Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Особенности гидрофизических, гидрохимических свойств и передвижения влаги в агросерых почвах Владимирского ополья

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Особенности гидрофизических, гидрохимических свойств и передвижения влаги в агросерых почвах Владимирского ополья"

МЕДКО НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

ОСОБЕННОСТИ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ, ГИДРОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ПЕРЕДВИЖЕНИЯ ВЛАГИ В АГРОСЕРЫХ ПОЧВАХ ВЛАДИМИРСКОГО ОПОЛЬЯ

Специальность 06.01.03 - агрофизика

1 [ЛДР ш

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва-2012

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

доктор биологических наук Умарова Аминат Батальбиёвна

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Сапожников Петр Михайлович

кандидат биологических наук Басевич Виктор Францевич

Ведущее учреждение: Российский государственный аграрный университет -

МСХА имени К.А. Тимирязева

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Защита диссертации состоится «_»__2012 г. в 15 ч. 30 мин. в аудитории М

на заседании Диссертационного совета Д 501.002.13 при МГУ имени М.В. Ломоносова адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, д.1, стр. 12, факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ имени М. Ломоносова.

Автореферат разослан «_»_2012 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационно совета, Отзывы на автореферат в двух экземплярах просим направлять по адресу: 119991, ГС 1, Москва, Ленинские горы, МГУ, д.1, стр. 12, факультет почвоведения, Ученый совет, факсу: (495) 939-36-84 и e-mail: rugnar@mail.ru ;

Ученый секретарь диссертационного совета, „

доктор биологических наук, профессор Г.М. Зенова

2

Актуальность

К настоящему времени в агрофизике разработано несколько подходов по изучению идрофизических свойств почв. Это использование почвенно-гидрологических и нергетических констант, основанных в первую очередь на подвижности и доступности влаги, труктурно-функциональный подход, базирующийся на определении гидрофизических )ункций (Судницын, 1964; Роде, 1965; Нерпин, 1967; Глобус, 1969, 1982, 2001; Воронин, 1980, 984, 1986; Дерягин Б.В., 1989; Смагин, 1998, 2004; Richards, 1931; Rattan, Manoj, 2004). днако на сегодняшний день накопилось много данных о значимости специфических очвенных явлений как структурного тела, таких как формирование преимущественных отоков влаги, масштабный эффект (Зайдельман, 1974; Дмитриев, 1985; Шеин, 1996, 2001; орсунская, 1986, 1997, 2001; Умарова, 2007,2011; Bouma, 1977,1982, Van Genuchten, 1980; De ooij, 2000). Иерархичность строения почв ведет к необходимости учета масштаба определения идрофизических параметров, что особенно важно при решении прогнозных задач по юрсмещению в почвенном покрове и попаданию в сопредельные среды различных веществ, в м числе и загрязняющих. Это определило актуальность и практическую значимость тредставленной работы.

Цель

Исследование особенностей гидрофизических и гидрохимических свойств агросерых почв ладимирского ополья на образцах разного размера и специфики перемещения почвенной лаги при разных способах подачи воды на поверхность.

Задачи

1. Изучить литературные данные о специфике строения почвенного покрова Владимирского ополья и особенностях пространственного распределения физических свойств почв. Исследовать морфологию и основные физические свойства агросерой почвы Владимирского ополья.

2. Определить основные гидрофизические характеристики (ОГХ) горизонтов агросерой почвы, полученных на почвенных образцах нарушенного строения, почвенных монолитах разных размеров и в полевых условиях.

3. Определить и проанализировать параметры влаге- и массопереноса агросерых почв в зависимости от размера почвенного образца.

4. Исследовать закономерности движения и перераспределения влаги и растворенных веществ в агросерых почвах в модельных полевых фильтрационных экспериментах при разном способе подачи влаги на поверхность почвы.

Научная новизна

В работе впервые были получены и проанализированы данные по водоудерживанию переносу влаги и растворенных веществ на почвах нарушенного строения и моноли с различных размеров на примере агросерой почвы Владимирского ополья. Обнаружь специфика явлений и гидрофизических свойств генетических горизонтов данной почвенн разности, выразившаяся в изменении по профилю форм и расположения ОГХ, выходнь кривых ионов и значениях почвенно-гидрологических констант и гидрохимических параметр массопереноса. Определена роль напора влаги при формировании преимущественных поток на основе экспериментального сравнения пространственного распределения плотност влажности и солей при напорной и не напорной подаче раствора на поверхность почвы.

Практическая значимость

Практическая значимость работы заключается в экспериментальном определении анализе основных гидрофизических свойств почв на разных масштабах исследования, ч позволит внести изменения и уточнения в различные модели влаго- и массопереноса.

Проведенные полевые модельные фильтрационные эксперименты дают возможно рекомендовать вести полив почв без формирования локальных напоров на поверхности , равномерного увлажнения верхних пахотных горизонтов почвенной толщи без непродуктивнь потерь влаги по преимущественным путям.

Для практического решения обратной задачи быстрой транспортировки влаги и веще сквозь почву малонапорная фильтрация воды ведет к ее сквозному переносу со значительны снижением явлений сорбции.

Апробация работы

Материалы по теме диссертации были доложены автором на Международной научн практической конференции «Научные основы экологии, мелиорации и эстетики ландшафто (Москва, 2010), XIV Всероссийской конференции Докучаевские молодежные чтения «Почвы условиях природных и антропогенных стрессов» (Санкт-Петербург, 2011), Научн конференция, посвященная 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова (Москва, 2011).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 работы, в том числе 1 статья в издании, включенно в список ВАК.

Объем и структура диссертации

Диссертация изложена на_страницах и содержит_таблицы и_рисунков. Рабо

состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследовани

4

езультатов и их обсуждений, выводов, списка цитируемой литературы и приложений. Список итературы включает_публикации, в том числе_на иностранных языках.

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю профессору маровой А.Б. за постоянное внимание, консультации, помощь и интерес к работе, профессору еину Е.В. и доценту Шварову А.П. за замечания и советы, аспирантке Паниной C.B. и тудентке Вайгель А.Э. за помощь в получении экспериментальных данных, а также всему оллективу кафедры физики и мелиорации почв за рабочую обстановку и теплую атмосферу, лагодарю свою семью за моральную поддержку и ценные советы.

Содержание работы Глава 1. Обзор литературы Глава посвящена рассмотрению современного состояния вопросов изучения одоудерживающей и влагопроводящей способностей почв, теоретическим разработкам, кспериментальным исследованиям и методическим аспектам. Проведен анализ литературы по сследованиям водоудерживания почв связанным с особенностями почвенных свойств и етодическими вопросами получения гидрофизических функций и почвенно-гидрологических <онстант (Качинский, 1970; Роде, 1965, 1969; Судницын, 1964; Нерпин, 1967; Глобус, 1969, 1982, 2001; Воронин, 1980, 1984, 1986; Смагин, 1998, 2004). Передвижение влаги в почве ависит от ее водоудерживающей способности (Качинский, 1931; Роде, 1965; Дмитриев и др., 1985, Darcy, 1857, Richards, 1931, Mualem, 1986; Van Genuhten et al., 1991; Simimek et al., 2008), ак и от ряда специфических явлений в почве: преимущественных потоков и масштабного ффекта (Зайдельман, 1974; Дмитриев и др., 1985; Шеин и др., 1996, 2001; Умароваи др., 2007, 011, Кирдяшкин, 2008, Flury, 1996; Hillel, Baker, 1988; Wang et al„ 2002; Kung, 1991, 1993). ольшое внимание в обзоре литературы уделено исследованиям генезиса, неоднородности изических свойств комплексного почвенного покрова Владимирского ополья и вопросам пецифики перемещения в нем влаги (Тюрюканов, 1971; Алифанов, 1986, 1995; Макеев, убровина, 1990; Величко, 1996; Дмитриев, 2000; Шеин и др., 2001; Архангельская, 2007; марова, 2005,2011).

