Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Физико-механические свойства почв и энергетическое состояние почвенной влаги

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Аксенов, Алексей Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.

1.1. Структура почвы: обзор научных позиций.

1.2. Энергетическая концепция физического состояния почв.

Основные положения.

1.3. Реология. Основные структурно-механические характеристики почв, условия их проявления и методы определения.

Метод конического пластометра.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Объекты исследования. Краткая характеристика природных условий почвообразования.

2.1.1. Дерново-подзолистая почва.

2.1.2. Серая почва.

2.1.3. Глинистые минералы как объект исследования.

Каолинит и монтмориллонит.

2.2. Методы исследования.

ГЛАВА 3. ПРОЧНОСТНЫЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Зависимость пластической прочности от влажности при постоянной нагрузке.

3.2. Зависимость пластической прочности от нагрузки при влажности предела текучести.

3.3. Зависимость пластической прочности от нагрузки при уплотнении почвы.

3.4. Липкость.

3.5. Зависимость пластической прочности от нагрузки при влажности максимального набухания.

ГЛАВА 4. ОСНОВНЫЕ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ. СВЯЗЬ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ

С ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Физико-механические свойства почв и энергетическое состояние почвенной влаги"

Основная гидрофизическая характеристика (ОГХ) почв - важный показатель взаимодействия твердой и жидкой фазы почв. Характер этого взаимодействия выражается термодинамическим состоянием системы твердая-жидкая-газообразная фазы почвы. При изменении содержания жидкой фазы почвы термодинамическое состояние системы проходит через ряд предельных состояний равновесия, связанных с различным состоянием почвенной влаги, которые, по мнению А. Д. Воронина, являются предельными состояниями и в отношении реологических характеристик почвы. Поэтому многие физические, физико-механические, технологические показатели почв (такие, как прочность, пластичность, текучесть) есть следствие взаимодействия твердой, жидкой и газообразной фаз и должны иметь конкретное отражение в кривых ОГХ.

С другой стороны, кривая зависимости прочности от влажности показывает структурные характеристики исследуемого материала, критические параметры перехода из одного состояния в другое, так как физическое состояние определяется степенью и характером связей почвенных частиц. Сопоставление, совместный анализ этих зависимостей является актуальной задачей физики почв.

Цель данной работы - изучение взаимосвязи физико-механических свойств почв с энергетическим состоянием почвенной влаги.

Задачи исследования:

1. Определение основных свойств и характеристик объектов исследования (гранулометрический состав; удельная поверхность; содержание органического углерода). Получение основных гидрофизических характеристик (ОГХ) объектов исследования.

2. Определение зависимостей пластической прочности от влажности, плотности, нагрузки для объектов исследования.

3. Сравнительный анализ физико-механических свойств, прочностных характеристик и ОГХ объектов исследования.

4. Разработка методов совместного анализа характеристических кривых зависимости прочности почвы от влажности и ОГХ.

5. Сравнительное изучение энергетических (критические потенциалы влаги) и физико-механических свойств (предел текучести; предел пластичности; липкость; набухание) традиционными лабораторными методами, на пластометре Ребиндера и их расчет по ОГХ.

Научная новизна. Показано, что зависимость пластической прочности от влажности является характеристической кривой, отражающей физическое состояние почвы.

Установлено соответствие предельных состояний равновесий по характеристическим кривым (ОГХ и зависимость пластической прочности от влажности) в широком диапазоне изменения физического состояния почвы в зависимости от влажности и энергетического состояния почвенной влаги в единой системе координат.

Практическая значимость. Полученные в работе результаты могут быть использованы при прогнозе устойчивости почв к механической обработке, для оптимизации агротехнических условий выращивания сельскохозяйственных культур, при прогнозе противоэрозионной стойкости, а также позволяют оценить степень подверженности почвы деформационным изменениям.

Апробация. Основные результаты исследований доложены на VIII и IX Международной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2001» и «Ломоносов-2002» (Москва, МГУ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 2 статьи.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 107 страницах, включает о таблиц и рисунков; состоит из введения, глав, выводов, списка литературы,

Заключение Диссертация по теме "Агропочвоведение и агрофизика", Аксенов, Алексей Викторович

выводы

1. Физическое состояние почвы как результат взаимодействия твердой, жидкой и газообразной фаз можно количественно оценить посредством прочности структурных связей (по величине пластической прочности), которая находится в тесной связи с величиной удельной поверхности, гранулометрическим составом, содержанием органического вещества, энергетическим состоянием воды, влажностью и плотностью почвы.

