Реологические свойства дерново-подзолистых почв и черноземов при различном сельскохозяйственном использовании

Николаева, Ирина Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Реологические свойства дерново-подзолистых почв и черноземов при различном сельскохозяйственном использовании
ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Реологические свойства дерново-подзолистых почв и черноземов при различном сельскохозяйственном использовании"

На правах рукописи

Николаева Ирина Владимировна

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ И ЧЕРНОЗЕМОВ ПРИ РАЗЛИЧНОМ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ

Специальность 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2008

003450354_)

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

Научный руководитель:

кандидат биологических наук, доцент А.С. Манучаров

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор кандидат биологических наук, доцент

Ведущая организация: РГАУ-ТСХА им. К. А.Тимирязева

Защита диссертации состоится /К 2008г. в 15ч. ЗОмин. в аудитории

М-2 на заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения.

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

Автореферат разослан_/X 2008г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета. Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просим направлять по адресу: 119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый совет; niva83@vandex.ru. или по факсу: 8(495)9393684

П.М. Сапожников В.Г. Витязев

Ученый секретарь диссертационного совета аСсс^сс/ Л-С Никифорова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изучение структуры почвы, как системы определенным образом организованных элементарных почвенных частиц и их агрегатов во взаимодействии с жидкой фазой почвы, создало необходимость использования в почвоведении достижений механики дисперсных систем и привело к развитию нового направления изучения структуры почвы -почвенной реологии. Реологические свойства почв, являясь функциями структуры, относятся к числу структурно-функциональных свойств почвы и отражают взаимодействие двух фаз: твердой и жидкой. Реологические исследования позволяют вскрыть внутреннюю природу прочностных свойств почв, получить представление о преобладающих типах структурных связей и дать интегральную оценку прочности связей, участвующих в образовании агрегатов почвы. Различными авторами проводились исследования, направленные на изучение реологического поведения почв по генетическим горизонтам при отдельных значениях влажности (Абрукова, 1970; Харитонова 1995; Манучаров, Абрукова, 1985). Однако остается недостаточно ясной картина изменения реологического поведения почв при различном сельскохозяйственном использовании и на разных стадиях набухания.

Цель работы: с помощью реологических исследований установить особенности структурного состояния дерново-подзолистых почв и черноземов при различном сельскохозяйственном использовании.

1. обосновать и отработать методику получения специфических оценочных параметров (пределов прочности, характеристик деформационного поведения) и реологических кривых (основной и дополнительной) на модельных образцах основных почвенных минералов (каолинит, монтмориллонит, мусковит);

2. определить преобладающий тип связи и изучить влияние азотных удобрений и извести на структурное состояние дерново-подзолистых почв;

3. определить преобладающий тип связи и изучить влияние удобрений (минеральных, органических) и севооборотов на структурное состояние черноземов;

Задачи:

4. определить размеры фракций агрегатов исследуемых почв наиболее подверженных разрушению при сдвигающих напряжениях.

Новизна работы заключается в использовании модельных образцов основных почвенных минералов для отработки и обоснования методики получения специфических оценочных параметров структурного состояния. Впервые с помощью лазерной дифрактометрии были определены размеры фракций микроагрегатов почв, наиболее подверженных разрушению при сдвигающих напряжениях. Изучено влияние многократных и длительных деформаций на структурное состояние почв. Выявлены различия в реологическом поведении образцов, находящихся в одинаковом физическом состоянии, но на разных стадиях набухания.

Практическая значимость. Сельскохозяйственное использование находит отражение, прежде всего, в изменении структурного состояния почв. Исследование реологических свойств позволяет вскрыть внутреннюю природу прочности структурных связей и дает возможность прогнозировать поведение почв при обработке. Реологические исследования являются существенным дополнением к общепринятым методам изучения структуры почвы.

Апробапия работы. Материалы исследования по теме диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Основные положения диссертационной работы были доложены на XI и XIII Международных научных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2005» (Москва, 2005) и «Ломоносов - 2007» (Москва, 2007).

Публикации. Материалы проведенных исследований изложены в 7 печатных работах, в том числе в 2 статьях в реферируемых журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов, результатов и их обсуждения, выводов, списка используемых литературных источников и приложения. Работа изложена на /53 страницах текста, иллюстрирована

JOL

рисунками,

включает // таблиц. Список литературы состоит из источников, в том

числе 10 на иностранных языках.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю к.б.н., доценту A.C. Манучарову за неотъемлемую помощь в проведении экспериментов и подготовке работы. Автор выражает свою признательность зав. каф. физики и мелиорации почв д.б.н., проф. Е.В. Шеину за внимание к работе и ценные консультации. Автор благодарит сотрудника кафедры физики и мелиорации почв к.б.н. Т.Н. Початкову за повседневное внимание к работе, ценные советы и консультации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. Структура почвы как объект изучения В работе дан обзор литературы по вопросам современных представлений о процессе почвенного структурообразования и применения реологических методов для характеристики структурного состояния почв. В главе описаны основные теории структурообразования в почвах (Гедройц, 1928; Тюллин, 1948; Качинский, 1963; Антопов-Каратаев, Келлерман, 1961; Хан, 1969; Эдварде, Бремнер, 1967 и др.), приведены описания дисперсных структур, встречающихся в почвах, описаны методы почвенно-реологических исследований (Манучаров, Абрукова, 1982; Абрукова, 1970).

ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования Объекты исследования

Дерново-подзолистая почва легкосуглинистая на покровном суглинке. Многолетний опыт кафедры агрохимии факультета почвоведения МГУ (Московская область, Солнечногорский район, УОПЭЦ «Чашниково», дальнее Кирпичное поле), пахотный горизонт (0-20 см).

Варианты: «контроль», «контроль+известь», «азот», «азот+известь».

Чернозем типичный ~ мощный тяжелосуглинистый на покровном лессовидном суглинке. Стационарный многофакторный опыт (МФПО) ВНИИЗПЭ (Курская обл., Медвенский район), пахотный горизонт (0-20 см). Зернопаропропашной (1) и почвозащитный (зернотравянопропашной) (2) севообороты, варианты: «контроль», «NPK», «NPK+навоз», «навоз».

Чернозем типичный мощный тяжелосуглинистый на лессовидном суглинке. Центральный черноземный заповедник им В.В.Алехина (Курская область). Варианты: «некосимая степь 0-10 см» (разнотравно-злаковая луговая степь), «некосимая степь 20-30 см», «пар 0-10 см», «пар 20-30 см».

Чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый на покровном лессовидном суглинке. Многофакторный опыт Баймакского ОПХ (респ. Башкортостан, г.Уфа, Зауральская степь), пахотный горизонт (0-20 см). Варианты: «козлятник» (8 г.п.), «люцерна» (3 т.п.), «бессменный пар».

Минералы: монтмориллонит (порода гумбрин (Грузия, ст.Гумбрин)); каолинит (порода каолин (Украина, ст.Просяная); мусковит (Кольский п-ов).

Методы исследования

Определение физических свойств исследуемых почв проводили общепринятыми методами (Вадюнина, Корчагина, 1986; Шеин и др., 2001). Общее содержание углерода в почве определяли на экспресс анализаторе АН-8012, также были измерены рН водной и солевой вытяжки (Орлов, 1985). Определение основной гидрофизической характеристики (ОГХ) проводилось гигроскопическим методом и методом тензиостатов, средняя часть рассчитана по Воронину (Шеин и др., 2005). Исследование набухания почв и минералов проводилось методом Васильева (ПНГ) в семикратной повторности (Вадюнина, Корчагина, 1986). Проведена статистическая обработка данных.

Реологические свойства были изучены на ротационном вискозиметре РЕОТЕСТ-2 с цилиндрическим устройством (Манучаров и др., 1991) при влажности двухчасового («момент»), суточного («сутки») и недельного («неделя») набухания для образцов нарушенного (<1мм) и ненарушенного сложения. Построены основные реологические кривые (прямая и обратная) зависимости скорости деформации (Дг, 1/с) от напряжения сдвига (Р, дин/см2) (рис.1.а) и дополнительные реологические кривые зависимости эффективной вязкости (ц, пуаз) от напряжения сдвига (рис. 1.6).

Рассчитаны следующие реологические параметры (рис.1 а,б): пределы прочности — РК[ - предел Шведова (начало течения пасты), Рк2 - бингамовское

напряжение сдвига (начало разрушения), Рт - напряжение сдвига при полном

вязкости - г]Рк1 - вязкость начала течения, г)к - конечная вязкость, т|т - минимальная структурная вязкость, т]т - бингамовская вязкость, г|0* - шведовская вязкость (Харитонова, 1995). Определена основная характеристика структурного состояния - удельная мощность предельного разрушения структуры: AS= РК22/2(т]т- r|m) (Минкин, Буравчук, 1975).

Гранулометрический и микроагрегатный составы исходных образцов (воздушно - сухих <1мм) и образцов после РЕОТЕСТа-2 были изучены на лазерном дифрактометре (оптический метод - лазерный микроанализатор размеров частиц «Analezette 22») (Федотов и др., 2007).

В работе подробно описаны методологические основы изучения реологических свойств почв, дана методика работы на РЕОТЕСТе-2, представлены описания реологических параметров и способов их получения (Манучаров, Абрукова, 1982).

ГЛАВА 3. Обсуждение результатов исследования 3.1. Организация структурных уровней твердой фазы исследуемых почв и ее изменение при сельскохозяйственном использовании

Основные физико-химические свойства исследуемых почв представлены в таблице 1. Анализ результатов проведенных исследований указывает на высокую структурную организацию всех черноземов, которая характеризуется хорошо выраженной комковато-зернистой структурой, и дерново-подзолистых почв, с их комковато-порошистой структурой. Интенсивное сельскохозяйственное использование приводит к некоторому усреднению в распределение содержания структурных отдельностей по фракциям.

