Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Физические свойства основных типов почв некоторых районов юга Сибири

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Физические свойства основных типов почв некоторых районов юга Сибири"

Р Г Б ОД АКАДЕМИЯ II',УН Р5 ___ Сибирсгае отделение

:л_М035__

Институт почвоведения и агрохимик

На правах рукописи УДК 631.43( 571.513; 671.1)

¡шатают СЕРГЕЯ пАштвт

Физические свойства основных типов поча некоторых районов юга Сибири

>

(специальность 06.01.03-агропочвоведение и агрофизика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учэной степени кандидата биологических наук

Новосибирск-1995

Района вшсшшш в Томском государственном университете

Научный руководитель: член-корреспондент СО ШШ Ш { профессор М. Г. Танзибаэв

Офйцпольгыо огшоианты: дсистор £шо.шгкчесгаш наук Е А. Хмелев

кандидат Оиологичешшх наук II А. Шапорина

Вецуг^е учрегздвшю: Бурятсгай институт бнодогш! СО РАН

Заадта состоится г. ва васедашш

Спецаализировашюго совз?а Д - 002. 15. 01 при J&-сиггук- почвогедешш и агрсдагмк: СО РАН (6300Э9, Новосибирск, ул. Соютская, 18,коп4ерекц-аал), С диссертацией юано сшиакоциться в библиотек» Института пзчБОЕ0ден»ш и arpoxibcai И) РАН

Азторс&зрох разослан " ^ " 1935 г.

Saaspsnans oraysu в даух экземплярах цроеим прксшагь по адресу: 630033, Новосибирск, ул. Советская, 18

Учёный секретарь Спе1у:злл:знро-ваиного совета, догаор биологических наук

Ы. iL Дергачэвз

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность теш. Почва-сложная слегеиа с достаточно развитой удельной (внешней и внутренней) поверхностью.

В проблеме взаимодействия воды с твёрдой частью почвы ецд остается ряд не решенных вопросов.Актуальность темы продиктована, во-первых,тем, что доступность почвенной влаги для растений обусловлена факторам!.среди которых основными яеляпгся действие налиллярно-сорбцийшшх сил и осмотических, и во-вторых, проблемой управления физическим состоянием почв, протекающими в них физическими процессами я условиями проявления почвенного плодородия. Поэтому оптимизация параметров увлажнения сельскохозяйственных культур возможна только на основе достоверной и объективной оценки физического состояния почв и выяснения взаимодействия воды с вмевзтим «о телом, что до настоящего времени евд выявлено неполностью,особенно для почв таежной зоны и сухостеп-ной с циклическо-котловинным эффектом, проявляемся в горных системах Сибири Е Танзыбаев М. Г. ,1993).

Цель и задачи иа^дсдаимА. Цель работы- изучить общие физические, водно-Физические свойства лесных и степных почв юга Сибири, выявить закономерности изменения калилдярно-собционного потенциала воды а почве и связь осноеной гидрофизической характеристики (ОГХ) с физическими свойствами почв и'ей роль в оценке физического состояния. В связи с этим решались следующие задачи: 1. Определение физических, фнэико-механических и водно-физических свойств исследуемых пэчв общепринятыми методами.

2. Термодинамическая оценка областей перехода воды из одного состояния в другое и изучение закономерностей изменения ка-пиллярно-сорбционных потенциалов соды, характеризующих обнаруженные области перехода, в зависимости от физических свойств.

3. Количественное и качественное определение объемов перового пространства по выполняемым ими функциям.

4. Выявление влагопроводности и оптимизация увлажнения сельскохозяйственных культур с учетом свойств почв.

5. Обоснование поправочных коэффициентов качгственной оценки почв по гранулометрическому составу и гидрофизическим свойствам.

Научная упвиаиа^ 1. Еиявлены параметры взаимосвязи амдкой и твердой фаз и их влияние на энергетику почвенной влаги и физическое состояние почв. " ;

2. Осноенш гидрофизические и фиакко-механические показатели почв различных биоклиматических зон, определяемые по ОГХ и общепринятыми методами,дает удовлетворительные результаты сходи-

mo ith.

3. Вычисление общэй и внешней эффективных удельных поверхностей по изотермам десорбции паров воды применимо для Неаасо-лэнкых почв, и средняя часть ОГХ может быть рассчитана для них.

Практическая значимость isaßcrra. Для почв Сибири различного генезиса на основе структурно-энергетической концепции дана оценка их физического состояния и выявлены объёмы фазовых компонентов, устал члены параметры оптимального увлажнен»« и введены поправочные коэффициенты качественной оценки исследуемых почв, на основе 10-и балльной шкалы H.A. Качинского.

Результаты изучения связи почвенно-гидрологических констант с термодинамическими характеристиками почвенной влаги позволяет трактовать теоретически обоснованные области перехода мэлду различными категориями почвенной . влаги в более широком диапазоне.

Теоретические результаты исследования используются в курсе лекция "Физика почв", читаемый студентам Томского государственного университета и в специальном практикуме "Змэические методы исследования почв".

ияжагтат. 1. Для полной оценки физического состояния почв и испытывающих интенсивную антропогенную нагрузку, с учётом особенностей их генезиса,более пригоден подход, основанный на структурно-энергетической концепции.

2. Качественная оценка почв и разработка агроприёмов должна быть произведена с учётом их физического состояния и на основе знания фазовых компонентов (по выполняемым ими функциям).