2. По предельным разрушающим нагрузкам, характеризующимся давлениями разрушения структурных связей, в состоянии влажности предела текучести объекты исследования выстраивались в ряд: горизонты дерново-подзолистой почвы - Апах (60,3 кПа) > В2 (42,6 кПа) > В1 (36,7 кПа) > ELB (25,4 кПа) ; горизонты серой почвы - В1 (48,0 кПа) > ВС (46,8 кПа) > В2 (42,5 кПа) > Апах (35,6 кПа) > А1 (29,5 кПа), что обусловлено особенностями содержания и состава органического вещества, гранулометрическим, минералогическим составом и другими фундаментальными свойствами объектов исследования.

3. Предложен метод совместного графического анализа зависимостей пластической прочности от влажности и ОГХ в единой системе координат, позволивший проводить совместную оценку энергетического состояния почвенной влаги и физико-механического состояния почв.

4. Экспериментальные данные определения физико-механических свойств почв традиционными лабораторными методами соответствуют данным их определения с помощью метода А.Д. Воронина по основной гидрофизической характеристике, а также их определению на основании зависимости пластической прочности от влажности.

5. Показано, что кривые зависимости пластической прочности от влажности характеризуют широкий диапазон изменения состояний почвы от упруго-хрупкого до текучего, дают возможность оценивать структурное состояние, что позволяет считать кривые прочности наряду с основной гидрофизической характеристикой (ОГХ) характеристическими кривыми.

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Аксенов, Алексей Викторович, Москва

1. Абрамова М.М. Передвижение воды в почве при испарении // Тр. Почв. Ин-та АН СССР. Т. 41. М, 1953.

2. Абрукова Л.П. Кинетика процессов тиксотропного структурообразования в почвенных суспензиях // Почвоведение. 1970. № 3.

3. Абрукова Л.П. Применение конического пластометра для исследования прочностных свойств почв //Почвоведение. 1980. № 7.

4. Абрукова В.В., Манучаров А.С. Некоторые особенности деформации почв при реологических исследованиях // Почвоведение. 1985. № 5.

5. Абрукова Л.П., Прудникова А.Г. Реологическая характеристика дерново-подзолистых легкосуглинистых почв // Изв. ТСХА. 1975. Вып. 3.

6. Амелина Е.А. Контактные взаимодействия частиц в дисперсных структурах. Физико-химическая механика природных дисперсных систем. М., 1985.

7. Бахтин П. У. Физико-механические и технологические свойства почв. М., 1971.

8. Березин П.Н. Структурно-функциональные и гидрофизические свойства набухающих почв // Современные физические и химические методы исследования почв. М., 1987.

9. Березин П.Н., Воронин А.Д., Шеин Е.В. Структура почвы: энергетический подход к количественной оценке // Почвоведение. 1983. № 10.

10. Бондарев А.Г. Проблема уплотнения почв сельскохозяйственной техникой и пути ее решения. Изменение агрофизических свойств почв под воздействием антропогенных факторов. М., 1990.

11. Бондарев А.Г., Бахтин П.У., Сапожников П.М. Изменение физических свойств и плодородия серых лесных почв под воздействием движителей сельскохозяйственной техники // Сб. научн. Тр. ВИМ. М., 1984. Т. 102.

12. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М., 1988.

13. Васильев A.M. Исследование физических свойств почвы. Кишинев, 1952.

14. Вершинин П.В. Почвенная структура и условия ее формирования. М., 1958.

15. Вершинин П.В. Твердая фаза почвы как основа ее физического режима. -Основы агрофизики. М., 1959.

16. Воронин А.Д. К определению понятия «структура почвы» // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 16. 1974. № 3.

17. Воронин А.Д. О потенциале почвенной влаги. Науч. докл. высшей школы. Биол. науки. 1967. № 3.

18. Воронин А.Д. Основы физики почв. М., 1986.

19. Воронин А.Д. Поверхностные явления в почвах и направленное изменение свойств почв. Науч. докл. высшей школы. Биол. науки. 1975. № 12.

20. Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М., 1984.

