Changes in thermal diffusivity of humic layer of typical chernozems in Kursk oblast after the conversion of arable land to abandoned cropland and to shelterbelt

Abstract

Thermal diffusivity of typical chernozems from Kursk region collected under a four-year-old fallow land, a fifteen-year-old fallow land, and a 46-year-old shelterbelt was studied. Undisturbed soil samples were cut vertically using thin-walled metal cylinders 7 cm high and 5 cm in diameter. Three replicates were collected for each depth. Thermal diffusivity was measured using a laboratory steady-state method, pre-saturating the samples with capillary feeding on a sand substrate and then drying the samples step by step to an air-dry state. The range of soil moisture content in the studied samples during laboratory measurements was from 0,03 cm3•cm–3 to 0,55 cm³cm–3. The bulk density of the samples varied from 0,85 g•cm–3 to 1,42 gcm–3, the organic carbon content changed from 2,1 to 3,9%. Thermal diffusivity of the studied horizons varied within the range of 1,35–4,03•10–7 m2s–1 under a four–year–old fallow, 1,06–4,28•10–7 m2s–1under a fifteen–year–old fallow, and 0,93–2,89•10–7 m2s–1under the shelterbelt. The correlation coefficient between the maximum value of thermal diffusivity and the sample bulk density was 0,61, and between the maximum value of thermal diffusivity and the organic carbon content it was –0.59. The dependences of thermal diffusivity vs. moisture content in most cases had the form of a curve with a slightly pronounced maximum in the range of high moisture contents and a section of almost unchanging thermal diffusivity in the range of moisture contentslower than 0,10 cm³•cm-3. Samples from the upper part of the former arable horizon under a fifteen-year-old fallow stood out in relation to the others; for these samples, the dependences of thermal diffusivity vs. moisture content had a pronounced S-shaped form, with an unusually long flat section in the moisture content range from 0,03 to 0,20 cm3 cm–3 and a sharp increase of thermal diffusivity in the moisture content range of 0,20–0,30 cm3 cm–3. A comparison of the results with previously obtained data for virgin land and arable land showed that in the series “virgin land – arable land – four-year-old fallow” the thermal diffusivity of the topsoil increases, while in the series “four-year-old fallow – fifteen-year-old fallow –shelterbelt” it decreases. Fifteen years of fallowing is not enough to return the soil thermal diffusivity to virgin land values.

References

1.    Азаренко Ю.А., Бефус М.В. Плодородие пахотных и залежных лугово-черноземных почв агроландшафтов южной лесостепи Омского Прииртышья // Вестн. Омского ГАУ. 2024. № 1. С. 5–15.
2.    Архангельская Т.А. Параметризация и математическое моделирование зависимости температуропроводности почвы от влажности // Почвоведение. 2009. № 2. С. 178–188.
3.    Архангельская Т.А.Температуропроводность серых лесных почв Владимирского ополья // Почвоведение. 2004. № 3. С. 332–342.
4.    Архангельская Т.А., ВеличенкоМ.В., Тихонравова П.И.Тепловые свойства типичных черноземов Курской области // Почвоведение. 2016. № 10. С. 1178–1185. https://doi.org/10.7868/S0032180X16100038
5.    Басевич В.Ф., Куликова Н.А., Фисенко В.В.Залежные земли: историческая справка и современные аспекты (обзор) // Вестн.Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2025. Т. 80, № 2. С. 5–21.https://doi.org/10.55959/MSU0137-0944-17-2025-80-2-5-21
6.    Ерёмин Д.И.Залежь как средство восстановления содержания запасов гумуса старопахотных черноземов лесостепной зоны Зауралья // Плодородие. 2014. № 1. С. 24–26.
7.    Когут Б.М., Большаков В.А., Фрид А.С. и др. Аналитическое обеспечение мониторинга гумусового состояния почв. М., 1993. 73 с.
8.    Люри Д.И., Горячкин С.В., Караваева Н.А. и др. Динамика сельскохозяйственных земель России в ХХ веке и постагрогенноевосстановление растительности и почв. М., 2010. 416 с.
9.    Русанов А.М., Тесля А.В. Изменение основных свойств степных черноземов как результат их постагрогенной трансформации // Вестн. ОГУ. 2012. Т. 142, № 6. С. 98–102.
10.    Рыжова И.М., Телеснина В.М., Ситникова А.А.Динамика свойствпочв и структуры запасов углеродав постагрогенных экосистемах в процессе естественноголесовосстановления //Почвоведение. 2020. № 2. С. 230–243. https://doi.org/10.1134/S0032180X20020100
11.    Сайфуллина Л.Б., Медведев И.Ф., Бажан Г.Н.и др.Влияние возраста залежи на оптимизацию почвенного плодородия в условиях чернозема южного// Почвозащитное земледелие в России. Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 45-летию Всероссийского НИИ земледелия и защиты почв от эрозии. ФГБНУ ВНИИЗиЗПЭ, Курск, 15–17 сентября 2015 г. Курск, 2015. С. 266–270.
12.    Шеин Е.В., Архангельская Т.А., Гончаров В.М.и др. Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв. М., 2001. 200 с.
13.    LiuY., FuB.J., LuY.H. etal. Hydrological response and soil erosion potential of abandoned cropland in the Loess Plateau, China // Geomorphology. 2012. Vol. 138. P. 404–414.
14.    ParikhR.J., HavensJ.A., ScottH.D. Thermal diffusivity and conductivity of moist porous media // Soil Sci. Soc. Am. J. 1979. Vol. 43. P. 1050–1052.
15.    Schumacher B.A. Methods for the determination of total organic carbon (toc) in soils and sediments. Ecological Risk Assessment Support Center, Las Vegas. 2002. 25 p.