Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ГИСТЕРЕЗИС ЗАВИСИМОСТИ КАПИЛЛЯРНО-СОРБЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА ВОДЫ ОТ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ГИСТЕРЕЗИС ЗАВИСИМОСТИ КАПИЛЛЯРНО-СОРБЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА ВОДЫ ОТ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ"



Фахдотег Почвоведения

На правах рукописи

ШВАРОВ АЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ

УДК 631.432.26

ГИСТЕРЕЗИС! ЗАВИСИМОСТИ КАШИЛЯРНО-СОРБЦИШНОГО ПОТЕНЦИАЛА ВОДЫ ОТ ВШНОСТИ ПОЧВЫ

Специальность 06.01.03. -почвоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА* 1984

fida - k^etuf-^t-K

Работа выполнена на кафедре фвзвкя я мелиорации почв

факультета Почвоведения Московского Государственного университета имени М.'В; Ломоносова.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор ■ ■ А;Д;Ворош1н

Официальные оппгаенти: доктор сельскохозяйственны!

науку профессор ВгИХавич,

Ведущая организация; Институт Почвоведения я Фотосинтеза

АН СССР г. Пущино аа Ока.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения щу

■ Автореферат разослан TOR-Trf

кандидат биологических наук,

смрпий научный сотрудник В.*Д.'Скалас5ев - -

сшсиахЕгззфовашого совета К 053Я5Г] МГУ ии.Ы."В; Ломоносова. IXS699, Москва', Леагоры ШТ факультет почвоведения, учввый совет

Учений секретарь специализированного Совета

Бабке ва ИШГ

Актуальность тумы. Современная гидрофизика почв характеризуется ускоренным развитием количественных методов исследования почвенная влаги» Среди вех сдно из основных наст занимает термодинамический метод« ведущую рель в котором играет зависимость капиллярно-еррбционваго потенциала воды от ьлахносги почвы, характери зуекая кривой водоудерящваеиости.

Прююнение термщцгаамиче о кого подхода при изучении поведения почвенной влаги, в настоящее,время широко используется при реле-кия тооротнчэсгах я прикладных задач, фивая всдоудерживаеиости позволяет определять не только скорость и направление перемещения воды в почве, но и основные струит урно-фунвотональные свойства почв /Воронин,1980/, которые используются при агрофизической и гидромелиоративной оценке почв,

Значение этой зависимости возрастает в связи в большими возможностями применения але ктронно-вычисяительной технига при прогаоэирования свойств почв,.

Однако однозначной связи между потенциалом воды к слах-ностью почвы не найгаодается, в зависимости от направления процесса кривая иссушения не совпадает с гривой увлажнения. Это явление отмеченное многими исследователями /Гайно,1930; Роде, 1965; !Плобуо,196Э; Чайвдо,І973їСо6Й5-Сг»зе подучило название гапиллярно—с орбиионното гистерезиса.

Гистерезис является серьеэнод препятствием иа пути развития и применения теории движения воды в не насыщенных почвах, а такке иеяет быть причиной шибок при определении гидрологических и реояспгческшх характеристик почвы, определяемых по кривым водо-удертаваемости • что ограничивает рамии применения струкгурно-»нергетическса концепции.

Дми и задачи исследования состояли в том, чтобы изучить гистерезис завис емостл капиллярно-оорбшоннаго потенциала воды от влажности почвы во всем диапазоне власностей на образцах почв о ненарушенной структурой; оценить степень и характер проявления гистерезиса на почвах, оюпгчаицжхся составом я происхождением; выявить влияние структуры почвы, ее состава, основных физических и физико-химических свойств почв на степень, проявления рИСТере-зиса; проверить возможность применения теории "независимых дсмэ-нов" для учета галиллярно-сорбционного гистерезиса на образцах почв с естественной структурой; установить характер зависимости . кашгажярно-сорбпиоау^яо воды от влажности почвы при

ее увлажнении в д»*да зонзд'квадвдяьвлЗжностеі

ічіЗЬ

НАУЧНАЯ БИ5ЛИОТСИА Моек, сеяь<мохда.

им. К. А. Тимиряэегю

Пне, __

1ЗДчная новизна. Впервые установлено, что в диапазоне средних влахностей зависимость гапиллярно-сорбцдоннаго потенциала волы от влахностн почвы цря увлажнения апроксимируется той же фунщией, что к при иссушении» Установлено, что осноошьм мохе ни эмок проявления капиллярно-сорб двойного гистерезиса является различие углов смачкгання ори увлажнении и иссушения почвы. Показано, что теория "независимых доменов" применима для учета галиллярно-сорбшонного гистерезиса на почвах с естестве шгш слсиением. Произведена аденш степени проявления гистерезиса во всем диапазоне влахностеЗ основных типов почв Европейской части СССР и установлены факторы, определяющие в них гистерезис.