21. Воронин А.Д. Структурно-энергетическая концепция гидрофизических свойств почв и ее практическое применение // Почвоведение. 1980. № 12.

22. Воронин А.Д. Термодинамический метод исследования поведения воды в системе почва растение // Сельскохозяйственная биология. 1966. № 4.

23. Воронин А.Д. Энергетическая концепция физического состояния почв // Почвоведение. 1990. № 5.

24. Воронин А.Д., Бабанин В.Ф., Малиновский В.И. Свойства поверхности раздела между твердой и жидкой фазами почв. Проблемы почвоведения. М., 1978.

25. Воронин А.Д, Березин П.Н., Шеин Е.В., Гудима И.И. Мембранный пресс с непрерывной автоматической регистрацией влажности почвенного образца // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Почвоведение. 1988. № 4.

26. Воронин А.Д., Шеин Е.В., Губер А.К. Использование почвенно-гидрологических констант для расчета параметров гидрофизической характеристики // Почвоведение. 1996. № 5.

27. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. 2-е изд. М., 1975.

28. Вялое С.С. Реологические основы механики грунтов. М., 1978.

29. Гедройц К.К. Положение вопроса о структуре почвы. Избр. соч. Т. 1. М., 1955.

30. Глобус A.M. О природе водоудерживающих сил в умеренно увлажненных почвах среднего и тяжелого механического состава. // Докл. ВАСХНИЛ. 1974. т. 12.

31. Глобус A.M. Экспериментальная гидрофизика почв. Л., 1969.

32. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. М., 1973.

33. Горбунов Н.И., Орлов Д.С. Природа и прочность связи органических веществ с минералами почвы // Почвоведение. 1977. № 7.

34. Горькова И.М. Исследование глинистых пород при помощи конического пластометра // Коллоидн. журн. 1956. Т. 18. № 1.

35. Горькова И.М. Теоретические основы оценки осадочных пород в инженерно-геологических целях. М., 1966.

36. Горькова И.М. Физико-химические исследования дисперсных осадочных пород в строительных целях. М., 1975.

37. Дидух Б.И. Упругопластическое деформирование грунтов. М., 1987.

38. Долгов С. И. Исследование подвижности почвенной влаги и ее доступности для растений. М., 1948.

39. Дояренко А.Г. Дифференциальная скважность как показатель почвенной структуры. Избр. соч. М., 1963.

40. Капинос В.А. Зависимость между кинетическими и энергетическими характеристиками почвенной влаги и ее доступностью растениям: Автореф. канд. дис. . биол. наук. М., 1987.

41. Каминский Н.А. Структура почвы. М., 1963.

42. Квливидзе В.И., Киселев В.Ф. Исследования фазовых переходов в адсорбированной воде методом ЯМР // Журн. структур, химии. 1967. Т. 8. № 2.

43. Классификация почв России. М., 1997.

44. Кочерина Е.И. Некоторые химические и физические свойства отдельных механических фракций дерново-подзолистых почв. //Почвоведение. 1954. № 12.

45. Кузнецова ИВ. Агрофизические свойства дерново-подзолистых окультуренных почв // Почвоведение. 1977. № 9.

46. Кульчицкий Л.И Роль воды в формировании свойств глинистых пород. М., 1975.

47. Лысенко М.П. Состав и физико-механические свойства грунтов. М., 1980.

48. Макеева В.И. Влияние увлажнения и иссушения на структурное состояние почвы // Почвоведение. 1988. № 12.

49. Манучаров А. С. К использованию реологических исследований в почвоведении //Вестн. Моск. ун-та. Сер. Почвоведение. 1983. № 3.

50. Манучаров А. С., Абрукова В. В. Структурно-механические свойства дерново-подзолистой почвы // Почвоведение. 1983. № 4.

51. Манучаров А.С., Абрукова В.В., Черноморченко Н.И. Методы и основы реологии в почвоведении. М., 1990.

52. Медведев В. В. Изменчивость оптимальной плотности сложения почв и ее причины // Почвоведение. 1990. № 5.

53. Мишин М.Б., Горбунов Н.И., Садименко П.А. Актуальные вопросы физической и коллоидной химии почв. Ростов-на-Дону, 1982.