При сельскохозяйственном использовании дерново-подзолистых почв наиболее трансформируемой частью структурного состава являются

разрушении структуры;

б)

Рис.1

Реологические кривые:

а) основная

б) дополнительная

структурные отдельности крупнее 1мм. Коэффициент структурности (табл.1) вариантов с внесением извести в полтора раза ниже, чем неизвесткованных вариантов, но водоустойчивость структуры вариантов «контроль+известь» и «азот+известь» выше.

3.2. Физико-химическая характеристика исследуемых почв

На черноземе типичном почвозащитного севооборота идет накопление органического вещества, и улучшаются физико-химические свойства почвы (табл.1). Содержание углерода для всех вариантов почвозащитного севооборота выше, а значения плотности сложения почвы - ниже, чем в севообороте (1).

Высокие значения плотности (табл.1) дерново-подзолистой почвы обуславливают низкие показатели общей порозности.

На черноземе типичном внесение органических удобрений (навоза) ведет к улучшению водно- и воздушно-физических свойств почвы, на этих вариантах значение плотности <1 (табл.1).

3.3. Использование капиллярно-сорбционного потенциала воды (ОГХ) в почве для характеристики структурного состояния.

При изменении содержания жидкой фазы почвы термодинамическое состояние системы проходит через ряд предельных состояний равновесия, связанных с различным состоянием почвенной влаги, которые, по мнению А.Д. Воронина - являются предельными состояниями в отношении реологических характеристик почвы. В нашей работе мы исследовали реологические свойства почв в пределах влажности от ВРК (влажности разрыва капиллярной связи) до ПВ (полной влагоемкости). Определение почвенно-гидрологических и энергетических констант проводилось по кривым ОГХ. Изучена зависимость первого критического напряжения сдвига (предела Шведова, РК]) от влажности почвы. Характерной особенностью дерново-подзолистых почв и черноземов типичных зернопаропропашного севооборота является то, что капиллярная влагоемкость (КВ) (табл.1) достигается уже при насыщении водой в течение 1-2х часов (набухание «момент»), в отличие от черноземов типичных почвозащитного севооборота и черноземов обыкновенных, которые при набухании «момент» сохраняют упруго-пластические свойства и имеют более

Таблица 1

Основные физико-химические свойства пахотных горизонтов исследуемых почв

Почва Варнант Плотность почвы Ил гранулометрический, % Содержание углерода Коэффициент структурности Степень максимального набухания Влажность максимального набухания Капиллярная влагоемкость

Рь, г/смЗ <0,001мм С,% Кстр сутки, % W,% (сутки) КВ, %

Чернозем типичный севооборот (1) контроль 1,19 38 3,36 2,0 17,7 55 50

ЫРК 1,06 49 3,11 2,4 16,9 57 50

ИРК+навоз 1,10 46 3,16 3,2 13,7 56 50

навоз 0,89 35 3,27 2,2 16,6 56 50

Чернозем типичный севооборот (2) контроль 1,07 33 3,17 3,0 17,0 57 52

ЫРК 1,08 43 3,35 2,2 17,8 57 53

ЫРК+навоз 0,99 41 3,42 2,1 17,7 55 52

навоз 0,96 32 3,40 3,0 16,0 57 50

Чернозем обыкновенный козлятник * 42 4,03 6,8 18,2 55 55

люцерна * 40 4,16 4,3 20,6 51 60

бессмен.пар * 34 2,93 3,2 15,2 52 51

Чернозем типичный азе некос.степь 0-1Осм 0,97 43 5,58 4,9 24,3 68 62

некос.степь 20-30см 1,16 43 4,25 5,7 9,3 67 60

пар 0-1 Осм 0,81 38 2,94 3,5 6,9 62 58

пар 20-30см 0,93 38 2,60 1,8 7,7 55 50

Дерново-подзолистая почва контроль 1,38 7 1,07 2,7 2,1 36 37

контр+изв. 1,31 3 1,17 1,8 2,3 37 35

азот 1,25 7 1,07 2,0 1,6 44 37

азот+изв. 1,27 4 1,24 1,5 1,9 41 34

высокие значения реологических параметров, в частности предела Шведова Ркь так как на этой стадии набухания влажность не превышает КВ (табл.1). При достижении влажности, равной КВ, происходит слияние менисков, силы сцепления ослабевают, резко увеличивается площадь контактных менисков, что приводит к возможности смещения частиц относительно друг друга без нарушения связи между ними. Почва начинает вести себя как пластическое тело. Через сутки после набухания влажность достигает значения полной влагоемкости (табл.1).

3.4. Набухание почв

Статистическая обработка полученных данных не выявила достоверных различий по степени максимального набухания между вариантами чернозема типичного при сельскохозяйственном использовании. Только вариант «ТчГРК+навоз» первого севооборота достоверно отличается (Р=95%) от других вариантов, степень максимального набухания этого образца ниже и составляет 13,7% (табл.1).

