Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Исследование зависимости между свойствами и диэлектрической проницаемостью почв с использованием метода рефлектометрии во временной области

ВАК РФ 06.01.14, Агрофизика

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Чудинова, Светлана Михайловна, Москва

ИНСТИТУТ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ БИОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

на правах рукописи

Чудинова Светлана Михайловна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ ВОДНЫМИ СВОЙСТВАМИ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ ПОЧВЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА РЕФЛЕКТОМЕТРИИ ВО

ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ

Специальность 06.01.14 - агрофизика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.б.н. А. А. Понизовский

Москва 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................4

ГЛАВА 1. СВЯЗЬ МЕЖДУ ВОДНЫМИ СВОЙСТВАМИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И ИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ, ОПРЕДЕЛЕННОЙ МЕТОДОМ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ ВО ВРЕМЕННОЙ

ОБЛАСТИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).......................................................7

1.1 .Связь диэлектрических характеристик дисперсных систем с их

физическими свойствами...................................................................7

1.1.1 Физические основы.........................................................................7

1.1.2. Влияние поверхностных сил на диэлектрические свойства воды в дисперсных системах..............................................................8

1.1.3. Зависимость водных свойств почвы от влияния поверхностных сил....................................................................11

1.1.4. Исследования связи между диэлектрическими и водными свойствами почв и дисперсных систем...........................................16

1.1.4.1. Экспериментальные исследования.........................................16

1.1.4.2. Математические модели.......................................................20

1.2. Использование метода рефлектометрии во временной области

для определения диэлектрической проницаемости почв...................23

1.2.1 Физические основы метода...........................................................23

1.2.2. Влияние различных факторов на диэлектрическую проницаемость, измеренную ТОР методом......................................24

1.2.2.1. Конфигурация измерительных датчиков...............................25

1.2.2.2. Природные факторы..........................................................27

1.2.3. Использование Т01Ч для определения диэлектрической проницаемости и влажности в полевых и колоночных экспериментах.........................................................................................29

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ..........................34

2.1. Объекты исследования...................................................................34

2.2. Методики исследований..................................................................38

2.2.1. Определение диэлектрической проницаемости.........................38

2.2.2. Определение водных свойств почв............................................42

2.2.3 Использование рефлектометрии во временной области для оценки пространственного варьирования влажности почвы..............43

2.2.4. Методика определения диэлектрической проницаемости и

потенциала почвеннной влаги в условиях вегетационного

опыта........................................................................................................44

2.2.5. Математическая обработка результатов....................................45

ГЛАВА 3. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ И ВОДНЫМИ СВОЙСТВАМИ ПОЧВ И МОДЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ......................................................................46

3.1. Характер зависимости диэлектрической проницаемости от влажности..............................................................................

3.2. Взаимосвязь между диэлектрической проницаемостью и почвенно-гидрологическими константами...................................

3.3. Взаимосвязь между диэлектрической проницаемостью и потенциалом почвенной влаги....................................................

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРИ

ОПРЕДЕЛЕНИИ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВ МЕТОДОМ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ..............................61

4.1. Оценка пригодности существующих математических моделей для адекватного описания зависимостей диэлектрической проницаемости от влажности для образцов разного гранулометрического состава.....................................................62

4.2. Оценка диэлектрической проницаемости связанной воды.........72

ГЛАВА 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДНЫХ СВОЙСТВ ПОЧВЫ ПО ВЕЛИЧИНЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ.............................................................................................74

5.1. Оценка пространственной вариабельности объемной влажности..............................................................................................77

5.2. Сопоставление диэлектрической проницаемости и почвенно-гидрологических констант ненарушенных образцов серой лесной почвы под лугом..................................................................................82