Практическая и теоретическая ценность работы состоят в том, что показана применимость рвочетно-эисперементальнаго метопа для определения зависимости калиллярнс^-сорбтаокнаго потенциала води -от влахностн почвы на цикле увлажнения. На основе теории "независимых доыенов" разработана методика расчета для определения хода зависимости потенциала воды от влажности почвы при смене процесса увлажнения иссушением па почвах о естественный сложением, что частично устраняет трудности , которые вносит гистерезис В Твори» и практическое использование современных достижений гидрсфсзпга почв. Полученная оценка степени проявления кашллярно-сорбиконного гистерезиса в основных типах почв Европейской части СССР и установленные факторы, определяющие в них гистерезис, позволяют уточнить теоретические представления ой этом явлении в почвах с ненарушешам сложением х уточнить методы его предсказания.

Апробапия работа. Результаты исследования докладывались ш конференции молодых ученых в МГУ, на заседании ксшоски по физике почв Всесоюзного общества почвоведов. Работа рассмотрена и рекомендована к защите на заседании кафедры физики е мелиорации почв. -

Птйликапки. По теме диссертации опубликованы 2 статьи.

Обь ем диссертации. Диссертация состой* из введения» четырех глав и выводов. Содержит 103 страниц машинописного текста, из них 20 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 86 работ, в тем числе 30 на иностранннх языках.

Глава I. СОСТОЯНИЕ. ПРОЕДИМ •

Рассмотрено состояние проблемы явления капиллярио~сорбшовного гистерезиса в почве. Обсуждени природа х механизмы его проявления в адсорбционное и гшпгалярно-оорботюнноЯ областях* Наложены основы дсменной теории гистерезиса по Эверту /Е^егеН ,1952/

Рассмотрена различные подходы к учету гистерезиса основной тдрс4язетвской характеристики почвы Р^иЬ-

САатау, /

Саква 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Обгестн В качестве объектов исследования бнаи

выбраны наиболее типичные почвы, отражателе основные процессы почвообразования из различных биоклиматическнх зш Европейской части СССР. Исследовались образца почв ненарушенной структуры генетических горизонтов: , Л2| В -дерново-подзолистой почвы; Ашх , ВЗ, ВС -серой лесной'почвы; А1.В1, В2, ВС, С -чернозема обыкновенного", Ада^. В1, С^, Ср^^ -светло-каштановой почвы; А^е ■ В-|ё , С-1с -краснозема.

Из данных, приведенных в таблЛ^видно, что исследуемые почвы существенно различаются по гранул сметрическшу составу: от легкого суглинка А2 горизонта дерново-подзокистоЯ почвы, до легкой глины в красноземе. Этот фактор определил значительные различия в величинах удельных поверхностей от 27 м^/г в А2 дерново-подзогагстоа почвы до 146 м2/^ в А^вдаснозема» Таким же образом, почвы различаются по химическим и физико-химическим свойствам*

Анализ данных по свойствам почв показах, что они заметно различаются, а сами почвы являются хорошими объектами дня решения задач, поставленных в данном исследовании*

Методы исследования^ Степень проявления гистерезиса оценивали по величине площади петли гистерезиса, заюточенног между граничными ¡фжвыми увлажнения и иооушения, характеризующими зависимость каяшшгрно-сорбционного потенциала воды от влажности почвы.

В диапазоне высоких вяажностей эту зависимость определяли на лабораторной тензисметраческой установке нулевого типа.

В диапазоне низких шажностей зависимость кашллярно-сорб-ционного потенциала воды от влажности почвы определяли методом сорбционнаго равновесия о парами воды. Дня определения изотерм десорбции паров воды сери» образцов вначале нас шали над водой под ваккуумом, затем последовательно выдерживали над темненными растворами солей: ^ЗО^И^С^; Са/ЫО^' 4 Н^СвСС^-6Н20; 1л С£, создающих относительные давления паров воды: 0,98; 0,79* 0,55^ 0,32*, 0,15 после чего высушивали при 105"С и рассчитывали равновесную влажность почв.

Другу» серию образцов тех же почв вначале высушивали при

I05eC, а затем последовательно вкцерствалн яад насвденянш растворами ссяей,соэдаищши относительные давления гвров волн: 0,15;' 0,32*,.0,55; 0,79; 0,98 и определят при этих значениях рамювас-иую вяахность почвы. '

Тайшща I..

Гранулшетрячесетй состав в % к весу aóc.cyiofl нош /метод Н. А. Качивс кого/ и эффективные общая и вниаяяа удельные поверхности почв. '

горизонт, глубина fiüt.

