Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫЕ ПОТОКИ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ В УСЛОВИЯХ СТАЦИОНАРНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫЕ ПОТОКИ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ В УСЛОВИЯХ СТАЦИОНАРНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ"

гЛ-'Ьнюь

На правах рукописи

Ананьева Ксения Аркадьевна

ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫЕ ПОТОКИ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ В УСЛОВИЯХ СТАЦИОНАРНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

Специальность 06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 2004

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

A.И.Поздняков

кандидат биологических наук

B.Ф.Басевич

Ведущее учреждение: Владимирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства

Защита диссертации состоится_в 15.30 в аудитории М-2 на

заседании диссертационного совета К501.001.04 в МГУ им. М.В. Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ

Автореферат разослан «_»_2004 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании Диссертационного Совета в МГУ, а отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый Совет.

Ученый секретарь диссертационного совета

Богатырев Л.Г.

Актуальность темы. В настоящее время уделяется большое внимание исследованиям так называемых преимущественных путей движения влаги (от англ. - preferential flow, fingers). Образование их связывают с неравномерностью движения (в песчаных почвах), со слоистостью почвенного профиля, с наличием гидрофобных прослоек, макропор различно» природы. Значительно меньше изучены вопросы образования преимущественных путей фильтрации влаги, связанных с неоднородностью пространственного распределения физических свойств. Одним из основоположников такого рода работ был профессор МГУ Е.А.Дмитриев. В его работах приведены качественные результаты по преимущественным путям миграции, обусловленным в основном генетическими особенностями почв. Количественная взаимосвязь формирования преимущественных путей фильтрации и пространственного распределения физических свойств в масштабе почвенного индивидуума не была изучена.

Цель работы: изучить закономерности формирования преимущественных путей фильтрации воды в серых лесных почвах Владимирского ополья.

Задачи:

1. Изучить в полевых условиях движение воды в условиях, близких к фильтрации, с использованием крахмальной метки (качественный подход)

2. Изучить пространственную вариабельность физических свойств почв Владимирского ополья как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении в масштабе почвенного индивидуума

3. Выявить закономерности фильтрации воды в серых лесных почвах в связи с пространственной неоднородностью плотности.

Научная новизна. Показано, что в масштабе почвенного индивидуума в условиях слабонапорной фильтрации движение влаги происходит лишь по части порового пространства, специфическими путями. Формирование этих путей связано с пространственной неоднородностью плотности в горизонтальном и вертикальном направлениях: преимущественные пути фильтрации приурочены к зонам с категориями плотностями, которые сохраняют линейную вертикальность, наименее извилисты по почвенному профилю, имеют наименьшие межслойные вертикальные изменения плотности и занимают наибольшую площадь в горизонтальном направлении.

Практическая значимость. Представлены количественные характеристики форми-

рования специфических путей движения воды в почвах, которые необходимо учитывать при анализе переноса, сорбции и концентрирования агрохимикатов в почвах. Подчеркивается роль уплотненной плужной подошвы при формировании преимущественных потоков влаги в профиле почвы.

Апробация. Основные результаты работы были доложены на конференциях студентов и аспирантов «Ломоносов-2000» (Москва, МГУ, 2000 г.), Ш съезде почвоведов (Суздаль, 2000), на 2-й международной конференции по теме "Подпочвенное уплотнение" (Gödöllö, Венгрия, 2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на_страницах,

включает_таблиц и рисунков; состоит из введения,_глав, выводов, списка

литературы, включающего_наименований, и приложения.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

К настоящеьгу времени многочисленными исследователями показано, что вода в почве движется специфическими путями за счет разнообразных механизмов. Все специфические процессы переноса влаги в почве можно весьма условно разделить на 3 характерные группы гидрологических почвенных явлений:

1) формирование отдельных "водных каналов", линии преимущественного потока, "пальчатых структур" (англ. - preferential flow, fingers);

2) быстрый перенос по "проводящим" зонам порового пространства (макропорам, трещинам) с последующим обменом с "застойными" зонами;

3) неравномерность переноса влаги, связанная с пространственной вариабельностью почвенных свойств.