5.3. Связь между диэлектрической проницаемостью и давлением

почвенной влаги для ненарушенных образцов...................................84

ВЫВОДЫ................................................................................................87

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................89

55 .57

ВВЕДЕНИЕ

В почвенно-экологических исследованиях большое значение приобретает использование экспрессных и неразрушающих методов определения почвенных показателей. Одним из таких методов является импульсная рефлектометрия во временной области (Time Domain Reflectometry или TDR), которую широко используют, главным образом, для определения влажности почвы. Однако возможности диэлектрических измерений для характеристики свойств почв гораздо шире, поскольку величина диэлектрической проницаемости определяется не только количеством воды в почве, но и ее взаимодействием с поверхностью твердой фазы. Данное взаимодействие определяет состояние воды в почве (ее подвижность, связанность, доступность растениям), которое обычно характеризуют величинами потенциала почвенной влаги, а также с помощью категорий влаги, границами, которых являются почвенно-гидрологические константы. Поэтому существенный интерес представляет нахождение с помощью TDR не только влажности, но и других водных свойств почвы. Несмотря на популярность метода TDR, остается неясным, в какой мере полученные с его помощью оценки пространственного распределения влажности почв согласуются с результатами, получаемыми традиционным гравиметрическим методом. Рассмотрение этих вопросов, актуальных как для развития фундаментальных основ физики почв, так и для решения прикладных задач, и явилось темой данной диссертационной работы. Цель работы состояла в выявлении возможностей оценки водных свойств почв в лабораторных и полевых условиях на основе величины диэлектрической проницаемости, измеренной методом рефлектометрии во временной области. Задачи исследования

1. Исследование связи диэлектрической проницаемости с потенциалом почвенной влаги и почвенно-гидрологическими константами.

2. Оценка применимости существующих математических моделей для определения влажности по величине диэлектрической проницаемости,

измеренной методом TDR.

3. Изучение применимости метода TDR для определения показателей водных свойств почвы в полевых условиях (на примере серой лесной почвы под лугом)

Научная новизна. Впервые прослежена зависимость между диэлектрической проницаемостью почвы и потенциалом почвенной влаги и выявлено влияние гранулометрического состава на эту зависимость. Впервые получены оценки диэлектрической проницаемости связанной влаги в почвах. Впервые показано, что метод рефлектометрии во временной области позволяет получить показатели пространственного варьирования влажности идентичные полученным гравиметрическим методом. Практическое значение. Разработаны простые методики получения калибровочных зависимостей диэлектрической проницаемости от влажности как для нарушенных, так и для ненарушенных образцов, а также методики применения метода TDR для определения потенциала почвенной влаги, которые могут быть применены практике почвенно-экологических обследований территорий.

Реализация работы. Приводимые в диссертации результаты получены в ходе выполнения работ по грантам Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 96-04-49724 и 97-04-49798). Результаты работы использованы для подготовки методических рекомендаций для практикума по физико-химическим методам исследования почв для студентов факультета почвоведения МГУ.

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены на II съезде Докучаевского общества почвоведов (Санкт-Петербург, 1996), конференции молодых ученых г. Пущино (1997), ежегодных конференциях Американского общества почвоведов (Anaheim, 1997; Baltimore, 1998), на семинаре кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ (1999).

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам лаборатории массо- и энергообмена в почвах ИФПБ РАН за помощь в работе, а также

фонду Роберта Хавемана (Robert Haverman Foundation) за финансовую поддержку.

ГЛАВА I. СВЯЗЬ МЕЖДУ ВОДНЫМИ СВОЙСТВАМИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И ИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ ОПРЕДЕЛЕННОЙ МЕТОДОМ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Связь диэлектрических характеристик дисперсных систем с их физическими свойствами

1.1.1. Физические основы

Диэлектрические свойства простого вещества определяются, прежде всего (1) типом молекул составляющих это вещество и (2) характером межмолекулярного взаимодействия (Фрелих, 1960). Если вещество состоит из двух и более диэлектриков, то они будут зависеть также от характера взаимодействия этих диэлектриков и от их соотношения в смеси. Поэтому на основании диэлектрических свойств мы можем исследовать те свойства вещества, которые напрямую обусловлены типом молекул и характером межмолекулярных взаимодействий. Принципы и возможности изучения свойств дисперсных систем на основании их диэлектрических характеристик изложены в работах Духина и Шилова (1972), Челидзе и др. (1977), Потапова (1990, 1994).