Потеря от неё á

Размеры фракций, жл

" ,с 1 «Í¿í-1 ¿¿¿г ¿c i

' l'QOr\o,0> 0.005 Ó.OÓt \ipoi\oo

Общая 2*

Внешняя

Дерново-подзолистая почва /Ыосковсрая область/

Аттах 1&"IS х'в °*6 2,3 55,2 20»6 13»6 6** 41 43 25-30 ' 0,3 15,4 17,4 49,2 9,9 5,2 4,9 20 27

В еО-ХОО 2,1 21,6 17,8 9,5 8,1 11,1 27,1 43 101

Серая лесная почва /Московская область/

Апщс 10-15 » 1,0 15,0 46,0 14,6 12,0 11,0 38

ВЗ 1

ВС

£5 25 58

55 90 90

25 48 50

Í20-I30 _ i;0 5,0 47,0 10,0 10,0 27,0 47 190-200- ,0,0 1,0 52,0 10,0 11,0 26,0 47

Чернозем обыкновенный /Тамбовская область/ ■

А» 20-30 2,3 0,1 0,2 28,2 13,0 17,5 39,7 70 128 76

Ш 46-55 3,8 0,0 0,5 30,1 12,7 17,0 40,1 70 132 72

В2 70-80 16,8 0,0 2,0 32,8 10,5 13,2 41,165 1Г6 72

VC 9CUE00 17,0 0,0 0,8 34,1 11,2 13,1 40,5 65 Г08 63

С 135-145 16,3 - 0,0 0,6 30,9 12,1 13,7 42,4 68 105 51

~ Светяо-каштановая почва/ Окрестности г.Волгограда/

А—,. 15-20 2,6 0,0 14,7 30,6 7,8 10,9 33,3 53 122 60

И; *35-40 14,9 0,0 10,2 31,3 5,6 8,0 30,7 44 91 54

С 65-70 20,3. 0,0 16,0 18,9 15,3 4,9 23,8 44 90 56

С '120-130 16,3 0,0 14,9 34,2 . 6,0 6,0 23,9 36 98 58

Гфаснозем /Окрестности г.Чаква, Грузинская СОР/

А 5-15 - 2,1 5,9 20,0 17,0 20,0 34,9 72 146 130

В 35-40 - . 2,4 11,6 16,0 10,0 18,0 39,9 68 137 126

С 135-140 _ . 3,8 10,2 20,0 14,0 34,9 34,9 65 135 III

А .Д. Воронинш /1980/ бто показано, что при иссушении почвы зависимость кг:миллярно-сорбционваго потенциала воды от влажности иочпн ti i газоне средних влажыостей апроксимируется функцией

(VC«)fi

rn

б

где 1|f¡ потенциал воды в диапазоне средних влотностоз; потенциал первого смачиващего слоя жидкости; ^ влажность почвы, соответствующая tyíí потенциалу воды;

\£q - КСт ЧЫе

Vc/n влажность монослоя воды по БЭТ;

влажность монослоя воды во Фарреру; п число слоев воды* Сйдаако оставалось еще неизвестным, подчиняется ли зависимости £1]яривая UTAt) при увлажнении почвы*

Проведенные вами исследования показали, что при увлажнении потаи Ijrftfc) апроксишрувгея той же фуннцивй [I] , поэтому в в случае увлажнения для определения ЦГ^) в интервале средних влшкостей применим расчетный метод.

По величинам Ujo и(ЦГ»,)е рассчитывали соответственно сохнув н вкешнш аффективные удельные поверхности,- а по их разности — внутренний.

Гранулсметрический состав, фкзиюо-химичееюге и химические свойства почв определяли методами описанными в руководствах А.Ф.Вадюниной, 3.А.Корчагиной А973/, и Е.В.Аринушошой /1970/

Глава 3. СТЕПЕНЬ ПРОЯВЛЕНИЯ КШШ1ШЮ-СОРБЩСННОГО ГИСТЕРЕЗИСА В ГШКТИЧВСКИХ ТИПАХ ПОЧВ.

Площадь петли гистерезиса, заключенная между граничными ветвями кривых исбушения и увлажнения, характеризует изменение свободной энергии воды в процессе гистерезиса / Гайнс.1930; Епобуо, 1069/ и может быть использована для его количественной оценки!

Площадь петли гистерезиса выражали в относительных единицах плацади, в координатах определенного масштаба.

Поскольку механизм вапиллярно-сорбпионного гистерезиса в адсорбционной области существенно отличается от механизщ в основной области, постольку они размотрены в отдельности.