Дпробацкз и пуйпмсщяя розу-кьтатоа мсследовазкй. Результаты работы докладывались на научно-практических конференциях разных уровней; "Родное Тоыское Тфдабье" (Кожевникова,. 1991); ыеждуиа-родной "Проблет десной биогеоценологми и • методологические основы их решения" (Йопкар-Одз, 1S92); посвяе^нной ЮО-летию плана ЕЕ Докучаева во борьбе с засухой, .преобразована степей России (Абакан, 1992); -стран Содружества "Сизика почв и пр Злемы экологии" (Пуцино);посвяеэнной 80-летив Е Д. Градобоева (Абакан, 1993); заседаниях Томского обвэства почвоведов (Томск,1990,1993, 1994). По теыз диссертации опубликовано 7 работ и 4 находятся в печати.

Структура и о&ыУн работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на. ($0 страницах машнописного текста, содержит 12 таблиц и 11 рисунков. Список литературы включает 239 наименований, в том числа £4 зарубежных авторов.

Глава 1. РОЛЬ 0ШЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ В ИХ ГЕНЕЗИСЕ И iasiiif

Глава посвяшрна обзор/ литературы по проблемам взаимодействия твёрдой и жидкой фаз почвы и управления физическим состоянием почв, протекающими в них физическими процессами и ..-j!oe;i;i--I« проявления почвенного плодородия. Показана значительная to"', знания фиаических свойств почв в их генезисе и кивни при реи'э-нии теоретических и прикладных задач физики почв, сельского хозяйства и других разделов почвоведения. Актуальность данных исследований диктуется ваиным экологическим значением почвешгого покрова и разрашткн почвозащитной системы его мспользовачия.

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Обгектами исследования в целях оценки физического состояния почв, сформированных в разных биоклиматичееких условиях, послужили каштановые почвы, черноземы и подзолистые почзы. Ofin различны не только по составу и свойствам, но и характеру и степени антропогенного воздействия. Темно-кактановие почвы сформированы на древнеалдюзиальных отложениях. Разрезы залохени на территории НИИ аграрных проблем Хакасии на целинном участке (Р- 61), также паше используемой и орошаемой в течение 20 лет (Р-62) и под полезащитной шогорядной лесной полосой шириной 30 и, орошаемой в течение 50 лет (Р-бЗ). Чернозёмы шиий (Р-60), обыкновенный (P-S8) и выгрлоченньЛ (Р-59) расположены на слаборасчле-нэнной равнине Абакано-Енисейского междуречья Юкно-Минусинской впадины. Они сформированы на лёссовидных суглинках и используются под выпаса и сенокосы. Почвы подзолистого ряда нами вааты в Тсыь-Обсксм междуречье, на супесчаных и песчаных отложениях: дерново-подзолистая (Р-6), перегнойно-лодзолкстая груитово-оглен-ная почва (Р-46) .подзолистая (Р-Бб).Взе почвы подзолистого ряда развиваются под естественной растительностью.

В работе для определения химического состава, физических и физико-химических свойств почв использовались общепринятые в почвоведении методы (Вадюшша А. Ф. .Корчагина 3. А. ,1961; Аринуа-кина Е. В. ,1961).

Характеристика физического состояния почв проведена с помощь в !сривых основной гидрофизической характеристики (ОГХ), которые были получены на основе тензиоыетричесгаго и расчётного методов и являющиеся графнчесгам отражением энергетического состояния влаги в почве. Для расчета взята формула, предложенная А. Д. Ворониным (1930,1984)

V 1 -- А*[ ( Wl - Wa) /( Win) el;

V i -потенциал воды при влажности Vit j Wa -количество воды в адсорбционном слое, равное сумме монослоев, рассчитываемых по БЭТ (Win) и по Сааррэру (Уйп)е: Va~№n+(Vin)e; Лип- параметры, характерны о для каждой почвы и рассчитываемые на основании результатов экспериментального определения дьух участков кривых 01%

Результаты исследований обработаны с помощью вариационно-сгатнгтич^ских ¿методов (Дмитриев Е. А. , 1971; Плохииский ILA., и'/О), ряд кассовых анализов был обработан на персональных вычислительных машинах (тип IBM), с использованием программ адаптированных ¿втором, для реиения конкретных задач по корреляцнон-но-регрессионному, анализу зависимостей признака, проверю! статистических гипотез и др.

Глаза 3. ОСНОВНЫЕ СМЗИЧЕСКЙЕ И ВДЩК>-ФИЗИЧЕСКИЕ СЕОЙСТВА ПОЧВ.

Физические и водные свойства зональных почв рассматриваемого региона в литературе, отражены а достаточной мере. Обдае физические параметры почв обобщены в коллективной монография "Агрофизическая характеристика почв Западной Сибири " (1976),в работах ЕП. Панфилова (1971,1973, 1993); К 11 Ландшюй (1978,1966); it Г. Танзыбаева (1993) и других сибирских исследователей.

3.1 Общяе физические свойства

Исследованные почвы контрастны по гранулометрическому составу: у тёмно-каштановых гумусово-аккумулятивные горизонты ере-днесугдинксгие, гоиеледащне горизонты представлены лёгкими суглинками, переходящими в супеси с большим количеством грубообло-мочного материала. Черноземы южные, обыкновенные и выщелоченные такта являются среднесуглинкстыми, .характерно преобладание фракции крупной пыли. Почвы подзолистого ряда отличаются ещэ большей однородностью гранулометрического состава.. Отмечается вниз по профилю увеличение количества песчаных фракций до 93 X.