Форшфоваше "водных каналов" отмечали, как правило, в слоистых почвах. Исследователи подчеркивали, что существование слоев в почве является одной из причин неравномерности фронта увлажнения, возникновения «пальчатых структур» движения влаги (Качинскпй H.A., Дмитриев Е.А., Зайдельман Ф.Р., Hillel D. и Baker R.S., Van Ornmen Н.С. с соавт. и др.): нестабильность потоков воды возникает в двухслойных (гидрофобный/гидроф1шышй, насыщенный/сухой, высоко/плохо фильтрующий слои) почвах (Flury М. с соавт., Ritsema CJ. с соавт., Steenhuis T.S. с соавт.). Большинство подобных явлений отмечалось в песчаных почвах, в которых сами слои были гомогенными, но заметно отличались по гидрологическим свойствам.

Быстрый перенос влаги по "проводящим" и последующее медленное ее перераспределение в "застойных" зонах связывают с развитым межагрегатным (трещинным) и агрегатным поровым пространством. Этот раздел специфического почвенного переноса включает такие физические процессы, как набухание/усадку педов (агрегатов), обмен веществом межпедного и внутрипедного пространства. Этот тип переноса приурочен, как правило, к структурным почвам. В большом количестве работ (Дмитриев Е.А., Зайдельман Ф.Р., Шеин Е.В. с соавт. и др.) подчеркивалась специфика быстрого переноса влага по макропорам в виде: 1) отсутствия адсорбции ионов (Якорр ].); 2) стабильности существования макропор (в основном, биопор) (Шеин Е.В. с соавт.) и др.

Заметно меньшее внимание уделяли взаимосвязи образования отдельных "водных тяжей" и пространственной изменчивости физических свойств почв в масштабе почвенного индивидуума. Здесь следует отметить цикл работ Е.А.Дмитриева, в котором на качественном уровне показана высокая неоднородность путей движения влаги, возникновение преимущественных путей фильтрации. Однако в этих работах не изучались физические закономерности формирования неоднородного водного потока, наличие взаимосвязей путей фильтрации с физическими свойствами почв.

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение путей миграции влаги проводились на территории Владимирского НИИСХ во Владимирском ополье. Для данной территории характерна высокая комплексность почвенного покрова при доминировании серых лесных почв. Учитывая различную степень оподзоленности серых лесных почв, мы руководствовались подробной классификацией Е.А.Дмитриева, используемой при исследовании серых лесных почв Владимирского ополья по длинномерным траншеям, в которой выделялись следующие градации по оподзоленности: мелко оподзоленные - мощность оподзо-ленной толщи не более 20 см (сТЬ0"1), неглубоко оподзоленные - мощность 20-50 см (сЛг""2), глубоко оподзоленные - мощность более 50 см (сЛ2оп5). Выделялись также почвы со вторым гумусовым горизонтом (ВГГ) и остаточно-карбонатные.

Все участки находились под обычной обработкой: вспашка до 22 см с оборотом пласта, боронование. В работе приводятся результаты исследования 7 объектов:

серой лесной неглубоко оподзоленной почвы со 2-м гумусовым горизонтом (ВГТ) сЛ2оп2'вгг и б серых лесных почв разной степени оподзоленности без ВГТ.

В том числе в качестве отдельного объекта была выбрана серая лесная неглубоко оподзоленная почва Сс-ГЬ0"2 \ в которой определения проводились не с поверхности, а с глубины 25 см (условная поверхность). Эти исследования провели для того, чтобы более подробно изучить передвижение влаги в естественно уплотненных объектах, имеющих совсем иную структуру - крупно ореховатую, призматическую, - в нижних горизонтах почвы.