54. Минкин М.Б., Калмыков А.Г., Буравчук Н.И. Исследование пластичности почв в широком интервале влажности // Почвоведение. 1972. № 10.

55. Никитин Е.П. Объяснение функция науки. М., 1970.

56. Овчаренко Ф.Д. Гидрофильность глин и глинистых минералов. Киев, 1961.

57. Осипов В.И. Природа прочностных и деформационных свойств глинистых грунтов. М., 1979.

58. Почвенно-агрономическая характеристика АБС Чашниково. М., 1986.

59. Путеводитель научных полевых экскурсий III съезда Докучаевского общества почвоведов. Суздаль, 2000.

60. Разоренов В.Ф. Пенетрационные испытания грунтов. М., 1968.

61. Растворова О.Г. Физика почв: практическое руководство. JL, 1983.

62. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур. М., 1966.

63. Ребиндер П.А., Влодавец И.Н. Проблемы физико-химической механики волокнистых и пористых материалов. Рига, 1967.

64. Ребиндер П.А., Семененко Н.А. О методе погружения конуса для характеристики структурно-механических свойств пластично-вязких тел // Докл. АН СССР. 1949. Т. 64. № 6.

65. Роде А.А. Основы учения о почвенной влаге. М., 1965. Т. 1.

66. Роде А.А. Система методов исследования в почвоведении. Новосибирск, 1971.

67. Сапожников П.М. Динамика энергетического состояния воды и структуры порового пространства при уплотнении и разуплотнении почв. Изменение агрофизических свойств почв под воздействием антропогенных факторов. М., 1990.

68. Сапожников П.М., Прохоров А.Н. Модель уплотнения пахотных почв двигателями сельскохозяйственной техники // Почвоведение. 1990. № 5.

69. Сапожников П.М., Скворцова Е.Б., Уткаева В.Ф., Щепотьев В.Н. Физические свойства и структура порового пространства серой лесной почвы при нормированном нагружении. // Почвоведение. 1987. № 3.

70. Сергеев Е.М. Грунтоведение. М., 1971.

71. Смагин А.В., Садовникова Н.В., Мизури М. Определение основной гидрофизической характеристики почв методом центрифугирования // Почвоведение. 1998. №11.

72. Соколова Т.А. Высокодисперсные минералы в почвах и их роль в почвенном плодородии. М., 1985.

73. Соколова Т.А. Глинистые минералы в почвах гумидных областей СССР. Новосибирск, 1985.

74. Сорочкин В.М. О выборе показателей для агрономической оценки структуры почв // Почвоведение. 1991. № 7.

75. Сорочкин В.М., Шептпухов В.Н. Изменение физико-механических свойств дерново-подзолистой суглинистой почвы при окультуривании // Почвоведение. 1981. № 7.

76. Сорочкин В.М., Шептухов В.Н. Изменение структуры почвы при уплотнении // Почвоведение. 1979. №11.

77. Сорочкин В.М., Кучеряева Е.В., Орлова Л.П. О механизмах формирования почвенных структур. Изменение агрофизических свойств почв под воздействием антропогенных факторов. М., 1990.

78. Судницын И.И. Движение почвенной влаги и водопотребление растений. М, 1979.

79. Тонконогов В.Д. Глинисто-дифференцированные почвы Европейской России. М., 1999.

80. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М., 1982.

81. Фукс Г.И., Николаева Н.И. Определение предельного напряжения сдвига коническим пластометром повышенной чувствительности // Почвоведение. 1963. №11.

82. Шукле JI. Реологические проблемы механики грунтов. М., 1976.

83. Щукин Е.Д. Физико-химическая теория прочности дисперсных структур и материалов. Физико-химическая механика природных дисперсных систем. М., 1985.

84. Щукин Е.Д, Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М., 1992.

85. Arnaud R.J., Whiteside E.R. Physical breakdown in relation to soil development // Soil Sci. 1963. № 2.

86. Aylmore L.A.G., Quirk J.P. Swelling of clay-water systems // Nature. 1959. Vol. 183.

87. Baver L.D. Factors contributing to the genesis of soil microstructure. Am. Soil Survey Assoc. Bull., 16. 1935.

88. Bolt G.H. Physico-chemical analysis of the compressibility of pure clays // Geotechnique. 1956. № 6.

89. Brewer R., Sleeman J.R. Soil structure and fabric // Soil Sci. 1960. №11.

90. Campbell D.J. Liquid limit determination of arable topsoils using a drop-cone penetrometer // Soil Sci. 1975. Vol. 26, № 3.

