Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Механическая прочность почвенной структуры: взаимосвязь с физическими свойствами и основной гидрофизической характеристикой

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Механическая прочность почвенной структуры: взаимосвязь с физическими свойствами и основной гидрофизической характеристикой"

На правах рукописи

ПЕСТОНОВА ЕЛЕНА АРКАДЬЕВНА

МЕХАНИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ПОЧВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ВЗАИМОСВЯЗЬ С ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ И ОСНОВНОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ

Специальность Об 01 03 - агропочвоведение, агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2007

003058664

Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета им М В Ломоносова

Научный руководитель: кандидат биологических наук

ДД Хайдапова

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук

П M Сапожников кандидат биологических наук В Ф Басевич

Ведущая организация МСХА им К А Тимирязева

Защита состоится » -¿¿ClcC 2007 г в-$часов^)минут в ауд М-2 на заседании диссертационного совета К 501 001 04 МГУ им M В Ломоносова

Адрес диссертационного совета 119991, ГСП - 1, Москва, Ленинские горы, МГУ им M В Ломоносова, факультет почвоведения, Ученый Совет

Факс (495)939-36-84

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ им MB Ломоносова

Автореферат разослан 2007г

Отзывы на диссертацию в 2-х экземплярах просим направлять по указанному выше адресу

Ученый секретарь

диссертационного совета Л Г Богатырев

Актуальность темы Прочность почвенной структуры обусловлена образованием контактов различных типов между почвенными частицами О количестве контактов можно судить по показателям пористости почвы, которая изменяется в процессе иссушения Тип формирующихся контактов в первую очередь обусловлен содержанием влаги в почве Согласно структурно-функциональному подходу А Д Воронина, на кривой основной гидрофизической характеристики (ОГХ) выделяются различные критические состояния, соответствующие изменению форм почвенной влаги Совместный анализ основополагающих зависимостей физико-механических свойств почв (механической прочности, удельного объема пор и др) и энергетического состояния (основная гидрофизическая характеристика, ОГХ) является актуальной задачей физики почв, так как может являться источником информации о формировании и устойчивости почвенной структуры к различным воздействиям

Цель работы Выявление закономерностей формирования и устойчивости структуры почвы на основании анализа взаимосвязи механической прочности почвенной структуры и основной гидрофизической характеристики Задачи исследования

1 Исследовать механическую прочность почвенной структуры на примере воздушно-сухих агрегатов размером 3-5 мм почв различного генезиса

2 Исследовать кривые зависимости механической прочности и скорости сушки почвенных паст и агрегатов различных почв от влажности

3 Установить зависимость прочности агрегатов от их пористости в процессе иссушения

4 Обосновать методы совместного анализа кривых зависимости прочности паст и агрегатов от влажности и основных гидрофизических характеристик с использованием структурно-функционального подхода А Д Воронина

Научная новизна Впервые определены количественные параметры прочности почвенной структуры (на примере почвенных паст и агрегатов) в широком диапазоне содержания почвенной влаги Получены количественные характеристики прочности структурных связей в областях критических состояний почвенной влаги согласно структурно-функционального подхода А Д Воронина Установлено, что к области II критического потенциала относятся предел

нормальной усадки, заметное понижение скорости испарения влаги и значительное возрастание прочности межчастичного взаимодействия

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

Апробация Основные результаты исследований были представлены на Всероссийской конференции «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» в 2003 г (Москва, МГУ), на IX, X и XII Международной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2002», «Ломоносов-2003» и «Ломоносов-2005» (Москва, МГУ) и на заседаниях кафедры физики и мелиорации почв

Структура и объем работы Диссертация изложена на //О страницах, содержит таблиц и// рисунков, состоит из введения, литературного обзора, описания объектов и методов исследований, главы экспериментальных результатов, выводов и списка литературы (/О/ источников, из которых /3 англоязычных)

Публикации По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе одна статья в рецензируемом журнале (Вестник ОГУ)

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР В главе приведен краткий обзор основных теорий структурообразования и работ, посвященных изучению почвенной структуры В Р Вильямсом, Н А Качинским, К К Гедройцем, П Н Вершининым, И Н Антиповым - Каратаевым и др Очевидно влияние содержания почвенной влаги и процессов увлажнения -иссушения на формирование почвенной структуры Так, работы Воронина по изучению энергетического состояния почвенной влаги показывают, что физическое состояние почв — результат взаимодействия твердой, жидкой и газообразной фазы, а характер этого взаимодействия зависит как от структуры твердой фазы, так и от содержания жидкой фазы Основная гидрофизическая характеристика, являясь отражением строения и состава твердой фазы почвы, позволяет проследить изменения в состоянии почвенной влаги, связанные с действием различных сил, которые влияют на характер взаимодействия воды с почвой Изучение процессов иссушения многими исследователями (А В Лыков, Ф Е Колясев, В А Капинос и др ) показало, что по кинетике испарения можно судить о формах почвенной влаги и ее подвижности В процессе иссушения изменяется преобладающий тип контактов между почвенными частицами От прочности контактов зависит прочность почвы в целом и характер ее деформирования Основной вклад в изучение взаимодействий между частицами внесли П А Ребиндер, О Г Усьяров, Е Д Щукин, И М Горькова, Л И Кульчицкий и др В области почвоведения Л П Абруковой, А С Манучаровым, М Б Минкиным, А Д Ворониным, Т А Зубковой и др было установлено, что прочность зависит от характеристик поверхности почвенных частиц и условий их контактных взаимодействий Сопряженное изучение формирования структурных связей почвы, кинетики испарения почвенной влаги и изменения потенциала почвенной влаги даст возможность выявить закономерности формирования и устойчивости почвенной структуры на основании анализа взаимосвязи механической прочности почвенной структуры и основной гидрофизической характеристики

ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Объекты исследования дерново-подзолистая почва (Московская область) серая лесная почва и серая лесная со вторым гумусовым горизонтом (ВГГ)

(опытные поля Владимирского НИИСХ), типичный чернозем мощный (Центральный черноземный заповедник, Курская область) в вариантах некосимая степь, «вечный пар» и с/х пашня

Методы исследования структурный состав определен методом фракционирования на ситах по Савинову, гранулометрический состав - методом пипетки Качинского с пирофосфатной обработкой, содержание валового углерода - на экспресс-анализаторе, удельная поверхность - методом десорбции паров воды, поверхностная энергия твердой фазы - методом поверхностной электрической проводимости, пористость агрегатов в воздушно-сухом состоянии - керосиновым методом, кривая усадки агрегатов - фотографическим методом, ОГХ - методом центрифугирования (область высоких потенциалов почвенной влаги) и методом десорбции паров воды (область низких потенциалов почвенной влаги) Кривые сушки агрегатов определяли на аналитических электронных весах с выводом данных на компьютер, кривые сушки паст - на анализаторе влажности при I - 60°С

Прочностные свойства определяли на коническом пластометре Ребиндера Для определения зависимости прочности структурных связей в почвенной пасте от влажности растертую и просеянную через сито сухую почву капиллярно увлажняли до состояния максимального набухания и затем измеряли прочность пасты и влажность (в % от массы сухой почвы) Далее пасту подсушивали и по мере иссушения через каждые 15 минут проводили измерение влажности и прочности до воздушно-сухого состояния Величину предельного напряжения сдвига находили по дифференциальной кривой изменения прочности на единицу нагрузки в момент, после которого не происходило заметного изменения прочности

Агрегаты размером 3-5 мм выделяли рассеиванием почвы на ситах Выделенные агрегаты раскладывали на поверхности керамической плитки, помещенной в кристаллизатор с водой так, чтобы поверхность плитки не была покрыта водой Агрегаты медленно насыщались водой, поступающей через мелкие поры керамической плитки За счет этого было исключено разрывное действие защемленного воздуха при быстром проникновении воды в агрегаты Далее мокрые агрегаты перекладывали на сухую стеклянную поверхность, чтобы исключить

подпитку водой снизу, и постепенно высушивали По мере иссушения через каждые 15 мин определяли прочность агрегатов в 10-кратной повторности

К *

Расчет производили по формуле Рт = -~—, где ^ - действующая

нагрузка на конус, кг, Л- глубина погружения конуса, см (в данном случае в течение 5 сек), Ка - коэффициент, зависящий от величины угла конуса (для конуса с углом раскрытия 30° Ка =1,108)

Использование данной расчетной формулы неочевидно для расчета прочности агрегатов, поскольку она была разработана для погружения конуса в образец нарушенного сложения Дополнительное сопротивление оказывает трение слоев в образце под действием сдвиговых деформаций Агрегаты представляют собой небольшой объект, который, не имея ограничений с боковых сторон и трения внутренних слоев, особенно в воздушно-сухом состоянии, свободно разрушается под действием приложенной нагрузки В связи с этим предлагалось выражать прочность в величинах нагрузки, пошедшей на разрушение агрегата Однако использование размерности кг/агр не позволяет учесть размеры агрегатов и не выявляет реальной величины их прочности Поэтому в рамках данной работы было решено использовать формулу Ребиндера, поскольку это позволит не только учесть размер агрегатов, но и сравнить полученные результаты с прочностью почвенных паст исследуемых почв

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 3.1 Прочность воздушно-сухих агрегатов и ее связь с физическими свойствами почв.