Механизм гистерезиса в адсорбционной области до сих пор полностью не изучен. Ранее бшга исследованы лишь отдельные его звенья на материалах^ качественно отличаксвхся от почв /Зигыонди, I3II; Кур он, 1932; Ребпндер, 1936д А. А. Роде /1965/ считал, что за гистерезис в этой области могут быть ответственны необратимые' процессы изменения поверхности почвенных частиц црн высушивании почвы, понижающие сорбшонную способность, а также возможные ' структурные изменения воды, в сдасм случае адсорбированной из водяного пары, а в другом случае внесенной в почву в виде жидкости, Зогмонди /1911/, Курон/1932/ отводили существенную роль в ме-2-/ÍJ4

ханизме адсорбционного гистерезиса адсорбции воздуха на потаенное поверхности. При этом величина поверхности должна оказывать существенное влияние на этот процесс* С&щако, как ввдно из данных табл. I и 2, у почв резко различающихся величинами удельных поверхностей значения близки между собой. Следовательно, роль адсорбированного воздуха в процессе гистерезиса не столь велика, а различия во влажности при иссушении и увлажнении объясняются другими причинами и прежде всего качеством поверхности, т.е. ее гидр офисное тью, гетерогенностью и шереховатостьг.

Чем менее гидрофильна, более гетер агенва ж шероховата поверхность твердой части почвы, тем больше разность равновесных влах-ностей при десорбции и адсорбции паров воды почвами /тай*.2/. Из этой таблицы видно, что самые шлещгае величины aYb отмечается в горизонте А2 дерново-подэсшистой почвы, имепцем наиболее гидрофильную и в то же время однородную поверхность к ыоньмую шероховатость. В горизонте Апах> этой же почвы ¿Vfc возрастает почти вдвое, что связано как о понижением гидрофмьностн, так н увеличением гетерогенности и шероховатости почвенных частиц, в результате повышения гумусированности частиц, их кирроагрогнрованностн и микропористости. Особенно сильно это проявляется в гуыусированных горизонтах чернозема обыкновенного. В ярасноэеме, характеризупцемся большой уяьтропористостыз, ведущую роль, вероятно, играет шероховатость поверхности почвенных частиц. Доказательством этому пакет служить и то,чтод\Хг резко возрастает /по сравнении о другими почвами/ при относительно* давлении паров воды Р/Ро>0,55, т.е. в тем интервале влажностей и потенциалов, когда начинает проявляться капшигярнан конденсация. Эта тенденция в разной степени прояв- ^у--ляется у всех почв,

Гидрофшсьнооть, гетерогенность и шероховатость поверхности почвенных частиц оказывает решатоее влияние на величину угла смачивания я, следовательно, на степень проявления кадиллярно-сорб-цяоннаго гистерезиса в основной области. Величина углов смачивания рассчитывали по предложенному А.Д.Ворсяшнш /1981/ уравнению

СО se = (\)tm)e/vu t2l

Обозначения величин Vtm H(UV»)e те же что и в уравнении Jll В почвах о более гидрофильными и менее гетерогенными и шерохова-timk поверхностями почвенных частиц различая в углах смачивания наибольшие. С понижением гидрофетьности и возрастанием шероховатости поверхностей эти различия увелзгчившотся.

. ТаЛш» 2.

Разность рашоввсякх вхааиооюй iipa адсорбции s десорсЬш» паров водн AW/ в 5t и величины углов

ии тта ybjifiöühkz я яовуовния почвы i

Горязавг; } Ошоситеянп» яавдави» авгюв вода P/Po { п , i -глуЧшавси»} й>15 0>Э2 0tSS 0(79 р-,9в1 " I

Дериово-подволиотая почва Московская область/ Ajjgj^IO-15 0.Э0 0,35 0,40 0785 1*,70 25 33 А2 25-Э0 0"Д5 0,25 0,30 0,50 1,10 4 П

В 00-100 0,30 0,45 0*,55 1,30 2,70 25 35 Серая лесная гочва /Московская область/

■^nsoc • 10-15 0;20 0,20 0,30 0,55 Г,10 28 37

ВЗ * 120-130 о;25 0,25 0,35 0У70 1,40 28 30

ВС 190-200 0^25 0,30 о;з5 0,60 WO 26 29

Чернозем одкЕВОввннвй /Таковская ойдаоть/

AI 20-30 0,50 0?55 0-.70 1,30 2,30 23 32

BI 45-55 0,45 0-.50 О',60 I',I5 2",00 27 30

В2 70-60 0", 40 0,50 0V60 t;i0 1,90 22 27

ВС 90-100 о.-зо 0",45 0,50 CftSO I.GO 25 29

С 135-145 0,20 0¿30 0,40 1,00 l;80 31 36

Све тло-каишовая готаа /Окрестности г; Волгограда/

о;45 0,50 0",60 Г,40 2,20 30 43

BI 35-40 0;20 0','40 0;б0 OVSO 1,90 24 27

<v 65-70 0125 0^40 0,50 0,90 I",60 22 29

с™,120-130 ■0-,20 0*,35 0,40 0',90 2*,00 24 35

Крашозеи /Окрестности гЛаква, Грузинская ССР/

А 5-15 о;з5 0;50 0,80 3,00 5',00 6 20

В 35-40 0,30 0,45 0,80 2,00 4;50 5 17

С 135—140 о;зо 0,40 0,55 1,20 3,50 10 21

OJ- угол смачивания при иссушении гочш, 6u»~ ери увлазшении почвы.