Полевые исследования пространственной картины миграции воды проводились с использованием крахмальной метки (2%-ьш раствор водорастворимого крахмала). На поверхности почвы устанавливалась рама и фильтровалась вода в течение 6-8 часов. Затем, сразу поете фильтрации воды, "ступенькой" подается меченная растворимым крахмалом вода; слой па поверхности, как правило, составлял 5 см. Через 10-12 часов послойно (через 5-10 см) на горизонтальных площадках отмечались пути фильтрации воды по появлению синих пятен при увлажнении поверхности йодной водой. Морфология и характерное расположение зон фильтрации крахмала зарисовывались с помощью полевого почвенного пантографа в масштабе 1:5. После зарисовки основных путей фильтрации влаги ira площадках размером не менее 1 м2с шагом 10 см по сетке определялась влажность и плотность почвы (объем бура 4 см3). На рис. 1 представлены статистики распределения плотности по глубине для всех объектов. Все распределения различаются. Характерным является проявление так называемой «плужной подошвы» - увеличение медианных значений плотности при изменении параметров варьирования на глубине 20-30 см. Особое место занимаем серая лесная почва с ВГТ. Для нее характерно отсутствие «плужной подошвы»: очень низкие значения плотности отмечаются на глубине 35 см. Отметим также высокую вариабельность плотности, уменьшающуюся от поверхностных, пахотных, к глубинным слоям.

В лабораторных исследованиях для получешет основной гидрофизической характеристики (ОГХ) использовался метод тензиостатов. Для построения "верхней" части ОГХ использовался метод десорбции влаги над насыщенными растворами солей: KCl (pF=5,3) и K2S04 (pF=4,4)) (Вадю1шнаА.Ф., Корчагина З.А., 1986).

а

б

в

!и

« Я Я У И глубина, см д

- ■ № i £f||l §

ш 4-V-i..........- —

глубина, см

глубина, см

Рис.1 Статистики распределения плотности серых лесных почв по глубине: а) мелко оподзоленной; б) неглубоко оподзоленной с ВГГ; в) мелко оподзоленной; г) неглубоко оподзоленной; д) серой лесной; е) мелко оподзоленной; ж) подпахотных горизонтов неглубоко оподзоленной

глубина, см

Глава 3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

На рис. 2 приводится пример формы основных путей миграции по крахмально му окрашиванию для серой лесной мелко оподзоленной почвы. Движение воды происходит практически вертикально. Пятна крахмального окрашивания располагаются друг под другом, уменьшаясь с глубиной по площади. Отчетливо видны "водные тяжи". Растекание по площадке небольшое, большая часть крахмального окрашивания приходится на область внутри рамы. Однако, в большинстве исследованных почв растекание более значительно, и на глубине 15-20 см основное окрашивание приходится на область вне рамы.

Так как качественные картины путей миграции й изоплеты распределения плотности не дают четкого представления о связях между основными путями фильтрации почвенной влаги и плотностью, то для их описания был разработан ряд крите-

5 см

15 см

25CMQ

35 см ;

45 см

i

' 50 см '

Рис. 2. Основные пути миграции влаги по крахмальному окрашиванию (а) и распределение градаций плотности (б) по глубине серой лесной мелко оподзоленной почвы. Градации плотности почв: | < ^ г/смз |—] г/смз

1,4-1,5 г/см3

Н 1,5-1,6 г/см3

>1,6 г/см

риев, наглядно и количественно показывающих эти связи и позволяющих более подробно выявить закономерности пространственного распределения зон фильтрации и плотности почвы. Для того чтобы отобразить взаимное пространственное положение различных категорий плотности отдельных площадок, нами были введены ряд показателей, характеризующих пространственное распределение путей миграции и диапазонов плотностей, а также взаимосвязь путей миграции и пространственного распределения плотности почв:

1. Показатель удельной площади различных категорий плотности (51). Для этого сначала были выделены пять условных категорий: <1,3, 1,3-1,4, 1,4-1,5, 1,5-1,6 и >1,6 г/см3. На каждой площадке с помощью процедуры кригинга (программа Surfer) прорисовывались изоплеты плотности. Удельная площадь каждой категории рассчитывается как процент, занимаемый данным диапазоном ко всей исследованной площади площадки:

Sun

2. Показатель вертикального соответствия категорий плотности (52). Рассчитывается как процент площади совпадения соответствующей категории плотности верхней и нижней площадок к площади категории на верхней площадке. Указывает на «вертикальность» пространственного расположения различных зон по плотности: чем он выше, тем лучше совпадение зон одинаковой плотности, расположенных одна под другой.

52 = ^.100%

Sim'"

3. Показатель переноса влаги по соответствующей категории плотности (S3). Рассчитывается как процент площади соответствующей категории плотности, приходящейся на отмеченную по крахмальному окрашиванию зону фильтрации влаги. Указывает на долю соответствующей категории плотности в переносе влаги на данной глубине: чем он выше, тем больше участие данной категории в переносе воды.

53 = ^1-100%

SoKp

4. Показатель «вертикальности» движения влаги (54). Рассчитывается аналогично показателю (52), предложенному для характеристики вертикальности расположения соответствующих зон плотности, однако для зон фильтрации влаги, отмеченных по крахмальной метке. Выражается в процентах площади пересечения зон фильтрации на верхней и нижерасположенной площадках исследования к площади зоны фильтрации вышерасположенной площадки: чем он выше, тем лучше совпадение зон фильтрации, расположенных одна под другой.

54 = -^£iL.100%

SoKp""

5. Показатель переноса влаги по соответствующей категории перепадов плотности (5п). Для этого сначала были выделены 4 условные категории перепада плотности: <0,2, -0,2-0,0-0,2 и >0,2 г/см3. Удельная площадь каждой категории рассчитывается как процент, занимаемый данным диапазоном ко всей исследованной площади площадки. Сам показатель переноса влаги по соответствующей категории перепадов плотности рассчитывается как процент площади соответствующей категории, приходящейся на зону фильтрации влаги, отмеченную по окрашиванию крахмала. Этот показатель описывает взаимосвязь распределения перепада плотности и крахмального окрашивания: чем он выше, тем больше вклад категории перепада плотности в проведении воды в профиле.

& = ^1.100%

Бокр

6. Коэффициент ветвления (5ветв). Рассчитывается как отношение количества пятен окрашивания на площадке, умноженное на ее площадь, к общей площади окрашивания. Этот показатель оценивает влияния слоистости профиля на формирование отдельных зон фильтрации (зон преимущественного потока): чем он выше, тем больше отдельных «языков» сформировалось в процессе движения воды вниз по профилю.

5окр

Рассмотрим распределение всех этих показателей по глубине на примере серой лесной мелко оподзоленной почвы и серой лесной неглубоко оподзоленной почвы с

вгг.

Для распределений 51 общим является то, что с глубиной неоднородность по плотности уменьшается, что подтверждается приведенными выше рисунками.

В профиле серой лесной мелко оподзоленной почвы (рис. За) в поверхностном слое (глубина 5 см) присутствуют все категории, но их вклад в общее распределение различен. Наибольшую площадь занимает категория <1,3 г/см3 (36%), одинаковая площадь представлена средними категориями плотности - 1,3-1,4 г/см3 и 1,4-1,5 г/см3 (около 23%), наименьшая площадь приходится на самую плотную категорию - >1,6 г/см3, несмотря на то, что она обладает наибольшим вертикальным соответствием (рис. 36). С глубиной отмечается значительное колебание площадей, занимаемых всеми категориями плотности. Но можно отметить несколько особенностей распреде-

ления плотности. С глубиной закономерно увеличивается вклад относительно плотной категории - 1,5-1,6 г/см3 (начиная с глубины 25 см), а площадь, занимаемая наиболее плотной и рыхлыми категориями, стремится к нулю. Кроме того, на глубине 15 см отмечается максимум для самой плотной категории - >1,6 г/см3.

Распределение 53 носит похожий характер (рис. Зв). Отмечается значительное колебание ее с увеличением глубины, в глубинных слоях увеличивается доля достаточно плотной категории - 1,5-1,6 г/см3, а доли остальных категорий составляют менее 10%. И "наследуется" эта категория (показатель 52), начиная с глубины 25 см,

5 15 25 35 4 глубина, см -<1,3 -»-1,3-1,4 1,4-1,5

-1,5-1,6 -*->1,6

20 30 глубина, см

Рис. 3. Распределение пространственных показателей фильтрации по глубине серой лесной мелко оподзоленной почвы (пояснения в тексте)

в наибольшей степени (рис. 36).

Что касается вертикальности движения воды - показатель 54 (рис. Зг), то максимум его приходится на глубину 30 см (40,8%). В целом по профилю колебание этого показателя не очень большое (от 16,2-28,9%), что свидетельствует о достаточно быстром формировании "водных тяжей" и сохранении их положения с глубиной.

