Freezing of Chalk Cryomorphic Soil Complexes of the Orenburg Region: Temperature Regime and Cryogenic Processes in the Soil Profile

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The dynamics of the temperature of conjugated soils of a paleocryogenic soil complex on chalk sediments in the Orenburg region is studied. Temperature measurements were combined with the investigation of cryogenic features. The freezing point of soil moisture was determined in the laboratory. A significant heterogeneity of the temperature field within the soil complex was revealed. During the autumn–winter, the soil of micro-elevation was colder than the soils of micro-depression and micro-slope, and in the spring-summer period, the micro-slope warmed up faster than the micro-elevation and micro-depression. The differences between the temperature of soils in the frozen layer at micro-elevation and in the micro-depression reached –4.5°C at the beginning of freezing (15.12.2019 at a depth of 15 cm), –4.0°C at the end of winter (10–11.02.2020 at a depth of 5 cm), and –6.5°C during thawing (21–23.03.2020 at a depth of 5 cm). Differentiation of temperature regime along the microrelief were accompanied by differences in the profile distribution of moisture and determined the manifestation of cryogenic processes. Micro-elevations froze deeper, a cryogenic texture was formed across the whole zone of freezing, and was accompanied by frost heaving, cryogenic sorting of coarse fragments, formation of a porous crust on the soil surface, what ensures the maintenance of the microrelief and the structure of the soil cover of chalk polygons. Cryogenic textures determine the formation of a platy soil structure on micro-elevations. In the micro-depressions, freezing was blocked in the middle part of the profile due to relatively high soil temperatures and low soil freezing temperatures. Cryogenic features and processes described for micro-elevations are not expressed in micro-depressions.

About the authors

D. G. Polyakov

Steppe Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: polakovdg@yandex.ru
Russian Federation, Orenburg

A. G. Ryabukha

Steppe Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: polakovdg@yandex.ru
Russian Federation, Orenburg