Плотность твердой фазы и сложения у всех почва имеет закономерность увеличения с глубиной. Уплотнение, высланное действием поливных вод значительно ухудшает её физические, водно-физк-•ческие и другие свойства

Удельная поверхность почвы наиболее значительно влияет на энергетическое состояние почвенной влаги. Степные почвы имеют показатели удельной поверхности в пределах 1Б0-200 м2/г. У почв чернозёмного ряда эти величины несколько выше, что. связано с более высоким содержанием органического вещества и частиц размером пеньте 0,001мм. Для почв подзолистого ряда характерны не-

высокие аначения общэй удельной поверхности (Бо), при равенстве внешней и внутренней удельных поверхностей.

3. 2 Водно-физические свойства почв. ГЬчвенная влага как бы вкраплена в поры разных размеров и форм, в том числе и мельчайшие из них, соизмеримые лиаь с величиной молекул,поэтоиу она имеет огромную поверхность раздела и не является химически чистой водой, а содержит целый ряд полокитедь-ных и отрицательных ионов, что обусловливает неоднородность физических и химических свойств содержащейся в почве влаги. Полученные экспериментальные данные показываш на больную зависимость влажности выше наименьшей влагоемкости (НВ) от плотности сложения, пористости, от размера и формы почвенных частиц и агрегатов и наоборот, ниже НВ -от гранулометрического состава.

Говоря о почвенной влаге, необходимо помнить, что разное ее количество, отличаются различными физическими силами, удерян-ваюцими в почве влзгу по своей природе и по абсолютной величине. Различны и силы, вызывающе передвижение влаги. Подвижность почвенной влаги в изотермическом режиме определяется водка-физическими свойствами почв,прежде всего ев энергетическим состоянием. И кривые ОГХ позволяют определить основные характеристики взаимодействующего с водой перового пространства почв,через его объем (¿0) к поверхность жидкой фазы (ВО

1/8-(01/01-1)* Ур*20; -3

где X - поверхностное натялгние воды (при Т-20 'С, 2-72,74*10 Н/м), 0»-1 и 01 (мй/мЗ) объемная влрчсность в соответствуш,их пределах интегрирования, - капиллярно-сорбционный потенциал (Воронин А. Д., 1977,1984,1986).

Для каждой почвы зависимость влагопроЕодности и потенциала почвенной влаги индивидуальна, т. к. в почЕе распределение пор, по которым движется почвенная влага хаотично и это р.^ноцешю системе правильно ориентированных до осям пор. Пс-чзы подзолистого ряда не обладающие большой внутренней поверхностью содержат почти всю воду в порах между частицами диаметром от 1 до 0,25 ш. Отмечается два изгиба на кривых ОГХ: область высокой влажности, соответствует давлению входа воздуха в систему (Ркр) и моменту разрыва сплоаности водного тела капилляров. Нгагопроводность в почвах черноземного ряда при Ркр—б кПз и нидних горизонтах темно-каштановой почвы орошаемой 50 лет, имеющих средне-н тяжелосуглинистый гран, состав, лежат в интервале 2-7а10( -7) м/с. С понижением потенциала до -120кПа уменьшается Кп до 2-6*10(-6)м/с. В целом зависимости Кп(Рк) и Кп(И) свидетельствует, что при относительно неболыпом понижении потенциала (-5 -120 кШ) коэффи-

циент влагопроводности уменьшается во много раз. Такое значительное уменьшение влагопроводности объясняется уменьшением пло-■щади поперечного сечения влагопроводяиих путей. Максимальные значения влагопроводности Слизки со значениями коэффициентов фильтрации. Это говорит об объективности информации по влагопроводности и фильтрации иочв,полученных разными методами и в различных условиях проведения экспериментов.

Глава 4. СВЯЗЬ ОСШВШЙ ГЩРОШЗИЧВОКОй ХАРАКТЕРИСТИКИ

(ОГХ). С ФЙЗЙЧЕСКИЩ СВОЙСТВАМИ ПОЧВ X ЕЕ РОЛЬ В ОЦЕНКЕ ФИЗИЧЕСКОГО состояния поча

Термодинамические понятия внутренней энергии и знтропии можно приыешггь к почвам без изменений. В частности, внутренняя энергия почвы является функцией энтропии, объёма и состава Ц-и*(3,У,Ша>); где и - внутренняя энергия, Дя; ШаЬгрупла значения масс компонентов;индекс компонента - I; а- индекс фазы почвы

4.1 Зависимость ОГХ от гранулометрического состава почвы.

Известно,что в основе увлажнения-иссувения, набухания-усадки лекит потенциальная поверхностная энергия твёрдой фазы почвы, распространяющаяся в действующи объёмах мицелярной воды и пространствах между отдельными элементарными частицами, что и обусловливает формирование расклинивашего давления. Разница последних в ненасыщенных водой почвах компенсируется всасыващим давлением. Зависимость РС V) чувствительна к изменению грануломет-рнчесюто состава (удельной поверхности) почвы,поэтов V не молит Сыть принята в качестве искомой зависимости. По мере утяжеления гранулометрического состава зависимость сдвигается в сторону большх значений влажности и угол наклона ОГХ к оси абсцисс ваметно изменяется. В наиболее тяжёлых почвах по гранулометрическому составу,с высокими значениями удельной поверхности и суммарной пороаиости,содержание влаги при одном и том ли значении потенциала заметно выше по "сравнению с горизонтами почв лёгкого гранулометрического состава. При одинаковом уменьшения "содержания влаги, понижение Рк в легких почвах значительно выае, чем в тяжёлых. Рассматривая вопросы о причинах отклонения ОГХ от прямых, необходимо отметить, что наибольшая кривизна ОГХ, т. е. зависимость Рк(V) чада всего отмечается в интервале потенциала -18...-43 кПа. Это подтверждает выдвинутое предположение о том, что в этом шггервале Рк( V) происходят не только количественные, по и качественные изменения состояния влаги, вызванные нарушени-