Глава 2. Объекты и методы исследования 2.1 Объектом исследования явились агросерые почвы Владимирского ополья. Почвенный покров Владимирского ополья обладает высокой пестротой и состоит из геохимически сопряженных агросерых остаточно карбонатных почв, агросерых почв со вторым гумусовым горизонтом и почв переходных позиций разной степени оподзоленности (Тюрюканов,

Быстрицкая, 1971; Дмитриев, 2000; Шеин и др., 2001, Путеводитель к экскурсиям.., 2000).

5

Профиль исследуемой в диссертации агросерой остаточно карбонатной почвы следующи Апах - Bit - B2t - B3t - BtC - С. Верхний горизонт имеет близкую к нейтральн (слабокислую) реакцию среды, содержание органического углерода в пахотных горизонт; колеблется в пределах от 1 до 2.2% и зависит от вносимых удобрений, почвеннь поглощающий комплекс характеризуется слабой ненасыщенностью основаниями. Гор. обладает более тяжелым гранулометрическим составом, отличается ореховатой структур (Путеводитель к экскурсиям..., 2000).

2.2 Методы исследования. Определение физических свойств почв вели традиционны методами физики почв: плотность почвы буровым методом, плотность твердой фазы почв пикнометрически, агрегатный состав и водоустойчивость агрегатов по Савинову, влажное термостатно-весовым методом, определение основной гидрофизической характеристики (ОГ равновесием над насыщенными растворами солей (Вадюнина, Корчагина, 1986; Теория методы.., 2007) и методом тензиостатов (Eijkelkamp, Голландия). Для исследования влияш размера образца (масштаба исследования) на водоудерживающую способность почвы лабораторных условиях были получены кривые ОГХ на насыпных образцах и монолите следующих размеров (высота х диаметр, см): (1) насыпные почвенные образцы (5 х 4,6 см); ( почвенные монолиты (2 х 4,6 см); (3) монолиты (5 х 4,6 см); (4) монолиты (5 х 10 см), полевых условиях определение ОГХ в режиме иссушения проводилось на специальнь экспериментальных площадках, съемку давления почвенной влаги вели тензиметра Soilmoisture установленными на глубины от 10 до 60 см с шагом 10 см. Одновремен проводили определение испаряемости и испарения методом взвешиваемых испарителе Средняя часть кривых ОГХ рассчитывалась по методу Воронина (Воронин, 1986). По кривы ОГХ рассчитали почвенно-гидрологические и энергетические константы и распределение п по размерам (Теории и методы.., 2007).

Для изучения водоудерживающей способности почвы, движения и перераспределен влаги и веществ в условиях напорной и не напорной фильтрации были проведены модельнь полевые эксперименты. Изучение температурного режима вели с помощью установленных монолиты программируемых термодатчиков «Термохрон». '

Глава 3. Физические свойства агросерой почвы

Полевые эксперименты и отбор образцов для проведения лабораторных анализов экспериментов проводились на агросерой почве без признаков оподзоливания в 2008-2010 г Морфологические характеристики исследуемых горизонтов следующие. Пахотный горизон мощностью до 25-30 см, представляет собой темно-серый комковато-глыбистый средни суглинок с обильным включением корней и ходов животных. Он мелкопористый, в сухо

6

ериод образует глубокие трещины, нижняя граница ровная, обусловленная пахотой, переход сный. Гор. В - буроватый средний суглинок в его верхней части мелкоореховатый, с глубиной роисходит увеличение размера педов, которые складываются в призмы, более плотный, чем >р. Апах. Агросерая почва имеет отчетливую разницу в физико-химических свойствах тдельных горизонтов почвенного профиля: содержание органического углерода снижается от ,2 в пахотном горизонте до 0,39 % в гор. В, а содержание илистой фракции возрастает от 17 до 2 %, что отражается в особенностях структуры исследованных почв.

Данные агрегатного состава свидетельствуют о большей глыбистости пахотного горизонта о содержанию фракции больше 10 мм, причем наблюдается резкое снижение крупных грегатов и фракции менее 0,25 мм на глубине 30-60 см (табл. 1).

Табл. 1. Агрегатный состав агросерой почвы

Размер агрегатов, мм >10 10-7 7-5 5-3 3-2 2-1 1-0,5 0,5-0,25 <0,25

Глубина отбора, см

0-10 19,4 9,1 9,7 15,2 6,3 14,7 13,1 4,8 7,7

10-20 24,7 15 11,8 13,4 4,9 9,9 9 4 7,3

20-30 16,3 13,3 11,9 14,9 5,4 11,7 11,5 5,5 9,5

30-40 6,1 12,7 16,3 26,8 8,5 15,9 8,5 2,4 2,8

40-50 5,1 14,8 22,3 29,6 7,4 12,2 5,4 1,5 1,7

50-60 7,1 19,5 16,5 22,2 6,5 14,1 9,1 2,6 2,4

По результатам сухого и мокрого просеивания была проведена оценка почвенной структуры по различным параметрам (табл. 2). По количеству агрономически ценных агрегатов все исследованные слои почвы относятся к категории «отличная», заметно увеличение их содержания с глубины 30 см. Коэффициент структурности К^ оказался более чувствительным для оценки структурного состояния данной почвы. Несмотря на то, что по этому показателю почва также относится к категории «отличная», Ксч, в иллювиальном горизонте возрастает в 3-4 раза.

Табл. 2. Параметры структурного состояния агросерой почвы

Глубина, см Агрономически ценные агрегаты, % Кстр Критерий АФИ Водоустойчивость агрегатов, > 0,25 мм, %

0-10 72,9 2,7 260 61,8

10-20 68 2,1 365 62,9

20-30 74,2 2,9 220 42,6

30-40 91,1 10,2 418 60,2

40-50 93,2 13,7 635 57,6

50-60 90,5 9,5 431 63,2

г

Водопрочность агрегатов всех изученных слоев почвы так же относится к категория! «хорошая» и «очень хорошая». Наиболее чувствительным в данном случае явился критери АФИ.

По его значением видно резкое увеличение водопрочности в иллювиальном горизонте которое достигает максимума на глубине 40-50 см. Характерно, что по обоим параметра^ водопрочности наименьшее её значение отмечается на глубине 20-30 см. Это, по-видимомз обусловлено пахотой, что в серых лесных почвах может вести к снижению механическо устойчивости агрегатов и их водопрочности (Копосов Г.Ф. и др., 1994).

Важно отметить, что в данных почвах наблюдается высокая пространственна неоднородность физических свойств, как в горизонтальном, так и в латеральном направлении

а) Плотность, г/см3

1 1.2 1,3 1,4 1,5 1.6 1,7 1,1

б)

0,2 0,6

Квпит, м/сут 1 1,4 1,1

2,2 2,6

0 см

10 см И

20 см

30 см щч

40 см

50 см

60 см о МесКап

НЕ»

НЗ-

Оп

Г~1 25%-75% 31 Мю-Мах

Рис. 1. Послойные статистики (медианы, квартили, размах): а) плотности почвы, г/см3 и б) К впитывания, м/сут

На рис. 1 представлены послойные статистики (медианы, квартили, размах) плотност)' почвы и К впитывания. Гумусовый горизонт характеризуются увеличением медианны> значений плотности почвы, на фоне уменьшения размаха. Локального максимума она достигав^ на глубине 30 см (1,58 г/ем3), что связано с образованием «плужной подошвы». На глубине 4 см плотность уменьшается и в дальнейшем вновь возрастает до 1,59 г/см3 на глубине 60 см Отметим, что, несмотря на большой разброс значений плотности, квартальный диапазон дл; всех глубин достаточно узкий. Для коэффициента впитывания в большей степени характерна вертикальная неоднородность (рис. 1). Разброс значений для одной и той же глубины меньш: различий между слоями. Минимальное значение скорости впитывания (0,5 м/сут) был! получено на глубине 30 см, что согласуется со значениями плотности. Глубже Квпит резке возрастает и достигает максимума на глубине 60 см (2 м/сут). Причем для иллювиального

^оризонта характерен больший разброс величин. Полученные данные близки значениям плотности и К впит, приведенным в работе Е.В.Шеина с соавторами (2000) для данных почв.