Для оценки влияния угла смачивгаия на гистерезис использовали отношения косинусов углов смачивая ил при иссушении я увлажнении

СОЗ©Л/СО50«. [31

Главными причин ши кашыгая^но-сорбшкшого гистерезиса в осношой области, кромз различия углов смачивания при увлажнении и иссушении являются: огонифическая геометрия поверхности раздела вода-воздух, неодинаковая форма мениска воды в сквозных порах при иссушении я увлазшении, наличие тупшсошпс пор о защэмледаш

воздухом. Существеннее влияние на степень проявления гистерезиса оказывает характер распределения объемов пор по размерам. Дет учета последнего фактора на процесс гистерезиса использовала отношения о бьем о л пор размером "^ЭОО шш в объемам пор размерен ЭОО-ЭО шоі.

Залетное влияние на ату область гистерезиса оказывают процессы набухания-усадки, приводящее к некоторому изменении расположения почвенных частиц, т.е. структурным изменениям.

^ЙК

-І.Л'іоЧ

Иіо.І Кривые аодоудерхивапцев способности почв.

I-Дерново-подзолистая почва: а/Адщ^і 6/А2; в/Ь горизонта

II- Чернозем обыкновенный: а/ АІ; б/Ві; в/ В2 горизонты 1 - кривые увлажнения; 2 -кривые иссушения

На рис;I привалены некоторые нз имеющихся в работе готель гистерезиса, характеризушкх ато явление во всей диапазоне власностей в различных генетических горизонтах исследуемых почв. Показано, что форма и величина площади штли гистерезиса достаточно хорошо отражают особенности структуры и состава каждого из гене тиче ских горизонтов изученных почв;

В р^рифвд-топзблкстоа почве найменшая область гистерезиса отмечена в алішиальном горизонте А2, площадь штли в котором б2ли* В АПЯХі ша возрастает до 94, а в гор.в до 106 см 2. Это овяздао, прежде всего, как с заметным влиянием на гистерезис различий в углах смачивания при иссушения и при увлашенпи, так и с характером распределения объемов пор по разшрзд Влияние первого фактора отражено в различии величин <*, , от 1,16 в А2 до 1,28 в АПЯТі иІ;35 в В горизонтах /тайл.'З/. Действие второго фактора обнаруживается при сравнении величин ^ ; численно рагянх отношению объемов пор размером > ЗООмкм к объему шр размером 300-30 мкм. Так в горизонтах Ат?яу> к В коэффицент р равен 0,57 И'О.вО соответственно1, в то время как в горгошта А2 всего 0**44 /табл;з/.

В серой лесной почве гистерезис менее дифференцкирован то профилю к нырзЕвн несколько слабее* чем в дерново-дадзолпстоЯ почве; что, вероятно,' связано с более ввеокой гидрофильностью шчвенных частиц и меньшем различием в углах скачивания, о чей свидетельствует довольно низкие величины ^ * Снижение степени проявлення гистерезиса в а той шчве произошло также из-за уменьшения величині! объемов гор крупнее 300 икм*' Коэффициент £ в серой лесной гочве наименьший из всех изученных почв; /табл.-з/

Аналогичная картина наблюдается я в чэпнозеув обркаовен^ц. однако, в зтом случае четче проявляется влияние различий в углах

смачивания, вызванных большей гидрофобноеты» и шероховатостью почвенных частиц, та іикроагрвгаровшностьв; обусловленных повышенной гумусировшносгьр черноземов, приводящей к некоторой гид-рофобизацш поверхности почвы / Владыченский, 1962/ в к их мяк-

роагрегировдаию,

В профиле еттлп-кйгятяиовой гочви иютерезио дифференцирован так же, как и в дерново—подзолистой почве, однако причина дифферен— бядии другая* Большая площадь ттли гистерезиса в Ац^ и горизонтах обусловлена значительными различиями в углах смачивания при иссушении Я ЦрИ увлажнении. В горизонте Сридд. , несмотря на снижение коэффпцанта р> , гистерезис все таки выражен довольна

сильно. Площадь петли в ней составляет 100 см2. Вероятно здесь гяотерезис бы« усилен процесоами набухания-усадки»

Для краснозема характерна примерно одинаковая степень проявления гистерезиса по всему про$ют* В атом случае гистерезис обусловлен приимущественно различием углов смачивания при жсоуаеиии и увлажнении почвы, связанных о уяьтропоржстость» ж следовательно шероховатостью почвенных частиц.

