А. Эрозия почв. Красноярск: Изд-во Красноярского государственного аграрного университета, 2020. 103 с.Rychkova M. I. Vodoprochnost’ pochvy i urozhajnost’ ozimoy pshenicy v zavisimosti ot sposoba osnovnoy obrabotki i predshestvennika na erozionno-opasnom sklone [Soil water stability and yield of winter wheat depending on the method of main processing and the predecessor on the erosion-hazardous slope]. Zhivye i biokosnye sistemy, 2020, no. 31. Available at: https://jbks.ru/archive/issue-31/article-4 (accessed 15.02.2023).Рычкова М.И. Водопрочность почвы и урожайность озимой пшеницы в зависимости от способа основной обработки и предшественника на эрозионно-опасном склоне // Живые и биокосные системы, 2020. № 31. URL: https://jbks.ru/archive/issue-31/article-4 (дата обращения 15.02.2023).Vershinin P.V. Pochvennaya struktura i usloviya ee formirovaniya [Soil structure and conditions of its formation]. Moscow: Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR, 1958, 188 p.Вершинин П.В. Почвенная структура и условия ее формирования М.: Издательство Академии наук СССР, 1958. 188 с.Nikolayeva E.I. Ustoychivost’ pochvennykh agregatov k vodnym i mekhanicheskim vozdeystviyam [Resistance of soil aggregates to water and mechanical influences]. Diss. Cand. Sci. (Biol.), MSU. Moscow, 2016, 104 p.Николаева Е.И. Устойчивость почвенных агрегатов к водным и механическим воздействиям: дис. ... канд. биол. наук МГУ. М., 2016. 104 с.Ghezelbash E., Hossein Mohammadi M., Shorafa M. Investigation of Soil Mechanical Resistance Threshold Values for Two Wheat Cultivars in a Loamy Sand Soil. J. of Soil Science and Plant Nutrition, 2022, pp. 1–12.Ghezelbash E., Hossein Mohammadi M., Shorafa M. Investigation of Soil Mechanical Resistance Threshold Values for Two Wheat Cultivars in a Loamy Sand Soil // J. of Soil Science and Plant Nutrition, 2022, v. 22, pp. 1–12.Schjønninga P., Lamandéa M., Munkholma L.J., Lyngvigb H.S., Nielsenb J.Aa. Soil precompression stress, penetration resistance and crop yields in relation to differently-trafficked, temperate-region sandy loam soils. Soil and Tillage Research, 2016, v. 163, pp. 298–308.Schjønninga P., Lamandéa M., Munkholma L.J., Lyngvigb H.S., Nielsenb J.Aa. Soil precompression stress, penetration resistance and crop yields in relation to differently-trafficked, temperate-region sandy loam soils // Soil and Tillage Research, 2016, v. 163, pp. 298–308.Totsche K.U., Amelung W., Gerzabek M.H., Guggenberger G., Klumpp E., Knief C., Lehndorff E., Mikutta R. Peth S., Prechtel A., Ray N., Kögel-Knabner I. Microaggregates in soils. J. of Plant Nutrition and Soil Science, 2018, v. 181, no. 1, pp. 104–136.Totsche K.U., Amelung W., Gerzabek M.H., Guggenberger G., Klumpp E., Knief C., Lehndorff E., Mikutta R. Peth S., Prechtel A., Ray N., Kögel-Knabner I. Microaggregates in soils // J. of Plant Nutrition and Soil Science, 2018, v. 181, no. 1, pp. 104–136.Verchot L.V., Dutaur L., Shepherd K.D., Albrecht A. Organic matter stabilization in soil aggregates: Understanding the biogeochemical mechanisms that determine the fate of carbon inputs in soils. Geoderma, 2011, v. 161(3–4), pp. 182–193.Verchot L.V., Dutaur L., Shepherd K.D., Albrecht A. Organic matter stabilization in soil aggregates: Understanding the biogeochemical mechanisms that determine the fate of carbon inputs in soils // Geoderma, 2011, v. 161(3–4), pp. 182–193.García-González I., Quemada M., Gabriel J.L., Alonso-Ayuso M., Hontoria C. Legacy of eight year cover cropping on mycorrhizae, soil, and plants. J. of Plant Nutrition and Soil Science, 2018, v. 181, no. 6, pp. 818–826.García-González I., Quemada M., Gabriel J.L., Alonso-Ayuso M., Hontoria C. Legacy of eight year cover cropping on mycorrhizae, soil, and plants // J. of Plant Nutrition and Soil Science, 2018, v. 181, no. 6, pp. 818–826.Lucas M., Schlüter S., Vogel H.J., Vetterlein D. Soil structure formation along an agricultural chronosequence. Geoderma, 2019, v. 350, pp. 61–72.Lucas M., Schlüter S., Vogel H.J., Vetterlein D. Soil structure formation along an agricultural chronosequence // Geoderma, 2019, v. 350, pp. 61–72.Rowley M.C., Grand S., Verrecchia É.P. Calcium-mediated stabilisation of soil organic carbon. Biogeochemistry, 2018, v. 137, no. 1–2, pp. 27–49.Rowley M.C., Grand S., Verrecchia É.P. Calcium-mediated stabilisation of soil organic carbon // Biogeochemistry, 2018, v. 137, no. 1–2, pp. 27–49.Song R., Liu L., ChunSheng W., LiYan M. Effect of soybean root exudates on soil aggregate size and stability. J. of Northeast Forestry University, 2009, v. 37, no. 7, pp. 84–86.Song R., Liu L., ChunSheng W., LiYan M. Effect of soybean root exudates on soil aggregate size and stability // J. of Northeast Forestry University, 2009, v. 37, no. 7, pp. 84–86.Naveed M., Brown L.K., Raffan A.C., George T.S., Bengough A.G., Roose T., Sinclair I., Koebernick N., Cooper L., Hackett C.A., Hallett P.D. Plant exudates may stabilize or weaken soil depending on species, origin and time. European J. of Soil Science, 2017, v. 68, no. 6, pp. 806–816.Naveed M., Brown L.K., Raffan A.C., George T.S., Bengough A.G., Roose T., Sinclair I., Koebernick N., Cooper L., Hackett C.A., Hallett P.D. Plant exudates may stabilize or weaken soil depending on species, origin and time // European J. of Soil Science, 2017, v. 68, no. 6, pp. 806–816.Vogelmann E.S., Reichert J.M., Prevedello J., Awe G.O., Mataix-Solera J. Can occurrence of soil hydrophobicity promote the increase of aggregates stability? Catena, 2013, v. 110, pp. 24–31.Vogelmann E.S., Reichert J.M., Prevedello J., Awe G.O., Mataix-Solera J. Can occurrence of soil hydrophobicity promote the increase of aggregates stability? // Catena, 2013, v. 110, pp. 24–31.Milanovskiy E.Yu. Gumusovye veshchestva pochv kak prirodnye gidrofobno-gidrofil’nye soedineniya [Humus substances of soils as natural hydrophobic-hydrophilic compounds]. Moscow: GEOS, 2009, 186 p.Милановский Е.Ю. Гумусовые вещества почв как природные гидрофобно-гидрофильные соединения. М.: ГЕОС, 2009. 186 с.Shein E.V., Milanovskiy E.Yu. Rol’ i znachenie organicheskogo veshchestva v obrazovanii i ustoychivosti pochvennykh agregatov [The role and significance of organic matter in the formation and stability of soil aggregates]. Pochvovedenie [Eurasian Soil Science], 2003, no. 1, pp. 3–61.Шеин Е.В., Милановский Е.Ю. Роль и значение органического вещества в образовании и устойчивости почвенных агрегатов // Почвоведение, 2003. № 1. С. 3–61.Fedotov G.N., Dobrovol’skiy G.V. Vozmozhnye puti formirovaniya nanostruktury v pochvennykh gelyakh [Possible ways of nanostructure formation in soil gels]. Pochvovedenie [Eurasian Soil Science], 2012, no. 8, pp. 908–920.Федотов Г.Н., Добровольский Г.В. Возможные пути формирования наноструктуры в почвенных гелях // Почвоведение, 2012. № 8. С. 908–920.Shinkarev A.A., Mel’nikov L.V., Zaynullin T.E. Priroda vodoprochnosti agregatov gumusovykh gorizontov temno-seroy lesnoy pochvy [The nature of water resistance of aggregates of humus horizons in dark gray forest soil]. Pochvovedenie [Eurasian Soil Science], 1999, no. 3, pp. 348–353.