Для остальных исследованных почв без ВГГ сохраняются те же закономерности в распределении этих показателей. Остановимся подробнее на закономерностях формирования преимущественных потоков в серой лесной почве с ВГГ.

На рис. 4 приводится пример формы основных путей миграции воды по крахмальному окрашиванию и распределение градаций плотности по глубине серой лесной неглубоко оподзоленной почвы с ВГГ. В ней также можно отметить вертикальность движения воды. Хотя крахмальное окрашивание с глубиной смещается в а б

Рис. 4. Основные пути миграции влаги по крахмальному окрашиванию (а) и распределение диапазонов плотности (б) по глубине серой лесной почвы с ВГГ (обозначения см. рис. 2)

одну сторону за пределы рамы. В этой почве также заметно формирование одного большого водного тяжа, который, хотя и не является строго вертикальным, хорошо прослеживается.

В профиле в поверхностных слоях присутствуют все категории (рис. 5а), занимая различные площади, причем наименьшую площадь занимает категория >1,6 г/см3, а наибольшую - 1,4-1,5 г/см3 (показатель 51). Резкая смена ситуации наблюдается на глубине 20 см: с глубиной отмечен быстрый рост площади, занимаемой самой рыхлой категорией, а площади остальных категорий постепенно сводятся к 0. Соответствен-

100 -1

80 т

-♦-<1,3 -*-1,5-1,6

15 25

глубина, см

1,3-1,4 1,4-1,5

>1,6

15 20 25 30 глубина, см

Рис. 5. Распределение пространственных показателей фильтрации по глубине серой лесной неглубоко оподзоленной почвы с ВГГ

но, и распределение по глубине доли этой категории плотности в проведении влаги (показатель 53) носит аналогичный характер: с глубины 20 см доминантное значение приобретает самая «рыхлая» категория (рис. 5в). Слабо «растекается» влага в этой почве: 54 изменяется от 56 до 48% (рис. 5г). Связано это, по-видимому, со строгой горизонтальной ориентацией доминирующей градации плотности, в особенности после глубины 20 см пахотного слоя (рис. 56).

Проведенный анализ количественных показателей распределения плотности и формирования преимущественных потоков позволяет утверждать:

1. В почвенном профиле исследованных почв с глубиной уменьшается неоднородность по плотности, как по пространственному распределению, так и по занимав-мой удельной площади различных градаций по плотности.

2. Фильтрация воды осуществляется не всему поровому пространству, и не только по самым рыхлым участкам профиля. Основной объем воды фильтруется по тем категориям плотности, которые занимают наибольшую долю в пределах горизонтальных площадок и лучше всего сохраняют вертикальное расположение в профиле почвы (наименее извилисты в вертикальном направлении). Существенную роль в формировании указанных двух характеристик, определяющих пространственную форму основных путей миграции, является плужная подошва, где происходит смена категорий плотности и изменяется вертикальность пространственного расположения этих категорий.

3. Серая лесная почва со 2-м гумусовым горизонтом занимает особое положение среди исследуемых почв. Для нее характерно наличие "точки резкой смены ситуации" (глубина 20-25 см), что соответствует появлению 2-ого гумусового горизонта и резкого уменьшения плотности почвы.

Учитывая, что многие исследователи связывают формирование специфических путей фильтрации влаги с вертикальной неоднородностью («слоистостью») почвенного профиля, нами были подсчитаны межслойные перепады (разности) плотности для всех объектов. Для этого совмещались по вертикали все точки сетки определения плотности на соседних глубинах, и, соблюдая строго вертикальное соответствие, рассчитывали разности плотностей для всех точек (значение плотности для каждой точки нижележащего слоя вычиталось из значения плотности для той же точки вышележащего слоя).

На рис. 6 приведены статистики распределения перепадов плотности для всех исследуемых объектов. Сравнивая представленные на рис. 1 и 6 значения плотности и межслойных перепадов, можно отметить, что максимальным значениям плотности соответствуют минимальные значения перепадов.

Подробное изучение пространственного распределения плотности почв позволили отметить следующие характерные особенности:

1) не существует заметно выделяющихся слоев по плотности для данных почв;

2) не наблюдается однообразного распределения межслойных перепадов плотности, даже в почвах единого генезиса;

а б в

ж

2«5 35-« 4545 55-58

X Mh-Max

□ 254-75*

• ной

Рис. 6. Распределение перепадов плотности серых лесных почв по глубине: а) мелко оподзоленной; б) неглубоко оподзоленной с BIT; в) мелко оподзоленной; г) неглубоко оподзоленной; д) серой лесной; е) мелко оподзоленной; ж) подпахотных горизонтов неглубоко оподзолен-

глубина, см

3) во всех случаях отмечается наличие экстремума (максимума или минимума) значений на глубине 20-30 см (в зависимости от почвы), что, по-видимому, связано с формированием "плужной подошвы" и, как следствие, смены условий.

Чтобы изучить взаимосвязь между распределением перепада плотности и крахмальным окрашиванием, был введен показатель переноса влаги по соответствующей категории перепада плотности (5п).

На рис. 7 представлены графим! распределения этого показателя по глубине на примере серой лесной мелко оподзоленной почвы и серой лесной неглубоко оподзо-ленной почвы с ВГГ. '~>

В серой лесной мелко оподзоленной почве (рис, 7а) в поверхностном слое доминируют две категории перепадов плотности - <-0,2 и -0,2-0. С глубиной основной в проведении влаги становится категория 0-0,2, а затем - -0,2-0, Значение же категории <-0,2 в проведении воды с глубиной резко падает и не превышает в дальнейшем 1 %. Категория >0,2 практически не участвует в этом процессе (значения 5п по профилю для нее не превышают 0,7%).

В серой лесной почве неглубоко оподзоленной почве с ВГГ (рис. 76) распреде-

15 25 35 глубина, см

15 25

глубина, см

Рис. 7. Распределение перепадов плотности (5п) и коэффициента ветвления (5ветв) для серых лесных почв: а) мелко оподзоленной; б) неглубоко оподзоленной с ВГГ

ление 5п иное. В верхнем слое доминирующей категорией является -0,2-0, значительно меньше вклад в проведении влаги категории 0-0,2. С глубиной основная проводящая категория постоянно меняется: на 15 см примерно одинаково значение 5п для всех категорий, кроме <-0,2, глубже 20 см остаются только две категории (>0,2 и 0-0,2), которые сменяют друг друга в лидерстве проведения влаги.

Следует отметить, что значения 5п редко превышают 10-15% (максимальное значение - около 35% для сЛ2шт на глубине 10 см). Можно сделать вывод, что перепад плотности в исследуемых условиях не оказывает значительного влияния на передвижение воды в толще почвы в виде преимущественных потоков влаги. Но в той части, где градиент плотности совпадает с крахмальным окрашиванием, доминирующими являются средние категории - -0,2-0 и 0-0,2 г/см3, т. е. фильтрация осуществляется по тем участкам, которые имеют либо одинаковую по вертикали плотность, либо плотность должна отличаться в соседних горизонтах не более чем на 0,2 г/см3.

Для оценки влияния слоистости профиля на формирование отдельных зон фильтрации (зон преимущественного потока) нами был рассчитан коэффициент ветвления (5ветв). Полученные зависимости распределения 5ветв по глубине представлены на рис. 7. Эти графики для большинства объектов не совпадают, но общим является то, что почти все они имеют один максимум на глубине 20-30 см в зависимости от почвы.

Максимальные значения различаются достаточно сильно. В серой лесной мелко оподзоленной почве (рис. 7а) отмечается равномерное возрастание коэффициента ветвления с глубиной до глубины 25 см (максимальное значение - 107,2%), а затем его постепенное уменьшение. Внизу профиля 5ветв постоянен.

Наименьший "пик" обнаруживается в серой лесной почве неглубоко оподзоленной почве с ВГГ (рис. 66) - около 15% (кроме того, в этой почве большое значение 5ветв отмечается с поверхности - 22%). Для этой почвы распределение имеет слабо выраженный синусоидальный характер.

При попытке сопоставить распределение коэффициента ветвления с распределением перепадов плотности можно сделать вывод об отсутствии совпадении, качественно лучше соответствие наблюдается с распределением плотности. Для всех исследуемых почв можно отметить следующие особенности:

- графики распределения коэффициента ветвления более всего соответствуют графикам распределения проводящей категории плотности;

- как уже отмечалось выше, более всего распределение 5ветв по глубине соответствует распределению той категории плотности, которая «наследуется» наилучшим образом, т. е. движение воды осуществляется преимущественно по тем частям почвенного профиля, где сохраняется вертикальное постоянство плотности.

Обобщая все вышесказанное, можно утверждать, что основные пути фильтрации влаги приурочены к почвенным зонам, в которых мало изменяется плотность почв по вертикали. Также подчеркнем тот факт, что при высокой вариабельности плотности почв основные пути фильтрации связаны с наименьшими вертикальными межслойными перепадами плотности. Таким образом, формирование основных путей миграции влаги в почвах с высокой горизонтальной вариабельностью плотности почв и невысокой расчлененностью почвенного профиля на отдельные, резко различающиеся по физическим свойствам слои имеют другой механизм, нежели в слоистых (песчаных) почвах, не связанный с формированием нестабильного фронта увлажнения. В проведенных экспериментах при низко напорном введении метки в средне- и тяжело суглинистые серые лесные почвы основные пути фильтрации приурочены к пространственным зонам с однородной по вертикали порозностыо (плотностью) почвы. "Разбиение" этих потоков на более мелкие уже связано с наличием более уплотненных и неоднородных по плотности образований. Прежде всего, с плужной подошвой.

Следующей задачей была попытка нахождения соответствия путей фильтрации с категориями порозности - с распространением мезо- и микропор. Для этого в лабораторных условиях на насыпных образцах были получены ОГХ - основные гидрофизические характеристики (образцы отбирались по сетке 20x20 см). По ОГХ возможно определить объемы микро-, мезо- и макропор. Объем микропор вычислялся по объему влаги, содержащейся при давлении воды рр>4,18 (верхняя часть ОГХ). Объем ме-зопор вычислялся как разница между нижней границей макропор, которая рассчитывалась как влажность при рБ 1,5, и объемом микропор, т.е. по влажности в диапазоне рр 1,5-4,18. Объем макропор не вычислялся, так как в насыпных образцах не приходится говорить о реальном их количестве.

Далее полученные значения были разбиты на три класса. Поскольку не было возможности создать единую шкалу, для каждого слоя были свои границы классов. Эти градации были условно названы как "мало", "средне" и "много" мезо- и микро-пор.

Аналогично показателю переноса влаги по соответствующей категории плотности (53) был рассчитан показатель переноса влаги по соответствующей категории мезо- и микропор. Рассчитывается как процент площади соответствующей категории пор, приходящейся на зону фильтрации влаги.

= 0% Яокр

Указывает на долю соответствующей категории пор в переносе влаги на данной глубине. Результаты расчетов представлены на рис. 8.

Из приведенных рисунков видно, что ни для распределения микропор, ни для распределения мезопор нет определенной закономерности в проведении воды. Во всех слоях представлены все три категории, но в разных соотношениях, а б

100

%

ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ ВКЛАД КАТЕГОРИИ ПОР -♦-"мало" Ш- "средне"

-Аг "МНОГО"

0 50 100 0 50

Рис 8. Изменения показателя переноса влаги БЗ по различным категориям пор: а) мезопор; б) микропор с глубиной

По всей видимости, с учетом методических особенностей определения объемов пор соответствующего диаметра, когда рассчитывается диаметр «выходного отверстия» поры, в процессе фильтрации ведущую роль играет не количество пор определенного размера, а их непрерывность, неизменность их диаметра.

Суммируя все полученные данные, можно предложить следующую схему переноса влаги при низконапорной фильтрации (рис. 9). Как видно из приведенной схемы, полагаем, что основные зоны фильтрации и, соответственно, наиболее глубоко проникающие водные тяжи, приурочены к зонам почвы с постепенным переходом плотности. А отдельные водные внутрипочвенные потоки обусловлены еще и формированием их в зоне заметного перепада плотности - в данном случае, в зоне "плужной подошвы". Таким образом, в исследованных почвах в условиях стационарной низконапорной фильтрации горизонтальная и вертикальная изменчивость плотности будет являться доминантным фактором формирования преимущественных путей миграции влаги.