еи сплошности водного тела. ВД> одной причиной, обусловливавшей отклонение ОГХ, является изменение диаметра водных путей, когда более широкие в диаметре пори перекрыты Солее узккии порами. С уменьшением содержания в почве влаги (ниже НВ) полный потенциал далее понижается медленно. Более резкие перегибы на кривых ОГХ были обеспечены оттоком влаги из пор крупного диаметр.--, что особенно характерно для подзолистых почв и опесчаненных горизонтов степных почв, энергетическое состояние воды в которых характеризуется Рк в интервале от 0 до -20...-ЗОкПа. При дальнейшей потере воды, главенствующим фактором выступает удельная удельная поверхность и потенциал понижается постепенно, т. к. есо же обобщенный показателей первичной дисперсности почв является величина удельной поверхности.

4.2 Влияние на ОГХ плотности сложения почвы.

И»,кнно этими свойствами обусловливается качественная и количественная сторона геометрии порового пространства и содержания влаги. От размера пор и их геометрической структуры зависит кривизна менисков на границе раздела фаз и особенности дренирования пор. Зависимости Рк( V/) свидетельствуют о том, что при постоянном значении потенциала содержание влаги заметно изменяется в зависимости от сложения почвы. Самые значительные расхождения потенциала отмечаются в области еысокой влажности. Для подзолистых супесчаных почв различия в Рк<2б0 Дж/кг практически отсутствуют и ОГХ совпадает между собой. Это объясняется отсутствием в песчаной толп» агрегированности и структуры, и в свяаи с чем это не приводит к заштныы различиям суммарной порозности и геометрии порового пространства исследуемых нами почв.

Соотношение потенциалов влаги в почвах нарушенного сложения (разрез 62,63) и ненарушенного (разрез 61) заметно отличаются в количественном содержании влаги при постоянном Рк в интервале его значений от -3...-5 до -65...-70 кЛа, т.е. при влажности соответствующей НВ. Несовпадение кривых ОГХ, гаторые являются отражением энергетического состояния почвенной влаги отмечается и при более низких значениях Рк для иарувенных горизонтов тешга-каштановых почв (Алах, АВ), а для нижележащих горизонтов наблюдается наложение кривых ОГХ,гак как роль плотности сложения затухает, а на первое место выходит фактор удельной поверхности Для почв черноземного ряда (разрез 58-60) с увеличением содержания органики в верхних горизонтах при естественном сложении кривые зависимости потенциала почвенной влаги от влажности не пересекаются вообир в пределах как тензиометрического.так и со-рбционного определения. На глубине более 80 см наблюдается пе-

ре сечение кривых ОГХ в области значений Рк( У) -18. ..-31 кЛа.

Причины, обусловливанцие описанные особенности соотношения потенциала влаги в почвах заключаются в одновременном воздействии на ее энергетическое состояние и факторов плотности сложения, поэтому Рте доджнч иметь более сложную зависимость и выражаться как Рк(У,(3); где ¿-плотность сложения.

4.3 Зависимость ОГХ от температуры почвы.

Закономерное влияние температуры почвы на потенциал обусловлено особенностями водоудерживающих сил почвы, определенными свойствам твердой фазы и содержанием в ней воды. При высоком содержании влаги значительная её часть удеришаегся почвой ка-пиллярньши силами к характеризуется высокой активностью. Изменение температура в атом случае, приводит к незначительному изменению- её аетишости, при этом абсолютное значение повивается так как Рк зависит от скорости изменений температуры. В этом интервале влажности• влияние твердой фазы проявляется слабо. С уменьшением содержания влаги до 0,5-0,? 1Ш силы удерживания еб почвой возрастают. При отсм вода становится вязкой,а потенциал понижается, екгшшость води падает. Повыгение температуры почвы в значительно больней степени привода к проявлении ачгивнссти почвенной влаги и её свободной энергии. Таким образоы, изменение потенциала почтенной влаги при изменение температуры почвы моют бщъ значительным я зависеть от свойств почвы, содержащейся в ¡¡ой влаги. В связи с этим становится очэвидгой необходимостью введение поправок к потенциалу особенно в условиях Сибири, когда имеет кесто значительный перепад температур. Однако эта проблема представляется сложной, далеко до конца не репеной и требу»-врй дальнейшего исследования.

4. 4 Оценка физического состояния исследуемых почв.

В области физика почв важное место занимает исследование зависимости потенциала (давления) почвенной влаги (Р) от влажности (V). Актуальность этого вопроса определяется тем, что избар-ш-изотермический термодинамический потенциал (свободная энергия Гиббса) почвенной влаги чрезвычайно полезен при рассмотрении ее поведения в системе почва-растение-атмосфера и особенно * при оценке доступности воды растениям. Штоды измерения свободной энергии Гиббса хорош разработаны для растворов, для различных систем адсорбент-адсорбант и др. Измерения с почвенно-гидро-логическшш целями чыет свои особенности,заключающиеся, во-первых, в специфичности объекта, почва-это в сильной степени полидисперсный адсорбент, отличительной чертой которого является пестрота минералогического состава и наличие водорастворимых

веп/эетв, во-вторых, в интервалах значений измеряемой геличины (для почвоведов-гидромелиораторов) наиболее интересен узкий интервал значений свободной энергии, соответствуыпкГ доступному для растений запасу воды в почве.