В наиболее общем виде диэлектрическую проницаемость (в) вещества представляют как комплексную величину е* (Фрелих, 1960):

= 8' - \[е" + К/соео)] (1) Здесь б' - действительная составляющая диэлектрической проницаемости; ] = ^(-1). Мнимая часть выражения характеризует потери энергии переменного электромагнитного поля за счет поглощения и рассеивания в веществе: е" - диэлектрические потери из-за деформации и вращения молекул, а аа/сое0 отвечает потерям обусловленным электропроводностью вещества (омические потери); оа- электропроводность при нулевой частоте

(См/м); ш - угловая частота (с"1); е0- диэлектрическая проницаемость вакуума. Поведение вещества в переменном электромагнитном поле обычно характеризуют с помощью следующих величин: действительная и мнимая составляющие диэлектрической проницаемости в' и в"; тангенс угла диэлектрических потерь = в'/в"; время диэлектрической релаксации т, которое представляет собой время перемещения или переориентации молекул, вызванных изменением электрического поля. На практике время релаксации обычно оценивают из формулы Т=1/штах, (2)

Ютах - угловая частота, при которой величина в" максимальна, в отражает способность вещества поляризоваться под влиянием внешнего электрического поля (Е°), что приводит к снижению напряженности поля внутри вещества (Е). Е = Е°/е'

1.1.2. Влияние поверхностных сил на диэлектрические свойства воды в дисперсных системах

С электрофизической точки зрения, почву принято рассматривать как диэлектрик состоящий из четырех компонентов: твердая фаза (в = 3-5), воздух (в = 1), свободная вода (в = 78.3 при 25°С), связанная вода (3 < в < 78.3). Диэлектрическая проницаемость почвы, (см. например Рпои, 1992) зависит, главным образом, от диэлектрических проницаемостей этих компонентов и их объемных долей в смеси, а также от формы этих компонентов, их ориентации в приложенном поле, и температуры. Поскольку вода имеет наибольшую диэлектрическую проницаемость, то диэлектрическая проницаемость почвы определяется, прежде всего, свойствами воды (как свободной так и связанной). Диэлектрические свойства вещества зависят от типа поляризации. В почве действуют все виды поляризации, но основную роль играет ориентационная. Она состоит в

повороте диполей воды вдоль направления вектора напряженности поля. В результате совместного действия электрического поля и теплового движения, дезориентирующего диполи, возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул вдоль направления поля (Физ. энциклопед. словарь, 1983).

Вода в дисперсных системах, в том числе и в почве, находится под действием поверхностных сил разной природы (дисперсионные, электростатические, капиллярные и т. д.).

На свойства воды, находящейся на расстоянии нескольких десятков ангстрем от твердой поверхности влияют, главным образом, (Адамсон, 1980, Дерягин, 1985):

(1) ионно-электростатические (кулоновские) силы между полярными молекулами воды и нескомпенсированными зарядами кристаллической решетки почвенных минералов;

(2) силы Ван-дер-Ваальса - основные силы притяжения при взаимодействии незаряженных и не обладающих дипольным моментом атомов и молекул;

(3) дисперсионные силы (силы Лондона-Ван-дер-Ваальса);

(4) водородные связи между молекулами воды и активными группами поверхности, такими как -СООН, -ОН и т.д.

Эти силы были названы Дерягиным - поверхностными. Как полагают большинство исследователей (Адамсон, 1979, Воронин, 1980, Дерягин и др., 1985, Тарасевич, Овчаренко Ф. Д, 1975, НШе1, 1980) в первых 1-3 слоях воды, действуют все виды взаимодействий и влияние на свойства воды здесь наиболее сильное. Структура этой адсорбированной (прочносвязанной) воды сильно отличается от структуры жидкой воды. Она характеризуется повышенной вязкостью и плотностью, пониженной растворяющей способностью, меньшей подвижностью, замерзает при более низких температурах. Дипольная ориентация молекул воды в ответ на приложенное электромагнитное поле, в этих слоях наиболее затруднена. Как следствие, значительно увеличивается время релаксации диполей и уменьшается величина е. Поэтому, диэлектрические свойства такой воды

близки к диэлектрическим свойствам льда: т = 1с, в = 3 (Адамсон, 1980). Ионно- электростатическое взаимодействие является наиболее короткодействующим.