Таким образом, каждый из генетических горизонтов имеет свой набор физико-химических рвойств, отличный от других, что предполагает различия в фильтрационных и миграционных карактеристиках и водоудерживающей способности почв.

Глава 3. Основная гидрофизическая характеристика почвенных горизонтов в зависимости от размера образца Водоудерживание - это способность почвы удерживать влагу в основном капиллярно-рорбционными силами. Графически водоудерживание характеризуется положением и формой кривой ОГХ, которая специфична для каждого образца и отражает структуру его порового пространства, гранулометрический и минералогический состав (Глобус, 1969, 2001). С ее ¡помощью вычисляют значения почвенно-гидрологических констант и распределение пор по размерам (Воронин, 1985). Однако, весьма важным аспектом для интерпретации ОГХ является Методика получения экспериментальных данных для ее построения.

1 Рис. 2. ОГХ полученная на: а) насыпных образцах высотой и диаметром 5 х 4.6 см, соответственно; б) монолитах 2 х 4.6; в) монолитах 5x4.6; г) монолитах 5 х 10 см

На рисунке 2а представлены кривые ОГХ насыпных почв. Плотность почвы составила

1,04 г/см3 для пахотного горизонта и 0,97 г/см3 для гор. В, порозность - 58 и 59 %

соответственно. В области высоких значений рр кривая водоудерживания гор. В находится

9

выше, чем кривой гор. Апах, что связано с большим содержанием ила и соответственн' большей удельной поверхностью иллювиального горизонта. При увеличении влажности кривы ОГХ пахотного горизонта насыпных почв расходятся друг с другом и различия достигают 4°| при рр = 0,4. Для иллювиального горизонта характерно очень близкое расположение кривы^ Эти данные хорошо согласуются с различием в агрегатном составе горизонтов: глыбистостьГ гумусового горизонта и мелкоореховатой структурой гор. В.

На следующем графике (рис. 26) представлены кривые ОГХ монолитов самого маленьког размера, высотой 2 см и диаметром 4,6 см. По сравнению с насыпными образцами на фон увеличения водоудерживающей способности в диапазоне низких рр, наблюдает^ значительный разброс кривых ОГХ для всех горизонтов, в частности, в пахотном горизош' разница достигает 7%.

С увеличением размера образцов различия в расположении нижней части кривых ОГХ дл! отдельных генетических горизонтов становятся более явными, причем графики одного и тоГ| же горизонта располагаются более кучно (рис. 2 в, г).

а)

7 6 5 4 3 2 1 0

А пах насыпная 5 см В насыпная 5 см А пах монолит 5 см В монолит 5 см

б)

7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 -0 -

• А пах монолит 5 см

• В монолит 5 см

-о- А пах монолит 2 см В монолит 2 см

0,2

0,4

0,6

0,0

0,2

0,4

0,6

в)

7 6 5 4 3 2 1 0

0,0

• А пах монолит 5 см -•- В монолит 5 см А пах монолит 10 см В монолит 10 см

0,2

0,4

0,6

7 -6 -5 -4 -3 -2 -

0

0,0

А пах насыпная 5 см В насыпная 5 см ■ А пах полевая и В полевая

0,2

0,4

0,6

Рис. 3. Кривые ОГХ, полученных на насыпных образцах, монолитах разных размеров и в полевых условиях.

На рисунке За представлен сравнительный анализ кривых ОГХ для насыпных образцов ( монолитов одного размера. Монолиты во всем диапазоне влажностей имеют большу водоудерживающую способность, особенно в области капиллярной влаги.

10

Уменьшение высоты монолита ведет к смещению нижней части ОГХ вправо и большей ариабельности значений. По-видимому, это связано с несколькими факторами: с большим лиянием неоднородности почвенного образца, с методическими особенностями определения одоудерживания тензиостатическим методом и погрешностями, возникающими при пределении объема почвенного образца такой высоты.

При увеличении диаметра образца (рис. Зв) так же происходит возрастание одоудерживающей способности почвы в диапазоне средних и высоких значений влажности, ричем различия между кривыми для одного и того же горизонта наименьшие (не превышают -х процентов), что свидетельствует, в том числе, об увеличении репрезентативности езультатов.

Интересен тот факт, что для гор. Апах наиболее близкое расположение к полевой ОГХ меют кривые, полученные на насыпных образцах (рис. Зг). Это связано с тем, что структура пахотного горизонта в наибольшей степени приближается к структуре насыпного образца. Отличия в форме и расположении полевых и лабораторных ОГХ в гор. В более заметны: полевые данные имеют заметно меньшие значения влажности почвы при одном и том же давлении влаги. Таким образом, можно рекомендовать использовать насыпные образцы почв для получения ОГХ при решении прогнозных задач исследования водного режима только для пахотных горизонта данных почв. Однако, для нижележащих горизонтов, обладающих плотным сложением, особенностями педной структуры необходимо вести определение кривых водоудерживания на соответствующих горизонтам (слоям) монолитах.

Экспериментальные данные, полученные на тензиостате, были аппроксимированы уравнением ван Генухтена, в котором основными параметрами являются 0s, аип (табл 3).

Таблица 3. Параметры аппроксимации кривых ОГХ

№ Образцы Горизонт, размеры образца (глубина отбора, см) &S (см3/см3) а (см"1) п

1 Насыпные А пах 5x4,6 (15-17) .3716(2'J'4) ,01586lAJ'4) 1.25936 ^^

2 Монолиты А пах 2x4,6 (15-17) ,3403w ,00727й'4 1.32696 (1'4)

3 Монолиты Апах 5 х,6 (15-17) .3238 ,00572й'4' 1.33365,М)

4 Монолиты Апах 10x4,6(15-17) .3407 (1) 00197 (1.2.3) 1.39195"'2'4

5 Насыпные В 5 х 4,6 (40-45) ,4268l/'8J . 05084(W 1.21001"'8)

6 Монолиты В 2 х 4,6 (40-45) .44021''8) .021261''4 1.262961''8'

7 Монолиты В 5 х 4,6 (40-45) .ШТЬ) .00898р'6> 1.36628 р'6)

8 Монолиты В 10x4,6(40-45) .3227P"6J .01341р'6) 1.21277

Параметры аппроксимации функцией ван Генухтена экспериментальных данных по определению ОГХ образцов разных горизонтов и размера (цифры в показатели означают, что

этот параметр значимо (/т=0.05) отличается от соответствующих параметров под указанны номером.

Например, ,37199(2)означает, что параметр 05 для насыпного образца гор.А отличается параметра 05 ненарушенного образца гор. А высотой 2 см и диаметром 4,6 см под номером 2).

Зная параметры аппроксимации и их статистики (в частности, средние квадратичесы ошибки), по полученным параметрам можно статистически сравнить исследованные объекть Для соответствующих параметров аппроксимации (например, а и а) разных выборок можн рассчитать /-критерий по следующей формуле:

У У ' ;

где 51. и Я. - стандартные отклонения параметров а и а . Соответственно если

критерий оказывается выше табличного для данной степени свободы и уровня значимост (традиционно 0,05), то параметры двух выборок значимо отличаются друг от друга. В это случае можно утверждать о достоверности различий в соответствующих характеристика процесса (Пачепский, 1992).

Так, как видно из табл.3 величины 05 для пахотного горизонта значимо отличаются дл насыпных образцов и монолитов, а вот монолиты разного размера для данного горизонта н отличаются друг от друга по параметру 05. Кроме того параметры а отличаются для насыпны образцов и для монолитов высотой 10 см. Параметры а и п также достоверно отличаются дл монолитов с наибольшей высотой.

Для гор. В насыпные образцы и самые маленькие монолиты не отличаются по параметра ОГХ. Но наблюдаются достоверные различия по всем параметрам ОГХ для насыпных маленьких монолитов от параметров более крупных объектов исследования (монолитов 5 х4, см и 5 х 10 см).