При изучении энергетики воды в почве принято отдавать предпочтение ветви обезвоживания гистерезисной петли, поскольку в естественных условиях вегетационного периода процесс иссушения почв более характерен. Какие же факторы обуславливают величину давления почвенной влаги? Энергетическое состояние почвенной влаги зависит не только от физических и химических свойств пог-ловдющей среды - почвы, но и от количества воды в ней. Следует принять во внимание то, что в таких системах, к^кие мы имеем в почвах, необратимая работа может достигать значительных размеров. Поскольку вода удерживается в почвах не только силами, возникающими на поверхности раздела твердая фаза почвы-вода, но и силаг/л, возникающими в результате искривлен™ поверхности раздела фаз вода-воздух, следовательно, зависимость давления почвенной влаги от влажности почеы является индивидуальной, т.е. особой для каждой почвы, что наглядно иллюстрируется рисунком 1. Знание характеристик почвенной влаги дало возможность выяснить основные закономерности динамики давления влаги в разных типах почв различных биоклиматических зон -черноземов, темно-каштановых и почв подзолистого ряда.

На кривых ОГХ имеется ряд точек, которые можно принять аа границы переходов одних групп сил в другие эта связано как с изменением характера и величины сил,определящих энергетическое состояние воды, так и с особенностями расположения воды в поро-вом пространстве почв. Отмеченные факты и служат основанием для объективного подразделения почвенной влаги на категории, но на сегодня наметилась тенденция в направлении формализация зависимости. Сопоставление зависимостей Р(№) для различных почв, измеренных тензиометрическим методом и вычисленные по формулам, показывает,что рассчитанные константы почвенной влаги существенно отличаются от найденных по ОГХ (табл.1). Следовательно, расчет зависимости Р( V) по независимым измерениям почвенно-.гидро-логических констант может привести к грубым ошибкам в определении потенциала почвенной влаги, а это в свою очередь приведет к погрешностям влагопереноса в почве. Следует заметить, что в почвах подзолистого ряда(Р-6 и Р-Б6), представляющими собой в основной своей массе песок, расхождения рассчитанной зависимости от экспериментальной значительно меньше, чем в почвах чернозем-

РнеЛ, Кривые основной гидрофизической характеристики почв: темно-каогановцх (Р-61-63); черноземов (Р-БЗ-60); подзолистых (Г-6, Р-45, Г-55). А, АВ, В, С - генетические горизонты.

Таблицэ 1

Влажность для гумусовых горизонтов почв различного генезиса, с&ответсгвукйщя наименьшей влагоёмкости (7. от массы), найденная по формулам и определенная с помощью кривых ОГХ

Ш Зор(!улам

Почва Dpyiíca- Павловой- Мотовило- Иурсмпе-Кори Калачного ва ва

(1985) (1982) (1977) (1991)

ПО крк тм ОГХ (1993)

Гёмно-калиано-вая, целина Темно-каотоно-вая, oponasмая 20 лет

Темно-каатапо-вая, орошаемая 50 лет

Чернозём юяныЯ Чернозем обык-норенный Чернозём Е!оз-лоченный

Шдзолистая Подзолистая грунтово-ог-лгнная

Дерново-подзолистая

24.3

21.4

25.6 26,4 20, i

11.7 12,1 13,0

23,5 19,9

23,2 21,2

27,4 25,4 21,4 12,0 13,0 13,8

13,9 16,4

21,0 20,1 16,3 11,0 .0.4 11,0

24,1 20,9

18,3 20,1

25,9 £5,4 21,3 12,1 11,8 13,1

20,3

17.5

17.2

23,0

22.3 17,9

10.6 11,0

12.4

ного ряда и тешо-каптаноЕЫХ почв. Объяснить ото можно малым содержанием физической глшш, гумуса и коллоидных вецэств, и гак следствие кзньазй кх удельной поверхностью.

Расчетно-экспериызнтапышЯ метод определения кривых водо-удерхиванцэй способности почв позволит определить на кривых ОГХ области перехода воды из одной категории в другуп и связать с ними структурно- функцислальние свойства почв. В песчаных и супесчаных почв подзолистого ряда по сравнению с черноземами и тем-но-каетаиовыми почвами кривые 0.1'Х круче а силу того, что после-

дние характеризуются более высоким! значениями удельной поверхности и суммарной пороаности, где содержание влаги при одном и том же значении потенциала воды заметно выше по сравнению со слоями и горизонтами почв легкого гранулометрического состава.