T. A. Arkhangelskaya

Lomonosov Moscow State University

Email: polakovdg@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

I. V. Kovda

Dokuchaev Soil Science Institute

Email: polakovdg@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Алифанов В.М., Гугалинская Л.А., Овчинников А.Ю. Палеокриогенез и разнообразие почв центра Восточно-Европейской равнины. М.: ГЕОС, 2010. 160 с.
  2. Архангельская Т.А. Генезис сезоннопромерзающих серых лесных почв со вторым гумусовым горизонтом (на примере Владимирского ополья) // Криосфера Земли. 2003. Т. 7. № 1. С. 39–48.
  3. Архангельская Т.А. Температурный режим комплексного почвенного покрова. М.: ГЕОС, 2012. 282 с.
  4. Архангельская Т.А., Бутылкина М.А., Мазиров М.А., Прохоров М.В. Состав и свойства пахотных почв палеокриогенного комплекса Владимирского ополья // Почвоведение. 2007. № 3. С. 261–271.
  5. Архангельская Т.А., Губер А.К., Мазиров М.А., Прохоров М.В. Температурный режим комплексного почвенного покрова Владимирского ополья // Почвоведение. 2005. № 7. С. 832–843.
  6. Архангельская Т.А., Поляков Д.Г., Альберт Р.Ф., Рябуха А.Г., Ковда И.В. Верификация методов определения температуропроводности почв на примере контрастных горизонтов мелового почвенного комплекса // Тенденции развития агрофизики: от актуальных проблем земледелия и растениеводства к технологиям будущего. СПб.: АФИ. С. 27–31.
  7. Архангельская Т.А., Прохоров М.В., Мазиров М.А. Годовая динамика температуры пахотных почв палеокриогенных комплексов Владимирского ополья // Криосфера Земли. 2008. Т. XII. № 3. С. 80–86.
  8. Большаков А.Ф. О тепловом режиме почв // Проблемы советского почвоведения. 1941. № 12. С. 119–133.
  9. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М.: Высшая школа, 1973. 399 с
  10. Васильевская В. Д., Караваева Н. А., Наумов Е. М. Формирование структуры почвенного покрова полярных областей // Почвоведение. 1993. № 7. С. 44–55.
  11. Величко А.А., Морозова Т.Д., Нечаев В.П., Порожнякова О.М. Палеокриогенез, почвенный покров и земледелие. М.: Наука, 1996. 145 с.
  12. Величко А.А. (ред.). Палеоклиматы и палеоландшафты внетропического пространства Северного полушария. Поздний плейстоцен – голоцен. Атлас-монография. М.: ГЕОС, 2009. 120 с.
  13. Глобус А.М. О термоградиентных механизмах миграции почвенной и грунтовой влаги и передвижении воды в промерзающем грунте // Почвоведение. 1962. № 2. С. 7–18.
  14. Горбунов А.П., Северский Э.В., Титков С.Н. Туфуры гор и равнин Казахстана // Криосфера Земли. 1999. Т. 3. С. 23–30.
  15. Ершов Э.Д. Влагоперенос и криогенные текстуры в дисперсных породах. М.: Изд-во МГУ, 1979. 214 с.
  16. Зелинская Е.В., Воронина Е.Ю. Теоретические аспекты использования гидроминерального сырья. М.: Акад. естествознания, 2009. 118 с.
  17. Каверин Д.А., Пастухов А.В. Особенности температурного режима сезоннопромерзающих почв тундровых ландшафтов европейского Северо-востока России // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2017. № 87. С. 3–21.
  18. Кияшко Н.В., Комаров И.А., Голованов Д.Л. Криометаморфизм почвенных растворов и формирование солевого профиля солончаков Монголии (по результатам моделирования) // Почвоведение. 2014. № 5. С. 530–536. https://doi.org/10.7868/S0032180X14050062
  19. Ковда И.В., Рябуха А.Г., Поляков Д.Г., Левыкин С.В., Петрищев В.П., Яковлев И.Г., Норейка С.Ю., Ряхов Р.В. Криогенные признаки в почвах меловых полигонов Оренбургской области // Почвы в биосфере. Томск, 2018. С. 37–41.
  20. Королюк Т.В. Особенности солевой динамики в длительно-сезонно-мерзлотных засоленных почвах южного Забайкалья // Почвоведение. 2014. № 5. С. 515–529. https://doi.org/10.7868/S0032180X14050098
  21. Костин С.И., Покровская Т.В. Климатология. Л.: Гидрометеоиздат, 1953. 427 с.
  22. Макеев А.О. Поверхностные палеопочвы лёссовых водоразделов Русской равнины. М.: Молнет, 2012. 300 с.
  23. Макеев О.В. Почва, мерзлота, криопедология // Почвоведение. 1999. № 8. с. 947–957. Makeev O. V. Soil, permafrost, and cryopedology // Eurasian Soil Sci. 1999. V. 32. № 8. P. 854–863.
  24. Михно В.Б. Меловые ландшафты Восточно-Европейской равнины. Воронеж: Петровский сквер, 1992. 232 с.
  25. Назинцев Ю.Л., Панов В.В. Фазовый состав и теплофизические характеристики морского льда. СПб.: Гидрометеоиздат, 2000. 83 с.
  26. Национальный атлас почв Российской Федерации. М.: Астрель: АСТ, 2011. 632 с.
  27. Павлов А.В. Теплофизика ландшафтов. Новосибирск: Наука, 1979. 284 с.
  28. Полевой определитель почв России. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2008. 182 с.
  29. Поляков Д.Г., Архангельская Т.А., Рябуха А.Г. Ковда И.В. Температуропроводность криомофных почв степных комплексов на меловых породах // Почвоведение. 2021. № 9. С. 1051–1060. https://doi.org/10.31857/S0032180X21090069
  30. Поляков Д.Г., Ковда И.В., Рябуха А.Г. Почвы меловых полигонов Подуральского плато: морфология, свойства и классификация // Почвоведение. 2024. № 1. С. 183–198. https://doi.org/10.31857/S0032180X24010148
  31. Попов А.И. Розенбаум Г.Э., Тумель Н.В. Криолитология. М.: Изд-во МГУ, 1985. 239 с.