Энергетические константы, полученные методом А.Д. Воронина («секущие» по Воронину и почвенно-гидрологические константы, рассчитанные по экспериментальным данным представлены в табл. 4. В образцах нарушенного строения обращают внимание низкие значени содержания капиллярной влаги, что вероятно связано со спецификой хаотичного распределени агрегатов насыпной почвы.

Наибольшее значение содержания капиллярной влаги из всех образцов обнаружено монолитах самой маленькой высоты, что связано со спецификой данной почвенно гидрологической константы, в наибольшей степени зависящей от расстояния до насыщенног водой слоя.

Табл. 4. Энергетические и почвенно-гидрологические константы, _полученные на образцах разного размера

Горизонты Энергетические константы, см3/см3 Гидрологические константы, см3/см3

KB МКСВ ММВ МАВ ПВ НВ ВЗ

Насыпные образцы высотой 5 и диаметром 4,6 см

А пах 0,275 0,255 0,21 0,045 0,58 0,23 0,075

А пах 0,3 0,278 0,217 0,043 0,58 0,26 0,08

В 0,275 0,255 0,205 0,055 0,59 0,23 0,09

В 0,29 0,255 0,21 0,055 0,59 0,23 0,09

Монолиты высотой 2 и диаметром 4,6 см

А пах 0,47 0,38 0,265 0,06 0,52 0,36 0,115

А пах 0,405 0,34 0,25 0,06 0,52 0,32 0,11

А пах 0,42 0,34 0,25 0,06 0,52 0,32 0,11

В 0,39 0,325 0,24 0,07 0,54 0,30 0,12

В 0,405 0,33 0,245 0,07 0,54 0,31 0,125

В 0,42 0,345 0,255 0,07 0,54 0,32 0,14

Монолиты высотой 5 и диаметром 4,6 см

А пах 0,385 0,325 0,235 0,06 0,48 0,30 0,105

А пах 0,4 0,34 0,24 0,06 0,48 0,32 0,105

В 0,395 0,33 0,24 0,07 0,51 0,31 0,125

В 0,385 0,315 0,235 0,075 0,51 0,29 0,125

Монолиты высотой 5 и диаметром 10 см

А пах 0,43 0,405 0,28 0,055 0,49 0,38 0,11

А пах 0,44 0,422 0,285 0,055 0,49 0,40 0,115

В 0,395 0,375 0,275 0,08 0,52 0,35 0,125

В 0,4 0,38 0,28 0,08 0,52 0,36 0,14

*КВ - капиллярная влагоемкость, МКСВ - максимальная капиллярно-сорбционная влагоемкость, ММВ - максимальная молекулярная влагоемкость, МАВ - максимальная адсорбционная влагоемкость, ПВ - полная влагоемкость, НВ - наименьшая влагоемкость, ВЗ -влажность завядания.

Самый широкий диапазон оптимальной влажности для растений получен на монолитах 5*10 см, что позволяет судить о потенциальной способности почвы к удерживанию влаги. Высокие значения адсорбированной влаги во всех образцах отмечается в гор. В, что обусловлено в первую очередь тяжелым гранулометрическим составом.

Расчет распределения пор по размерам был проведен на основании классификации Бревера (Brewer, 1964). Для почвенных монолитов объемы макропор (>0,75 мкм) значительно ниже (табл. 5), а объем микропор (<30 мкм) значительно выше, чем для насыпных почв.

Образцы нарушенного строения характеризуются наибольшей общей пористостью и содержат наибольшее количество макропор, но при этом имеют самые низкие значения влажности в диапазоне низких давлений почвенной влаги. Это свидетельствует о том, что большая часть этих пор - это средние и грубые макропоры, которые не способны удерживать влагу капиллярными силами.

Табл. 5. Распределение пор по размерам для образцов различных размеров

Горизонт/ Диаметр Объем пор, см3/см3

>75 мкм 75-30 мкм 30-5 мкм 5-0,1 мкм <0,1 мкм

Насыпные образцы высотой 5 и диаметром 4,6 см

А пах 1 0,23 0,02 0,11 0,15 0,07

А пах 2 0,27 0,02 0,08 0,13 0,08

В1 0,27 0,02 0,1 0,12 0,08

В 2 0,28 0,02 0,09 0,12 0,08

Монолиты высотой 2 и диаметром 4,6 см

А пах 1 0,02 0,03 0,16 0,21 0,1

А пах 2 0,02 0,03 0,16 0,17 0,1

А пах 3 0,05 0,02 0,14 0,17 0,1

В1 0,07 0,04 0,16 0,15 0,12

В 2 0,07 0,05 0,16 0,14 0,12

ВЗ 0,09 0,05 0,15 0,14 0,11

Монолиты высотой 5 и диаметром 4,6 см

А пах 1 0,05 0,02 0,16 0,16 0,09

А пах 2 0,05 0,02 0,15 0,16 0,1

В1 0,06 0,05 0,15 0,13 0,12

В 2 0,05 0,05 0,16 0,13 0,12

Монолиты высотой 5 и диаметром 10 см

А пах 1 0,02 0,02 0,1 0,26 0,09

А пах 2 0,03 0,02 0,1 0,25 0,09

В1 0,08 0,02 0,1 0,2 0,12

В 2 0,08 0,03 0,1 0,19 0,12

Таким образом, исследованные горизонты имеют отчетливые различия водоудерживающей способности, распределению пор по размерам, что предполагает различия массопереносе. Отметим, что ОГХ гор. В, полученная тензиостатическим методом лаборатории, находится в области более высоких влажностей, чем ОГХ, полученная в полевы условиях, что согласуется с исследованиями других авторов (Шеин Е.В. и др., 1995). Отметим что интерпретация параметров, полученных на основании ОГХ, должна характеризоват именно тот уровень структурной организации почвы, на котором происходило исследование иметь соответствующее уровню исследований целевое значение.

Глава 4. Особенности передвижения ионов калия и хлора в горизонтах почвенного профиля: модельные лабораторные эксперименты

Передвижение влаги и веществ, которое осуществляется в сложном поровом пространств почв, обусловлено его свойствами: объемом и геометрией пор, спецификой деления пор п размерам и функциям. В соответствии с кривой водоудерживания наиболее значительный п

бъему и скорости массопереиос характерен для гравитационной влаги локализующейся в акропорах.

Рассмотрение данного вопроса начнем с анализа выходных кривых полученных на бразцах нарушенного строения. Насыпные образцы традиционно используются в абораторных условиях для получения данных о фильтрации и расчета гидрохимических араметров (Корсунская, 1986; Пачепский, 1990,1992; Теория и методы..., 2007).

Рис. 4. Выходные кривые ионов хлора (а) и калия (б) насыпных образцов; хлора (в) и калия (г) монолитов

На рис. 4 (а и б) хорошо видны различия в формах и положении выходных кривых различных ионов: наблюдается быстрое увеличение концентрации хлорид-иона в первых порциях фильтратах и плавное, постепенное иона калия, что обусловлено различиями в сорбционных характеристиках ионов. Совпадение повторностей как по калию, так и по хлору свидетельствует о хорошей воспроизводимости эксперимента для насыпных вариантов почв. Причем выходные кривые хлорид-иона горизонтов Апах и В расположены очень близко, что связано со спецификой строения межагрегатного порового пространства насыпных почв. Для иона калия наблюдается расхождение кривых разных горизонтов в начале эксперимента, что, вероятно, обусловлено более высокой агрегированностью гор. В. Рассмотрим выходные кривые, полученные на монолитах (рис. 4 в и г). Различия в положении и форме кривых ионов горизонтов Апах и В более выражены, чем в насыпных образцах, что связано с ненарушенностью строения влагопроводящих пор, обладающих большим разнообразием и сложностью. Более интенсивный вынос ионов К и С1 наблюдался в гор. А пах, в котором в большей степени выражены вертикальные влагопроводящие пути. Запаздывание выхода калийной метки в иллювиальном горизонте В происходит за счет его более высокой сорбирующей способности и специфики сложения мелкоореховатой структуры.

15

Для изучения внутрипочвенного распределения содержания иона хлора почвенны колонки были последовательно срезаны с шагом 2 см для отбора образцов на водную вытяжк Было обнаружено, что в насыпном горизонте Апах содержание хлорид-иона на 15-20 % больш чем в горизонте В для всех выполненных повторностей. В монолитах наблюдалась обрати ситуация, в горизонте В его содержание выше. Причем расчет запасов СГ показал, что глубиной его количество возрастает: в образце почвы с глубины 50-60 см его обнаружено на 10 % больше, чем в образце с глубины 40-50 см).

Гидрохимические параметры для насыпных образцов и монолитов, рассчитанные п Глобусу (1998), представлены в таблице 6. В насыпных образцах наблюдается снижени скорости фильтрации с глубиной: в гор. Апах ее значения в 2 раза выше, чем в гор. Увеличение шага смешения в насыпном гор. В в 1,5-2 раза, в первую очередь, обусловлен значениями скорости фильтрации, так как формы и расположение выходных кривых хлори иона обоих горизонтов очень близки (рис. 4а).

Табл. 6. Гидрохимические параметры агросерых почв

Горизонт (глубина, см) Пон V см/мин О* см2/мин А., см

Насыпные образцы

А пах (0-10) С1 1 27,8 27,8

0,8 20,2 25,3

В (40-50) С1 0,45 23,5 52,3

0,45 17 37,8

Монолиты

А пах (0-10) С1 0,45 27,4 61

к 8,8 19,6

С1 0,55 53,4 97,1

к 16,1 29,2

А пах (10-20) С1 1,1 10,2 9,2

к 8,1 7,4

В (40-50) С1 0,75 8,7 11,6

к 5,7 7,7

С1 1,5 14,7 9,8

к 5,5 3,7

В(50-60) С1 0,8 8,9 11,2

к 4,3 5,4

С1 0,45 10 22,3

к 4 9

Где V- скорость фильтрации, см/мин; И*- коэффициент гидродинамической дисперсии см2/мин ; А - шаг смешения, см.

В монолитах величины скоростей фильтрации имеют близкие значения с насыпным образцами, что согласуется с данными предыдущих исследований (Кирдяшкин и др., 2006 Умарова и др., 2007). Наибольшие значения шага смешения в монолитах получены дл

16

1ахотного горизонта, что говорит о высокой неоднородности его порового пространства и ^равномерности движения влаги в нем. Таким образом, проведенные лабораторные жсперименты по исследованию профильного распределения водоудерживающей способности и ираметров массопереноса агросерой почвы показали особенности и отличия гидрофизических ■войств от свойств агросерых почв разной степени оподзоленности и серых лесных почв со 1торым гумусовым горизонтом, рассмотренных в работах Умаровой с соавт.(2006, 2008, 2011). Гак, агросерые остаточно-карбонатные почвы отличаются от агросерых оподзоленных почв лучшей сформированностью вертикальных влагопроводящих путей пахотного горизонта, что Ьтразилось и на форме выходных кривых ионов калия и хлора, величинах коэффициента [шльтрации и шага смешения. Агросерые остаточно-карбонатные почвы, занимающие зозвышенные участки древнего рельефа, вероятно, могут выступать как внутрипочвенные водораздельные пространства, перенаправляющие массоперенос в понижения. В пользу этой гипотезы выступает и тот факт, что именно эти почвы имеют наиболее близко расположенные к 'поверхности карбонатные горизонты, вскипающие при обработке 10% раствором соляной кислоты, а значит слабо промывающиеся в периоды значительного поступления влаги.

Глава 5. Передвижение влаги и растворенных веществ в условиях напорной и не напорной фильтрации

В 2009 и 2010 гг. модельные фильтрационные эксперименты были проведены на монолитах диаметром 50 см и высотой 70 см. Расстояние между монолитами составляло около 50 см. Они были плотно обёрнуты полиэтиленовой пленкой, а пространство между монолитом и полиэтиленом (рис.5) было заполнено герметиком (монтажная пена) для создания гидро- и термоизоляции монолитов.

В 2010 г. на поверхность каждого монолита было подано 63 мм (10 л) 0,5 М раствора КС1 из расчета насыщения 20-см почвенной толщи до полной влагоемкости. На поверхности первого монолита поддерживался напор 5 см, впитывание длилось 11 минут со скоростью 824 см/сут. Моделирование не напорной фильтрации (вариант 2) происходило путем

Насыпная почва Монолит

Рис. 5. Схема фильтрационного эксперимента

мелкодисперсного полива без образования локальных напоров в течение 95 минут, скорое подачи влаги составила 95,5 см/сут.

Изучение динамики профильного распределения влажности (рис. 6) показало, что

подачи влаги почвенная толща была сильно иссушена, причем, в верхних 5 см влажность превысила 0,9 %, а на глубине 40 см составила около 13 %.

В первом варианте с напорной подачей воды кривая распределения влажности через сут; после фильтрации оказалась максимально смещенной вправо в область высоких значений д глубины 30 см. В последующие дни наблюдалось постепенное ее снижение, причем весыц стабильные значения сохранялись на поверхности и глубже 40 см.

Рис. 6. Динамика профильного распределения влажности почв: а) вариант 1, б) вариант 2

Во втором монолите через сутки после полива влага достигла глубины 20 см, и тольк через 2-е суток - отметки 30 см. Происходило постепенное смещение максимального значени! влажности: через 24 часа максимум значений наблюдался на глубине 10 см, через 48 часов - н глубине 20, а через 72 часа - на глубине 30 см.

Таким образом, увлажнение почвы в варианте без напора происходило постепенно, бе^. формирования преимущественных потоков влаги в крупных порах. В случае напорно фильтрации (вар. 1) возникновение быстрых потоков влаги привело к быстрому промачиванш| почвенной толщи и затем быстрому освобождению крупных пор от избытка влаги. Поэтом; влажность профиля первого монолита к концу режимных наблюдений имеет меньшие значений чем во втором монолите.

На 4-й день монолиты были послойно срезаны с шагом 10 см. На каждой горизонтально! площадке по сетке были отобраны образцы для определения влажности, плотности I содержания ионов К и С1. Всего было отобрано 400 образцов, что позволило детальнс

\У,%

30

5 10 15 20 25 30 35 40 45

5 10 15 20 25 30 35 40 45 г/смЗ

рассмотреть пространственное распределение вышеперечисленных характеристик. Распределение плотности в профиле почв, представленное на рис. 7, как один из вертикальных ;резов через центр монолитов, показало ее высокую пространственную неоднородность в 'дсследованных почвах. Закономерно верхние 5-10 см имели низкие значения, однако и в нижних слоях монолитов (гл. 50-60 см) наблюдались участки рыхлой почвы. Заметно повышение плотности на глубинах 10-15 и 30-35 см (рис. 7 а, б).

-5 -10 -15

-20 -25 -30-35 -40-45 -50' -55 -60 см

В)

-5-1 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60

см гм

Рис. 7. Пространственное распределение физических свойств почв: а) плотности, вар. 1; б) плотности, вар. 2; в) влажности, вар. 1; г) влажности, вар. 2

Рассмотрим пространственное распределение влажности (рис. 7 в, г). В монолите 1 (рис. 7 в) через четыре дня после поступления влаги ее распределение продолжало иметь неравномерный характер, обусловленный первоначальным увлажнением в условиях напорной

-5 -10

-15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55

МШ

1 в! 1 \ и

ЯшиШ ШШ§1|11 Ш1|1 Ж

•¡¡¡¡¡¡И Ж шштШ Ми

V 1- V Щ

5 10 15 20 25 30 35 40 45

25 23 21 19 17 15 13 11 Э 7 5 3

~5 10 15 20 25 30 35 40 45 %

фильтрации под действием сформировавшихся преимущественных потоков влаги. В моноли: были обнаружены участки с высокими значениями влажности и не увлажненные. Едины фронт промачивания не прорисовывался, наблюдались языковатые, вытянутые в вертикально направлении формы увлажненных участков монолита. Для монолита прослеживала^ определенная зависимость пространственного распределения влажности от пространственно распределения плотности, несмотря на отсутствие корреляции между этими характеристикам] Так, например, на глубине 50 см наблюдался рыхлый участок с низкой влажностью, связанны с наличием на глубине 30-35 см локального переуплотнения, перенаправившего поток влаги обход рыхлого участка.

В отсутствие напора (вариант 2) влага двигалась равномерно, и последовательн увлажняла горизонты, что и отразилось на картине пространственного распределенк влажности (рис. 7 г). Средняя часть 60-см толщи оказалась наиболее увлажненной, фроь: промачивания достиг глубины 50 см. Высокая неравномерность значений влажности на верхне! границе профиля, в отличие от вар. 1, обусловлена спецификой подачи влаги на поверхность.

Основной массоперенос растворенных веществ в почвах происходит конвективны! способом с потоком влаги. На рисунке 8 представлено распределение содержания ионов хлор и калия в вертикальном срезе монолитов. Наибольшее количество хлора (рис. 8 а,б) был обнаружено в верхней части профилей и в виде локальных скоплений в средней част исследуемой толщи обоих вариантов. Отметим, что величины концентрации иона ниже монолите с напорной фильтрацией. Распределение иона калия имело более пестрый вид, ) участки с высокими концентрациями иона были обнаружены по всей площади вертикальны: срезов через монолиты (рис. 8 в, г), что связано с его постепенным перемещением по тонкие порам потоком влаги в течение 4 дней после полива. В варианте 1 (рис. 8 в) ион обнаружен виде локальных скоплений, которые совпадают с местами повышенной влажности. Пр; фильтрации без напора калий распределился более равномерно, хотя так же можно выделит; места с повышенным его содержанием.

Расчет баланса влаги и веществ показал, что на 4-й день после фильтрации раствора во горизонты монолита с не напорной фильтрацией имели большие запасы влаги, чем монолит напорной фильтрацией. Расчет баланса влаги с учетом испарения позволил определить, что пр> напорной фильтрации в нижележащие горизонты попало 22,5 литра раствора из поступивши/ 10 литров, а без напора - всего 700 мл.

Рис. 8. Пространственное распределение ионов: а) хлора, вар. 1; б) хлора, вар. 2; калия, \вар. 1, г) калия, вар. 2

I

Разница в количестве профильтровавшейся влаги сквозь толщу почвенных монолитов отразилась и на балансе ионов хлора и калия: в монолите 1 было обнаружено 75% хлора и 72% калия, от поданного на поверхность, а в варианте 2 выявлена почти вся поступившая в монолит соль - 94% иона хлора и 93% иона калия. Таким образом, при напорной фильтрации более .четверти поданного на поверхность КС1 была вынесена за пределы 60-см почвенной толщи, а потери ионов при медленном поливе составили всего 6-7%.

Выводы

1. Агросерые почвы, занимающие небольшие площади территории комплексно почвенного покрова Владимирского ополья, отличаются спецификой физических свойств наиболее высокой водоустойчивостью агрегатов пахотного горизонта и лучш сформированностью вертикальных путей массопереноса, обнаруживаемой по фор выходных кривых и параметрам массопереноса

Использование агросерых почв в сельском хозяйстве привело к формированию плужн подошвы на глубине 30-40 см, выделяемой по увеличению плотности и снижени водопроницаемости. Значения водопроницаемости горизонта В для этих почв ниже, че для горизонта В агросерых почв разной степени оподзоленности и второго гумусово горизонта. Агросерые остаточно-карбонатные почвы, занимающие возвышенные участ древнего рельефа, вероятно, могут выступать как внутрипочвенные водораздельнь пространства, перенаправляющие массоперенос в понижения папеорельефа.

2. Для насыпных образцов кривые водоудерживания исследованных горизон агросерой почвы имеют близкие формы и расположение. При переходе к монолита происходит смещение кривых ОГХ вправо в область более высоких значений влажности счет увеличения доли мезопор при компактной упаковке агрегатов в их естественно сложении. Расчет параметров аппроксимации функцией ван Генухте экспериментальных данных по определению ОГХ показало, что образцы гор. Апах и значимо различаются для насыпных образцов и монолитов. Наиболее близкие значения полевым данным были получены для насыпных вариантов почв горизонта Апах, чт позволяет рекомендовать использовать насыпные образцы для получения ОГХ только дл пахотного горизонта.

3. Увеличение водоудерживающей способности почв при переходе от насыпны образцов к монолитам ведет к росту значений энергетических констант (КВ, МКС ММВ).

Выходные кривые гумусового и минерального горизонта имеют очень близкие формы расположение, различия между горизонтами проявляются при использовании поч ненарушенного строения. Наибольшие значения шага смешения в монолитах получены дл пахотного горизонта, что свидетельствует о высокой неоднородности его поровог пространства, наличии вертикальных влагопроводящих путей и неравномерной-движения влаги. Шаг смешения для всех образцов выше для хлорид-иона, что обусловлен его быстрым движением преимущественно в средней части пор. Более высок

сорбирующая способность и специфика сложения ореховатой структуры горизонта В ведет к медленному переносу в нем иона калия по сравнению с пахотным горизонтом. 4. Проведенные полевые фильтрационные эксперименты с использование ионов-меток показали различия в движении и перераспределении воды и растворенных в ней веществ при разном способе поступления влаги на поверхность. Установлено, что при напорной фильтрации формируются преимущественные потоки влаги, которые быстро переносят воду и растворенные вещества за пределы профиля. При не напорной подаче влаги увлажнение идет по фильтрационному типу с медленным и равномерным увлажнением почвенной толщи.

Создание напора воды на поверхности агросерой почвы привело к выносу за пределы 60см почвенной толщи около четверти объема поступившей влаги, а в случае не напорной фильтрации - всего 7 %. Расчет баланса ионов калия и хлора показало, что в почве с напорной фильтрацией было обнаружено 75% иона хлора и 72% иона калия, от количества поданного на поверхность. При мелкодисперсной подаче раствора в почвенной толще была выявлена почти вся поступившая в соль - 94% иона хлора и 93% иона калия.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Медко H.H. Передвижение влаги в агросерой почве при поливе дождеванием (модельный ксперимент) И Материалы Международной научно-практической конференции «Научные сновы экологии, мелиорации и эстетики ландшафтов». Москва, 2010, с. 204-208.

Умарова А.Б., Шеин Е.В., Медко H.H., Панина C.B. Передвижение влаги в серой лесной очве в условиях напорного и не напорного впитывания // Вестник Оренбургского осударственного университета, № 12, 2010, с. 91-94

Медко H.H. Миграция влаги в условиях напорного и не напорного впитывания // Сборник атериалов XIV Всероссийской конференции Докучаевские молодежные чтения «Почвы в словиях природных и антропогенных процессов». Санкт-Петербург, 2011, с. 235-237

Shein E.V., Umarova A.B., Kononova A.A., Medko N.N. Problems of experimental study or transport models parameters in soils // Proceedings International Conference "100 years Bulgarian Soil Science" 16-20 May 2011, Sofia. P,I Pp.281-284

Подписано в печать: 04.02.12

Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 7032 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Проспект Вернадского д.39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Медко, Николай Николаевич, Москва

московский государственный университет

им. М.В. ЛОМОНОСОВА факультет почвоведения

61 12-3/603

рукописи

МЕДКО НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

ОСОБЕННОСТИ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ, ГИДРОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ПЕРЕДВИЖЕНИЯ ВЛАГИ В АГРОСЕРЫХ ПОЧВАХ ВЛАДИМИРСКОГО ОПОЛЬЯ.

Специальность 06.01.03 - агрофизика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.б.н., профессор А.Б. УМАРОВА

Москва-2012

Содержание

Введение стр. 3

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Основная гидрофизическая характеристика почвы (ОГХ) стр. 6

1.1.2. Зависимость ОГХ от фундаментальных свойств почвы стр. 9

1.1.3. Методические особенности определения ОГХ стр. 13

1.1.4. Влияние масштаба исследования на гидрофизические

свойства почв стр. 17

1.1.5 Использование и информативность ОГХ стр. 21

1.2. Передвижение влаги в поровом пространстве почв стр. 26

1.2.2. Перемещение влаги и веществ. Гидрохимические параметры стр. 30

1.2.3. Передвижение влаги в почвенном профиле стр. 39

1.2.4. Методы изучения передвижения и перераспределения

влаги и веществ стр. 42

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1 Почвы Владимирского ополья стр. 49

2.2 Методы исследования стр. 61 Глава 3. Физические свойства агросерой почвы. Основная гидрофизическая характеристика.

3.1 Физические свойства почв стр. 67

3.2 Основная гидрофизическая характеристика почвенных горизонтов в зависимости от размера образца стр. 70 Глава 4. Особенности передвижения ионов калия и хлора

в горизонтах почвенного профиля: модельные

лабораторные эксперименты стр. 79

Глава 5. Передвижение ионов калия и хлора в условиях напорной и не напорной фильтрации

5.1 Передвижение и перераспределение влаги и веществ в почвенном профиле стр. 85

5.2 Динамика температуры монолитов в зависимости от способа полива стр. 94 Выводы стр. 99 Список литературы стр.102 Приложение стр. 115

Введение

Актуальность.

К настоящему времени в агрофизике разработано несколько подходов по изучению гидрофизических свойств почв. Это использование почвенно-гидрологических и энергетических констант, основанных в первую очередь на подвижности и доступности влаги, структурно-функциональный подход, базирующийся на определении гидрофизических функций (Судницын, 1964; Роде, 1965; Нерпин, 1967; Глобус, 1969, 1982, 2001; Воронин, 1980, 1984, 1986; Дерягин, 1989; Смагин, 1998, 2004; Richards, 1931; Rattan, Manoj, 2004). Однако на сегодняшний день накопилось много данных о значимости специфических почвенных явлений как структурного тела, таких как формирование преимущественных потоков влаги, масштабный эффект (Зайдельман, 1974; Дмитриев, 1985; Шеин, 1996, 2001; Корсунская, 1986, 1997, 2001; Умарова, 2007, 2011; Bouma, 1978, 1979, 1982, 2006; Van Genuchten, 1980; De Rooij, 2000). Иерархичность строения почв ведет к необходимости учета масштаба определения гидрофизических параметров, что особенно важно при решении прогнозных задач по перемещению в почвенном покрове и попаданию в сопредельные среды различных веществ, в том числе и загрязняющих. Это определило актуальность и практическую значимость представленной работы.

Цель

Исследование особенностей гидрофизических и гидрохимических свойств агросерых почв Владимирского ополья на образцах разного размера и специфики перемещения почвенной влаги при разных способах подачи воды на поверхность.

Задачи

1. Изучить литературные данные о специфике строения почвенного покрова Владимирского ополья и особенностях пространственного распределения физических свойств почв. Исследовать морфологию и основные физические свойства агросерой почвы Владимирского ополья.

2. Определить основные гидрофизические характеристики (ОГХ) горизонтов агросерой почвы, полученных на почвенных образцах нарушенного строения, почвенных монолитах разных размеров и в полевых условиях.

3. Определить и проанализировать параметры влаго- и массопереноса агросерых почв в зависимости от размера почвенного образца.

4. Исследовать закономерности движения и перераспределения влаги и растворенных веществ в агросерых почвах в модельных полевых фильтрационных экспериментах при разном способе подачи влаги на поверхность почвы.

Научная новизна

В работе впервые были получены и проанализированы данные по водоудерживанию и переносу влаги и растворенных веществ на почвах нарушенного строения и монолитах различных размеров на примере агросерой почвы Владимирского ополья. Обнаружена специфика явлений и гидрофизических свойств генетических горизонтов данной почвенной разности, выразившаяся в изменении по профилю форм и расположения ОГХ, выходных кривых ионов и значениях почвенно-гидрологических констант и гидрохимических параметров массопереноса. Определена роль напора влаги при формировании преимущественных потоков на основе экспериментального сравнения пространственного распределения плотности, влажности и солей при напорной и не напорной подаче раствора на поверхность почвы.

Практическая значимость

Практическая значимость работы заключается в экспериментальном определении и анализе основных гидрофизических свойств почв на разных масштабах исследования, что позволит внести изменения и уточнения в различные модели влаго- и массопереноса.

Проведенные полевые модельные фильтрационные эксперименты дают возможность рекомендовать вести полив почв без формирования локальных напоров на поверхности для равномерного увлажнения верхних пахотных горизонтов почвенной толщи без непродуктивных потерь влаги по преимущественным путям.

Для практического решения обратной задачи быстрой транспортировки влаги и веществ сквозь почву малонапорная фильтрация воды ведет к ее сквозному переносу со значительным снижением явлений сорбции.

ГЛАВА 1. Литературный обзор

1.1. Основная гидрофизическая характеристика почвы (ОГХ)

В последнее время большое развитие получил термодинамический метод оценки состояния воды в почве (Судницын, 1964, 1966, 1979; Глобус, 1969; Iwata, 1972, 1974; Мичурин, 1975; Нерпин, Чудновский, 1967, 1975; Воронин, 1966, 1967, 1980, 1981).

Состояние почвенной влаги может быть охарактеризовано тремя показателями: 1) влагосодержанием (включая ее распределение во времени и пространстве); 2) фазовым состоянием (лед, жидкость, пар); 3) потенциалом влаги (водоудерживающая способность, «доступность»),

Влагосодержание зависит от внешних факторов (климатических - осадки, испарение; гидрологических - глубина колебания поверхности грунтовых вод, поверхностный сток и т.д.; антропогенной деятельности - орошение, дренаж, землепользование, агротехника и др.) и свойств почвы, воздействующих на перенос влаги. Режим почвенной влаги занимает особое место среди почвенных экологических факторов, определяющих экологический потенциал конкретной территории и биологическую продуктивность, т.е. продукцию биомассы различных естественных и агроэкосистем (Hillel, 1971, 1988; Physical aspects..., 1973;Ковда, 1974; Моделирование процессов..., 1980).

Любой полный анализ и моделирование состояния равновесия или движения влаги требуют данных по зависимости потенциала влаги от ее содержания в почве (Глобус, 1969; Soil water, 1972; Ivata, 1974; Мичурин, 1975; Нерпин, Чудновский, 1967, 1975; Смагин, 2003; Судницын, 1979, 2009, Шваров, 1985,2008).

Водная составляющая жидкой фазы подвержена действию силы тяжести,

влиянию растворенных солей и твердой фазы (включая адсорбированные ионы)

при данном сложении почвы, а также действию локального давления газовой

фазы почвы (Soil physics terminology, 1976). Все вместе эти факторы определяют

величину полного потенциала Полный потенциал ^ определяется как

величина полезной работы на единицу массы чистой воды (в Дж/кг), которая

должна быть совершена внешними силами для обратимого и изотермического

6

перевода бесконечно малого количества воды из стандартного состояния в почвенную жидкую фазу в рассматриваемой точке.

Почвенный потенциал в почве слагается из шести составляющих (Soil physics terminology, 1976)

4)t = + у/аскл + %я + %e + + v0CM

где Ч*р a - потенциал внешнего газового давления, ц,^Раскл _ потенциал расклинивающего давления, Урл - потенциал лапласова давления, 4>р - потенциал нагрузки,

- потенциал гравитации, Уосм - осмотический потенциал.

Гравитационный и пневматический потенциалы не зависят от свойств почвы и от уровня засоления и щелочности почвы В дисперсных системах расклинивающее и лапласово давления действуют совместно, а общий результат их действия проявляется в виде капиллярно-сорбционного или матричного потенциала. Он представляет собой векторную сумму различных сил притяжения, связанных с твердой фазой почвы, почвенным скелетом. Следовательно, состояние и «доступность» почвенной влаги в большинстве случаев определяются величиной капиллярно-сорбционного потенциала. Поэтому зависимости (pF-кривые) между всасывающим давлением почвенной влаги и содержанием влаги имеют особое значение при точном и количественном описании состояния почвенной влаги и гидрофизических свойств почвы {pF^gV, У- - (Ур1 +Урраскл)) (Моделирование процессов..., 1980). Знание pF-кривой позволяет для каждого значения всасывающего давления установить количество почвенной влаги, удерживаемое совокупностью сил притяжения, а также соотношение объемов пор, заполненных водой и воздухом. Поэтому эти зависимости можно использовать (Varallyay, 1973):

1) для точной характеристики потенциала почвенной влаги, энергетического состояния жидкой фазы почвы;

2) для оценки распределения пор по размерам при естественном и нарушенном сложении;

3) для определения гидрологических констант почвы: полной влагоемкости (при рГ=0), предельной полевой влагоемкости (ППВ, при рР=2,0-2,7), влажности завядания (ВЗ, при рр=4,2), диапазона доступной влаги, выражающегося разностью ПВ-ВЗ;

4) для регистрации и контроля изменений физических и гидрофизических свойств почвы под влиянием естественных или антропогенных факторов;

5) в практике орошения: для комплектования режимов орошения; определения оптимальной экологической и экономической продолжительности межполивных периодов и поливных норм; для правильного выбора способа орошения и техники полива; для обработки полевых тензиометрических измерений и т.д.;

6) для расчета гидравлической проводимости ненасыщенной водой почвы.

Зависимость между потенциалом (давлением) воды в почве и ее

содержанием отражает почти все основные водно-физические параметры почв. В связи с этим кривую, характеризующую эту зависимость, называют «основной гидрофизической характеристикой почвы» (ОГХ) (Глобус, 1969) или кривой удерживаемости воды (Воронин, 1981).

На кривой ОГХ можно выделить качественные области:

- область насыщения (в диапазоне рБ от 0 до 1,7),

- область капилярной влаги (в диапазоне рр от 1,7 до 3),

- область пленочной влаги (в диапазоне рБ от 3 до 4,5),

-область сорбированной влаги (в диапазоне рБ от 3 до 4,5).

В местах перехода от одной области в другую выделяют характерные точки. Первая такая точка соответствует давлению влаги близкому к 0, т.е. к условиям полного заполнения порового пространства почвы водой. В реальных условиях достичь полного насыщения практически никогда не удается, т.к. в почве постоянно присутствует защемленный и адсорбированный воздух. Для ряда суглинистых почв принято считать влажность полного насыщения равной примерно 0,8-0,9 от общей пористости.

Вторую характерную точку на кривой водоудерживания называют «давление барботирования» (она приходится на изгиб в нижней части ОГХ). Физический смысл достижения данного давления заключается в том, что начиная от давления влаги близкого к 0, давление понижают, а влажность почвы при этом остается практически неизменной. При этом происходит лишь изменение кривизны менисков, но вода в порах удерживается капиллярными силами, и при достижении давления влаги около 1,7 рр (для суглинистых почв) вода освобождает самые крупные поры и в них входит воздух (Воронин, 1986; Шеин, 2005). Величина давления барботирования может заметно варьировать в зависимости от свойств почв и в первую очередь от наличия макропор.

Третьей характерной точкой является точка перегиба на кривой ОГХ, соответствующая давлению влаги около 4,5-5 рБ и отражающая переход области пленочно-капиллярной влаги (заполнены водой только самые тончайшие капилляры) к сорбционной (влага удерживается адсорбционными силами) (Шеин, 2005).

Получается, что ОГХ - это фундаментальная характеристика, на основании которой можно характеризовать многие свойства и режимы функционирования почвы, поэтому весьма важным аспектом интерпретации ОГХ является изучение свойств почвы от которых зависит форма и положение кривой водоудерживания.

1.1.2. Зависимость ОГХ от фундаментальных свойств почвы

Положение и форма кривой ОГХ несет в себе информацию о множестве почвенных свойств. Рассмотрим как будет меняться водоудерживание при изменении этих свойств.

Мичуриным Б.Н. (1967), Растворовой О.Г. (1983), Капиносом В.А. (1985) и Шейным Е.В. (2005), показана зависимость положения и формы кривой ОГХ от гранулометрического состава. С его утяжелением возрастает количество мелких элементарных частиц почвы, что в свою очередь ведет к увеличению количества тонких капилляров. Поэтому при высоких значениях давления почвенной влаги, такая почва способна удержать больше влаги. В легких же

почвах напротив очень мало тонких капилляров, но много крупных. Поэтому получается, что почти во всем диапазоне давлений почвенной влаги тяжелая почва удерживает большее количество влаги (Капинос, 1985; Шеин, 2005).

Зависимость давления почвенной влаги от влажности очень чувствительна к

изменению удельной поверхности (механического состава) почвы (Степанов,

1979). В работе Мичурина Б.Н. (1967) указывается на то, что в почвах с

2 1

удельной поверхностью > 100 м /г при одном и том же давлении почвенной влаги влажность растет пропорционально их удельной поверхности, вследствие чего отношение влажности к удельной поверхности остается постоянным для различных исследованных почв (Мичурин, 1967).

Заметны так же различия в форме кривых: для почв тяжелого гранулометрического состава они более пологие и прямые, без резких изгибов, а у легких почв, напротив, имеются характерные перегибы. Это связано с тем, что в легких почвах поры достаточно хорошо сортированы по размерам и перегиб на кривой ОГХ соответствует величине давления, при котором освобождаются от воды поры определенного размера (Растворова, 1983).

Плотность почвы тоже оказывает заметное влияние на положение кривой ОГХ. Рыхлые почвы имеют большое количество крупных капилляров и пустот и поэтому содержат большое количество влаги при невысоких (с учетом знака) величинах давления влаги. При уплотнении крупные капилляры утоньшаются, увеличивая количество тонких и как следствие в области высоких давлений, в диапазоне крупных капилляров влажность будет снижаться, а при низких давлениях, в диапазоне тонких - возрастать по сравнению с неуплотненной почвой (Шеин, 2005). Набухание и усадка почвы при снятии кривой экспериментальными методами требует учета изменения величины плотности почвы и величины удельной поверхности, которое можно учесть выражая влажность почвы в объемных процентах, а удельную поверхность в см/см3. (Мичурин, Онищенко, 1978).

Структура естественных почв является динамичной, потому что складывается под влиянием агрегирующей способности вторичных глинистых минералов, таких как монтмориллонит, иллит, вермикулит, каолинит, т.е. под

воздействием минералогического состава почв. Эти минералы обладают подвижной кристаллической решеткой, большой внутренней и внешней поверхностью, что ведет к сильному развитию процессов набухания и усадки. Вследствие чего их содержание в почве сильно влияет на влагоудерживающую способность. Для примера сравним почвы с содержанием монтмориллонитовой и каолинитовой глин. За счет большей удельной поверхности и большего поверхностного заряда монтмориллонит способен удержать больше влаги на поверхности, поэтому кривая ОГХ располагается правее и выше (Мичурин, Онищенко, 1978; Шеин, 2005).

С физико-химической точки зрения увеличения содержания смектитовых минералов прежде всего повлияет на емкости катионного обмена (ЕКО). Увеличение ЕКО приводит к смещению ОГХ вправо. Важно отметить, что изменение положения ОГХ при увеличении ЕКО схоже с влиянием увеличения содержания физической глины. Для того чтобы выявить, воздействие какого из рассматриваемых факторов привело к «сдвигу» ОГХ в область больших влажностей (вправо) вводят такой показатель, как отношение ЕКО к содержнию физической глины: «ЕКО/(содержание физической глины»). Рост этого показателя связан с изменением минералогического состава в сторону увеличения содержания смектитовых минералов. И если изменение формы и положения кривой ОГХ связано с изменением этого показателя, то можно говорить о влиянии изменения минералогического состава на форму и положение кривой ОГХ (Шеин, 2005).