Шинкарев А.А., Мельников Л.В., Зайнуллин Т.Е. Природа водопрочности агрегатов гумусовых горизонтов темно-серой лесной почвы // Почвоведение, 1999. № 3. С. 348–353.Shinkarev A.A., Perepelkina E.B. Soderzhanie i sostav gumusovykh veshchestv v vodoprochnykh agregatakh temno-seroy lesnoy pochvy [The content and composition of humic substances in water-stable aggregates of dark gray forest soil]. Pochvovedenie [Eurasian Soil Science], 1997, no. 2, pp. 165–172.Шинкарев А.А., Перепелкина Е.Б. Содержание и состав гумусовых веществ в водопрочных агрегатах темно-серой лесной почвы // Почвоведение, 1997. № 2. С. 165–172.Kogut B.M. Transformatsiya gumusovogo sostoyaniya chernozemov pri ikh sel’skokhozyaystvennom ispol’zovanii [Transformation of the humus state of chernozems during their agricultural use]. Pochvovedenie [Eurasian Soil Science], 1998, no. 7, pp. 794–802.Когут Б.М. Трансформация гумусового состояния черноземов при их сельскохозяйственном использовании // Почвоведение, 1998. № 7. С. 794–802.Kogut B.M. Printsipy i metody otsenki soderzhaniya transformiruemogo organicheskogo veshchestva v pakhotnykh pochvakh [Principles and methods for assessing the content of transformed organic matter in arable soils]. Pochvovedenie [Eurasian Soil Science], 2003, no. 3, pp. 308–316.Когут Б.М. Принципы и методы оценки содержания трансформируемого органического вещества в пахотных почвах // Почвоведение, 2003. № 3. С. 308–316.Osipov V.I. Fiziko-khimicheskaya teoriya effektivnykh napryazheniy v gruntakh [Physico-chemical theory of effective stresses in soils]. Gruntovedenie [Ground Science], 2013, no. 2, pp. 3–34.Осипов В.И. Физико-химическая теория эффективных напряжений в грунтах // Грунтоведение, 2013. № 2. C. 3–34.Ushkova D.A, Konkina U.A., Gorepekin I.V., Potapov D.I., Shein E.V., Fedotov G.N. Ustoychivost’ agregatov pakhotnykh pochv: eksperimental’noe opredelenie i normativnaya kharakteristik [Stability of aggregates of arable soils: experimental determination and normative characteristics]. Pochvovedenie [Eurasian Soil Science], 2023, v. 56, no. 2, pp. 203–210.Ушкова Д.А, Конкина У.А., Горепекин И.В., Потапов Д.И., Шеин Е.В., Федотов Г.Н. Устойчивость агрегатов пахотных почв: экспериментальное определение и нормативная характеристик // Почвоведение, 2023. № 2. C. 203–210.Vadyunina A.F., Korchagina Z.A. Metody issledovaniya fizicheskikh svoystv pochv [Methods for studying the physical properties of soils]. Moscow: Agropromizdat, 1986, 416 p.Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. 416 с.Dexter A.R., Horn R., Kemper W. Two mechanisms of age hardening. J. Soil Sci., 1988, v. 39, pp. 163–175.Dexter A.R., Horn R., Kemper W. Two mechanisms of age hardening // J. Soil Sci., 1988, v. 39, pp. 163–175.Vinogradova O.I. Osobennosti gidrodinamicheskogo i ravnovesnogo vzaimodeystviya gidrofobnykh poverkhnostey [Features of hydrodynamic and equilibrium interaction of hydrophobic surfaces]. Diss. Dr. Sci. (Phys.-Math.). Moscow. 2000, 175 p.Виноградова О.И. Особенности гидродинамического и равновесного взаимодействия гидрофобных поверхностей: дис. ... д-ра физ.-мат. наук. М., 2000. 175 с.Deryagin B.V., Churaev N.V. Smachivayushchie plenki [Wetting films]. Nauka [Science], 1984, 159 p.Дерягин Б.В., Чураев Н.В. Смачивающие пленки. М.: Наука, 1984. 159 с.