  32. Пособие по определению физико-механических свойств промерзающих, мерзлых и оттаивающих дисперсных грунтов / Под ред. Роман Л.Т. и др. М.: КДУ, Университетская книга, 2018. 188 c.
  33. Рогов В.В. Основы криогенеза. Новосибирск: ГЕО, 2009. 203 с.
  34. Рябуха А.Г., Поляков Д.Г., Стрелецкая И.Д., Ковда И.В. Морфология и современное функционирование меловых полигонов Общего Сырта, юго-восток Восточно-Европейской равнины // Геоморфология. 2022. № 3. С. 128–133. https://doi.org/10.31857/S0435428122030130
  35. Рябуха А.Г., Стрелецкая И.Д., Поляков Д.Г. Морфология, генезис и современная динамика полигональных меловых ландшафтов в долине р. Итчашкан // Вестник ВГУ. Сер. География, геоэкология. 2022. № 3. С. 57–68. https://doi.org/10.17308/geo/1609-0683/2022/3/57-68
  36. Худяков О.И. Криогенез и почвообразование. Пущино, 1983. 196 с.
  37. Черноусенко Г. И. Засоленные почвы котловин юга Восточной Сибири: Монография. М.: МАКС Пресс, 2022. 480 с.
  38. Черноусенко Г.И., Панкова Е.И., Калинина Н.В., Убугунова В.И., Рухович Д.И., Убугунов В.Л., Цыремпилов Э.Г. Засоленные почвы Баргузинской котловины // Почвоведение. 2017. № 6. № 6. С. 652–671. https://doi.org/10.7868/S0032180X1706003X
  39. Чибилев А.А., Мусихин Г.Д., Павлейчик В.М., Петрищев В.П., Сивохип Ж.Т. Геологические памятники природы Оренбургской области. Оренбург: ОКИ, 2000. 400 с.
  40. Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. 432 с.
  41. Шульгин А.М. Климат почвы и его регулирование. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. 299 с.
  42. Andersland B.O., Ladanyi B. Frozen Ground Engineering. Reston: ASCE Press and John Wiley & Sons, 2003. 363 p.
  43. Bing H., He P., Zhang Y. Cyclic freeze–thaw as a mechanism for water and salt migration in soil // Environ Earth Sci. 2015. V. 74. P. 675–681. https://doi.org/10.1007/s12665-015-4072-9
  44. Bing H., Ma W. Laboratory investigation of the freezing point of saline soil // Cold Regions Science and Technology. 2011. V. 67(1-2). P. 79–88. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2011.02.008
  45. Gubin S.V. Role of cryogenic processes in the organization of soils at macro-, meso-and micro-levels // Byulleten Pochvennogo institute im. V.V. Dokuchaeva. 2016. V. 86. P. 53–63.
  46. Kovda I., Polyakov D., Ryabukha A., Lebedeva M., Khaydapova D. Microrelief and spatial heterogeneity of soils on limestone, SubUral plateau, Russia: attributes and mechanism of formation // Soil Till. Res. 2021. V. 209. Р. 104931. https://doi.org/ 10.1016/j.still.2021.104931
  47. Kovda I., Ryabukha A., Polyakov D. Cryogenic processes in soils of chalky landscapes in steppe zone south of the Orenburg region // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2019. V. 368. Р. 012026. https://doi.org/10.1088/1755-1315/368/1/012026
  48. Liu J., Yang P., Yang Z. (Joey). Water and salt migration mechanisms of saturated chloride clay during freeze-thaw in an open system // Cold Regions Sci. Technol. 2021. V. 186. P. 103277. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2021.103277/
  49. Schmugge T.J., Jackson T.J., McKim H.L. Survey of methods for soil moisture determination // Water Resources Research. 1980. V. 16. P. 961–979. https://doi.org/10.1029/wr016i006p00961
  50. Vandenberghe J., French H., Gorbunov A. et al. The Last Permafrost Maximum (LPM) map of the Northern Hemisphere: permafrost extent and mean annual air temperatures, 25-17 ka BP // Boreas. 2014. V. 43. № 3. P. 652–666. https://doi.org/10.1111/bor.12070
  51. Vu Q., Pereira JM., Tang A.M. Effect of fines content on soil freezing characteristic curve of sandy soils // Acta Geotech. 2022. V. 17. P. 4921–4933. https://doi.org/10.1007/s11440-022-01672-9
  52. Wan X., Lai Y., Wang C. Experimental study on the freezing temperatures of saline silty soils // Permafr. Periglac. Process. 2015. V. 26(2). P. 175–187. https://doi.org/10.1002/ppp.1837

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Dynamics of snow cover height at Akbulak meteorological station (1), average daily air temperature at the meteorological station (2) and average daily temperatures of soils of the complex at different depths by microrelief elements: microelevation (3), middle part of microslope (4) and microdecline (5)

Download (987KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Soil thermoisopleths on microelevation - a, in the middle part of microslope - b and in microdecline - c (plotted by mean decadal values)

Download (944KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Temperature distribution in the profile of the soil complex at different dates at 18:00

Download (5MB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Soil moisture before freezing (solid line) and in frozen soil (dashed line) of contrasting microrelief elements

Download (106KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Freezing onset temperature of soils of chalk polygons at sample moisture content of 0.2 g/g

Download (100KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences