Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Оценка уплотнения почвогрунтов гидрофизическими методами как направление рационального использования земельных ресурсов

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Оценка уплотнения почвогрунтов гидрофизическими методами как направление рационального использования земельных ресурсов"

РГ6 од

На правах рукописи

' ^ 2 ОП '■"Г"

Сироткин Вячеслав Владимирович

Оценка уплотнения почвогрунтов гидрофизическими методами как направление рационального использования земельных ресурсов

Специальности: 11.00.11 - "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов"; 05.20.01 - "Механизация сельскохозяйственного производства".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

На правах рукописи

Сироткин Вячеслав Владимирович

Оценка уплотнения почвогрушов гидрофизическими методами как направление рационального использования земельных ресурсов

Специальности: 11.00.11 - "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов"; 05.20.01 - "Механизация сельскохозяйственного производства".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Работа выполнена в лаборатории "Гидрофизики и эрозии почвогрунтов" при Чувашской государственной сельскохозяйственной академии.

доктор технических наук, профессор Максимов И.И.

доктор биологических наук, профессор Колосов Г.Ф.

доктор биологических наук, профессор Давлетшин И.Д.

доктор технических наук, профессор Медведев В.И.

Ведущая организация - Министерство природных ресурсов Чувашской Республики

Защита состоится 25 июня в 15 часов на заседании Диссертационного Совета К053.29.23. по защите диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук при Казанском государственном университете им. В.И. Ульянова-Ленина по адерсу:

420008, Казань, ул. Кремлевская, 18, НИХИ им. Бутлерова, 2 этаж, ауд. П-1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КГУ.

Научный руководитель -

Консультант -

Официальные оппоненты: -

Автореферат разослан "25" мая 1998 г.

Ученый секретарь _„

Диссертационного совета „.¿¿"""г

кандидат технических наук, доцент Мангутова Л .А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рациональное использование земельных ресурсов сельскохозяйственного назначения - это прежде всего создание и поддержание комплекса оптимальных условий для развития культурных растений. Очень важной составляющей его частью является влагообеспе-ченность растений, потенциально задающаяся особенностями климата и реализизующаяся при активном участии свойств почв, в частности степени их уплотнения. Уплотнение почв как неизбежное следствие многократного воздействия на почву ходовых систем мобильной техники и рабочих органов почвообрабатывающих машин приводит к созданию все более мощной подпахотной подошвы в результате накопления остаточ-" ных деформаций, не подверженных релаксации в течение годичного цикла. Это вызывает нарушение естественной гидравлической связи между слоями капиллярно-подпертой и капиллярно-подвешенной влаги в зоне аэрации, выступающее следствием развития различных деградационных процессов, среди которых наиболее опасным является водная эрозия почв.

Непосредственная причина нарушения гидравлической связи -ухудшение водопроницаемости почвы, обеспечивающее увеличение модулей поверхностного стока, является, следовательно, при прочих равных условиях, результатом увеличения объемной массы почв. Установление достаточно строго описываемой зависимости между объемной массой (плотностью) и инфильтрацией чрезвычайно актуально для решения многих земледельческих и общемелиоративных проблем теоретического и особенно прикладного характера.

Поскольку плотность и водопроницаемость почв пространственно сильно вариабельны, то объективное получение этих показателей для какого-либо элемента (урочища) поля сопряжено с проведением многочисленных длительных операций. Поэтому вдвойне актуальной становится разработка методов и приборов, предназначенных для нетрудоемкого и надежного полевого и лабораторного их определения.

Цель исследования. Обоснование нового способа определения степени уплотнения почвогрунтов, основанного на использовании наиболее чувствительных к уплотнению гидрофизических показателей. Создание приборного- комплекса для полевых и лабораторных измерений этих показателей, обеспечивающих повышенную производительность, воспроизводимость и точность.

Объект исследования - слабокислые и нейтральные, незаселенные почвогрунты ненарушенного сложения.

Научная новизна. На основе созданной идеализированной модели почвогрунта найдена полуэмпирическая зависимость между коэффициентом фильтрации и объемной массой, что позволило в известных практических формулах для оценки уплотнения заменить измерения объемной массы измерениями полевого коэффициента фильтрации.

Разработаны и защищены авторскими свидетельствами (A.c. 1807340; A.c. 1822668; A.c. 1833810) и патентом (2076581) приборы и способы измерений гидрофизических характеристик почвогрунтов, в комплексе обеспечивающим необходимые и достаточные для оценки антропогенного их уплотнения.

Практическая значимость работы. Представляемые разработки позволяют проведение массовых измерений полевого коэффициента фильтрации, которые существенно облегчают составление специальных карт, выражающих особенности размещения почв по степени их уплотнения и, следовательно, облегчающие выделение участков, требующих проведения мероприятий по разуплотнению. Разработанный комплекс приборов может быть использован при измерениях соответствующих свойств поч-вогрунтов при осуществлении любых проектов, связанных с рациональным использованием почвенных ресурсов.

Реализация результатов исследования. Результаты исследований могут быть использованы для комплексной оценки земель, оптимизации их физического состояния при осуществлении осушительных, ирригационных и других мелиоративных проектов. Предложенный метод опробован для построении карты уплотненности почв экспериментального полигона в колхозе "Ленинская искра" Ядринского района и учебного хозяйства "Приволжское" Чебоксарского района Чувашской Республики.

Апробация работы. Основные положения диссертации излагались: на второй республиканской научной конференции - "Актуальные экологические проблемы республики Татарстан". Казань 1995; Волго-Вятской региональной научно-методической конференции - "Проблемы много-уровнего образования". Чебоксары, 1994; научно-практической конференции - "Развитие науки в Чувашской Республике". Чебоксары, 1994 г.

Структура и содержание диссертации, ее объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, приложений, общим объемом 174 страниц. Список литературы влючает 180 наименований, в том числе 67 на иностранных языках.

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы основные задачи исследования.

В главе первой "Основные гидрофизические и механические характеристики почвогрунтов и методы их измерения" рассмотрена система почва-растение-атмосфера, ее параметры и влияние на них уплотняющего воздействия. Показано, что наибольшую связь в подсистеме "почва" уплотненность имеет с водоудерживающей способностью, инфильтрацией, аэрацией и обрабатываемостью. Водоудерживающая способность и обрабатываемость, связаны с потенциалом почвенной влаги (ППВ), а инфильтрация и аэрация - с полевым коэффициентом фильтрации (ПКФ). Поэтому для оценки степени уплотненности почвогрунтов наибольший интерес представляют эти гидрофизические характеристики.

В настоящее время в качестве основного "выходного" параметра для оценки степени уплотнения почвогрунтов используется механическая

характеристика - объемная масса (ОМ), но она не является лимитирующим экологическим фактором, влияющим на развитие растений, хотя и может косвенным образом влиять на урожайность. В то же время названные гидрофизические характеристики имеют прямую связь с влаго-обеспеченностью растений и, следовательно, отражают влияние уплотнения на урожай. На основе представленного обзора литературы анализируются практические формулы для оценки уплотнения по различным гидрофизическим характеристикам. В заключение формулируются задачи исследования: разработка идеализированной модели почвогрунта, которая позволяла бы оценивать степень его уплотненности по гидрофизическим характеристикам, и создание приборного обеспечения полевых измерений соответствующих параметров, которые обеспечили бы возможность соответствия теоретических предпосылок с практическими результатами.

Во второй главе "Теоретическое обоснование к использованию гидрофизических характеристик почвогрунтов как критериев оценки уплотнения" предложена идеализированная модель почвогрунта. Идеализация заключается в предположении, что в пределах одного генетического горизонта структура почвы одинакова.

Для цилиндрического образца почвогрунта длиной 15 и радиусом общий объем пор можно представить как объем одной цилиндрической поры длиной Ь и радиусом Я«, называемый эквивалентным. Из предположения равновеликости суммарной площади сечения пор в любом перпендикулярном оси сечении образца и площади основания цилиндра эквивалентного радиуса вытекает соотношение:

V к2

К £ %

где УР - объем пор; - объем образца; Бе - площадь сечения поры эквивалентного радиуса; Бз - площадь сечения образца; Яе - эквивалентный радиус; - радиус образца; Р - пористость. Таким образом, по экспериментально измеренной пористости можно рассчитать площадь сечения пор и эквивалентный радиус.

При протекании сплошной среды (воды или воздуха) через образец почвы поток взаимодействует со значительной по площади поверхностью транспортных пор, что вызывает энергетические затраты, сравниваемые с энергией самого потока. Приравнивая энергетические затраты при протекании сплошной среды через образец, энергетическим потерям при протекании через цилиндрическую трубку той же длины, что и образец, из классического уравнения Пуазейля, может быть найден радиус такой трубки Я

н, называемый гидравлическим

(2)

у лрАр

где - .массовый расход сплошной середы кг/с; р - плотность сплошной среды кг/м3; др - разность давлений на концах трубки Па; Ь - длина труб-

ки, м; г) - динамическая вязкость, кг/мс. Массовый расход можно легко найти из эксперимента при заданной разности давлений, что позволяет рассчитать гидравлический радиус.

Фильтрация в почвогрунтах описывается законом Дарси

СЬ = К^8, (3)

где - объемный расход жидкости или газа через образец; К - коэффициент фильтрации образца для данной сплошной среды. Для той же сплошной среды, для трубки гидравлического радиуса, обеспечивающей такой же объемный расход, что и образец, при том же градиенте давления можно записать уравнение Пуазейля:

дт= . ' (4)

•8П Ы,

Приравнивая правые части уравнений (3) и (4), выразим коэффициент фильтрации

К = ^ (5)

Из уравнения (5) следует, что коэффициент фильтрации может быть рассчитан по экспериментально измеренному гидравлическому радиусу. Но гидравлический радиус не является явной функцией ОМ, которая в настоящее время используется как измеряемый "выходной" параметр при оценке плотности. Эквивалентный радиус - функция пористости, которая в свою очередь является функцией ОМ. Поэтому на основе теории аэрогидродинамического подобия и теории размерности доказано, что поток через трубку гидравлического радиуса подобен потоку той же среды через трубку эквивалентного радиуса длиной 1е. Получено простое соотношение, связывающее гидравлический и эквивалентный радиусы

4 = -= С (6)

К I,

где С - постоянная для данного образца и данной сплошной среды, определяемая экспериментально.

Объемная масса для образца связаная с пористостью соотношением

Р = Р.(1-Р) О)

где р., - плотность твердой фазы.

На основе выражений (5) и (6) коэффициент фильтрации может быть выражен

К = ^ (8)

8 лт]С

или, выделяя из уравнения (8) постоянный сомножитель запишем

р2

К = — (9)

А '

где А - постоянная для данного образца и данной сплошной среды, величина, определяемая экспериментально.

Таким образом, из уравнений (7) и (9) ОМ для данного конкретного образца связана с коэффициентом фильтрации соотношением

j р = р, (1 - л/üc) (10)

Рледовательно, в практических формулах для оценки плотности измерение ОМ могут быть заменены измерениями коэффициента фильтрации. Такая замена, как показано на примере обработки авторских и литературных данных методами теории ошибок, повышает чувствитель-ность.формул и, следовательно их информативность в 3-5 раз.

На практике, установив экспериментально значения коэффициента фильтрации для данного поля, можно установить картину пространственного распределения зон повышенной плотности. А на основе сравнений измеренных значений с классификационной шкалой, например шкалой Качинского, определить агротехнические и технологические мероприятия, обеспечивающие наилучшие, возможные для данного поля, условия влагообеспеченности растений.

Третья глава "Методы определения гидрофизических и механических свойств почвогрунтов и их приборное обеспечение" содержит теорию, описание конструкций, методики применения и оценку приборов и устройств, предназначенных для количественной оценки уплотнения почвогрунтов.

Для измерения ПКФ почвогрунтов разработан, изготовлен и испытан пермиметр, позволяющий также измерить сопряженные гидрофизические характеристики, такие как сорптивность, матричный потенциал потока, а-параметр и некоторые другие. Прибор является аналогом широко распространенного за рубежом Гулф-пермиметра, но отличается от него более высокой точностью, надежностью в работе, простотой в эксплуатации. Пермиметр заменяет широко известный в нашей стране прибор Нестерова, отличаясь от него малым временем измерения (0,25-0,5 часа, против 6 часов на одно измерение), малым расходом жидкости, снижением уровня ошибок за счет колебаний температуры за время измерения. В работе описаны две конструкции пермиметра. Даны теоретические и практические формулы для расчета гидрофизических характеристик разных типов почв по показателям прибора.

: Для оценки точности измерений, полученных в полевых условиях при помощи пермиметров, и нахождения значений коэффициента фильтрации в отсутствии "защемленного" воздуха было использовано модифицированное нами устройство для определения влагопроводносги дисперсных материалов (A.c. 564680). Это устройство позволяет измерить коэффициент фильтрации как при атмосферном давлении, так и под вакуумом. Модернизация устройства заключалась в изменении конструкции рабочей колонки таким образом, чтобы она вмещала цилиндрическую кассету с образцом почвогрунта ненарушенного сложения. Нена-рушенность образца обеспечивается тем, что он отбирается в полевых условиях непосредственно в кассету. Результаты сравнительной оценки измерений методом пермиметра (лабораторным методом без вакуумиро-

вания и с использованием вакуума) показали, что результаты полевых экспериментов при трехкратной повторности лежат в десятипроцентном доверительном интервале, что приемлемо для полевых экспериментов.

Коэффициент фильтрации связан со значениями потенциала влаги соотношением выражаемым экспоненциальной функцией Гарднера

К = Kf5 ехр (а у) (И)

где а - параметр, зависящий от свойств пористой среды, рассчитывается по показаниям пермиметра (м-1); V - потенциал почвенной влаги Дж/кг; KfS - полевой коэффициент фильтрации м/с.

Значение потенциала почвенной влаги может быть найдено по предварительно построенной графической зависимости между влажностью и потенциалом почвенной влаги, называемой основной гидрофизической характеристикой (ОГХ) для данной почвы. Учитывая, что для большинства культурных растений оптимальные значения потенциала влаги лежат в пределах от 0 до 1 атмосферы, для полевых и лабораторных измерений этой величины, обычно используются тензиометры-тензиоскопы.

Тензиометр-тензиоскоп (A.c. 1833810), разработанный нами, отличается тем, что в нем устранена гидравлическая связь между жидкостью в манометрической трубке и водой контактирующей с почвой. Это уменьшает интенсивность теплообмена и, следовательно, ошибки, связанные с температурными колебаниями за время измерения, что повышает точность. Тензиометр-тензиоскоп с изолированным измерителем прост по конструкции, надежен, имеет достаточно высокую точность, дешев. В нашей работе прибор использовался в полевых условиях для определения "точечных" значений потенциала почвенной влаги и в лаборатории для построения ОГХ основных типов почв Чувашской Республики.

На основе тензиомегра-тензиоскопа разработаны две модели приборов аналогичного типа, предназначенных для определения сроков и норм полива сельскохозяйственных культур в садах, огородах, теплицах и т.п. по данным упрощенного отсчета соответствующих значений потенциалов почвенной влаги (A.c. 1822668, патент № 2076581).

Для построения непрерывной зависимости потенциала почвенной влаги от влажности (ОГХ) в тех же пределах значений потенциала, что и для тензиометра, в лабораторных условиях был разработан капилляри-метр (A.c. 1807340). Испытания прибора показали, что он обеспечивает надежное измерение в пределах от 0,15 до 1,0 атм. Данные для идентичных образцов, полученные с помощью капилляриметра хорошо согласуются с данными, полученными с помощью тензиометра в лабораторных условиях.

Из уравнений (8) и (9) следует, что коэффициент фильтрации для данного образца зависит от его пористости. Поэтому нами разработан прибор для прямого измерения пористости ненарушенного почвенного образца. Работа прибора основана на изотермическом расширении воздуха, содержащегося в порах образца, в вакуум. В нашем случае были

выбраны почвенные образцы объемом около 500 см3, давление измерялось образцовым вакууметром с ценой деления 0,05 атм, что позволило измерить пористость для одного и того же образца при пятикратной по-вторносги со средней относительной ошибкой менее 1%, а для разных образцов, взятых с одной глубины, на расстоянии 0,5 метра друг от друга с максимальной ошибкой 2%.

Замена измерений ОМ традиционным методом измерениями ПКФ требует экспериментального определения постоянной А, для расчета которой необходимо знать гидравлический радиус. Для измерения гидравлического радиуса разработана, изготовлена и испытана установка, работающая по принципу измерения расхода воздуха, протекающего через образец почвы при известной разности давлений по уравнению (2). Установка портативная, что позволяет использовать ее непосредственно в поле.

Физические и гидрофизические свойства почвогрунтов являются необходимыми характеристиками при исследовании влияния на них как природных, так и техногенных факторов. Определение этих свойств требуют от образцов представительности, т.е. их свойства должны максимально приближаться к свойствам почвогрунта в его естественном состоянии. Поэтому предпочтение отдается приборам для отбора образцов, которые в наименьшей степени деформируют их.

Разработанный нами пробоотборник позволяет получить образцы почвогрунта с различной глубины при минимальной их деформации. Это достигается тем, что образец отбирается в металлическую кассету, расположенную во внутреннем стакане пробоотборника, причем внутренняя поверхность кассеты расположена заподлицо с режущей кромкой стакана. Внутренний стакан закреплен на торце штока и движется при отборе образца поступательно, что обеспечивает минимальную деформацию почвогрунта. Для облегчения погружения внутреннего стакана на значительную глубину, внутренний стакан помещен во внешний, закрепленный на торце трубчатого штока, через который пропущен шток внутреннего стакана. Нижняя кромка внешнего стакана снабжена рыхлящими лапами, совершающими вращательное движение вокруг оси, общей для внешнего и внутреннего стаканов. Пробоотборник позволяет отбирать образцы ненарушенного сложения, которые вместе с кассетой отправляются для определения объемной массы, пористости, гидравлического радиусу, постоянных С и А и т.д. Все это позволяет снять полный комплекс измерений на одном и том же образце не нарушая его целостности.

' Глава четвертая "Проведение экспериментов, их результаты и анализ" .содержит фактически полученные данные, представленные в табличной и графической формах, и их обсуждение.

: Исследования проводились на экспериментальном полигоне в колхозе '"Ленинская искра" Ядринского района Чувашской Республики на 354 га. Всего обследовано 85 точек. Территория входит в агроклиматический; район с умеренно континентальным климатом, с теплым летом,

умеренно холодной зимой и хорошо выраженными переходными сезонами. Преобладающие ветры: зимой - юго-западные; летом - западные. Климатические условия благоприятны для возделывания районированных сельскохозяйственных культур.

Территория относится к Присурско-Приволжскому эрозионному району и характеризуется склоном восточной экспозиции, пологим в верхней части и более крутым, граничащим с поймой речки Орбашки. Участок разделен на две неравные части оврагом в направлении запад-восток. Наиболее распространенные на полигоне почвы: темно- и светлосерые лесные, легкоглинистые средне- и тяжелосуглинистые.

Измерения гидрофизических и физических характеристик проводились в следующем порядке:

- для основных типов почв при помощи тензиометра строили кривые зависимостей потенциала влаги от влажности (ОГХ);

- в послеуборочный период намечали точки проведения измерений в полевых условиях;

- в каждой точке одновременно измеряли: ПКФ при помощи пер-миметра для глубин 20, 40, 60 см; потенциал влаги при помощи тензио-метра-тензиоскопа и серийного тензиометра АМ-20; ОМ весовым методом; полную и активную пористость методом расширения воздуха в вакуум; отбирали образцы для измерения влажности термостатно-весовым методом;

- в лабораторных условиях определяли: коэффициент фильтрации под вакуумом/влажность, рассчитывали плотность твердой фазы образцов ненарушенного сложения;

- в качестве примера практического использования полученных результатов строили карты в изолиниях значений ПКФ для различных глубин, на основе которых определялись участки, подлежащие разуплотнению.

Анализ кривых ОГХ, проведенный по экспериментальным данным для верхних генетических горизонтов, показал, что для всех образцов наблюдается довольно быстрое снижение влажности при низких значениях потенциала, которое замедляется при более высоких. Начиная с некоторого значения потенциала зависимость между влажностью и потенциалом влаги становится близкой к линейной. Численные значения потенциала, соответствующие замедлению скорости изменения влажности более высокие для почв более грубого мехсостава и более низкие для почв с большим содержанием глинистых частиц. Абсолютные значения влажности при одинаковых значениях потенциала влаги возрастают в направлении песоК"Глина. Влияние уплотнения на ОГХ выражается в снижении влажности при одном и том же значение потенциала влаги по мере возрастания ОМ. Выявлено, что кривые ОГХ для различных значений ОМ имеют тенденцию к слиянию по мере возрастания значений потенциала. Точки слияния кривых для дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв лежат в пределах до 0,8 атм. Для выщелоченного чернозема

такая точка лежит за пределами измеренных значений потенциала, что отражает наличие многоступенчатой структуры его сложения. Оценка уплотненности почв по значениям потенциала влаги имеет предел применимости, ограниченный точкой слияния кривых ОГХ. На рис. 1 показаны ОГХ для ненарушенных образцов темно серой лесной почвы различных объемных масс.

Численные значения точек слияния кривых возрастают в направлении песок-глина. Следовательно, наибольшее отрицательное влияние уплотнения проявляется в почвах глинистого и суглинистого гранулометрического состава. С точки зрения обеспечивания влагой культурных растений вытекает, что для почв грубого мехсостава, например дерново-подзолистых, влияние уплотнения на продуктивность растений распространяется на значения потенциала менее 0,3 атм, т.е. сказывается отрицательное только на те растения, "комфортные" условия для которых лежат в пределах от 0 до 0,3 атм. Однако практика показывает, что при уплотнении снижается урожайность и для тех растений, комфортные условия для которых лежат выше течки слияния кривых ОГХ. Это говорит о том, что влагопроводность почвы не обеспечивает поступления влаги в корнеобитаемый слой в количествах, позволяющих поддерживать потенциал влаги в оптимальных пределах. Следовательно, лимитирующим фактором выступает влагопроводность почвы..

Анализ результатов полевых измерений фильтрационных характеристик показывает:

- численные значения полевого коэффициента фильтрации измеренные пермиметром лежат в пределах значений, измеренных другими методами;

- разброс значений (при трех повторностях) при измерениях пермиметром меньше чем при использовании других методов, что говорит

о лучшей воспроизводимости и более высокой достоверности результатов;

- в большинстве точек измерений наименьшие значения полевых коэффициентов фильтрации соответствуют слою, расположенному на глубине 20 см, что говорит о максимальном техногенном уплотнении в этом слое (плужная подошва);

- средние значения полевого коэффициента фильтрации для глубины 40 см превышают его средние значения для глубины 60 см, что говорит о влиянии уплотняющего воздействия техники на глубины, превышающие обрабатываемый слой почвы;

- по шкале H.A. Качинского оценка водопроницаемости почв в большинстве точек соответствует критерию "удовлетворительная" или "неудовлетворительная", что говорит о слабой дренируемости почвы, причиной которой явилось техногенное уплотнение;

Исследованы возможности измерения полевого коэффициента фильтрации по экспериментальным данным просачивания воздуха через образец на основе идеализированной модели, которые показали:

Рис. 1: Основная гидрофизическая характеристика для ненарушенных образцов из горизонта АгВ (30-40) см темно-серой лесной почвы при различной объемной массе: х - 1,39 г/см3; Д -1,51 г/см3; О -1,58 г/см3.

- метод расчета полевого коэффициента фильтрации по просачиванию воздуха достаточно точек и применим при массовых определениях этой величины как более быстрый, менее трудоемкий и не требующий большого количества воды;

- предложенная идеализированная модель позволяет использовать формулу (10) для оценки плотности и замены измерений ОМ измерениями ПКФ, что позволяет повысить информативность и чувствительность формул, описывающих влияние на свойства и продуктивность почвы, уплотняющее воздействие техники.

Для проектирования мероприятий по разуплотнению на конкретном поле надо учитывать пространственную изменчивость ПКФ, которая может быть представлена в форме карт в изолиниях этой величины. В лаборатории "Гидрофизики и эрозии почв" при ЧГСХА разработана программа для компьютерного построения таких карт. По нашим данным были построены такие карты экспериментального полигона для глубин 20, 40, 60 см. Анализ карт показал, что для глубин 20 см вся площадь требует разуплотнения. Для глубины 40 см состояние можно считать "удовлетворительным" и "хорошим" с точки зрения влагопровод-ности за исключением участков наиболее смытых в следствии эрозии. Полевой коэффициент фильтрации для глубины 60 см принимает "неудовлетворительные" значения только на узкой полосе, где почва максимально подвержена эрозии.

Из анализа распределения значений полевого коэффициента фильтрации следует:

- максимальное техногенное уплотнение возникает в верхнем горизонте в области плужной подошвы;

- уплотняющее воздействие техники максимально проявляется в зонах, подверженных эрозии, где уплотнение протекает до максимальных глубин. На рис. 2 представлена карта распределения коэффициента фильтрации на экспериментальном полигоне для глубины 40 см.

Выводы

1. Разработана идеализированная модель почвогрунта, основанная на предположении его изотропности в пределах одного генетического горизонта. На основе теорий размерности и подобия показана возможность применения модели для описания фильтрационных процессов. Чувствительность оценки плотности по результатам измерений фильтрационных характеристик, как показали результаты экспериментальной проверки, в 3-5 раз выше, чем по результатам измерений объемной массы традиционным методом.

2. Для экспериментального определения гидрофизических и механических характеристик почвогрунтов разработаны, изготовлены и испытаны на практике следующие приборы и оборудование:

- две модели пермиметров - приборов для измерения коэффициента фильтрации в полевых условиях;

Рис. 2. Распределение коэффициента фильтрации на экспериментальном полигоне для глубины 40 см (цифры показывают значение коэффициента фильтрации х 10-^м/с)

- три модели тензиометров-тензиоскопов - приборов для измерения потенциал влаги в полевых и лабораторных условиях;

- кашшшриметр - лабораторный прибор для измерения потенциала влаги;

- устройство для прямого измерения полной и активной пористости;

- устройство для определения коэффициента фильтрации и постоянной по просачиванию сплошной среды через образец почвогрунта;

- пробоотборник образцов почвогрунта ненарушенного сложения.

Большая часть разработанный приборов и устройств защищена авторскими свидетельствами и патентами РФ.

3. Анализ экспериментальных данных показал, что метод оценки плотности по измерениям водоудерживающей способности имеет ограниченной применение, так как кривые ОГХ для образцов одной и той же почвы при различных значениях объемной массы имеют тенденцию к слиянию, причем точки слияния для дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв лежат в пределах "комфортных" для большинства растений значений потенциала влаги. Из чего следует, что отрицательное влияние уплотнения с точки зрения доступности влаги растениям сказывается только до точки слияния кривых ОГХ.

4. Метод оценки уплотнения по измерениям коэффициента фильтрации обладает высокой чувствительностью, имеет широкие пределы применимости и может быть рекомендован как основной.

5. На основе экспериментальных данных, полученных для экспериментального полигона площадью 354 га в колхозе "Ленинская искра" Ядринского района 4P, построены компьютерная карта в изолиниях значений коэффициента фильтрации для глубин 20, 40, 60 см, из анализа которых следует, что в слое 20 см вся территория требует

мероприятий по разуплотнению, в слое 40 см аналогичные мероприятия должны быть проведены только на ограниченной площади, отличающейся также высокой степенью эродированности, слой 60 см не требует мероприятий по разуплотнению.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.И.И. Максимов, В.В. Сироткин. Оценка и прогноз эрозионных процессов. // Актуальные экологические проблемы республики Татарстан. Тез. докл. 2 респ. науч. конф. - Казань: 1995, с. 146-147.

2. Сироткин В.В., Сироткин В.М. Тензиомегр. // A.c. 1833810 СССР G 01 N 9/24, 1993, Бюл. № 30.

3.: Сироткин В.В., Сироткин В.М. Тензиомегр. //A.c. 1822668 СССР G 01 N 9/24, 1993, Бюл. № 23.

4. Сироткин В.В. Индикатор полива. И Патент 2076581 РФ. 6A01G 25/16, 27/100, 1997, Бюл. № 10..

5. Сироткин В.В., Сироткин В.М. Капилляриметр. //А.с. 1807340 G

01 N 15/08. - 1993, Бюл. № 13.

6. Сироткин В. В., Максимов И. И. Система почва-растение-атмосфера, её свойства и их изменение при техногенном уплотнении. // Актуальные экологические проблемы республики Татарстан. Тез. докл.

2 респ. науч. конф. - Казань: 1995, с. 40-41.

7. Сироткин В.В., Максимов И.И. Оценка техногенного уплотнения почвогрунтов по их гидрофизическим характеристикам с помощью пермиметра. // Труды ЧСХИ. т. 11. вып. 3 - Чебоксары: 1995. С. 101 - 108.

8. Сироткин В.В. Гидрофизические характеристики почв как индикатор их уплотнения. II Труды ЧСХИ. т. 11. вып. 3 - Чебоксары: 1995. С. 10Г103.

9. Сироткин В.В., Максимов И.И. Оценка земель по их фильтрационным характеристикам. И Сб. Земельный фонд Чувашской Республики и его современное состояние. - Чебоксары, 1995. С. 51-53.

10. Сироткин В.В., Максимов И.И. Полевой прибор для определения воднофизических характеристик почвогрунтов. II Эколог, вест. Чувашии- 1995, №5. с. 77.

11. Сироткин В.В. Экологический аспект влияния техногенного уплотнения почв на их гидрофизические характеристики. // Тез. докл. Волго-Вятский регион, науч.-метод. конф. - Пробл. многоуровневого образования. - Чебоксары. Чув. ГУ. 1994.

12. Сироткин В.М., Максимов И.И., Аквильянов А.П., Сироткин В.В. Применение термодинамического метода к гидрофизическим исследованиям, // Тез. докл. на науч. - практ. конф. - Развитие науки в Чувашской республике. Междунар. выставка-презентация - Чувашия - новое время. - Чебоксары. 1994.

.13. Сироткин В.М., Максимов И.И., Аквильянов А.П., Сироткин В.В. Системный подход к исследованию свойств почвогрунтов, // Тез. докл. Волго-Вятской регион, науч.-метод. конф. - Пробл. многоуровневого образования. - Чебоксары: Чув ГУ. 1994.

СИРОТКИН ВЯЧЕСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ

Оценка уплотнения почвогрунтов гидрофизическими методами как направление рационального использования земельных ресурсов

Подписано в печать 20.05.1998 г. Формат 60x84/16. Бумага ксероксная. Уч. печ. листов 1. Тираж 100 экз. Заказ 52. Печать: РИО Чувашской ЧГСХА. 428000, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, 29. Лицензия ПЛД № 27 - 36.