Основные физические свойства исследуемых почв представлены в таблице 1 Дерново-подзолистая почва характеризуется легкосуглинистым

гранулометрическим составом в верхних горизонтах, который вниз по профилю утяжеляется Таким же образом изменяются удельная поверхность и поверхностная энергия твердой фазы Органическое вещество, наибольшее количество которого отмечается в пахотном горизонте, способствует формированию агрегатов с большей пористостью по сравнению с другими горизонтами Такое распределение свойств по профилю приводит к тому, что механическая прочность воздушно-

сухих агрегатов отличается наименьшими значениями в пахотном и подзолистом горизонтах, а наибольшими - в горизонтах ЕВ и В

Прочность воздушно-сухих агрегатов в серой лесной почве изменяется следующим образом в пахотном горизонте она составляет 3 кг/см2, далее вниз по профилю прочность увеличивается и в горизонте В составляет 5,5 кг/см2, что связано с утяжелением гранулометрического состава В карбонатном горизонте прочность несколько понижается (4 кг/см2) Это связано с присутствием карбонатов, которые способствуют формированию большого количества микроагрегатов На макроморфологическом уровне это проявляется в снижении плотности сложения (Зубкова, Карпачевский, 2001), и, соответственно, уменьшению прочности Это подтверждают наши данные по пористости воздушно-сухих агрегатов (табл 1)

В серой лесной почве со вторым гумусовым горизонтом, как и в выше описанных почвах, с увеличением содержания илистой фракции, удельной поверхности твердой фазы возрастает прочность воздушно-сухих агрегатов Пористость агрегатов здесь также больше в органогенных горизонтах Особый интерес вызывает второй гумусовый горизонт, в котором формируются агрегаты с наибольшей пористостью, и наблюдается отличная структура по содержанию агрономически ценных агрегатов Здесь же отмечается самое низкое значение прочности агрегатов

Исследование черноземов в различных вариантах сельскохозяйственного использования («вечный пар» и с/х пашня) и в целинном состоянии (некосимая степь) позволяет изучить влияние ежегодной вспашки и влияние пахоты без привноса растительного опада

Все варианты черноземов отличаются отличной структурой по количеству содержания агрономически ценных агрегатов Влияние карбонатов и органического вещества схоже в том, что они способствуют формированию макроагрегатов с довольно высокой пористостью В гумусовых горизонтах на глубине 10-15 см (область вспашки) прочность агрегатов возрастает в ряду пар -степь - пашня В черноземе под паром происходит интенсивная минерализация органического вещества, а отсутствие растительного корневого опада приводит к

Таблица 1 Физические свойства исследуемых почв

Горизонт (глубина, см) Механич прочность возд-сухих агрегатов, кг/см2 Ил, % Удельная поверхность, м2/г Содерж углерода % Поверх энергия твердой фазы, Дяс/кг Содержание агроном ценных агр, % Водопроч-ность по Качинско-му, % Пористость возд-сухих агр, см3/г

Дерново-подзолистая почва

Апах (0-20) * 1,76 ±0,23 1,99 38,00 1,05 25,39 47,10 хор 30,30 удовл 0,23

Е (30-40) 1,76 ±0,23 6,51 31,68 0,23 29,25 45,10 хор 22,00 неудовл 0,17

ЕВ (50-120) 4,79 ±0,38 21,9 81,18 0,15 41,03 30,54 неудовл 33,82 удовл 0,19

В (120-150) 3,66 ±0,65 23,5 79,07 0,08 38,14 30,24 неудовл 30,42 удовл 0,17

Серая лесная почва

Апах (0-30) 3,05 ±0,52 13,2 69,4 1,16 51,4 42,0 хор 17,4 неудовл 0,20

В (30-90) 5,54 ± 0,84 26,9 99,6 0,13 46,9 42,1 хор 34,4 УДОВЛ 0,19

Вса (>90) 4,02 ± 0,63 24,2 97,5 0,08 44,3 54,1 хор 5,6 неудовл 0,20

Се пая лесная почва со вторым гумусовым горизонтам

Апах (0-25) 2,77 ± 0,34 20,5 74,0 1,33 54,5 21,2 неудов 23,5 неудовл 0,19

АЬ (25-37) 1,12 ± 0,18 12,7 63,9 2,65 38,8 76,7 отл 23,8 неудовл 0,26

АЬЕ (37-45) 1,96 ±0,21 17,3 59,9 0,77 40,9 78,7 отл 32,7 удовл 0,20

ЕВ (45-143) 4,19 ±0,54 27,3 83,8 0,27 57,8 60,3 отл 31,3 удовл 0,18

В (143-195) 6,07 ± 0,73 32,6 102,5 0,22 74,1 51,0 хор 42,7 хор 0,18

Чернозем типичный (вариант некосимая степь)

А' (10-15) 4,31 ±0,58 16,76 89,84 4,84 63,39 90,40 отл 72,29 хор 0,30

А" (50-55) 5,70 ± 0,82 20,51 86,79 2,50 65,81 79,82 отл 54,03 хор 0,26

Вса (140-145) 3,34 ± 0,37 24,11 76,19 2,05 69,31 68,68 отл 15,35 неудовл 0,28

Чернозем типичный (вариант «вечный пар»)

А' (10-15) 3,77 ±0,59 18,61 81,37 2,66 58,26 66,42 отл 19,71 неудовл 0,23

А" (50-55) 5,29 ± 0,74 17,91 82,57 2,28 62,22 81,70 отл 44,28 хор 0,26

Чернозем типичный (вариант с/х пашня)

А' (10-15) 7,18 ±0,68 22,7 84,1 2,9 66,5 67,6 отл 46,9 хор 0,22

А" (50-55) 6,15 ±0,95 21,3 81,2 2,1 68,0 72,7 отл 47,3 хор 0,26

Вса (140-145) 3,16 ±0,49 25,9 75,9 2,1 69,7 66,1 отл 19,0 неудовл 0,30

* - среднее значение ± доверительный интервал

сокращению содержания органического вещества по сравнению с черноземом под степью Также несколько уменьшается поверхностная энергия твердой фазы, уменьшается количество агрономически ценных агрегатов и значительно ухудшается их водопрочность

По гранулометрическому составу эта почва является тяжелосуглинистой Здесь отмечается увеличение поверхностной энергии твердой фазы и уменьшение агрегатной пористости За счет этого возрастает прочность агрегатов Водопрочность агрегатов ухудшается по сравнению с целинным вариантом, однако она заметно лучше, чем в варианте под паром Таким образом, в ряду степь -пашня - пар отмечаются ухудшение качества почвенной структуры Нижележащие горизонты практически не отличаются в разных вариантах

Корреляционный анализ (табл 2) показал, что в дерново-подзолистой почве и серой лесной почвах существует прямолинейная зависимость механической прочности воздушно-сухих агрегатов от показателей дисперсности почвы и поверхностной энергии твердой фазы Также существует обратная корреляция с содержанием валового углерода В черноземах отмечается отсутствие корреляции механической прочности с углеродом и показателями дисперсности почвы

Таблица 2 Значимые коэффициенты корреляции механической прочности воздушно-сухих агрегатов с основными физическими свойствами почв

(уровень значимости 0,05, выборка 12)

Почвы Ил Удельная поверхность Поверхностная энергия твердой фазы Содержание валового углерода

Дерново-подзолистая почва и серые лесные почвы 0,85 0,85 0,78 -0,67

Это говорит о том, что здесь на механическую прочность агрегатов оказывает влияние другой фактор Вероятно, этим фактором является качество органического вещества, ичи его свойство проявлять амфифильность, то есть обладать как гидрофильными свойствами, так и гидрофобными (Шеин, 2005) Исследованиями Е Ю Милановского показано, что продукты гумификации органического материала рассматриваются как система природных гидрофобно-гидрофильных соединений (Милановский, 2006) Это определяет водопрочность

структуры, которая обусловлена тем, что почвенные частицы, адсорбируя на поверхности гидрофильные части органических молекул, снижают гидрофильность поверхности и связываются между собой через гидрофобные связи органических молекул силами гидрофобного взаимодействия Этим объясняется высокая водопрочность почвенной структуры черноземов, поскольку составе гумуса преобладают гидрофобные компоненты (Милановский, 2006)

Для того чтобы выяснить, существуют ли какие либо закономерности в формировании прочности агрегатов той или иной почвы, мы провели кластерный анализ (метод Ворда) и на его основании выделили три группы агрегатов

В первую группу с низкой прочностью (до 2,2 кг/см2) попали горизонты с низкой поверхностной энергией, неводопрочной структурой (гор Апах и Е дерново-подзолистой почвы, гор Ah и AhE серой лесной почвы с ВГГ)

Во вторую группу со средней прочностью (от 2,2 до 5,2 кг/см2) попали все карбонатные горизонты, пахотные горизонты серых лесных почв, горизонты ЕВ и В дерново-подзолистой почвы и гумусовые горизонты на глубине 10-15 см черноземов под степью и паром В этой группе отмечается повышение поверхностной энергии по сравнению с первой группой В гумусовых горизонтах улучшается структура и ее водопрочность

В третьей группе с высокой прочностью (от 5,2 до 7,9 кг/см2) находятся гумусовый горизонт на глубине 10-15 см чернозема под пашней, гумусовые горизонты всех вариантов черноземов на глубине 50-55 см и горизонты В серых лесных почв В этой группе наибольшие значения поверхностной энергии

В группах агрегатов средней и высокой прочности необходимо рассмотреть три разных варианта формирования прочности

1 В гумусовых горизонтах понижение избыточной поверхностной энергии происходит как за счет слипания почвенных частиц, так и за счет адсорбции органического вещества на их поверхности Органическое вещество способствует формированию большего числа микрогрегатов, что выражается в уменьшении плотности, или увечичения пористости агрегатов В серых лесных почвах при меньшей пористости прочность агрегатов меньше прочности агрегатов черноземов

2 Горизонты В характеризуются высокими значениями показателей дисперсности почвы Отсутствие органического вещества приводит к тому, что

понижение избыточной поверхностной энергии происходит преимущественно за счет слипания почвенных частиц Это приводит к формированию агрегатов с низкой пористостью и высокой прочностью

3 Известь в карбонатных горизонтах способствует формированию большего количества микроагрегатов, однако на макроморфологическом уровне происходит снижение плотности сложения и, как следствие, снижение механической прочности, несмотря на высокие значения поверхностной энергии твердой фазы

3.2 Прочность межчастичных связей в почвенных пастах

В естественных условиях почва обычно находится в увлажненном состоянии Содержание влаги определяет тип контактов, формирующихся между частицами и, соответственно, их силу Поэтому следующей задачей нашего исследования стало изучение формирования межчастичных связей в почвенных пастах в широком диапазоне влажности - от состояния полного насыщения до воздушно-сухого В качестве объектов исследования выбрали гумусовые горизонты и горизонты В дерново-подзолистой почвы, серой лесной почвы и черноземов во всех вариантах

В результате эксперимента была получена серия кривых зависимости прочности почвенной пасты от нагрузки На примере серой лесной почвы видно, что в процессе иссушения форма кривой изменяется (рис 1) При высокой влажности (рис 1, а), когда вода заполняет все поры в пасте, она максимально разделяет почвенные частицы друг от друга Структурные связи в таком состоянии можно характеризовать как слабые коагутационные В таком состоянии становится возможным седиментационное уплотнение Это выражается в некотором упрочнении с возрастанием нагрузки Такая форма кривой соответствует текучему состоянию почвы Поведение пасты данного уровня увлажнения соответствует модели поведения тел Бингама - Шведова

По мере уменьшения влажности или повышения концентрации дисперсной фазы возрастает число контактов, по которым осуществляется взаимодействие между частицами, что сопровождается интенсивным структурообразованием и ростом прочности При этом кривые зависимости прочности от нагрузки изменяют свою форму (рис 1,6) Правая ветвь кривой идет параллельно оси нагрузки Так,

при влажности, близкой к влажности предела текучести для гор Апах, почва находится в пластичном состоянии Скорость движения паст с разрушенной структурой растет пропорционально внешнему воздействию и кривая зависимости прочности от нагрузки идет параллельно оси нагрузки В этом состоянии почва уже проявляет признаки упругости и представляет собой упруго-вязкое тело, описываемое

Рис 1 Зависимость прочности почвенной пасты серой лесной почвы от нагрузки а) гор Апах, №-38,2%, гор В, 44,1%, б) гор Апах, №-32,9%, гор В, ¡¥-37,4%, в) гор Апах, №-23,0%, гор В, №- 25,8%, г) гор Апах, №-16,5 %, гор В, №- 15, 8%

моделью Барджеса При влажности предела пластичности кривая зависимости прочности от нагрузки после точки разрушения межчастичных связей имеет вид кривой, постепенно снижающейся по мере увеличения нагрузки (рис 1, в), те здесь уже нет течения с постоянной скоростью На последней стадии иссушения кривая имеет ступенчатый характер (рис 1, г), что свидетельствует об упруго-хрупком состоянии почвы Почва все в большей степени приобретает упругие свойства и становится упруго-хрупкой (модель поведения Пойнтинга-Томпсона)

Выделив на кривых прочности от нагрузки течку разрушения структуры при определенной влажности, получили кривые зависимости прочности межчастичных связей в почвенных пастах от влажности (рис 2) Видно, что кривые имеют однотипный характер для всех исследуемых почв Так, в серой лесной почве на начальном этапе иссушения прочность изменяется постепенно, затем начинается более заметное возрастание прочности при влажности 34% в гор Апах и 31% в гор В В области влажности 23% в гор Апах и 26% в гор В отмечается некоторое понижение прочности При достижении влажности 20% в гор Апах и 24% в гор В прочность начинает довольно резко возрастать Достигнув максимального значения в гор В прочность немного снижается в области низких влажностей за счет снижения стягивающих частицы менисковых сил

Дерново-подзолистая почва

Серая лесная почва

20 VI,'

Чернозем (степь)

20 40

Рис 2 Кривые зависимости прочности пасты от влажности исследуемых почв

В некоторых случаях происходит уменьшение прочности в области низких влажностей

Закономерности, выявленные в серой лесной почве, наблюдаются и в других исследуемых почвах, но в зависимости от гранулометрического состава, содержания органического вещества кривые могут быть смещены в ту или другую сторону

3 3 Прочность межчастичных связей я кинетика испарения почвенной влаги в почвенных пастах в процессе иссушения.

Исходя из предположения, что разные формы влаги обуславливают и разную силу контактов, прочность почв должна в значительной степени изменяться в зависимости от содержания влаги и форм ее связи с почвенными частицами Поскольку кинетика испарения влаги из почвы дает наиболее обоснованную оценку форм связи воды с твердой фазой почвы в процессе иссушения (Злочевская, Кривошеева, 1988), мы изучили, как происходит процессе иссушения на примере кривых сушки почвенных паст, которые представлены на рис 3

Рис 3 Кривые сушки и прочности почвенных паст серой лесной почвы На графиках видно, что скорость сушки изменяется не равномерно, а имеет характерные участки, указывающие на различные скорости передвижения влаги к испаряющей поверхности Они связаны с преобладанием различных физических причин, вызывающих движение воды в почве

В период постоянной скорости сушки, вероятно, идет капиллярный подток влаги к поверхности испарения и скорость сушки примерно постоянна до определенного момента Преимущественным механизмом передвижения влаги является капиллярный В период падающей скорости сушки часть жидкости, отступая по капиллярам в глубь почвы, остается в зазорах между частицами в виде связующих перемычек Возрастает сжимающее действие капиллярных сил, тк растет поверхность раздела вода-воздух, на которой действуют силы поверхностного натяжения, стремящиеся сблизить соседние частицы Передвижение влаги осуществляется по стенкам пор в пленочном виде

На примере серой лесной почвы проведем сопряженный анализ изменения прочности и кинетики испарения почвенной влаги (рис 3) По мере утоныления капилляров и возрастания контракционных сил прочность постепенно возрастает На кривой сушки видно, что в этот период происходит капиллярный подток воды к испаряющей поверхности При дальнейшем иссушении происходит сужение капилляров, контракциошше силы растут, и прочность интенсивно возрастает вплоть до влажности предела пластичности После опустошения пор от капиллярной влаги, силы капиллярной контракции исчезают, и прочность структурных связей несколько понижается Понижение прочности может быть также следствием проявления ионно-элекгростатических сил отталкивания на фоне еще слабого молекулярного притяжения Вероятно, такое явление и отображается на кривой в виде небольшого понижения прочности

Таблица 3 Влажности пределов текучести (\Упт) и пластичности (\Упп)

исследуемых почв

Исследуемая почва Горизонт, (см) Win-, % Wnn,%

Дерново -подзолистая почва Апах (0-20) 30,3 23,7

В (120-150) 30,1 18,4

Серая лесная почва Апах (0-30) 32,3 22,6

В (30-90) 35,7 25,1

Чернозем (степь) А'(Ю-15) 56,3 46,7

Вса (140-145) 37,8 21,8

Чернозем (пашня) А'(Ю-15) 40,9 30,5

Вса (140-145) 36Д 24,2

Чернозем (пар) А' (10-15) 37,3 26,4

В области влажности, в которой происходит смена капиллярного механизма передвижения почвенной влаги на пленочный механизм, прочность начинает интенсивно возрастать Однако, в области низких влажностей в гумусированном горизонте взаимодействие почвенных частиц друг с другом не так сильно, как в горизонте В Прочность пахотного горизонта в этой области влажности меньше прочности горизонта В Это возможно по двум причинам 1) из-за наличия в гор Апах органического вещества на поверхности твердой фазы, которое не дает развиться молекулярному взаимодействию в полной мере, 2) из-за меньшего содержания в гор Апах илистой фракции, и соответственно, меньшего числа контактов В гор В в области влажности 10% наблюдается понижение прочности

Возможно, это связано с тем, что неравномерные капиллярные давления, развиваемые в различных точках образца в процессе испарения влаги, вызывают неравномерную усадку, приводящую вследствие неодинаковой скорости сдвига к нарушению сплошности в местах с наименьшим числом когезионных связей Это приводит к образованию трещин и к снижению общей прочности образца

Таким образом, прочность межчастичных связей в почвенных пастах зависит от состояния и содержания почвенной влаги

3.4 Прочность почвенных агрегатов и кинетика испарения почвенной влаги в агрегатах

Мы исследовали почвенные пасты, упрочнение которых в процессе иссушения показывает потенциальную способность тех или иных почв к образованию структуры определенной прочности. Однако в естественных условиях почва находится в агрегированном состоянии Поэтому следующей задачей нашего исследования было определить прочность в широком диапазоне влажности почвенных агрегатов размером 3-5 мм

Как видно на графиках (рис 4), процесс изменения механической прочности почвенных агрегатов обоих горизонтов происходит следующим образом на начальной стадии испарения влаги прочность практически не изменяется Здесь возможно преобладание коагуляционных контактов Затем прочность начинает постепенно возрастать, что говорит об увеличении прочности в уже существующих коагуляционных контактах Более резкое увеличение прочности, которое наблюдается в области влажности 18%, может свидетельствовать о том, что здесь произошло формирование контактов переходного типа В этом случае между частицами образуются относительно прочные связи за счет действия ионно-элекгростатических сил

Скорость сушки агрегатов, как и паст, также имеет характерные участки В период постоянной скорости сушки, как и в пастах, идет капиллярный подток влаги к поверхности испарения В области 20% влажности в обоих горизонтах происходит снижение скорости испарения Здесь, как и в пастах, передвижение почвенной влаги происходит по стенкам пор в пленочном виде Далее можно определить область резкого уменьшения скорости испарения (около 8% влажности в гор Апах и 11% влажности в гор В), где исчезают и мениски, и толстые пленки,

Дерново-подзогастая почва (гор Апах)

Дерново-подзолистая почва (гор В)

10 % 20

Серая лесная почва (гор Алах)

Серая лесная почва (гор В)

10 VI,% 20

Чернозем (степь, гор А)

Чернозем (степь, гор Вса)

20ту,'/о 30

Чернозем (паияя гор Вса)

20У¥,% 30

Рис 4 Кривые прочности и кривые сушки почвенных агрегатов исследуемых почв

остается преимущественно адсорбированная влага, передвижение которой возможно только в парообразном виде

Таким образом, на кривых сушки агрегатов исследуемых горизонтов можно выделить три области с разным механизмом передвижения почвенной влаги 1) капитлярный, 2) пленочный, 3) адсорбционный или парообразный

Резкое увеличение прочности агрегатов происходит в области перехода от капиллярного к пленочному механизму передвижения влаги По мере увеличения сжимающих сил капиллярной контракции, растут силы упругого сопротив тения структуры Если силы капиллярной контракции будут больше предела прочности структуры, то могут образоваться трещины Таким образом, область снижения скорости испарения соответствует началу усадочных напряжений Наиболее прочными агрегаты становятся при максимальной адсорбционной влагоемкости К этому моменту удаляется последнее количество капиллярной воды Далее исчезают и микромениски, на которые действовали силы капиллярной контракции, достигшие максимальных значений Затем проявляется отрицатечьная роль адсорбционных мономолекулярных слоев воды, снижающих когезионно-адгезионное взаимодействие, поэтому мы наблюдаем либо снижение прочности, либо прекращение роста напряжения или конец усадочных напряжений

Необходимо отметить что разные типы почв характеризуются разными длинами выделенных участков Это говорит о различиях в структуре почвенных агрегатов Более длинный диапазон капиллярного подтока влаги говорит о том, что агрегаты обладают большей сетью пор

Заметное увеличение прочности агрегатов происходит в области пленочно-менискового передвижения влаги По мере увеличения сжимающих сил капиллярной контракции, растут силы упругого сопротивления структуры Если силы капиллярной контракции будут больше предела прочности структуры, то могут образоваться трещины Таким образом, область снижения скорости испарения соответствует началу усадочных напряжений

Исследования других горизонтов и других типов почв показали такие же закономерности со смещением точек пере тома в ту или другую сторону в зависимости от природы твердой фазы, содержания органического вещества, степени дисперсности

3.5 Кривые усадки почвенных агрегатов.

В процессе иссушения почвенные частицы сближаются, и увеличивается количество контактов между почвенными частицами, которые обусловливают прочность почвенных агрегатов При этом наблюдается изменение структурного состояния агрегатов, которое выражается в их усадке

На графиках видно (рис 5, а), что в целом процесс усадки агрегатов серой лесной почвы идет постепенно Пористость агрегатов гор В меньше пористости агрегатов пахотного горизонта во всем диапазоне влажности Это связано с наличием органического вещества в гор А пах

На кривых выделяется диапазон структурной усадки - 35-22% в гор А пах и 32-20% в гор В серой лесной почвы 45-40% в гор А и 40-35% в гор

Вса в черноземе), в котором происходит потеря почвенной влаги из крупных пор, структура агрегатов изменяется мало В диапазоне нормальной усадки (22-16% в гор А пах и 20-15% в серой лесной почве и V/ - 40-16% в гор А и 35-16% в гор Вса в черноземе) поровое пространство изменяется пропорционально изменению влажности В области влажности предела нормальной усадки - 16% для всех горизонтов) на кривой сушки происходит смена капиллярного механизма передвижения почвенной влаги на пленочно-менисковый Диапазон остаточной усадки отмечается в области влажности 16-6% в гор А пах и 15-4% в гор В в серой лесной почве и 16-4% в гор А и 16-5% в гор Вса в черноземе) Начало этого диапазона характеризуется возникновением непосредственных контактов между почвенными частицами

Рис 5 Кривые усадки почвенных агрегатов, а) серой лесной почвы, б) типичного чернозема под степью

Мы соотнесли данные по механической прочности и пористости агрегатов между собой в каждой точке с одинаковой влажностью и построите зависимости прочности от пористости, которые представлены на рис б

а)

™ 5 -I

о

$ 4 ё з

. а ] I2

Г 1

о

-Гор Апах -Гор В

0,2

0,25 0,3 0,35 Пористость, смЗ/г

Рис 6 Кривые зависимости прочности почвенных агрегатов от их пористости в процессе иссушения, а) серая лесная почва, б) типичный чернозем под степью

Механическая прочность агрегатов возрастает незначительно на стадиях структурной и нормальной усадки, которые наблюдаются в диапазоне изменения пористости от 0,36 до 0,30 см3/г в гор А пах и от 0,33 до 0,25 см3/г в гор В в серой лесной почве, от 0,49 до 0,33 см3/г в гор А и от 0,40 до 0,32 см3/г в гор Вса в черноземе С позиции существования различных типов контактов, можно предположить, что на этих стадиях в агрегатах преобладают контакты коагуляционного типа Резкое увеличение прочности агрегатов происходит в области предела нормальной усадки Вероятно, здесь начинается формирование контактов переходного типа

Совместный анализ изменения прочности, скорости сушки и усадки агрегатов выявил, что в области влажности предела нормальной усадки происходит изменение физического состояния агрегатов, которое выражается в уменьшении скорости испарения и резком возрастании прочности структурных связей

3.6 Взаимосвязь прочности почвенной структуры и основной гидрофизической характеристики.

Для выявления закономерностей, связанных с различными критическими состояниями почвы, которые обусловлены взаимодействием твердой и жидкой фазами, мы воспользовались ОГХ

На рис 7 представлены кривые прочности паст и агрегатов и основные гидрофизические характеристики исследуемых почв

В почвенных пастах процесс формирования межчастичных связей идет более интенсивно, чем в агрегатах Это происходит по двум причинам 1) за счет большей дисперсности паст, 2) в агрегатах сформировавшееся поровое пространство с порами большего диаметра препятствует образованию новых контактов между почвенными частицами

От состояния полного насыщения влагой вплоть до капиллярной влагоемкости (пятый критический потенциал по Воронину) почва представляет собой текучее тело Прочность почвенной пасты при этом изменяется незначительно При достижении пятого потенциала в почве начинают проявляться капиллярные силы, что выражается на кривой прочности паст в заметном увеличении прочности В области пятого критического потенциала прочность почвенных паст варьирует от 0,2 до 0,6 кг/см2

При дальнейшем иссушении в почве начинают проявляться пластичные свойства По мере приближения к третьему критическому потенциалу прочность почвенных паст нарастает, в гумусовых горизонтах она варьирует от 0,8 до 2,4 кг/см2, а в горизонтах В - от 0,9 до 1,5 кг/см2 в зависимости от типа почвы С исчезновением подвижной капиллярной влаги почва теряет пластичные свойства Состояние почвы теперь описывается как хрупко-упругое Вода в почве находится преимущественно в виде пленок

При дальнейшем иссушении прочность повышается В области пленочной рыхлосвязанной воды, как в пастах, так и в агрегатах, происходит резкое упрочнение А Д Ворониным и В А Капиносом отмечено, что в области пленочной рыхлосвязанной воды существует критическое состояние, при переходе через которое почвенная влага становится более упорядоченной и имеет большую вязкость А Д Воронин обозначил это состояние как второй критический потенциал и связал его с влагой завядания

Дврново-подзолистая почва (гор

20 Щ

Дерново-подэолистая почва (тар В)

20 УУ,% 40

Серая лесная почеа (гор Апай

20 40

Серая лесная почва (гор В)

Чернозем (паидя, гор Апах)

огх

Прочность папы Прочность агрегатов

Чернозем (пашня, гор Вса)

Рис 7 Кривые прочности почвенных паст и агрегатов и основные гидрофизические характеристики исследуемых почв

Наши исследования показали, что в области влажности второго критического потенциала отмечается уменьшение скорости сушки, находится предел нормальной усадки агрегатов и происходит резкое возрастание прочности Здесь между почвенными частицами начинают появляться близкодействующие силы взаимного притяжения

В области второго критического потенциала, или перехода из хрупко-упругого в упруго-хрупкое состояние, значения прочности варьируют в гумусовых горизонтах от 2 до 4 кг/см2, а в горизонтах В - от 1,3 ДО 6,7 кг/смг.

В области I критического потенциала почва переходит из упруго-хрупкого в хрупкое состояние. Прочность паст при этом отличается максимальными значениями, которые в разных типах почв варьируют в гумусовых горизонтах от 2 до 6,3 кг/см2, в горизонтах В - от 3 до 10 кг/см2.

Рис. 8 Механическая прочность почвенных паст в областях критических потенциалов ОГХ (V-! - обмети критических потенциалов)

Характерные участки изменения прочности межчастичных связей находятся в соответствии с реологическим состоянием почвы и критическими потенциалами ОГХ. Таким образом, с помощью кривых прочности межчастичных связей можно получить представление о характере взаимодействия воды с твердой фазой почвы, ее реологическом состоянии и количественно оценить степень взаимодействия почвенных частиц друг с другом.

На рис. 8 представлены значения механической прочности почвенных паст в областях критических потенциалов ОГХ. При переходе от пятого к первому критическим потенциалам в гумусовых горизонтах прочность нарастает постепенно, в отличие от горизонтов В, в которых это происходит резко. Прочность здесь достигает больших величин, В этом проявляются структурное особенности почв.

Гумусовые горизонты

Горизонты В

12

1!

выводы

1 Механическая прочность воздушно-сухих агрегатов гумусовых горизонтов возрастает в следующем ряду почв дерново-подзолистая почва - серая лесная со вторым гумусовым горизонтом - серая лесная почва - типичный чернозем («вечный пар») - типичный чернозем целинный - типичный чернозем под пашней

2 Механическую прочность агрегатов исследуемых типов почв можно разделить на три группы низкой прочности (до 2,2 кг/см2), средней прочности (от 2,2 до 5,2 кг/см2), и высокой прочности (от 5,2 до 7,9 кг/см2) Формирование агрегатов с гой или иной прочностью зависит от дисперсности почв, поверхностной энергии твердой фазы, наличия кальция, количества и качества органического вещества

3 Выделено четыре типа форм кривых зависимости прочности от нагрузки в процессе иссушения, которые соответствуют разным физическим состояниям системы текучему, пластичному, переходному из пластичного в твердое и твердому По виду этой кривой можно судить о консистенции почвы и соответствующих реологических моделях при данной влажности

4 Кривые прочности почвенных паст имеют характерные области изменения прочности для всех исследуемых почв В диапазоне влажности проявления пластичных свойств прочность интенсивно возрастает, а в области влажности предела пластичности отмечается понижение прочности Вероятно, это связано с проявлением стягивающего действия капиллярных сил

5 Совместный анализ кривых прочности и сушки паст и агрегатов позволяет выявить характерные диапазоны форм почвенной влаги по изменению прочности и скорости сушки паст и агрегатов

6 Совместный анализ кривых изменения прочности, скорости сушки и усадки агрегатов выявил, что в области влажности предела нормальной усадки происходит уменьшение скорости испарения и резкое возрастание прочности структурных связей Сопоставление полученных величин с ОГХ показало, что обнаруженные изменения физического состояния лежат в области второго критического потенциала

7 Характерные участки изменения прочности межчастичных связей почвенных

паст находятся в соответствии с реологическим состоянием почвы и критическими

потенциалами ОГХ Анализ кривых прочности почвенных паст позволяет

количественно оценить степень взаимодействия почвенных частиц друг с другом

23

Различный характер нарастания прочности паст от пятого к первому критическим потенциалам в гумусовых горизонтах и горизонтах В отражает структурные особенности исследуемых почв

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1 Физические свойства серой лесной почвы Владимирского ополья в разных условиях сельскохозяйственного возделывания Тезисы докладов V Докучаевских молодежных чтений «Сохранение почвенного разнообразия в естественных ландшафтах», Санкт-Петербург, 2002г Издательство Санкт-Петербургского государственного университета С 140-141

2 Оценка устойчивости структуры дерново-подзолистой почвы Тезисы докладов Всероссийской конференции «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям», Москва, 2002г Издательство Почвенного института им В В Докучаева РАСХН С 122 (в соавт)

3 Прочность почвенных агрегатов в зависимости от влажности Труды Международной научной конференции «Роль почвы в формировании естественных и антропогенных ландшафтов», Казань, 2003 г с 94-96 (в соавт )

4 Пространственная изменчивость физических свойств и гидротермического поля серых лесных почв в комплексном почвенном покрове вблизи г Пущино Тезисы докладов X Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2003», Москва, 2003г Издательство МГУ С 11-12 (в соавт)

5 Механическая прочность агрегатов разных типов почв Тезисы докладов X Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2003», Москва, 2003г Издательство МГУ С 104-105

6 Прочность почвенных агрегатов разных типов почв в зависимости от влажности Труды Всероссийской конференции «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации», М , фак-т почвоведения МГУ, 2003 г, с 98-101 (в соавт)

7 Поверхностная энергия твердой фазы некоторых типов почв Тезисы докладов XII Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2005», Москва, 2005г Издательство МГУ

8 Оценка фьзико-механических свойств почв, загрязненных нефтью Сб научных трудов поев 50-летию Мещерского филиала ВННИГиМ, Рязань 2004, с 489-491(в соавт)

9 Изменение прочности почвенных агрегатов в процессе иссушения Материалы IV съезда Докучаевского общества почвоведов, 9-13 августа 2004, Новосибирск, с 458 (в соавт)

10 Структурный анализ и механическая прочность агрегатов почв разных типов Материалы научной сессии по фундаментальному почвоведению, 30 11-2 12 2004, Москва, с 120-121 (в соавт)

11 Взаимосвязь между прочностными свойствами агрегатов и различными категориями почвенной влаги «Биосферные функции почвенного покрова», Посвященной 100-летию со дня рождения члена - корреспондента АН СССР В А КОВДЫ г Пущино (в соавт )

12 Прочность структурных связей в почвенных образцах нарушенного и ненарушенного сложения Сборник докладов Международной научно-практической конференции «Перспективные технологии для современного сельскохозяйственного производства» 15-18 сентября 2005 г, Курск, с 532 - 536 (в соавт )

13 Оценка вариабельности механической прочности агрегатов серой лесной почвы в процессе иссушения Труды Всероссийской конференции 20-22 декабря 2005 г Москва 2005 - с 56-58 (в соавт)

14 Параметры уравнения зависимости механической прочности почвенных агрегатов от их вчажности Труды Всероссийской конференции 20-22 декабря 2005 г Москва 2005 - с 137-139 (в соавт)

15 Энергетический подход к оценке структурных связей в почвенных агрегатах Сборник статей, ч I «Современные проблемы почвоведения и экологии» Всероссийская конференция, посвященная 100-летию со дня рождения д с -х н В Н Смирнова, Йошкар-Ола, 2006,с 120-123 (в соавт )

16 Взаимосвязь потенциала почвенной влаги, скорости сушки и прочности серой лесной почвы Материалы II Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию кафедры почвоведения ИГУ «Почва как связующее звено

функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем», 4-7 сентября 2006, с 208-209 (в соавт )

17 Динамика прочности, скорости сушки и усадки почвенных агрегатов серой лесной почвы в процессе иссушения Вестник ОГУ, №12, 2006, С 100-103 (в соавт )

18 Прочность межчастичных связей в почвенных пастах и агрегатах Почвоведение, в печати (в соавт)

Подписано в печать 19 04 2007 г Исполнено 19 04 2007 г Печать трафаретная

Заказ № 403 Тираж 100 экз

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш, 36 (495) 975-78-56 www autoreferat ru

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Пестонова, Елена Аркадьевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Почвенная структура и ее свойства.

1.1 Твердая фаза почвы.

1.2 Формирование почвенных агрегатов.

1.3 Энергетическое состояние почвенной влаги.

1.4 Процесс испарения почвенной влаги.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ.

2.1 Объекты исследования.

2.2 Методы исследования.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1 Прочность воздушно-сухих агрегатов и ее взаимосвязь с физическими свойствами.

3.2 Прочность межчастичных связей в почвенных пастах.

3.3 Прочность межчастичных связей и кинетика испарения почвенной влаги в почвенных пастах в процессе иссушения.

3.4 Прочность почвенных агрегатов и кинетика испарения почвенной влаги в агрегатах.

3.5. Кривые усадки почвенных агрегатов.

3.6 Взаимосвязь прочности почвенной структуры и основной гидрофизической характеристики.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Механическая прочность почвенной структуры: взаимосвязь с физическими свойствами и основной гидрофизической характеристикой"

Прочность почвенной структуры обусловлена образованием контактов различных типов между почвенными частицами. О количестве контактов можно судить по показателям пористости почвы, которая изменяется в процессе иссушения. Тип формирующихся контактов в первую очередь обусловлен содержанием влаги в почве. Согласно структурно-функциональному подходу А.Д. Воронина, на кривой основной гидрофизической характеристики (ОГХ) выделяются различные критические состояния, соответствующие изменению форм почвенной влаги. Формы почвенной влаги, ее подвижность можно оценивать по кинетике испарения почвенной влаги. Совместный анализ основополагающих зависимостей физико-механических свойств почв (механической прочности, удельного объема пор, кинетики испарения почвенной влаги и энергетического состояния (основная гидрофизическая характеристика, ОГХ) является актуальной задачей физики почв, так как может являться источником информации о формировании и устойчивости почвенной структуры к различным воздействиям.

Цель работы. Выявление закономерностей формирования и устойчивости почвенной структуры на основании анализа взаимосвязи механической прочности почвенной структуры и основной гидрофизической характеристики.

ГЛАВА 1. Почвенная структура и ее свойства.

1.1 Твердая фаза почвы.

Почва представляет собой трехфазную систему, состоящую из твердой, жидкой и газообразной фаз. Основой всех специфических особенностей почвы как среды для роста и развития растения является ее твердая фаза. Твердая фаза почвы изменяется в процессе почвообразования. В ее состав входят обломки горных пород и минералов разной степени дисперсности, органическое вещество с разной степенью разложения и находящееся с минералами почвы в физическом, химическом и биологическом взаимодействии. В процессе физического выветривания группы минералов ведут себя неодинаково. Наибольшей механической прочностью обладает кварц, за ним следуют полевые шпаты, затем роговые обманки и пироксены, и, наконец, слюды. Менее прочные минералы измельчаются легче, и ими обогащаются мелкие фракции, крупные же фракции обогащаются кварцем (Вершинин, 1958; Розанов, 1983).

Размер почвенных частиц, или дисперсность почвы, имеет очень важное и широкое значение. С дисперсностью почвы связаны ее физические, химические и биологические свойства. Любое твердое тело с измельчением увеличивает свою удельную поверхность. С удельной поверхностью почвы тесно связана свободная поверхностная энергия системы. В процессе диспергирования твердого тела часть ионов атомов и молекул, которые ранее были связаны в кристаллических решетках, выходят на поверхность, и их энергия оказывается некомпенсированной. Таким образом, с увеличением дисперсности, а значит, с увеличением удельной поверхности, возрастает и поверхностная энергия системы. Все системы, обладающие избыточной поверхностной энергией, неустойчивы. Такие системы всегда стремятся к самопроизвольному понижению энергии. Чем выше дисперсность системы, тем в большей степени в ней выражено стремление уменьшить свою свободную поверхностную энергию. Этого можно достигнуть двумя способами: адсорбцией газов и паров свободными поверхностями почвенных частиц, а также ионов и молекул из растворов и слипанием почвенных частиц (Вершинин, 1959, Лукьянов, 1980).

В результате слипания почвенных частиц происходит формирование микроагрегатов, которые в свою очередь, соединяясь друг с другом, образуют макроагрегаты. Так формируется одно из самых удивительных и важных свойств почвы - структура.

Исследованиями А.Д.Воронина (Воронин, 1984) показано, что большое значение в формировании почвенной структуры имеет содержание тонкодисперсного материала (илистая фракция и мелкая пыль), которые играют роль клеящего вещества почвы, или так называемой плазмы (частицы < 0,5 мкм). «В зависимости от дисперсности плазмы характер структуры может существенно меняться. Наличие даже небольшого количества органического вещества резко изменяет пространственное расположение плазмы, дает возможность формирования прочных пористых микроагрегатов и агрегатов, а также способствовать образованию многочисленных плоскостей ослабления структурных связей, обусловливая формирование зернистых структур и развитой межагрегатной порозности без образования больших трещин и глыбистых блоков. Гетерогенная локализация органического и минерального вещества плазмы лежит в основе микротрещиноватости почв, что особенно важно в условиях периодических циклов увлажнения - иссушения, набухания - усадки. Отдельные взаимодействия частиц могут быть рассмотрены на основе анализа природы структурных связей и контактных взаимодействий в глинистых породах и обобщенной схемы возможных механизмов связывания элементарных почвенных частиц в агрегаты» (Воронин, 1984).

Заключение Диссертация по теме "Агропочвоведение и агрофизика", Пестонова, Елена Аркадьевна

выводы

1. Механическая прочность воздушно-сухих агрегатов гумусовых горизонтов возрастает в следующем ряду почв: дерново-подзолистая почва - серая лесная со вторым гумусовым горизонтом - серая лесная почва - типичный чернозем («вечный пар») - типичный чернозем целинный - типичный чернозем под пашней.

2. Механическую прочность агрегатов исследуемых типов почв можно разделить на три группы: низкой прочности (до 2,2 кг/см), средней

7 о прочности (от 2,2 до 5,2 кг/см ), и высокой прочности (от 5,2 до 7,9 кг/см ). Формирование агрегатов с той или иной прочностью зависит от дисперсности почв, поверхностной энергии твердой фазы, наличия кальция и качества органического вещества.

3. Выделено четыре типа форм кривых зависимости прочности от нагрузки в процессе иссушения, которые соответствуют разным физическим состояниям системы: текучему, пластичному, переходному из пластичного в твердое и твердому. По виду этой кривой можно судить о консистенции почвы и соответствующих реологических моделях при данной влажности.

4. Кривые прочности почвенных паст имеют характерные области изменения прочности для всех исследуемых почв. В диапазоне влажности проявления пластичных свойств прочность интенсивно возрастает и в области влажности предела пластичности отмечается понижение прочности. Вероятно, это связано с проявлением стягивающего действия капиллярных сил.

5. Совместный анализ кривых прочности и сушки паст и агрегатов позволяет выявить характерные диапазоны форм почвенной влаги по изменению прочности и скорости сушки паст и агрегатов.

6. Совместный анализ изменения прочности, скорости сушки и усадки агрегатов выявил, что в области влажности предела нормальной усадки происходит уменьшение скорости испарения и резкое возрастание прочности структурных связей. Сопоставление полученных величин с ОГХ показало, что обнаруженные изменения физического состояния лежат в области второго критического потенциала.

7. Характерные участки изменения прочности межчастичных связей почвенных паст находятся в соответствии с реологическим состоянием почвы и критическими потенциалами ОГХ. Анализ кривых прочности почвенных паст позволяет количественно оценить степень взаимодействия почвенных частиц друг с другом. Различный характер нарастания прочности паст от пятого к первому критическим потенциалам в гумусовых горизонтах и горизонтах В отражает структурные особенности исследуемых почв.

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Пестонова, Елена Аркадьевна, Москва

1. Абрукова Л.П. Применение конического пластометра для исследования прочностных свойств почв. // Почвоведение, 1980, № 7. С. 147-155

2. Аксенов А.В. Физико-механические свойства почв и энергетическое состояние почвенной влаги. Автореф. канд. дис. . биол.н. М., 2003.

3. Алексеева Т.В., Алексеев А.О., Соколовска 3., Хайнос МЛ Связь между минералогическим составом и свойствами поверхности почв./ Почвоведение, 1999, №5, С. 604 613.

4. Амелина Е.А. Контактные взаимодействия частиц в дисперсных структурах.// Физико-химическая механика природных дисперсных систем. М.: Изд-во МГУ, 1985, С. 6-19.

5. Амелина Е.А. Методические разработки к практикуму по коллоидной химии, 1994.

6. Антипов-Каратаев И.Н., Келлерман В.В., Хан Д.В. О почвенном агрегате и методах его исследования М.: Изд-во Академии наук СССР, 1948, 82с.

7. Бекаревич Н.Е. Влияние адсорбированной воды на прочность структуры почвы. // Почвоведение, 1949, № 11. С. 668-674.

8. Березин П.Н., Воронин А.Д., Шеин Е.В. Физические основы и критерии слитогенеза.//Вестник МГУ Сер. 17, почвоведение, 1989, №1,31 -38с.

9. Ю.Березин П.Н., Воронин А.Д., Шеин Е.В. Основные параметры и методы количественной оценки почвенной структуры. //Почвоведение, 1985, №10, 58-67с.

10. П.Березин П.Н., Воронин А. Д., Шеин Е.В. Структура почвы: энергетический подход к количественной оценке. // Почвоведение. 1983, №10, С. 63-69.

11. Березин П.Н. Смирнова И.В. Применение фотографического метода для определения пористости агрегатов. // Почвоведение, 2006, №5, с. 546-552

12. Бурлаков А.А. Сопротивление сдвигу, внутреннее трение и сцепление светло-серых и коричнево-серых лесных почв. // Почвоведение. 1975. № 10. С. 51-59

13. Буравчук Н.И., Минкин М.Б., Остриков М.С. Вязкопластичные свойства почв каштаново-солонцовых комплексов. // Почвоведение. 1971. № 9. С.108-114.

14. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. 2-е изд. М.: Изд-во «Высшая школа», 1973.

15. Васильевская В.Д., Зборищук Ю.Н., Ульянова Т.Ю. Почвы и почвенный покров УОПЕЦ Чашниково. // Развитие почвенно-экологических исследований. Изд-во МГУ, 1999. С.25-33.

16. П.Вершинин П.В. Почвенная структура и условия ее формирования М.: Изд-во Академии наук СССР, 1958, 187с.

17. Вершинин П.В., Мельникова М. К., Мичурин Б. Н., Мошков Б. С., Поясов Н. П., Чудновский А.Ф. Основы агрофизики М.: Государственное изд-во физико-математической литературы, 1959, 903с.

18. Вильямс В. Р. Прочность и связность структуры почвы. // Почвоведение, 1935, № 5/6. С. 746-754.

19. Возраст и эволюция черноземов / Н. Я. Марголина, A. JT. Александровский, Б. А. Ильичев и др. -М.: Наука, 1988,144с.

20. Воробьева JI.A. Химический анализ почв. М.: Изд-во МГУ, 1998,272с.

21. Воронин А.Д. Основы физики почв. М.: Изд-во МГУ, 1986.244с.

22. Воронин А.Д. Стуктурно-функциональная гидрофизика почв. М.; Изд-во МГУ, 1984.201с.

23. Воронин А.Д. Структурно-энергетическая концепция гидрофизических свойств и ее практическое применение. //Почвоведение, 1980, №12, С. 35-46.

24. Воронин А.Д. Энергетическая концепция физического состояния почв. //Почвоведение, 1990, № 5. С. 7-19.

25. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. 2-е изд. М: Химия, 1975.

26. Гамаюнов Н.И. Исследование процесса структурообразования при сушке капиллярно-пористых материалов. // Почвоведение. 1985. № 5. С.147-152

27. Глобус A.M. Экспериментальная гидрофизика почв. Ленинград: Гидрометеорологическое изд-во, 1969. 355с.

28. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. Москва: «Стройиздат», 1973.371с.

29. Горбунов Н.И. Закономерности распространения глинистых минералов в главнейших типах почв СССР. // Почвоведение, 1956, №2, С.75-89.

30. Горбунов Н.И., Орлов Д.С. Природа и прочность связи органических веществ с минералами почвы//Почвоведение, 1977, №7, С. 89 100.

31. Горькова И.М. Исследование глинистых пород при помощи конического пластометра.// Коллоидный журнал, 1956, т.18, №1

32. Грунтоведение. Под ред. В.Т. Трофимова М.: Изд-во Моск. Ун-та, изд-во «Наука», 2005.1024 с.

33. Зубкова Т.А. Влияние адсорбированной воды на прочность почвенных агрегатов.//Вестник Московского Университета, серия 17 почвоведение, 1992, №2, С. 35-38.

34. Зубкова Т.А. О механической прочности почвенных агрегатов. //Вестник МГУ, Сер. 17 почвоведение. 1992, №3, С. 55-61.

35. Зубкова Т.А. О природе механической прочности абсолютно-сухих почвенных агрегатов. Почвоведение, 1998, С. 281-290.

36. Зубкова Т.А., Карпачевский JI.O. Матричная организация почв. -М.'.РУСАКИ, 2001. 296с.

37. Ильин А.П., Прокофьев В.Ю. Физико-химическая механика в технологии катализаторов и сорбентов. Монография / Иван. Гос. Хим,-тенол. Ун-т, Иваново, 2004, 315 с.

38. Канивец И. И., Прицкер Н. Я. О нарастании прочности почв по микрозонам под влиянием корневой системы сахарной свеклы, навоза и других структурообразователей. // Почвоведение, 1938, № 9. С. 11731184.

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

40. Качинский Н.А. О структуре почвы, некоторых водных ее свойствах и дифференциальной порозности. // Почвоведение, 1947, №6, С.

41. Качинский Н.А. Физика почвы. Т. 2. М.: Высшая школа, 1970.

42. Козлов В. П. К вопросу образования структуры почвы в условиях лесной растительности. // Почвоведение, 1951, № 8. С. 493-496.

43. Кокурина Э. И. Влияние различных доз гипса на прочность и плотность солонцов. // Почвоведение, 1980, № 6. С. 65-73.

44. Колясев Ф.Е. Подвижность воды в почве и некоторые пути ее регулирования Основы агрофизики - М.: Государственное изд-во физико-математической литературы, 1959 С.11-29

45. Кудряшов В.А. Метод определения механической прочности почвенных агрегатов.// Агрофизические методы и приборы. СПб., 1998. Т.1.С. 8-11.

46. Кузнецова И. В. К вопросу о механической прочности почвенной структуры. //Почвоведение, 1967, № 8. С. 88-96.

47. Кузнецова И. В. Содержание и состав органического вещества черноземов и его роль в образовании водопрочной структуры. //Почвоведение, 1998, №1, С.41-50.

48. Кузнецова И. В., Данилова В. И., Арустамянц Е. Н. Определение механической прочности почвенной структуры с помощью классификатора У ОВ-1. //Почвоведение, 1986, № 7. С. 121-125.

49. Кульчицкий Л.И. Усьяров О.Г. Физико-химические основы формирования свойств глинистых пород, Москва, Изд-во «Недра», 1981,178 с.

50. Лобицкая Л.В. Состав органической и минеральной частей коллоидов дерново-подзолистой почвы, чернозема и краснозема.// Записки Ленинградского сельскохозяйственного института, 1966, 105 т, С. 55 -65.

51. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований. Ленинград: «Недра», 1990.327с.

52. Лукьянов А.Б. Физическая и коллоидная химия. М.; Химия, 1980, 224 с.

53. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. - 470с.

54. Макеева В.И., Лапицкий С.А. Зависимость процесса набухания слитых почв от характера структурных связей. // Вестник Моск. Ун-та, сер. 17, почвоведение, 1989, №1.

55. Манучаров А.С. Основы реологии в почвоведении. Москва: Изд-во МГУ, 1983.90 с.

56. Манучаров А.С., Абрукова В.В., Черноморенко Н.И. Методы и основы реологии в почвоведении. М.: Изд-во МГУ, 1990.

57. Манаенков И.В., Зубкова Т.А., Карпачевский JI.O. Механическая прочность почвенных агрегатов разной формы. // Почвоведение, 1997, № 12, С. 1438-1444.

58. Милановский Е.Ю. Гумусовые вещества как система гидрофобно-гидрофильных соединений. Автореферат докт. диссерт. . биол. наук, 2006.

59. Милановский Е.Ю., Шеин Е.В. Функциональная роль амфифильных компонентов гумусовых веществ в процессах гумусо-структурообразования и генезисе почв. // Почвоведение. 2002. №10, С. 1201-1213.

60. Моисеев К.Г., И.А.Романов Влияние длительной распашки на прочность почвенных агрегатов// Почвоведение, 2004, №6. С. 697-701

61. Окороков В.В. Физико-химическая природа устойчивости почвенной структуры серых лесных почв Владимирского ополья. // Почвоведение, 2003, №11, С. 1346- 1353.

62. Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв: Методическое руководство / Под ред. Е. В. Шеина. -М.: Изд-во МГУ, 2001. 200с.

63. Потапов Б. И. Динамика водопрочности и механической прочности искусственной структуры почв. // Почвоведение, 1971, № 12. С. 79-86.

64. Почвенно-агрономическая характеристика АБС Чашниково. Часть 1, Изд-воМГУ, 1986.

65. Путеводитель научных полевых экскурсий III съезда Докучаевского общества почвоведов. М.:Изд-во «АгроВестник», 2000,118с.

66. Путилин Е. И. К вопросу определения механической прочности почвенных агрегатов. // Почвоведение, 1970, № 7. С. 114-116.

67. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур. //Физико-химическая механика дисперсных структур. Сб.статей. Москва: Изд-во «Наука», 1966. с.3-16

68. Ребиндер П.А., Семененко Н.А. О методе погружения конуса для характеристики структурно-механических свойств пластично-вязких тел. // Докл. АН СССР. т.64. № 6. 1949. С. 835 838.

69. Розанов Б.Г. Морфология почв. М., Изд-во МГУ, 1983, 280 с.

70. Рыжова И.М. Математическое моделирование почвенных процессов. -М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1987, 82с.

71. Сапожников П.М., Уткаева В.Ф., Абрукова В.В., Щепотьев В.Н. Структурно-механические и гидрофизические свойства типичного чернозема при применении удобрений. // Почвоведение, 1988, № 10, С. 67-74.

72. Сапожников П.М., Уткаева В.Ф., Васенев И.И. Оценка изменения физических свойств черноземов при орошении. // Почвоведение, 1992, №11, С. 43-54.

73. Сергеев Е.М. Грунтоведение. Москва: Изд-во Моск. Ун-та, 1971. 594 с.

74. Скворцова Е.Б., Сапожников П.М. Трансформация порового пространства уплотненных почв в ходе сезонного промерзания и оттаивания. //Почвоведение, 1998, № 11, С. 1371 1381.

75. Смагин А.В. Теория и методы оценки физического состояния почв. // Почвоведение. 2003. № 3. с. 328-341

76. Соколов В.Н. Влияние влажности на прочность структурных связей глинистых частиц.//Вестник Моск. Ун-та, сер. Геология, 1973. №4. с. 114-117

77. Федотов Г.Н., Поздняков А.И., Жуков Д.В., Пахомов Е.И. Органо-минеральные гели в почвах: экспериментальные факты и гипотезы. //Почвоведение, 2004, №6, С. 691 696.

78. Физико-химическая механика природных дисперсных систем/ Под редакцией Е.Д. Щукина, Н.В. Перцова, В.И Осипова, Р.И. Злочевской. М.: Изд-во МГУ, 1985,266с.

79. Францессон В. А. Набухание и усадка в черноземных почвах в связи с прочностью их структуры. //Почвоведение, 1942, № 1. С. 33-38.

80. Хан. Д.В. Влияние перегнойных веществ, состава минералов и обменных катионов на образование водопрочных агрегатов в черноземных почвах. // Почвоведение, 1957, №4, С.

81. Хан Д.В. Значение поглощенных катионов в формировании агрегатов почвы. //Почвоведение, 1965, №10, С. 98 106.

82. Хайдапова Д.Д., Аксенов А.В. Взаимосвязь пластической прочности и липкости почв с основной гидрофизической характеристикой,// Почвоведение № 5,2001, с. 586-593

83. Шеин Е.В. Курс физики почв. Москва: Изд-во МГУ, 2005. 420 с.

84. Шинкарев А.А., Мельников JI.B., Зайнуллин Т.Е. Природа водопрочности агрегатов гумусовых горизонтов темно-серой лесной почвы. // Почвоведение, 1999, №3, С. 348 353.

85. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. 2-е изд. М.: Высшая школа, 1992,414с.

86. Annabi М., Annabi М., Houot S., Annabi М., Francou С., Poitrenaud М., Le Bissonnais Y. Soil aggregate stability improvement with urban composts of different maturities. // Soil Sci. Soc. Am. J., 2007, Vol. 71, pp. 413 423.

87. Campbell D.J. Liquid limit determination of arable topsoil using a drop-cone penetrometer. //J. Soil Sci., 1975, vol. 26,234-240.

88. Campbell D.J. Plastic limit determination using a drop-cone penetrometer. // J. Soil Sci., 1976, vol. 27,295-300.

89. Campbell D.J. The plastic limit, as determined by the drop-cone test, in relation to the mechanical behaviour of soil. // J. Soil Sci., 1980, vol. 31, №1,11-24.

90. Chen K.Y., Heenan D.P. Lime induced loss of soil organic carbon and effect on aggregate stability. // Soil Sci. Soc. Am. J., 1999, Vol. 63,18411844.

91. Chenu C., Le Bissonnais Y., Arrouays D. Organic Matter influence on clay wettability and soil aggregate stability // Soil Sci. Soc. Am. J., 2000, Vol. 64,1479-1486.

92. Glauser R., Doner H.E., and Paul E.A. Soil aggregate stability as a function of particle size in sludge-treated soils. // Soil Science, 1988, vol. 146, №1, 37-43.

93. Hanson G.J. Investigating soil strength and stress-strain indices to characterize erodibility /// Transactions of the ASAE. 1996. - V. 39, № 3. -P. 883-890.

94. Levy G.J., Mamedov A.I. High-Energy-Characteristic Aggregate Stability as a Predictor for Seal Formation.// Soil Sci. Soc. Am. J., 2002, Vol. 66, 1603-1609.

95. Marquez C.O., Garcia V.J., Cambardella C.A., Schultz R.C., Isenhart T.M. Aggregate-size stability distribution and soil stability. // Soil Sci. Soc. Am. J., 2004, Vol. 68, pp. 725-735.

96. Piccolo A., Mbagwu J.S.C. Role of Hydrophobic Components of Soil Organic Matter in Soil Aggregate Stability. //Soil Sci. Soc. Am. J., 1999, Vol. 63,1801-1810.

97. Reid J.B., Goss M.J. Effect of living roots of different plant species on the aggregate stability of two arable soils. // J. Soil Sci., 1981, vol. 32, 521-541.

98. Wright S.F., Starr J.L., Paltineanu I.C. Changes in aggregate stability and concentration of glomalin during tillage management transition.// Soil Sci. Soc. Am. J., 1999, Vol. 63,1825-1829.