поверхность почвы

плужная подошва

рыхлая

слабо

уплотненная

уплотненная

плотная

поток влаги (величина стрелки соответствует интенсивности потока)

Рис. 9. Схема формирования преимущественных путей переноса влаги при

фильтрации

ВЫВОДЫ

В масштабе почвенного индивидуума (площадь исследования около 1 м2), в условиях передвижения влаги, близких к слабонапорной стационарной фильтрации, наблюдаются следующие закономерности пространственного распределения путей миграции влаги и плотности некоторых серых лесных почв Владимирского ополья:

Д почвенном профиле исследованных почв с глубиной уменьшается неоднородность по плотности, как по пространственному распределению, так и по занимаемой удельной площади различных градаций по плотности. В зависимости от генезиса почв плотность понижается (серые лесные со вторым гумусовым горизонтом) или повышается (серые лесные разной степени оподзоленности).

2. Основной объем воды фильтруется по тем категориям плотности, которые занимают наибольшую долю в пределах горизонтальных площадок, лучше всего сохраняют вертикальное расположение в профиле почвы (наименее извилисты в вертикальном направлении) и по зонам с наименьшими межслойными вертикальными перепадами плотности. Существенную роль в пространственной форме основных путей миграции играет плужная подошва, где происходит смена категорий плотности и изменяется вертикальность пространственного расположения этих категорий. В исследованных почвах в условиях стационарной фильтрации горизонтальная и вертикальная изменчивость плотности является доминантным фактором формирования преимущественных путей миграции влаги.

3. Коэффициент ветвления (5ветв), показывающий "рассечение" общего потока с поверхности на отдельные водные тяжи в процессе фильтрации, увеличивается на глубине 25-45 см, что связано с образованием плужной подошвы. Ниже ее 5ветв резко падает, что обусловлено формированием и стабилизацией постоянных потоков.

4. Сравнение преимущественных потоков фильтрации воды с зонами различной концентрации мезо- и микропор показало, что фильтрационные потоки в большинстве случаев не связаны с зонами повышенной или пониженной концентрации пор соответствующей категории. Их расположение определяется изменением диаметра пор, и, как указывалось выше, вертикального пространственного расположения однородного порового пространства.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ:

1. В.М. Гончаров, М.А. Мазиров, М.А. Бутылклна, Е.В. Фаустова, A.B. Кириченко, К.А. Марченко. Основные характеристики уплотнения почв//Тезисы докладов Международной научно-практической конференции "Проблемы воздействия движителей на почву и эффективные направления ее решения", Москва, 1998, с. 66-67

2. Марченко К.А. Пространственное распределение плотности почвы и путей движения влаги по профилю серых лесных почв//Тезисы докладов VII международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2000", 2000, секция "Почвоведение", с. 49.

3. Shein E.V., A.B.Umarova, A.V.Dembovetsky, Х.А. Marchenko. Subsoil density distribution and matter movement in soiIs//Proceedings of 2"d Workshop and International Conference on SUBSOIL COMPACTION, Gödöllö, Hungary, 2000, p. 105-111.

4. Умарова А.Б., Мнлановскин Е.Ю., Марченко K.A., Яковлева Т.Ю., Калмыкова O.B. Исследование движения влаги и веществ в серых лесных почвах методами меток и встроенных лизиметров//Материапы III съезда почвоведов, Суздаль, 2000.

5. Шеин Е.В., Марченко К.А. Взаимосвязь путей движения влаги и пространственного распределения плотности почвы Владимирского ополья//Почвоведение, №7, 2001, с. 823-833

6. Шеин Е.В., Марченко К.А. Преимущественные пути миграции влаги//Вест-ник Московского университета, сер. 17, Почвоведение, 2002, № I, с. 45-49.

Типография ордена «Знак почета» издательства МГУ 117234, Москва, Ленинские горы Заказ № 1558 Тираж 100 экз.

^--50 4