Таблица 3.

Некоторые параметры почв, влияющие на степень проявления юлжялярно-сорбцжоннаго гистерезиса*

Горизонт, глубина, в см*

юпихлярн^-сорбцношого гистерезиса* , } Плсщадь ¡Общая ¡Гумус по! Содержание i d- |

[ sgfr.. isfnPr7 Hg - ІЯКМВ

Дерново-подзолистая почва /Московская область/

Ацдд. 10-15 94 46 Э/62 4Г 1,29 0,57

А2 *20-25 62 42 0,67 20 1,16 0,44

В 80_100 Х06 38 0,40 46 1,36 0,60

Серая лесная почва /Московская область/

Ац^ 10-15 88 52 2,26 38 1,16 0,38

ВЗ І20-І30 72 43 0,43 47 1,06 0,35

ВС 190-200 70 45 0,ЗГ 47 1,07 0,48

Чернозем обыкновенный /Тамбовская область/

AI 20-30 82 57 9,1 60 1,30 0,77

BI 45-55 84 54 7,3 72 1,15 0,54

В2 70-80 76 55 4,2 72 1,15 0,77

ВС 90-100 74 52 1,3 63 1,14 0,63

С П5-І45 70 48 0,5 51 1,17 0,39 Светло-каштановая почва /Офестности г.Волгограда/

Ajj^J 15-20 100 50 2,12 53 1,53 0,62

BI *35-40 76 48 1,40 44 1,07 0,45

С^ 65-70 68 48 0,64 44 1,20 0,55

С^^КО-ІЗО 100 45 - 36 1,43 0,33 Краснозем /Окрестности г* Чаква, Грузинская ССР/

А .5-15 93 68 5,12 71 1,37 0,41

В 35-40 86 66 1,41 68 1,30 0,60

С 135-140 94 66 65 1,23 0,55

Глава 4. УЧЕТ КАМОЯГЩ-СОРБШСШОГО ГИСТЬУКЗИСА ТЕОРИЕЙ "НЕЭАКС1Ш1 ДСИШОВ"

Оря исследовании статических а динамических характер* с тик почвенной влага йквает необходимо точно знать не только величины потенциала волы, ко и их величины после смены процессов сушга-увлахнвнкя, т.е. учитывать историю состояния пористого тела* Для эта целей, фоне граничных ветвей петли гистерезиса, необходимо исследовать мэмокныо направления системы внутри петель гистерезиса, т.е. кривые разверток гистерезиса.

Эверт /Еуеге(^1952;1Э54;1955;/ и Эвдегрби /Ел сформулировали исследователъогае методы для гистерезисов разяич-ноё природ« под общим названием "теория доменов*. Одшш жз вариантов этого подхода - теорию "независимых дошнов" Поуловассняжо использовал дня описания гистерезиса зависимости потенциал веди -влажность почвы. В дальнейшем эта теория была применена для гистерезиса зависимостей гидравлическая проводимость-потенциал воды; гидравлическая цравсдашость-вдаиность почвы Лочк¥а5*1&5,Т2.1'па$Д973;1975/. Для катииярно~оорбцвон-ного гиотерезиса теория независимых дсменов была расширена теорией "эависицых домеяов" /Рои> & $ . С А О»¿Л,1971 *Роиб)«1 УЗ 1 Л'З, о целы) расчета окавирупцкк »ржвых любого порядка.

Концепции дсменов были успешно применены на исскуствекшст дисперсных средах, из которых моделировали почву.

В настоящей работе исследована возможность применения теории "независимых дсменов" для учета гистерезиса зависимости ка-пиддярноюорбщоннсго потенциала веды от влажности почвы на образце краснозема о естественной структурой.

Концепция "независимых доменов" основывается на предполсше -нии, что весь непрерывный объем перовой влаги можно подразделить на элементарные обьвмы-дсыэкн. Под доменсм следует понимать элемент капилдярно-пориотой системы сйъеыом однозначно определяемый двумя параметрами: интервале« потешила, при кот орем вода уходит жз »тфо объема отИУдоОД-ЗОД; ж интервалом потенциала, при котором этот объем заполняется ведой от1^до Каждый домен можно представить призмой основанием со сторонами

высотой р в трехмерно« системе координат ЦЦ-Я^цГр, где ЧЙ потенциал воды при жссупении почвы,Фк-ястеншая при увлажнении, р-функция распределения дсменов /функция распределения объемов пер по размерах/. Каждый домен в процессе гистерезиса монет находиться в однм аз двух устойчивых состояниях: I кяи II.