Если взять логарифмический масштаб, Для упрощения процедуры построения кривых ОГХ, то зависимости выражаться будут почти прямыми линиями з интервале (ХР<-80 кПа. Нэ если взять подзолистую грунтоЕО-оглеенную почву (Р-45), го анализ полученных данных показывает хорошо заметный сдвиг "ривой ОГХ, для, горизонта ВГе.е! несмотря на приблизительно равное процентное содержание физической глины. Этот горизонт оглеен и имеет повышенное содержание соединений железа, которые приводят к снижению дифференциальной влагоёыкости, а это - к эффекту "утяжеления" гранулометрического состава Железистые соединения, по физической сущности, адсорбируются на внутренней поверхности порового пространства, значительно уменьшая обьем пор,а также их диаметр, при неизменности гранулометрического состава, сложения и плотности. Уменьшение диаметра пор приводит к выполаашванию кривых ОГХ и их сдвигу. В оюэлезнённых, оподзоленных и оглеенных почвах, где плотность сложения очень высока от 1,?2г/см в ВГе до 1,84 г/см в Сг1 (Р-46).наименьшая влагоеыкость и влажность разрыва капиллярных связей имеет сущэственные различия, в то время как в отсортированных песчаных горизонтах (Р-6 и Р-56) они очень близки, поэтому вероятность сплошного водного тела при НВ еще высока. С памоп?ьп ОГХ выявлено влияние и механической обработки на энергетическое состояние почвенной влаги, темно-каштановых почв используемых под пашню. По гранулометрическому составу,содержанию гумуса и величинам удельной поверхности гумусо-аккумулятивные горизонты этих почв различаются незначительно. Относительную однородность исследуемых горизонтов подтверждает, рассчитанное по кривым ОГХ распределение пор размерам. При первом рассмотрении кривых ОГХ в пахотных и целинных горизонтах почв, обращает на себя внимание тот факт, что форма и характер нижнего участка кривой водоудерживаемости супэственно отличается (рис. 2).

Объясняется это главным образом тем, что в отличие от целинкой тёмно-каштановой, кстати как и чернозёмов, эти горизонты подвергаются механической обработке и орошению. Таким образом, подученный р-зультат сдвига, свидетельствует о высокой чувствительности зависимости V р в диапазоне высоких здажносгей к воздействию внешних факторов. Отсюда вполне объяснимой становится невозможность формализации нижнего участка ОГХ

Количественная оценка и научный прогноз является одной из

1К( р) -4 -3 -2 -1 -О -

0,1 0,2 0,3 0,4 У, г/г Рис. Н. Кривые ОГХ темно-каштановых почв: —**~Гор. Л, целина (Р-61) Апах, под пашой, орошаемой 20 лет (Р-В1);

-Гор. А, под лесополосой, орошзе»-<ой 50 лет (Р-53).

Еажиейших задач при изучении энергетики почвенной влаги и фжзк-ко-мехашг-шсши свойств. Связано это преяде всего с повсеместно ухудшением почв под влиянием орошения, применений мощной техники, усиленной эксплутационной нагрузки на почвы, общей лнтенси-фшшцин сельскохозяйственного производства. Изменение выражается в увеличение гльйистости почв, трещтоиатости, появлением признаков слятизации. Используемые ранее методы в состоянии были лиг» только оценить конечный результат этик изменений. Прогноз та и соответствукяцге мероприятия по сохранения и оптимизации до настоящего времени были не вполне реалистичны. Структурно-энергетическая концепция позволяет объяснить и прогнозировать эти изменения. Попытки ?"е определ;ггь физическое состояние почвы при помощи различных методов и приборов наталкиваются на значительные трудности вследствие того, что вза^иость почвы сильно вдия-ет на отсчеты. А усилил, затрачиваем® на обработку почвы, определяются в первую очередь влажностью саиой почвы. Данный подход позволил определить оптлхшилшэ влажности для агрегатообра-зования, теоретически обосновав ¡и. Го обстоятельство, что при V1 :р!, почва близка к влажности нижней границы пластичности и влажности начала появления липкости даёт основание утверждать, что здесь складывается оптимальная для механической обработки почвы условия- происходит не только её оптимальное крошение, но и отмечается минимальное удельное сопротивление почеы, которое с изменением влажности почвы увеличивается. Минимальное сопротивление почвы при пахоте приходился на влажность, близкую к вла-

жностн, соответствугадзй первому критическому потенциалу. Интервал изменения оптимальной влажности в зависимости от скорости вспашки хорошо совпадает с интервалом, в котором наблюдаются близкие величины от плёночной свободной до плёночнокапиллярной влаги,следовательно, оптимальные.для механической обработки почвы условия характеризуются не одной величиной влажности, а интервалом: для черноземов и тбыно-каштанавой неорошаемой почвы он сауый вначнтелъный- 1,в-5>,4 2, в то время как для оровзеыой 20 лег- 1,7 X, орошаемой БО лет- 1,6 ... То же самое относится и к почвам подзолистого ряда- их интервал токе незначителен 1,0 -1,4 X. Более широкий диапазон влаги дает войможнось маневра обработок сельскохозяйственных полей во времени.

В заключении главы остановимся на качественной оценке физического состояния почв, выраженной в баллах.

Как всякая материальная субстанция, почва имеет свои количественные размерности и сельскохозяйственное производство тесно связано с ней. Неравноценность почв слагается из различного соотношения фракций механических элементов, их сложения, структуры и т.д. Для оценки качества почв, с учетом структурно-функциональных особенностей и энергетического состояния почвенной влаги, используются специальные методики, а результаты находят разностороннее применение в практике сельскохозяйственного производства. Наличие объективных данных о состоянии влаги, в виде качественной оценки, позволяет решать главные производственные вопросы: избирать или исправлять агротехнические приёмы, улучшать размещение угодий и выбирать выгодную структуру посевных площадей и т. д.