Влияние 2,3,4 типов взаимодействий распространяется на более значительные расстояния (Адамсон 1980), Дерягин и др., 1985, Тарасевич, Овчаренко, 1975). Причем, как считают Дерягин (1985), Тарасевич, Овчаренко (1975) наиболее дальнодействующим оказывается взаимодействие 4 типа, поскольку из-за наличия сетки водородных межмолекулярных связей, изменение во взаимном расположении молекул воды затухает с удалением от нее медленно, распространяясь на значительные расстояния (до 100 А0, а иногда и более). Как следствие, свойства воды, в том числе и диэлектрические, остаются отличными от свойств свободной воды на довольно большом расстоянии от поверхности.

В таблице 1 представлены данные по изменению в и т в слоях воды для разных типов поверхностей.

h - толщина водной пленки, А0; г - радиус пор, Аи; Р/Ри -давление; Т - температура, °С; f- частота приложенного поля, Гц; х - время диэлектрической релаксации, с.

i0.

Таблица 1.

относительное электромагнитного

Вещество Условия: h, г, Р/Р°, Т. f T 8 Ссылка

вода ННННН| ii ii ii ii II С 106 106 106 0 106 78.3 81.8 84.3 75.0 3 Краткий справочник по химии, 1974.

Ре203 Р/Р° = 0.1 Р/Р° = 0.8 - 1 10"4 - Адамсон, 1980

Ыа- монтмориллонит h = 50-80 0 - 23-25 Дерягин и др., 1970, 1974

монтмориллонит h = 15-8 h = 5-6 0 0 - 35-40 3-4 Дерягин и др., 1985

ацетат-целлюлозные мембраны г = 7-10 0 <60 Дерягин и др., 1985

сил и ка гель о со М- IT- ii ii S_ !_ 0 0 40 24 Дущенко., Романовский, 1970

слюда h=3700 h=70 2*104 2*104 - 80 4.5 Мецик М.С.и др., 1972

Те же самые силы обуславливают такие свойства почвенной воды как потенциал почвенной влаги, ее подвижность, доступность растениям.

1.1.3. Зависимость водных свойств почвы от влияния поверхностных сил

Водными (водно-физическими) свойствами почвы называют совокупность свойств почвы, которые определяют поведение почвенной воды. Наиболее важными водными свойствами являются: водоудерживаемая способность (характеризуемая влагоемкостью), водоподъемная способность потенциал почвенной влаги.

Влияние всех сил действующих на воду отражают зависимости потенциала почвенной влаги от влажности.

Поверхностные силы ограничивают движение молекул воды, увеличивают их потенциальную энергию и, следовательно, изменяют энергетическое состояние воды. Воздействие этих сил зависит от расстояния, на котором находятся молекулы воды от поверхности, и во многом обусловлено их гранулометрическим, минералогическим и химическим составом твердой фазы почвы. При этом из всех составляющих полного потенциала, лишь матричный потенциал (Рт) тесно связан с природой, сложением, структурой твердой фазы. При данной влажности, величину Рт определяют свойства твердой фазы - дисперсность, плотность, заряд поверхности твердых частиц, их строение. Матричное давление является результатом расклинивающего и лаплассового давлений (Воронин, 1986). Причем, расклинивающее давление непосредственно определяется действием поверхностных сил (Дерягин, 1985). Глобус (1987) рассчитал, что влияние ионно-электростатических сил преобладает при величинах Рт ниже -400 .. -600 кПа. Выше начинают преобладать молекулярные силы. При влажностях, соответствующих Рт > -100 кПа основное влияние на почвенную влагу оказывают капиллярные силы. К аналогичным выводам пришел и Воронин (1980).

Кроме того, для характеристики свойств влаги используют понятие категорий (форм) почвенной влаги, г