91. Das B.M. Advanced soil mechanics. McGraw Hill, New York, 1983.

92. Edwards A.P., Brenmer S.A. Microaggregates in soil // Soil Sci. 1967. № 18.

93. Eldrick D.E., Tanner C.B. Influence of sample pretreatment on soil moisture retention // Soil Sci. 1965. № 9.

94. Emerson W.W. Physical properties and structure. S.Lucia. 1977.

95. Harris P.J., Chester G., Allen O.N. Dynamics of soil aggregation // Adv. Agron. 1965. № 18.

96. Hartmann R., De Boodt The influence of moisture content, texture and organic matter on the aggregation of sundy and lomy soils // Geoderma. 1974. № 11.

97. Hillel D. Soil and water physical principles and processes. New York, 1971.

98. Gardner W.R. Availabity and measurement of soil water // Water deficits and plant growth. V. 1. N.Y., 1958.

99. Greenland D.J. Soil damage by intensive arable cultivation: temporary or permanent? Phis. Trans. Roy. Soc. London, 1977.

100. Grey C.L., McHenry J.R. Dependence of certain physical and chemical measurements in soil profile on the type water stable aggregates // Soil Sci. 1948. № 12.

101. Lechowicz Z. Undrained shear strength of organic soils from dilatometer test // Land Reclamation. 1997. № 28.

102. Marchetti S. A new in situ test for the measurement of horizontal soil deformability // ASCE. 1975. № 2.

103. Marshall T.J. The nature development and significance of soil structure // Soil Sci. 1962.

104. Mbagwu J.S.C., Abeh O.G. Prediction of engineering properties of tropical soils using intrinsic pedological parameters // Soil Sci. 1998. Vol. 163. № 2.

105. Odell R.T., Thornburn T.N., McKenzie Relationships of Atterberg limits to some other properties of illinois soils // Soil Sci. 1960. Vol. 24.

106. RusselM.B. Soil moisture curves for four Iowa soils // Soil Sci. 1940. № 4.

107. Schafer W.M., Singer M.J. A new method of measuring shrink-swell potential using soil pastes // Soil Sci. 1976.

108. Sudo S., Higashiyama I., Jamasaki F. On the mechanical properties of firm soil // Reological structure of soil. Japan. Dec. 1965.

109. Thomasson A.J. Towards an objective classification of soil structure // Soil Sci. 1978.

110. Yasutomi R., Sudo S. A concept of softening and hardening of clay based upon the change in soil structure by remolding // Soil Sci. 1960. Vol. 105. № 6.

111. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАВИСИМОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ОТ ВЛАЖНОСТИ ПРИ ПОСТОЯННОЙ НАГРУЗКЕ, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ КОНИЧЕСКОГО ПЛАСТОМЕТРА1. N = 3, средние значения1. Дерново-подзолистая почва

112. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАВИСИМОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ОТ ВЛАЖНОСТИ ПРИ ПОСТОЯННОЙ НАГРУЗКЕ, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ КОНИЧЕСКОГО ПЛАСТОМЕТРА1. N = 3, средние значения1. Серая почва

113. Горизонт, глубина, см W,% h, см Pm, кПа11,7 1,8 2,714,9 1,8 2,722,1 1,8 2,723,2 1,8 2,724,6 1,48 4,1

114. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ ПРИ ВЛАЖНОСТИ ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ1. N = 3, средние значения1. Нагрузка F, кг Рщ, кПа 1. Горизонт, глубина, см

115. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ

116. СЕРОЙ ПОЧВЫ ПРИ ВЛАЖНОСТИ ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ1. N = 3, средние значения1. Нагрузка F, кг Рт, кПа 1. Горизонт, глубина, см

117. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ И МИНЕРАЛОВ1.|P| (кПа) W, %

118. Горизонт, глубина, см Каолинит Монтмориллонит

119. Апах? 0-24 ELB, 24 38 В1, 38-85

120. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ1. СЕРОЙ ПОЧВЫ1.|P| (кПа) W, % 1. Горизонт, глубина, см

121. АПах, 0 — 23 А1, 23 32 В1,32-49 В2, 49 - 89