Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Перенос веществ по макропорам в дерново-подзолистых почвах

ВАК РФ 06.01.14, Агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Перенос веществ по макропорам в дерново-подзолистых почвах"

од

На правах рукописи

КУХАРУК Наталья Степановна

ПЕРЕНОС ВЕЩЕСТВ ПО МАКРОПОРАМ В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВАХ

Специальность 06.01.14 — агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва — 1998

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

Научный руководитель:

Доктор биологических наук, профессор Е. В. Шеин

Официальные оппоненты:

Доктор биологических наук А. И. Поздняков Кандидат биологических наук О. А. Салимгарссва

Ведущее учреждение:

Владимирский НИИ сельского хозяйства РАСХН

Защита состоится « /9 » ^ 1998 г. в /£час. З&ыш. в аудитории М-2 на заседании диссертационного совета по почвоведению К-053.05.16 на факультете ¡почвоведения МГУ.

Адрес: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан « /О » ОЛ^/'^Л^ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Г. В. Мотузова

Актуальность темы: Важнейшими современными экологическими и хозяйственными проблемами земледелия является загрязните пестицидами, удобрениями, продуктами выбросов промышленного производства, а также проблема засоления почв. Для прогнозирования экологической ситуации необходимо знать закономерности движения воды и растворенных веществ. Особую сложность вызывает изучение массопереноса в почвах, для которых характерна макропористость. Нередко до 80 % инфильтрационного стока осуществляется по макропорам и трещинам. В связи с этим актуальны исследования закономерностей и разработка прогнозных моделей передвижения почвенных растворов с учетом бимодальности распределения пор по размерам.

Цель работы: изучение закономерностей переноса веществ по макропорам дерново-подзолистой почвы.

Задачи исследования:

1. Экспериментальные исследования переноса веществ (воды, сорбирующихся и несорбирующихся ионов) по макропорам дерново-подзолистой почвы при различном состоянии поверхности.

2. Определение физических свойств, гидрофиз!гческих функций и гидрохимических параметров переноса веществ (коэффициента гидродинамической дисперсии и коэффициента распределения).

3. Изучение пространственного распределения потоков воды и растворенных веществ, передвигающихся по почвенным макропорам.

4. На основании сравнения результатов модельных расчетов с данными полевых наблюдений выявить специфические особенности переноса веществ по макропорам.

Научная новизна: Выявлены специфические особенности переноса веществ по макропорам, заключающие в (1) высокой скорости переноса, (2) практическом отсутствии сорбционных явлений и (3) возможности такого рода выноса веществ за пределы корнеобитаемого слоя почвы при общем восходящем потоке.

Практическая значимость работы: Предложена методика лизиметрического экспериментального изучения величин и закономерностей пространственного распределения потоков веществ по макропорам.

Апробация работы: Основные положения работы докладывались на всесоюзной школе-конференции молодых ученых «Современные проблемы почвоведения и экологию) (Красновидово, 1992), конференции «Физика почв и проблемы экологии» (Пущино, 1992), международном совещании по моделированию почвенных процессов (Пущино, 1993), на международной конференции молодых ученых и специалистов «Итоги научных исследований молодых ученых-аграрников в условиях реформирования АПК» (Киев, 1996), на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ ( март 1998г.)

Публикации: По теме диссертации опубликовано четыре работы.

Структура и объем работы: Диссертационная работа изложена на

..... страницах, состоит из введения, ..... глав, выводов, списка

литературы, включающего ..... наименований (в том числе .....

зарубежных авторов), приложения, включает.....рисунков и.....таблиц.

Диссертационная работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Автор выражает искреннюю признательность сотрудникам кафедры физики и мелиорации почв МГУ к.б.н. А.К. Губеру, к.б.н. А.Б. Умаровой и A.B. Дембовецкому за оказанную помощь при выполнении работы.

Глава 1. Современные представления о макропорах и их роли в переносе веществ

Явление переноса веществ по макропорам не имеет до настоящего времени всестороннего физического обоснования, соответствующих экспериментальных методов исследования и специальных прогнозньи моделей. Многие исследователи указывали па доминантное значение макропор в переносе воды, растворенных веществ, поглощенных и обменных ионов, взвешенных веществ, а также микроорганизмов. Г.Н. Высоцкий, H.A. Качннский, A.A. Роде и др. справедливо подчеркивали большое значение трещин в формировании гидрологического режима почв. Ф.Р. Зайдельман (1968) отмечал, что крупные поры почв являются относительно стабильными каналами нисходящей миграции гравитационной влаги не только во влажные, но и в относительно сухие периоды вегетации, oim играют важную роль в формировании морфологических признаков оглеения суглинистых и глинистых дерново-подзолистых почв (пятна оглеения, вытянутые преимуществешю в вертикальном направлении, мраморовидная окраска иллювиальных горизонтов и др.). Phillips (1979), Bouma (1983), Kanwar (1990), Jarvis (1995) регистрировали вынос удобрений, гербицидов, пестицидов, радионуклидов и других веществ в нижележащие горизонты почв и в грунтовые воды.

Проблема оценки транспорта веществ через макропоры состоит, по-видимому, в том, чтобы обосновать специфику и характеристики этого переноса, экспериментально вычленить перенос по макропорам, количественно оценить этот поток и использовать эти данные как основу для разработки полуэмпирической модели влаго- и солепереноса.

Глава 2. Объект и методы исследований

Полевой эксперимент по исследованию переноса воды и веществ по макропорам проводился на территории учебно-опытного почвенно-экологического центра «Чашниково» факультета почвоведения МГУ

им. M.В. Ломоносова (Московская область). Объектом исследования были дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы, расположенные на территории лаборатории почвенно-геохимического мониторинга. Элемент рельефа - водораздел.

Были выделены три экспериментальных участка 2x2 м под разными видами состояния поверхности почвы: под многолетними травами (участок 1), под черным паром (участок 2) и под многолетними древесными насаждениями - сад (участок 3). Такой подбор участков был целенаправлен : предполагалось, что на участке 1 макропоры могли быть представлены как биопорами (ходы корней, червороины), так и межагрегатной стабильной порозностью; на участке 2 только межагрегатными порами и трещинами; на участке 3 - крупными порами по корням древесных насаждений, а также межагрегатными крупными порами.

Для наблюдения за послойной динамикой капиллярно-сорбционного давления влаги использовали тензнометры с ртутными манометрами чашечного типа, влажность по вариантам определяли нейтронным влагомером, а также термостатно-весовым методом до 120 см. Испарение на участке черный пар, а также эвапотранспирацию на двух других участках, покрытых растительностью, определяли с помощью испарителя Рыкачева. Выпадающие осадки регистрировали осадкомерами. На каждом участке были установлены вакуумные керамические пробоотборники поровых растворов. Лизиметры площадью 1500 см2 со специальными ячейками (площадь одной ячейки - около 25 см2), установленные на глубинах 30 и 60 см, использовали для определения объемов растворов, концентрации в них ионов калия и хлора, а также для пространственного распределения потоков веществ. Другие физические свойства определяли по традиционным методикам.

Параллельно с отбором образцов почвы на влажность отбирались образцы на определение в ней содержания водорастворимых форм калия и хлора. Содержание хлорид-ионов в лизиметрических растворах, поливных водах и почве определяли аргентометрическим методом по Мору, а калий - пламеннофотометрическим методом (Аринушкина, 1970).

Для балансовых расчетов по Кг и СГ в полевых условиях производили отбор растительных образцов с 1 и 3 участков. Учитывалась фитомасса надземной (листья, стебли) и подземной (корни) частей растений. Позже в лаборатории на рентгенофлуоресцентном анализаторе определяли процентное содержание калия и хлора в растениях. В эксперименте с почвенными колонками были выполнены определения шага смешения для хлора и коэффициента распределения для калия на основании «выходных кривых» для указанных ионов.

Полученные данные были обработаны в программах SOMPAR (апроксимация данных о влагоудерживающей способности почв), CFIT

(«выходные кривые»), по модели влаго- и солепереноса (FAUST), а также в программах STAT1STICA, EXCEL, SigmaPlot.

Исследуемая почва характеризуется основными агрофизическими свойствами, представленными в таблице 1. По результатам микроагрегатного и гранулометрического анализов почв под черным паром и многолетними травами была проведена оценка фактора дисперсности по H.A. Качинскому. В целом, на двух участках наблюдалась неудовлетворительная микроагрегированность, при этом более высокий фактор дисперсности отмечался для поверхностного слоя почвы под черным паром, где составлял 51,9 % , а на участке под многолетними травами - 37,4 %. В то же время оценка агрегатного состава по результатам сухого н мокрого просеивания показала, что водоустойчивость агрегатов достаточно высокая, однако поверхностные слои почвы под черным паром имеют более низкую водоустойчивость агрегатов (табл.1), чем под многолетними травами, где сумма водоустойчивых агрегатов >0,25 мм выше, что связано со структурирующим действием многолетних трав, сказывающимся в увеличении михроагрегированности и водоустойчивости структуры. Остальные физические свойства исследуемых почв по различным вариантам изменялись незначительно.

Глава 3. Полевой эксперимент по изучению переноса веществ по макропорам

Полевой опыт был проведен с июня по сентябрь 1992 года. Рассматривались явления переноса в масштабе нескольких квадратных метров.

Погодные условия 1992 года были крайне засушливыми, естественных осадков за весь период наблюдений (июнь - сентябрь) выпало лишь 32 мм. На каждом-участке провели по 3 пошша. Первый полнв нормой 50 мм 0,05 н раствором KCl, а второй и третий поливы природной водой нормами 50 и 60 мм соответствегшо. Сроки поведения поливов на участке под многолетними травами (13.06, 24.07, 13.08.92), под черным паром (12.06, 24.07, 13.08.92), под садом (27.06, 30.07, 13.08.92). Ионы калия и хлора в данном эксперименте служили сорбирующейся и несорбирующейся метками. После поливов и осадков через 2-5 часов лизиметры вынимали, учитывали количество раствора в каждой из ячеек, а также определяли концентрации ионов К' и СГ . Количество раствора в ячейке характеризовало перенос раствора по макропорам.

В качестве примера на рис. 1. приведены динамики давления влаги и влажности почвы для участка 1. Тензнометрическне измерения показывают, что проникновение растворов на глубины 30 и 60 см происходит значительно позже, чем собранных в лизиметрах через несколько часов после полива. Следовательно, этот раствор собирается в

Таблица 1

Некоторые физические свойства дерново-подзолистых почв по вариантам исследования

Горизонт, Глу- Плот- Плот- Плот- Содер- Содержание Ф-р Водо- нв,

мощность, би- ность ность ность жание агрегатов дис- прони- %к

см на, поч- твер. агре- физ. >0.25 мм пер., цае- весу

см вы, фазы. гатов, глины, Кд, мость.

г/см3 г/см3 г/см3 % сух. | мокр. % см/сут

Вариант 1 - многолетние т равы

да 0-5 5 1.44 2.55 1.50 36 1 60.6 42.3 37.4 120 8 30.6

20 1.51 2.59 1.57 34.6 59.1 48.7 32.4 114.4 28.2

А1 5-30 30 1.57 2.57 1.59 37 6 66.8 47.6 38.5 60.1 22.0

А1А2 30-40 40 1.67 2.56 1.68 35.7 64.0 35.6 33.7 36.1 18.6

А2В 40-47 50 1.65 2.60 1.68 40.2 65.3 35.2 - 27.2 20.1

В1 47-63 60 1.69 2.65 1.71 41.1 - - - 17.9 20.9

В2 63-76 70 1.73 2.64 1.75 40.5 - - 20.5 18.5

ВС 76-130 80 1.67 2.65 1.70 43.3 - - - 5.3 19.2

90 1.76 2.69 1.77 45.0 - - - 6 6 190

Вариант 2 - черный пар

Ар 0-26 5 1.24 2.60 1.46 34.6 50.8 35.0 51.9 140.2 29.1

20 1.48 2.62 1.58 36.0 41.7 33.9 50.9 78.6 24.9

А1А2 26-35 30 1.54 2.63 1.55 34.4 46.5 36.4 55,2 49.1 21.1

А2В 35-45 40 1.59 2.60 1 68 37.8 42.1 27.0 43.7 34 5 23.6

В1 45-59 50 1.60 2.64 1.76 30.6 43 5 31.2 - 17.2 22.8

60 1 64 2.65 1.79 35.2 - - - 23.0 20.1

В2 59-80 70 1.70 2.67 1.79 40.7 - - - 8.5 21.4

ВС 80-130 80 1.75 2.67 1.76 38.9 - - - 11.2 21.5

90 1.81 2.68 1.83 40.8 - - - 7.2 19.6

Вариант 3 - многолетние д ревесные насаждения (сад)

А 0-32 5 1.30 2.58 1.50 34.8 - - - 89.2 27.1

20 1.36 2.59 1.43 35.2 - - - 66.1 25.0

30 1.47 2.61 1.54 35.6 - - - 75.0 22.4

А1А2 32-40 40 1.55 2.60 1.60 30 6 - - - 20.8 20.3

А2В 40-50 50 1.67 2.62 1 68 38.8 - - - 18.9 17.4

В1 50-62 60 1.69 2.65 1.73 36.4 - - - 25.4 19.6

В2 62-75 70 1.71 2.66 1.74 38.7 - - 32.4 20.7

ВС 75-133 80 1.80 2.68 1.85 40.0 - - - 13.1 190

90 1.83 2.71 1.88 42.1 - - - 10.1 19.9

Р. см вод. ст.

т

30 40 50 Время, сутки

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

О С

к" *

3

-г1- о

30 40 50

Время, сутки

Рис. 1. Динамика давления почвенной влаги - Р, см вод. ст. (а) и влажности почвы - О, % к объему (б) на глубинах 30 (1) и 60 см (2) в дерново-подзолистой почве под многолетними травами.

X

с; о с

о

О

ячейках в результате «проскока» по макропорам, а не двигаясь с фронтом увлажнения. Нейтронный влагомер менее чувствителен, особенно в поверхностных слоях: минимумы и максимумы на динамических кривых, полученные тензиометрически и с помощью нейтронного влагомера, не всегда совпадают (рис. 1), что можно объяснить тем, что определение влажности нейтронным влагомером захватывает значительно больший почвенный слой радиусом около 20 см.

Данные об объемах растворов, прошедших через макропоры, и отдельно по ионам калия и хлора представлены на рис. 2-4 и табл. 2. Данные табл. 2 свидетельствуют, что на глубину 30 см поступило от 1,58 % до 9,33 % от общего объема раствора, подававшегося на площадку. Объем же раствора, прошедшего через макропоры, на глубину 60 см, был ниже и составил 0,28 - 1,12 %.

Таблица 2

Количества раствора, ионов калия и хлора, относительно внесенных с поливом, прошедшие на глубины 30 и 60 см через макропоры, (%)

Полив Вынос, % Участок 1 Участок 2 Участок 3

от (луг) (пар) (сад)

внесенного 30 см 60 см 30 см 60 см 30 см 60 см

раствор 6.03 0.36 1.58 - 3.97 1.12

1 полив К+ 4.68 0.27 0.91 - 2.21 0.56

С!" 6.01 0.37 1.56 - 3.65 1.03

раствор 8.12 0.61 9.33 0.78 2.35 -

К+ 1* 10.01 0.67 34.32 4.57 1.88 -

2 полив 2* 0.01 0.001 0.03 0.004 0.002 -

сг 1* 56.49 5.08 161.7 13.58 12.06 -

2* 0.36 0.03 1.03 0.09 0.08 -

раствор 7.35 0.28 - - 2.88 -

К+ 1* 11.25 0.12 - - 2.15 -

3 полив 2* 0.01 0.001 - - 0.002 -

СГ 1* 15.01 0.84 - - 4.46 -

2* 0.11 0.01 - - 0.03 -

Всего раствор 7.17 0.42 5.45 0.78 3.07 1.12

за три К+ 4.70 0.27 0.94 0.004 2.21 0.56

полива СГ 6.48 0.41 2.59 0.09 3.76 1.03

1* - % к внесенному с 2, 3-м поливом 2* - % к внесенному с 1-м поливом

V, мл 1 П0Ш1В 60-

П полив

Ш полив

С/Со, К+

С/Со, К"

С/Со, СГ

42 -

Рпс.2,. Пространственное распределите объемов растворов (V, мл),

относительных Koimeirrpaigrii (С/Со, где С - концентрация в ячейке лизиметра, Со - в поливной воде) ионов К* н СГ в ячейках лизиметров на глубинах 30 (а) и 60 см (б) после трех поливов участка под многолетними травами.

I полив

П полив

С/Со, К*

растворов нет

40 20

й II1

д 4ЧШ/

С/Со, К+' 12 -

Ш полив

растворов нет

растворов нет

Рис. 3. Пространственное распределение объемов растворов (V, мл),

относительных концентрации (С/Со, где С - конценграцня в ячейке лизиметра, Со - в поливной воде) ионов К* и СГ в ячейках лизиметров на глубинах 30 (а) и 60 см (б) после грех поливов участка под черным паром.

I полив

С/Со, С1"

1-

21

Ш полив

V, мл

30'

20-

10-

С/Со, К+ 2"

С/Со, СГ 2"

раетворов нет

растворов нет

Рис. 4. Пространственное распределение объемов растворов (V, мл),

относительных концентрации (С/Со, где С - концентрация в ячейке лизиметра, Со - в поливной воде) ионов К* и СГ в ячейках лизиметров на глубинах 30 (а) и 60 см (б) после трех поливов участка под древесными насаждениями.

1

Наиболее стабильные результаты наблюдались на участке 1 под луговой растительностью, где проникновение растворов через макропоры наблюдалось при всех трех поливах. В то же время на участке 2 под черным паром и участке 3 под садовыми насаждениями при отдельных поливах либо не было проникновения вод в лизиметры вообще, либо только на глубине 30 см. Это, по-видимому, объясняется тем, что под многолеттши травами существует наиболее стабильная система макропор, и притом, макропоры в основном биологического происхождения (ходы почвенной фауны и каналы по ходам корней), которые стабильны в течение длительного периода и слабо подвержены погодным условиям. В почве на участке под черным паром преобладают межагрегатные поры и трещины, размеры которых в значительной степени подвержены процессам увлажнения - иссушения, а их стабильность определяется свойствами почв, прежде всего водоустойчивостью макроагрегатов. Так как водоустойчивость агрегатов в почве под черным паром меньше, чем под многолетними травами, после первого интенсивного полива макропоры «заплывали», теряли свою стабильность и значительно меньше «проявлялись» при последующих поливах. Под многолетними древесными насаждениями наблюдалась подобная же картина, когда после 2-го и 3-го поливов роль макропор почвенной природы не проявлялась. А макропоры в виде крупных корневых каналов, по-видимому, не вошли в надлизиметрическое пространство, их роль оценить не удалось.

Количества вынесенных калия и хлора при первом пол!гве примерно одинаковы, что указывает на быстрый проскок раствора без обмена с твердой фазой почвы. Но после второго полива (природная вода с 1шзкими концентрациями ионов ) наблюдается вынос хлора в 5-6 раз превышающий вынос калия, что в значительной степени определяется различием в процессах аккумуляции солей на стенках макропор и необратимой сорбцией.

Видимо, при первом поливе движение растворов через макропоры было столь быстрым, что процессы обмена и необратимой сорбции калия не проявились: относительная концентрация калия в поровом растворе (С/Со) была близка к 0,9 (рис. 2-4, 1-й полив). Впоследствии при медленной миграции капиллярно передвигающихся растворов и последующем иссушении процессы сорбции калия перевели его в сорбированное состояние, а хлор при иссушешш почвы аккумулировался на стенках макропор. Поэтому столь различны С/Со для калия и хлора в растворах, движущихся через макропоры: после второго полива - 8-20 для хлора и 2-10 для калия (рис. 2-4, 2-й полив). При третьем поливе эти различия сглаживаются (рис. 2-4, 3-й полив) вследствие выноса основного количества аккумулированного в макропорах хлора.

Следует отметить и некоторые особешюсти пространственного распределения потоков веществ через макропоры от полива к поливу. Как показывают рис. 2-4, оно достаточно стабильно на всех трех участках, и

кроме того, эти потоки сформированы группами, что объясняется ветвлением макропор. Прежде всего это характерно для участка 1, что еще раз подчеркивает биологическую природу макропор в почве под многолетними травами.

Глава 4. Сравнение экспериментальных н расчетных величин выноса ионов К и Cl.

Следующей задачей работы явилось исследование переноса веществ (в том числе воды и ионов К и Cl) с помощью традиционных прогнозных математических моделей переноса. Такого рода задача возникла в связи с тем, что болышшство современных моделей используют традиционные подходы и уравнения конвективно-диффузионного типа, которые предполагают массовый перенос веществ в поровой системе почвы. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по переносу веществ позволили бы оценить величины и значение погрешностей, возникающих при моделировании процесса переноса без учета переноса веществ по макропорам.

Для решения подобной задачи была выбрана математическая прогнозная модель «FAUST» (авторы - Пачепский, Мироненко, Щербаков, цит. по Пачепский, 1972). Выбор модели был продиктован не столько ее совершенностью, точностью, быстротой счета, модель в данном случае представляла собой определенный аппарат, в котором представлены современные (на момент создания модели) представления об описываемых явлениях, в данном случае, о переносе веществ в почвах.

Экспериментальным обеспечением модели в ее гидрохимической части служили шаг смешения, нерастворяющий объем для Cl" и коэффициент распределения для иона К. Эти величины были рассчитаны из экспериментально полученных в лабораторных условиях «выходных кривых» для ионов К и CI. Для гумусо-аккумулятивного горизонта шаг смешения и коэффициент распределения составили 1,25 см и 0,19, соответственно, а для иллювиального - 0,06 см и 0,09. Параметр нерастворяющего объема влаги принимали равным максимальной гигроскопической влажности почв (Шеин и др., 1995). Гидрофизическое экспериментальное обеспечение модели: послойно задавалась основная гидрофизическая характеристика (ОГХ), полученная по полевым синхронным данным о давлении влаги и влажности почвы, как в наибольшей мере удовлетворяющая требованию адекватного математического описания процесса влагопереноса (Шеин, Губер, 1997). Функция влагопроводности рассчитывалась из ОГХ (Пачепский, 1972).

С помощью математической модели «FAUST» была осуществлена попытка рассчитать вьшос/привнос исследуемых ионов с нижней рассматриваемой границы (60 см). Были проведены модельные расчеты с учетом тех граничных условий, которые наблюдались в полевом

эксперименте (поливы, осадки, испарение). Погрешности моделирования влажности почвы хотя и были невелики по абсолютным значениям (от -0,016 до +0,012 % объемной влажности), имели специфику распределения по слоям: в верхних слоях (20, 30 см) они отрицательны (модель «завышала» влажность), а в нижних - положительны. Очевидно, наблюдаемые в эксперименте «проскоки» раствора сквозь слой 30 и 60 см по макропорам и приводили к этому несоответствию. Традиционные представления о конвективно-диффузионном переносе веществ в ряде случаев не способны в полной мере количественно описать это явление, прежде всего, а случае интенсивных поливов (осадков) большими нормами, развитой стабильной макропористости почвы. Кроме того, традиционное экспериментальное обеспечение моделей в виде параметров равновесных, стационарных (лабораторных) экспериментов отличается от параметров экспериментов, проведенных в масштабе полевого исследования. Указанные различия в описании водного режима привели и к несоответствиям в описании выноса/прнвноса ионов на границе 60 см (рис. 5 и 6). Прежде всего отметим, что модель предсказывала перенос ионов за пределы 60-см толщи, в то время как экспериментальные данные указывали, напротив, передвижете растворов вверх, с глубины 80 в 60 см. На такой перенос указывал градиент давления влаги, рассчитанный по тензиометрнческнм данным и направленный вверх. За счет направленного вверх градиента, ноны калия и хлора поступали в вышележащую толщу. А проникновение их вниз осуществлялось только за счет практически моментального передвижения по макропорам (на рис. 5 и 6 представлен в виде столбика после первого полива). Экспернменталыгый вынос рассчитывали по экспериментальным данным о градиенте давления влаги и концентрациям ионов С1 и К. в отобранных с помощью вакуумных пробоотборников поровых растворах. Сравнение экспериментально полученного и расчетного суточного выноса приведено на рис. 5 и 6.

' Ч , росчстииа

- —эксп.

5. с.

Г. 8 -- Р^4-

Рис. 5 . Вынос иона К на глубине 60 см (мэкв/дм2 сут).

Рис. 6. Вынос иона С1 на глубине 60 см (мэкв/дм2сут)

Следует отметить, что расчетный вынос ионов К и С1 постепенно возрастал в течение эксперимента: следуя конвективно-диффузионным представлениям внесенные ионы постепенно вытеснялись последующими поливами и осадками в более глубокие слои. По экспериментальным данным такой закономерности не обнаруживалось, величины привноса были значительно ниже, прежде всего, за счет более низких потоков влаги.

Как видно из приведенных рисунков, перенос за пределы 60-80 см происходит именно в виде потоков по макропорам, а капиллярный поток выражен в виде капиллярного поднятия из ниже- в вышележащие слои. Учитывая то, что тензиометры постоянно показывали градиент, направленный вверх, это можно расценивать как возможность существования иного, не общепринятого механизма переноса веществ по макропорам. Наиболее распространенный механизм переноса веществ в почвенном поровом пространстве с учетом макропор предполагает, что раствор движется по макропоре (представленной в виде межпедного пространства) и затем увлажняет почвенные блоки. В данном эксперименте такого перераспределения не происходило, свидетельством чему был постоянный градиент давления влаги в вышележащую толщу. По-видимому, возможен быстрый «проскок» веществ по макропорам в нижележащие слои почвы на фоне массового капиллярного подтока в вышележащие слои. Причем, без последующего заметного перераспределения растворов из макропор в окружающую их почвенную массу. Это указывает на специфический перенос по макропорам, отличающийся определенной «независимостью» от протекающих процессов массопереноса. Наличие такого рода механизма следует учитывать при разработке прогнозных моделей следующих поколений, в особенности, для моделей переноса токсических веществ, небольшое количество которых, перенесенное по макропорам, способно при определенных условиях (интенсивные осадки ливневого типа, поливы и пр.) проникать на значительную глубину в почвенном профиле.

ВЫВОДЫ

1. Полевой лизиметрический эксперимент по изучению переноса веществ (раствора, ионов К и С1) позволяет функционально характеризовать перенос по макропорам после интенсивных поливов, проявляющийся в том, что

■ этот перенос осуществляется значительно быстрее, чем массовое проникновение воды (фронт увлажнения) и растворенных веществ, регистрируемое с помощью тензиометров и нейтронного влагомера;

■ при первичном внесении с поливной водой сорбирующихся веществ (пример - ион К*) их сорбция происходит весьма слабо по всем макропорам (отсутствие взаимодействия с почвенной матрицей). Вследствие этого концентрация ионов в лизиметрах на глубинах 30 и 60 см была близка к их концентрации в поливной воде;

■ пространственное распределение макропор достаточно стабильно во времени при отсутствии внешних воздействий на почвенный покров;

■ перенос веществ по макропорам в нижележащие слои почвы возможен на фоне противоположно направленного восходящего капиллярного перетока растворов в вышележащие почвенные слои.

2. При повторных процессах передвижения веществ концентрации сорбирующихся и несорбирующихся ионов (в эксперименте - ионов К' и СГ) в макропорах более значительно различаются вследствие проявления процессов сорбции, аккумуляции и отмывки ионов со стенок макропор.

3 Свойства почв (водоустойчивость агрегатов) и характер их использования (вид растительности) во многом определяют перенос по макропорам. Стабильный перенос воды и веществ осуществляется по макропорам под многолетними травами, имеющими (предположительно) биологическую природу при повышенной водоустойчивости агрегатов.

4. Традиционная конвективно-диффузионная модель предсказывала капиллярный вынос ионов за пределы 60-см толщи с нарастающей концентрацией ионов во времени. В реальности, напротив, за счет направленного вверх градиента, ноны калия и хлора поступали в вышележащую толщу. А проникновение их вниз осуществлялось только за счет практически моментального послеполивного передвижения по макропорам.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1 Полевые и лабораторные методы исследования параметров переноса воды и веществ в почвах // Конференция стран содружества «Физика почв и проблемы экологии» 7-10 октября 1992 г. Тезисы докладов, Пущино, 1992, с.4 (в соавторстве)

2 Перенос воды и веществ в почвах с учетом макропористости: проблема, эксперимент, модель./ЛГезисы докладов школы-семинара молодых ученых факультета почвоведения МГУ «Современные проблемы почвоведения и экологии», Красновидово, май 1993 г., с. 2930 (в соавторстве)

3. Перенос воды и веществ по макропорам в дерново-подзолистой почве // Вестник МГУ, Сер. 17, 1995 г., N 2, с. 22-32. (в соавторстве)

4. Исследование внутрипочвенного транспорта растворимых веществ по макропорам //Матер1али мЪкнародно1 науково-практичжи конференцн молодих вчених та спещаласпв «Нася1дки наукових пошуюв молодих вчених -аграрниюв в умовах реформування АПК», 18 Ычня 1996 року, Украшська академ1я аграрних наук 1нститут землеробства, Чабанм, Частина 3, 1996, с. 61-62.

5. Экспериментальное изучение переноса веществ в почве по макропорам с помощью лизиметров //Материалы Всероссийской конференции с иностранным участием «Лизиметрические исследования почв», Москва, МГУ, 6-10 июля 1998 г. В печати.