Домены в состоянии I характеризует часть пористого пространства* свободную от воды, в состояние II- занятую водой, Домены могут переходить из одного состояния в другое при изменении потенциала воды*

иачшыие—> 1Щ 1|У-51|У(ЦУ Рис.2 Диаграмма "независимых доменов" Б теории независимых доменов" поровое пространство почвы изображается на диаграше. /Рио.2/. Функция распределения дсменов Р перпепди куя^на плоскости диаграммы. Потенциал при иссушения почвы делит область диаграммы на две части; правее ^ши ОС' домены находятся в состоянии II, левее СС'в состоянии Г, Соответствующим образом потенциал при увлажнении почвы ¡Ц^делит облает^ диаграммы: ниже линии(30 доыены находятся в состояния I/ выше 6& в состоянии II. Бели увлажнение почвы при потенциале ^^сменилось иссушением, которое впоследствии остановилось при потенциале , то часть дсменов, находящихся вше линии АО'и левее из состояния II перейдут в состояние I. Ооташяеся дсмены в состоянии II характеризуют часть пороваго пространства, занятую водой, т.е. влажность почвы при данной потенциале иссушения ^ , По определенно домена его объем $ V численно равен

Боли 5Ши в пределе бесконечно малы, то весь объем перовой влаги будет равен у . ЭР С5]

Из уравнения [51 фунщию распределения доменов р- мотно выразить в виде _ = Э^/

[б]

Соотяооенхе t служит основой для оцрвхи величины р ДИ конкретного домена /Чайлдс, 1973/.

Часть пористости, заполненная водой после сиены процесса увлажнения при потенциале ¿ЦГ^ иссушением, соответствующая потенциалу иссушения ¡HÎJ «убудет выражена уравнением:

^V-T'^^^^J-F -Г?)

Если StyJ * <5 {рц^ конечны, то уравнение [7] будет име*ь*вад:

л-v -- 'ffEM^Ï'J-i^-тУ^Ц m

Если первоначальное иссушение почвы вели до конечного значения потенциала^ ' /в почве находится остаточная влага/, при котором началось увлажнение почвы, то значение верхних пределов интегрирования в уравнениях Cl » [81-буДут соответственно^^и^Г" • Вычислив по уравнению (.61 значение F для каждого домена для , всего объема поровой влаги и оценив по уравнению [4] значения 5V каждого домена, можно прогнозировать влажность почвы после смены процессов сувки-увлажнения. Для этого на диаграмме "независимых доменов" надо выделить контур, в котором домены находятся в с ос-тояняи II и методом численного интегрирования вычислить долю пористости занятую водой.

Исследование гистерезиса зависимости капиллярно-сорбцнояного потенциала вода от влажности почвы в свете теория "независимых доменов" проводам на обр&аце краснозема, горизонта в . Плотность сложения 4^0,7Эг/см? Содержание физической глины 68*, гумуса-1,4%.

Диаграмма распределения элементов поровой влаги /рис.4/ была построена по данньы анализа первичных кривы* увлажнения, начинающихся на граничной-кривой иссушения при значении потенциалов иссушения: о; JVU—14,0;

?Щ<| «-3,0; ^fj —1,3 дж/кг /рис.3/, качения потенция-

довДОе/....^уделят весь объем поровой влаги на группы доменов, Домены-каждой группы переходят из состояния II в состояние I при одном и том же знвчояии потенциала иссушения. Обратный переход в состояние II каждый домен грутшы осуществляет при различных потенциала« увлажнения. Первичная кривая увлажнения показывает как распределяются по объемам в ходе обратного впитывания домены данной группы, которые отдали воду при одном потенциале иссушения.

Наклон первичной кривой увлажнения к оси потенциалов в любо? ее точке является мерой величины При одном фиксирован-

ном потенциале увлажнения каждая из первичных кривых увлажнения

имеет наклон, являющий ся значением функции 51где начало первичной кривой увлажнения на граничной кривой иссушения* Наклон кривой зависимости в соответствии с уравнение» £7] даст величину? для выбранных интервалов потенциалов ¿ЧЙ и Так как по определению домена Я есть высота призмы объемом , то ее значение постоянно для этого объема и вычисляется как тангенс угла прямой, соединяющей два ближайших значения функции /рис.4/

.Ум»»

1(Г 55,0 І«.0 4.У .

Рис.З Ввделение элементов поровой влаги, I- граничная кривая иссушения; а, б, .... первичные кривые увлажнения,

2.01

5.0 с,5 ч,о 1Чо гг.о Рііс.4 График функции

Разделив область гистерезиса на несколько частей и определив в каждой из них вначале величины и Ю¥иг,ЧУ), по уравнению ^41 вычислили значения элементарных объемов /доменов/, /рис.5/

5І.0

<Й0

1.8(5

3.0

і. і

В.іЦО

м»

цозг

мго

о.шх- И.0І1

і

І.0ІО

шч

и»

0.009

а.ыг.