Сопоставляя данные по гранулометрическому составу, плодородию почв и урожаю сельскохозяйственных культур, а А. Качинский разработал десятибалльную систему для оценки почв. Взяв ее за основу, необходимо остановиться на том, что для более объективного использования баллов при оценке почв различных почвенных аон возможно введение поправочных коэффициентов (табл. 2)

Так, например, черноземы обыкновенные среднееуглкнистие всех подзон будут иметь балл по гранулометрическому составу - 8, независимо от того какова плотность сложения данного конкретного горизонта, структурность его и другие физико-механические свойства. Этот Залл будет иметь горизонты содержащие в своам составе физической глины от 55 до 70 X и плотности сложения, ь нашем даже случае размах от 1,1 до 1,28 г/см2. В наших исследованиях были взяты специальна объекты различных биоклиматических аон, полученные результаты позволяют сделать обоснованные ьыводы и

Таблица 2

Поправочные коэффициенты для качественной оценки почв некоторых районов юга Сибири

Гранулометрический состав

Пзчвы ----- глинистый тямело-сугл. средне-сугл. легко-сугл. супесчаный песчаный

Подэолисто- 0,92 0,96 0,98 1,00 0,98 0,95

гяеевые

Собственно-. 0,93 0,97 0,98 1,00 0,97 0,9в

подзолистые

Дерново- 0,96 0,97 1.Т0 0,97 0,94 0,93

подзолистые

Чернозём выщелочен- 0,98 1,00 0,98 0,97 0,93 0,92

ный и обыкновенный

Чзрноаёмы кяные 0,98 1,00 0,98 0,97 0,93 0,92

Тёмно-каштановые 0,97 1,00 0,98 0,97 0,95 0,94

С Б' -Б*К, где Б*-балл качественной оценки почв, с учётом попра- . вки; Б-балл по шкале Е А. Качтского; К-поьравочный коэффициент)

для более широкого спектра почв.

Концепции категорий почвенной влаги и термодинамических потенциалов нисколько не противоречат друг другу, хотя нам представляется нецелесообразным сравнение величин ИВ по кривой энергетического состояния почвенной влаги л определённой в ползвых условиях, т.к., полевое определение осложняется зависимостью от дифференциации почвенного профиля, а отсюда и наличие зон замедленного просачивания воды и получение кривой ОГХ связано должно быть с постоянством термодинамических условий, на что в полевых условиях трудно рассчитывать. Все гв объединение категорий почвенной влаги и энергетических потенциалов обогащает не только учение о почвенной влаге, но и всю современную физику почв, поскольку с областями перехода из одной категории в другую, как было показано ранее, связаны и изменения ряда важнейших показателей физического состояния почва

Глава 5. 01ГГИЖЗАЛЫ ПАРАМЕТРОВ УВЛАЖНЕНИЯ ПОЧВ.

Поскольку конечной целью сельскохозяйственного производства является получение максимальных урожаев, задача оптимизации

параметров увлажнения, в практическом решении, сводится, в основном, к определению оптимального интервала влажности почвы и затем поддержание его, в течение периода вегетации, когда все физиологические процессы в растениях протекают с максимальной эффективностью.

Представление о предельных значениях оптимальных величин увлажнения (НВ-ВЗ), подход к оценке влагообеспеченности сельскохозяйственных растений, основанный на характеристике движущих сил в системе почва-растение-атмосфер^. и относительной транспи-рации, являющейся отношением фактической транспирации (Т) к потенциальной (То),т.е. максимально возможной при оптимальном содержании влаги в почве и данных метеорологических условиях яв-#ляется на данный момент самым перспективны«. Но встает вопрос о репрезентативности результатов, т. к. с одной стороны нестаци-снарность водообмена осложняет оптимизацию из-за трудности применения ОРХ, полученную в лабораторных условиях, к полевым. Оптимизация в таких районах имеет специфические особенности, связанные с характером условий влагооборота. Почвенная влага в исследуемых почвах находится б состоянии далеком от термодинамического равновесия, водообмен в системе отличается повышенной интенсивностью, выражена суточная динамика. Поэтому нужны несколько иные оценки репрезентативности. Кроме разброса параметров бо времени и пространстве, по которым оценивается репрезентативность, необходимо учитывать и степень соответствия изменений косвенного параметра под влиянием дополнительных воздействий: агротехники, минеральных удобрений и т. д., но физический смысл оптимизации меняться будет относительно немного. Отсюда же следует, что репрезентативность измерений во времени прямых показателей оптимизации параметров увлажнения должна быть достаточной даке при единичных отсчётах.

Вопрос о глубине увлажнения почвы при поливе - один из вал-нейшиу Еопросоь" орошаемого земледелия. Из существующих различных поливных режимов сельскохозяйственных культур в условиях сухой степи, выбран метод направленный не только па периодическое пополнение запасов воды в корнеоОитаемом слое, но и на увеличение глубины этого слоя до 180-200 см,но этот метод для практического решения проблемы более опасен, в плане возможных отрицательных последствий. Таким образом, приходится сталкиваться н с вопросом о верхнем пределе увлажнения.

Наиболее точное выдерживание оптимального режима гшлиьа ока-еывается возможным при объединении дождевальной техники с устройством на базе датчиков капиллярного давления. При исполь-

зовании тензиометров для определения сроков полива сельскохозяйственных культур важным является способ установки их в почву. Для всех растений тензиометри устанавл!1ваогсп на двух глубинах. При значительных колебаниях влажности в течение вегетационного периода, часто наблюдающихся в районе исследований, в горизонте преобладающего водоснабжения обычно не удаётся ограничг-ься измерением только на одном уровне. Это относится и к культурам с достаточно болыюй глубиной корнеобигаемого слоя. Верхний из нй" должен находится в зоне максимальной корневой активности, а ни-яшй- в нижней части основной массы корней- 1/4 и 3/4, которые даст достаточную информацию о Рп (рис.3).

О

-10

-20

-30 -

-40 -

кПа

окончание полива Рис. 3, Графики потенциалов как функции времени в верхней (1) и нижней (2) частях корнеобитаемой зоны. Рекомендуемая глубина установки тензиометров в почве в зависимости от мощности корневой "истемы выглядит следующим образом: зерновые культуры - 20-25 см это верх; тй уровень и 60-70 см нижний; сахарная свекла - 10-20 см и 65-75 см, соответственно.

В заключении следует отметить, что конечной целью почвенно-гядрологических исследований является полное и глубокое понимание всего комплекса процессов, протекающих в почве в естественных условиях и оптимизация их г хозяйственных условиях. В связи с этим необходимо изучать водный режим почв в целом и применять все методы: и шфокомаситабнь® водяобатансовые, охватывай®» целые районы и многолетние периоды; и почвенно-гидрологические, позволяющие оценивать ряд водно-физических свойств почв-, й методы вскрывающие сущность процессов влагопереноса на юлекулирном уровне, опирающиеся на строгие законы термодинамики. Вс4 *» без такого комплекса методов трудно представить себе, а тем более разработать научно обоснованную систему оптимальных параметров увлажнения сельскохозяйственных культур.

ВЫВОДЫ

1. №учено физическое состояние темно-каштановых почв, южных, обыкновенных, выплаченных черноземов, подзолистых, дерново-подзолистых и перегнойно-подзо-'дстых почв общепринятыми в почвоведении методами и подучившими в последнее время достаточное распространение методами капиллярно-сорбционного равновесия, опирающимися на законы термодинамики. Выявлены при этом различия физических параметров почв, обусловленные генезисом и различной степенью антропогенной нагрузки.

2. Взаимодействие твердой и ¡кидкой фаз в определение физических параметров возрастает в интервале действия сил сорбцион-иого равновесия пропорционально значениям внешней (Б) удельной поверхности для степных почв и внутренней (5о) -для лесных почв.

3. Основные физические параметры почв юга Сибири находятся в тесной взаимосвязи с основной гидрофизической характеристикой (ОГХ), особенно со структурным состоянием (а»0. 05).

4. Сила связи параметров ОГХ и физических свойств в исследованных почвах Высока, за исключением темно-каштановых,у которых коэффициент частной корреляции ниже коэффициента парной корреляции. Следовательно, связь не прямая, а опосредована различными факторами, главными из которых является орошение.

б. Эффект "утяжеления" в переувлажненных подзолистых почвах визван отложением жлезистых соединений на внутренней поверхности норового пространства, что четко фиксируется сорбционно-тен-зиометрическим методом, в следствии этого поверхностная проводимость влаги приближается к объемной.

6. С учетом физических свойств почв разработаны поправочные коэффициенты к баллам их качественной оценки, предложенным Ка-чинским Н. А.

7. Оптимальная механическая обработка исследуемых почв возможна в пределах давления почвенной влаги для темно-кзшггановых почв - !|5:-Б0 кПа, черноземов -42;-46 кПа и для решения задач по оптимизации параметров увлажнения орошаемых почв необходимая глубина установки тензиометров для зерновых культур- 20 см к 60 см, корнеплодов- 10 см и 65 см, сеяных трав- 25 см и 80 см.

Материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Кулике кии С. П. Протквоэрозионная стойкость почв заказника

"Томакий"//Те8. докл. регион, кэнф. ,22-24 апр. 1092.-Томск.

1992. -С. 100-101.

2. Танаыбаев Ы. Г. .Куликский С. И Эколого-генетические особен-

ности подзолистых почв ООь-Томского мавдуречьл/.'Тез. до1гл. регион, конф. ,22-24 апр. 1992.-Томск. 1992.-0.129-131,

3. Кулшшгай С. П. Штодичесгае подходы к изучения почв лесных биогеоценозов // Тез. дою. маддународ. конф. молодых учёных, 21-24 мая 1992,- Йошкар-Ола, 1992.-С. 7.

4. Танзыбаев Ы.Г.,Кулкжскнй С. П. Аналзга вависиыостй влажности устойчивого еавядания растений от гранулометрического состава в тёмно-каштановых почвах // Тез. докл. науч. конф., 22-26 сект. 1532. -Барнаул, 1092.-С. 65. ' .

5. Танзй5аев 14 Г., Кулидский С. П. Основная гэдрофиэическая ха-рактерист1!ка как экспериментальное обеспечение определения- почтенной влаги // Тез. докл. конф. С1ран Содрукэства, 7-10 окт. 1992.-ЦущяШ! 1992, -С. 106-107.

в. Твиэыбаев 11 Г., Кулявскиа С. Я Категории почвенной влаги в чернозёмах, определённые по основной Гйдрофязичэсгсэй характеристика // Тез. дока. науч. копф., посвящённой 80-летив со дня рогдения а Д. Градобоева, 16-17 пояб.' 1993. -Новосибирск: 1994.-С. Б8-58.

7. Тшгэибаев М. Г., Кулкгпккй С. Е Изменение физических свойств степных почэ &аго-йгаусннской впадш.ы под • влиянием антропогенного воздействия .//Почвоведение, - 1994. -9. -С. 46-54.

Заказ Тираж № экз.

УОП ТГУ, Томск, 29, Ни*тява,4.