Вариант «некосимая степь 0-10см» достоверно отличается от вариантов чернозема типичного, находящихся в сельскохозяйственном использовании, по степени максимального набухания.

Варианты чернозема обыкновенного с возделыванием многолетних трав, отличаются от варианта «бессменный пар» динамикой набухания в начальный период измерения и степенью максимального набухания (рис.2).

Рис.2. Скорость набухания. Рис.3. Кривые набухания.

Чернозем обыкновенный Дерново-подзолистая почва

На кривых набухания вариантов «контроль» и «азот» дерново-подзолистой почвы (рис.3) в первую минуту измерения заметно резкое отрицательное набухание. Менее водопрочная структура неизвесткованных вариантов при смачивании водой быстро разрушается, при этом уменьшается количество крупных пор, что ведет к уменьшению объема системы. Затем набухание продолжается за счет расклинивающего давления в более тонких порах. При впитывании воды образцом почвы частицы последней упаковываются плотней от разрушения агрегатов, поэтому на мессуре наблюдается уменьшение объема. Так как набухание происходит медленнее дилатансии, увеличение объема фиксируется мессурой позднее.

3.5. Реологические свойства почв и минералов

В почве в природных условиях реализуются все основные типы дисперсных структур: коагуляционные, кристаллизационные и конденсационные, образуются смешанные коагуляционно - конденсационно - кристаллизационные связи.

3.5.1. Реологические свойства основных почвенных минералов

В качестве моделей для отработки и обоснования методики реологических исследований мы подобрали минералы с резко отличающимися свойствами.

Для получения объективных данных на высоких скоростях деформации и релаксационной характеристики деформируемой системы в широком временном диапазоне РЕОТЕСТ-2 через иономер был подсоединен к компьютеру. Это позволило наблюдать за изменениями структурных связей, которые происходили в образцах не только при увеличении скорости деформации, но и в рамках одной скорости. Если основные реологические кривые, построенные по средним квартилей значений напряжения сдвига, могут отличаться незначительно, то рассмотрение поведения образца при заданном напряжении сдвига в широком временном диапазоне может дать четкую картину различий в свойствах. Были изучены серии реологических кривых при различных условиях увлажнения и деформации, как в пастах, так и в образцах ненарушенного сложения.

На рисунке 4 представлены основные реологические кривые почвенных минералов. Монтмориллонит проявляет явные тиксотропные свойства с конденсационно - коагуляционной структурой.

Тиксотропные системы самопроизвольно и изотермически восстанавливают во времени сопротивление деформации по прекращении приложения деформирующей силы (Ребиндер, 1958). монтморил. Мусковит при медленном

каолинит деформировании ведет себя как жидкость, с мусковит

увеличением скорости деформации

20000

сопротивление резко возрастает и становится Рис.4. Основные реологические

кривые почвенных минералов независимым от деформирующей силы.

Реологическая кривая каолинита начинается со ступеньки. Ложная дилатансия вызвана неводопрочными агрегатами и сочетается с тиксотропным восстановлением структуры. Дилатантные системы (пески, песчаные и лессовые почвы - «истинная» дилатансия, а также почвенные горизонты с прочной макроструктурой - «ложная» дилатансия), находящиеся во влажном состоянии, разжижаются при механическом воздействии, а по прекращении восстанавливают первоначальное состояние за счет сил тяжести частиц (Горбунов, Абрукова, 1974).

3.5.2. Влияние азотных удобрений и известкования на реологические свойства дерново-подзолистых почв

Исследования реологического поведения дерново-подзолистых почв показали, что все варианты характеризуются упрочнением во времени, которое происходит в основном за счет механического (дилатантного) уплотнения грубодисперсной фракции. Это значит, что в сухом состоянии эти почвы рыхлые, а во влажном -дилатантно упрочнены. Варианты с известью проявляют большую дилатансию, чем неизвесткованные варианты, за счет наличия водопрочных микроагрегатов.

Почва после сильного высушивания, при последующей обработке водой пептизируется слабо, происходит необратимая коагуляция. Присутствие извести в некоторых вариантах, а также старение коллоидов приводит к их коагуляции, к образованию новых структурных связей. Образующиеся коагуляционные связи этих почв характеризуются весьма малой прочностью, и при деформации

коллоидная часть играет роль смазки между грубодисперсными частицами. Преобладание грубодисперсной фракции в виде мелкокристаллического кварца и небольшое содержание гумуса создают благоприятные условия для проявления дилатантных свойств.

Реологические кривые снятые после недельного набухания образцов имеют пилообразный характер (рис.5), что является очень типичным для дилатантных систем. Пилообразность возникает уже при небольших нагрузках. В самом начале идет довольно

1200

900

600

300

5 10 15 Номер скорости

Рис.5. Зависимость напряжения сдвига от номера

резкое снижение прочности без скорости вращения цилиндра.

Дерново-подзолистая почва, набухание - неделя.

тенденции к восстановлению, что объясняется разрушением слабых коагуляционных связей, которые образовались в ходе недельного набухания. При этом прочность связей у вариантов с внесением извести несколько выше, чем у вариантов «контроль» и «азот».

Для пахотных горизонтов дерново-подзолистых почв характерно тиксотропное восстановление структур. Но тиксотропные свойства проявляются не в полной мере, о чем свидетельствует появление на

реологических кривых петель реопексии (рис.6.). Следовательно, можно Дг констатировать наличие слаборазвитых конденсационных и кристаллизационных связей, которые разрушаются полностью при определенной скорости деформации. Образующиеся коагуляционные структуры проявляют тиксотропные свойства. Горбунов Н.И. (1975) описывает реопексию, как эффект увеличения сопротивления сдвигу при

75 -|

1000

Рис.6. Основная реологическая кривая. Дерново-подзолистая почва, снятии «азот+известь», набухание - сутки.

напряжения. Для исследуемых почв в Таблица 2

Реологические параметры

естественном состоянии дерново-подзолистой почвы

конденсационные структуры развиты в w § PRt ÄS

s 3--

<u 8 Вариант . , меньшей степени, поскольку в условиях °ин/ эРг

оа см /см

УОПЭЦ «Чашниково» сильное иссушение -f - контроль ~ 543 gpfT

почвенного профиля не наблюдается. | конт+изв--395--4198_

^ о дзот__1128 8722

Взятые нами для исследования образцы азот+изв__462 7014

контроль 274 1225

были предварительно высушены, поэтому g конт+изв 137 2862

^---

мы сочли возможным считать способность о азот--—--Щ^—

__азот+изв__235__506

к образованию незначительного числа R контроль__787 6145

S конт+изв 1078 12960

конденсационных структур характерной 3 азот 357 2529

® азот+изв 986 11604 чертой для всех вариантов. ----

Итак, общий вид реологических кривых дерново-подзолистой почвы -

тиксотропно-дилатантный, реопексия. Преобладающий тип связей -

конденсационно - коагуляционный.

Варианты с внесением извести имеют более низкие значения первого предела

прочности Рк, по сравнению с «контролем» при набухании «сутки» и «момент»

(табл.2). Применение только известкования на дерново-подзолистой почве

ведет к снижению параметра Pki и соответственно начальной вязкости системы в

большей степени, чем совместное внесение азота и извести. Азотные

удобрения нивелируют действие извести в процессе формирования прочных

конденсационно-кристаллизационных контактов в почве. При недельном

набухании контрольный вариант имеет самые низкие значения Ркь что говорит о

меньшей способности к упрочнению во времени за счет образования новых

структурных связей.

Все исследуемые образцы дерново-подзолистых почв имеют тенденцию к

проявлению дилатантно-плывунных свойств. Плывунность характеризуется

отсутствием сцепления между частицами и выражается в способности почв к

течению с незначительной вязкостью при напряжениях выше предела прочности,

соответствующему полному разрушению структуры (Горбунов, Абрукова, 1974).

Вследствие припахивания горизонт Ар редко можно выделить в чистом виде.

Таблица Реологические параметры дерново-подзолистой почвы

Время набухания Рк, AS

Вариант дин/ см2 эрг /см

н контроль 543 8081

3 <и S о S конт+изв 395 4198

азот 1128 8722

азот+изв 462 7014

контроль 274 1225

а конт+изв 137 2862

а азот 526 5290

азот+изв 235 506

контроль 787 6145

<и конт+изв 1078 12960

Ö к азот 857 2529

азот+изв 986 11604

Механическое перемешивание дернового и подзолистого горизонтов приводит к развитию в пахотном горизонте плывунных свойств, что выражается в отсутствии на реологической кривой участка инерциального течения пасты без разрушения структуры (участок ползучести по Шведову). Структурная вязкость после снятия напряжений полностью не восстанавливается.

Исследования образцов после реотеста на лазерном дифрактометре показали, что при суточном набухании наиболее

подвержена разрушению фракция микроагрегатов 0,3-0,05мм (рис.7), причем в вариантах с известью разрушается 10% от общего содержания фракции, а в неизвесткованных вариантах - 20%.

При набухании «момент» разрушаются преимущественно агрегаты размером 1-0,5мм. Следовательно, при непродолжительном контакте с водой разрушению подвергаются более крупные агрегаты, а при увеличении времени набухания - более мелкие.

Удельная мощность предельного разрушения структуры является количественной и интегральной оценкой внутренних сил сцепления и отталкивания и характеризует прочность структурных связей и их тип. К настоящему времени нет четких классификационных градаций типа структурных связей по величине ДБ вследствие недостаточности экспериментальных данных. Сравнение исследуемых вариантов после недельного набухания по данной характеристике реологического поведения показало, что известкованные варианты имеют более высокие значения параметра ДБ вследствие образования прочных внутриагрегатных конденсационных и межагрегатных коагуляционных структурных связей. Внесение азотных удобрений понижает значение этого параметра за счет диспергационного действия физиологически кислого

Рис.7. Дерново-подзолистая почва, вариант - «контроль». Дифференциальная кривая гранулометрического и

микроагрегатного составов

аммонийного азота (пептизация коллоидных структур) (табл.2). Варианты «контроль» и «азот» обладают наименьшими значениями ДБ после недельного набухания, поэтому оказывают большое удельное сопротивление при обработке. Высокие значения удельной мощности предельного разрушения структуры, характерные для вариантов «контроль+известь» и «азот+известь», говорят о хорошем микроструктурном состоянии, сохраняющемся при длительном увлажнении.

3.5.3. Реологические свойства чернозема типичного нарушенного и ненарушенного сложения. Стадийность реологического поведения при многократных деформациях. Релаксация напряжений во времени

Вариант чернозема типичного абсолютно заповедной степи «некосимая степь 0-10 см» образует петлю гистерезиса на реологической кривой (рис.8.а). Коагуляционные структуры тиксолабильного характера, существующие между прочными микроагрегатами, разрушаются уже при небольших нагрузках и не восстанавливаются даже после снятия напряжения. Выделить пределы прочности на кривых не удалось. В течение суточного набухания в образце коагуляционные структуры упрочняются (и образуются новые), поэтому напряжение сдвига у варианта после суточного набухания выше на всех скоростях деформации, чем у вариантов после набухания - «момент». В вариантах «пар 0-10 см» и «пар 20-30 см» на реологических кривых образуется петля реопексии (рис.8.б).

-сутки

—момент

2500

5000

2500

5000

а)

б)

Рис.8. Основные реологические кривые. Чернозем типичный, а) вариант «некосимая степь 0-10 см»; б) вариант-«пар 0-10 см»

По структурным характеристикам этот вариант хуже, чем «некосимая степь», в нем содержится меньше органического вещества. Образование петли реопексии свидетельствует о частичном разрушении конденсационно-кристаллизационных связей, образующиеся новые коагуляционные связи не приводят систему в исходное состояние.

100000 ч

1000

100

1100

2100

Рис.9. Дополнительная реологическая

кривая. Чернозем типичный,

«пар 20-30см», набухание - «сутки»

Согласно теориям, основанным на контактных взаимодействиях частиц, при увеличении доли мелкой фракции (при разрушении структуры в ходе анализа) число контактов увеличивается, и следует ожидать максимальной вязкости. Фактически, мы наблюдаем обратный эффект. Проф. Ходаков Г.С. (2003) утверждает, что уменьшение вязкости почвы в процессе разрушения агрегатов и

Таблица 3 с рОСТОМ доли фракций мелких частиц при Основные реологические параметры

неизменном их суммарном содержании обусловлено замещением жидкости в агрегатах крупных частиц мелкими частицами (рис.9). Такое вытеснение дисперсионной среды из агрегатов крупных частиц продолжается до максимального заполнения их мелкими частицами. Далее происходит образование агрегатов мелких частиц и окклюдирование в них дисперсионной среды, что сопровождается увеличением вязкости суспензий. При таком рассмотрении общепринятое измерение вязкости суспензий эквивалентно измерению вязкости дисперсионной среды.

Наличие прочных коагуляционно-конденсационных структурных связей

Время набухания Вариант РК1 Ав

дин/ см2 эрг/см2

Момент степь 20-30см (ненарушеного. сложения) 8261 73125

пар 0-10см 2923 22273

пар 20-30см 726 20417

Сутки степь 0-10см 4377 30104

степь 20-30см 2946 86289

пар 0-10см 2909 21607

пар 20-30см 1333 9000

обуславливает высокие значения удельной мощности предельного разрушения структуры (табл.3).

Исследование образца чернозема типичного «некосимая степь 20-30 см» при пятикратном последовательном деформировании показали, что происходит переход в направлении тиксостабильность (гистерезис с признаками дилатансии) - реопексия - тиксостабильность (реопексия небольшая) (рис. 10).

75 п

Дг

5000

4000

Рис.10. Основная реологическая кривая. Последовательные деформации.

Чернозем типичный, «некосимая степь 20-30 см», набухание - «сутки».

Водоустойчивая структура не разрушается под действием прилагаемой нагрузки. При первой деформации на реологической кривой образуется петля гистерезиса, конденсационно-кристаллизационные структуры тиксостабильного характера (скорость разрушения равна скорости восстановления) проявляют «ложную» дилатансию за счет водопрочных микроагрегатов. Структурообразование в суспензиях и пастах чернозема типичного относится к типу смешанных коагуляционно-конденсационных структурных связей, характеризующихся большой прочностью, так как эти структуры возникают при цементации почвы органическим веществом, карбонатами, аморфным кремненземом, окислами железа и т.д. Внутриагрегатные конденсационные структурные связи при обычной механической обработке не разрушаются, межагрегатные коагуляционные структурные связи разрушаются и не восстанавливаются, так как грубодисперсные частицы и агрегаты оседают под действием силы тяжести на дно цилиндра и не могут образовать прежнюю структурную сетку. Тиксотропные свойства тонких фракций завуалированы прочными внутриагрегатными связями.

Дг

50 25

Величина удельной мощности предельного разрушения структуры увеличивается при повторном

деформировании из-за дилатантного упрочнения.

Увеличение времени деформации на __] каждой скорости до 10 мин привело к

0 2000 4000 6000 появлению на реологической кривой

Рк2 Р

варианта «некосимая степь 20-30см» изгиба,

Рис.11. Основная реологическая кривая

Чернозем типичный, «некосим, степь который говорит о начале

20-30 см», набухание - «сутки»

разрушения водопрочных микроагрегатов.

Это второе критическое напряжение сдвига Рй, после которого течение происходит с постоянной пластической вязкостью (рис.11). При длительной деформации в системе происходит расслаивание напряжений во времени -релаксация, напряжение стремиться к постоянному значению.

Исследование реологического поведения варианта чернозема типичного «некосимая степь 20-30 см» ненарушенного сложения при набухании «момент» показали, что этот вариант имеет более высокие значения первого критического напряжения сдвига РК1 и ДБ (табл.3), и следовательно, начальной вязкости. На кривой выделяется и второе критическое напряжение сдвига. Растирая образец, мы нарушаем связи в первую очередь между макроагрегатами.

3.5.4. Реологические свойства чернозема типичного при различном сельскохозяйственном использовании

Преобладающий тип связи у исследуемых вариантов чернозема типичного -коагуляционно-кристаллизационный. Прочные микроагрегаты связаны между собой слабыми коагуляционными взаимодействиями, которые проявляют тиксотропию. Разрушение самих микроагрегатов при прилагаемой нагрузке не происходит.

В почвозащитном севообороте наблюдается определенная закономерность изменения напряжения в зависимости от времени набухания, которая прослеживается у всех вариантов. При набухании «момент» напряжения,

возникающие в образце, больше, чем при набухании недельном и суточном (рис. 12.а). В зернопаропропашном севообороте такая закономерность наблюдается только у двух вариантов - «контроль» и «МРК+навоз». При снятии напряжения восстановление сопротивления деформации идет по типу тиксотропии, а дилатансия проявляется за счет водопрочных микроагрегатов. Начало деформации происходит при значительно большем напряжении сдвига, чем дальнейшее течение системы.

Дг

---момент

-сутки

неделя

2000

а)

4000

---момент

-сутки

-^-неделя

2000

б)

4000

Рис.12.. Основная реологическая кривая. Чернозем типичный, а) севооборот (2), вариант - «МРК»; б) севооборот (1), вариант - «навоз».

Через сутки после начала набухания увеличивается количество коагуляционных контактов между частицами, что уменьшает поверхность соприкосновения частиц со средой и система переходит в состояние с более низкой потенциальной энергией. Коагуляционные структуры переходят в состояние тиксостабильности.

Только вариант «КРК+навоз» (2) сохраняет в незначительной степени тиксотропные свойства. После длительного взаимодействия с водой некоторые микроагрегаты все-таки разрушаются, и на реологических кривых выделяется второе критическое напряжение сдвига и появляется петля реопексии (рис. 12.6).

После недельного набухания варианты сохраняют тиксостабильную структуру. Способность почвы образовывать коагуляционно-тиксотропные структуры во время весеннего снеготаяния позволяет удерживать значительно больше воды, предотвращая внутрипочвенный сток. При увлажнении и деформации прочность коагуляционных структур понижается, увеличивается

способность к разжижению, а при высыхании эти структуры переходят в конденсационно-кристаллизационные с большой прочностью.

На реологических кривых при набухании «неделя» у всех вариантов первого севооборота и у варианта «навоз» (2) выделяется участок течения системы с незначительной вязкостью при напряжениях выше предела прочности (рис.13).

Следовательно, исследуемые образцы после длительного увлажнения и деформации могут проявлять плывунные свойства.

Почва в таком состоянии легко подвергается деформационному сдвигу при незначительных нагрузках. При повышенной влажности сельскохозяйственная техника будет тонуть на полях, а при наличии уклона местности, почва может сползать по склону. При набухании «момент» все варианты характеризуются

большими напряжениями сдвига при одинаковых скоростях деформации, чем варианты зернопаропропашного севооборота (рис.14). При этом варианты севооборота(1) имеют более тиксостабильную структуру, а варианты севооборота (2) - более тиксолабильную, с большей петлей гистерезиса и длительным временем тиксотропного восстановления. Это может быть связано с различиями в качественном составе органического вещества. В зернотравянопропашном

8000

10000 1000 100 10 1

500

1000 1500 Р

Рис.13 Дополнительная реологическая кривая. Чернозем типичный, «ИРК+навоз» (1), набухание «неделя», второго севооборота

4000

- контроль -ЫРК

ЫРК+навоз • навоз

8000

4000

Номер скорости

10 20 Номер скорости

а) б)

Рис.14. Зависимость напряжения сдвига от порядкового номера скорости вращения цилиндра реотеста. Чернозем типичный, а) севооборот (1), б) севооборот (2), набухание - «момент».