В.0ІЗ

(.(£0

1.1X50

0.050

алк олвї

0.005

0101$

0.05Ї 1.021

в, Ой

В, ПІК ЦМ

18И

11«

«НВ

0,00?

о.ві5

олге аоїв

0.006

ЦЮ*

од» 1.018

з г

ш

5 * <

о і.ї ї.о е.5 по гго по иссушение—а— дхс/КГ

Рис.5 Диаграмма распределения элементов норовой влаги

/ в долях пористости/. Для проверки предложенной гипотезы "независимых доменов*1 проведено сравнение серии первичных кривых*иссушения, начинающих ся на граничной кривой увлажнения при различных значениях потенциала увлажнения , полученных экспериментально и расчитанных по диаграмме независимых доменов /элементов поровой влаги/.

1Г/

ЪО Чк V« 50 53 ~

Рис.б Кривые развертки петли капиллярно-сорбпюнного 1 гистерезиса. I, II- граничные кр^г'.-- увлажнения и иссушения; 1,2,3 - кри??:^ рззтсг^:^- петли гистерезиса, ¡■л рис,6 видно, что чсдуу тесрет." /расчетными/ и

экеп ин мента.; ¡.кыми криц до: существу с : • ' творительное ссг^аспе

Проввдеяняв исследования показала, ото теортя "независимых доменов" оказалась применима для образца почвы с венаруленной структурой, что позволяет использовать ату теорию для учета каяил-ляряо-сорбцаошюго гистерезиса при исследовании свойств почвенной влаги.

Выводы i

1, Показано, что в диапазоне средних вдажностей зависимость вапнл-лярю-сорбционного потенциала воды от влажности псгвы при увлажнении апрохсимируется той же функцией, что и при иссушении:

поэтому н в случае увлажнения для определения WUU в интервале средних влажностей применим расчетный метод.

2, Б почвах с естественный сложением кашшлярно-сорбцисншД гистерезис выражен во всем диапазоне влажностей.

3, Влияние генетических особенностей почв достаточно ярко проявляется как в области адсорбционного гистерезиса при взаимодействии .води с поверхностью почвенных частиц / при Р/Ро до 0,5-0,7/, приводящем к формированию контактных углов смачивания,

так и в основной области капиллярно-сорбционного гистерезиса. / щи Р/Ро вше 0,5-0,7/, в которой кроме влияния углов смачивания сказывается влияние структуры перового пространства. 4* Генетические особенности почв, проявляющиеся s гранулометрическом составе и минералогии, в содержании гумуса, в составе поглощенных оснований, в реакции среди, сказываются прежде всего на характере поверхностей раздела твердой части почв с жидкой /их гидрофильноетя, гетерогенности и шероховатости/ и, следр-" вательно, на особенностях формирования и величинах углов смачивания, а также ка агрегированности или дезахтрегкровакности почвенных частиц к распределении лор по размерам /соотношение между крупными к мелкими порами/. 5* Степень проявления гистерезиса увеличивается с увеличением различий в углах смачивания при иссушении и увлажнении почв.

6. Определяющее влияние на гистерезис оказывает характер поверхностей раздела твердой части почв с жидкой и достаточно широкое распределение пор по размерам служит надежной предаосмл-кой для успешного применения теории "независимых доменов" для учета капиллярю-сорбционного гистерезиса в почвах.

7. Показано, что теория "независимых доменов применима-для учета капиллярно-сорбционного гистерезиса в почвах с естественным

сложением, и на ее основе:разработана методика расчета хода зависимости кашллярно-сорбционного потенциала води от влажности почвы при смене процесса увлажнения иссушением.

8. В наибольшей степени гистерезису подвержены пахотные горизонты почв, :о»ещие меньшую плотность и непрочно-комковатую, поро- • шисту» структуру,

9. В ненабухахщих и иалонабухаицих почвах с увеличением плотности почв гистерезис уменьшается.

10. Набухание и усадка усиливают гистерезис.

. Материалы диссертагрш опубликованы в работах:

1. ШваровА.П., Степень проявления гистерезиса зависимости капиллярно-сорбционного потенциала воды от влажности почвы. Почвоведение^ 1982, №3, с.123-126

2, Шваров А.П., Учет гистерезиса зависимости калилляріо-сорбци-онного потенциала воды от влажности почвы теорией "независимых1 доменов"^ Почвоведение, 1983, №11, с.132-136

Подписано * виміД^ С ^ л. жт фор««

Усл. т. к. /, І* Уч.-ілд. а. / і, Тираж у і С . ш. 3«м НИ '

И~ЧИ»1*Щ|< !■!■ Птн ИПВІ ції ч ^ЯИЦИ ИІІЦ

ЮЗООЭ, Мосны, уж, Г<ф«м», 3/7. ТміогрЦяі Кэ>н МГУ. Мосін, Лошгнскм горы