севообороте в почву больше поступает свежего органического вещества в виде корневого отпада, гумифицирующегося in situ и проявляющего гидрофобные свойства (Милановский, 2006). Это препятствует быстрому образованию устойчивых тиксостабильных коагуляционных структур. Внесение органических удобрений (навоза) ведет к уменьшению реопексии и увеличению дилатансии, а внесение минеральных удобрений (NPK) - наоборот значительно увеличивает реопексию и уменьшает дилатансию. Увеличение реопексии свидетельствует о понижении прочности микроагрегатов, а увеличение дилатантности является следствием увеличения количества прочных микроагрегатов.

Исследование образцов после реотеста на лазерном дифрактометре показало, что при сдвигающих нагрузках наиболее подвержены разрушению микроагрегаты диаметром ОД мм. При микроагрегатном анализе воздушно-сухих образцов максимум на дифференциальной кривой приходился на фракцию 0,1мм. После деформации эта фракция оказывалась в минимуме (рис.15). В вариантах с навозом образовались 2 пика - с максимумами в 0,02мм и 0,3мм, а в вариантах «NPK» максимум сместился с фракции 0,1мм к фракции 0,02мм.

1- воздушно-сухая почва (<1 мм)

2 - после реотеста

3 - после разрушения ультразвуком

Таблица 4

Реологическая характеристика чернозема типичного

50 100

вариант AS

эрг/см2

контроль 3181

О NPK 3600

о о NPK+навоз 13267

навоз 11378

контроль 1331

<м NPK 17123

о NPK+навоз 40066

навоз 13675

500 1СЮ0 сЦО'мм

Рис.15. Дифференциальная кривая гранулометрического и микроагрегатного составов. Чернозем типичный, «навоз».

Совместное и сбалансированное внесение органно-минеральных удобрений

приводит к упрочнению структуры почвы. Внесение органических удобрений как

отдельно, так и совместно с минеральными, ведет к увеличению удельной

мощности предельного разрушения структуры (ДБ). Почва оказывает небольшое

удельное сопротивление при вспашке, понижается ее вязкость и увеличиваются

пределы прочности. Внесение минеральных удобрений (ЫРК) обуславливает

неблагоприятные структурно-механические свойства почвы. При иссушении происходит резкое увеличение плотности почвы. Органическое вещество способствует повышению уровня микроагрегации и образованию почвенных структур с дилатантными свойствами.

3.5.5. Реологические свойства чернозема обыкновенного

На реологических кривых образуется значительная по площади петля

реопексии (рис.16). Скорость восстановления сопротивления деформации после

снятия нагрузки увеличивается вследствие перераспределения структурных

связей. После длительного увлажнения (недельного) петля реопексии

уменьшается, особенно у варианта «бессменный пар». При ослаблении

внутриагрегатных конденсационных

структурных связей, агрегаты переходят в

пластичное состояние. После деформации

происходит упрочнение образцов. При

исследовании чернозема типичного и чернозема

обыкновенного стандартными и общепринятыми

методами изучения структуры мы получаем

близкие структурные характеристики, но при

реологических исследованиях эти почвы ведут Рис.16. Основная реологическая

кривая. Чернозем обыкновенный, себя по- разному. Микроагрегаты чернозема вариант - «люцерна».

обыкновенного при нагрузке разрушаются, увеличивая вязкость, при этом увеличивается и скорость образования коагуляционных структур между уже разрушенными микроагрегатами.

—- сутки -неделя

О Р 20000

Выводы

1. Отработана и обоснована методика получения реологических кривых и характеристик деформационного поведения на ротационном вискозиметре РЕОТЕСТ-2 с помощью компьютера. Предложено построение основных реологических кривых по средним квартилей значений напряжения сдвига, рассчитанных для каждой скорости измерения. Время воздействия сдвигающих напряжений до получения на реологических кривых пределов прочности необходимо подбирать индивидуально для каждого типа почвы.

2. Для дерново-подзолистой почвы характерно тиксотропное восстановление структуры и истинная дилатансия. Преобладающий тип связи - конденсационно -коагуляционный. Применение минеральных азотных удобрений приводит к понижению прочностных свойств этих почв, а при известковании идут процессы воссоздания микроструктуры.

3. Преобладающий тип связи у чернозема типичного - коагуляционно-кристаллизационный. Внесение органических удобрений (навоза) на черноземе типичном ведет к упрочнению внутриагрегатных связей, улучшению технологических свойств почвы, а внесение минеральных удобрений (ЫРК) обуславливает неблагоприятные структурно-механические свойства почвы. Только совместное и сбалансированное внесение органно-минеральных удобрений приводит к улучшению структурного состояния почвы, увеличивая прочность структуры. Варианты почвозащитного севооборота характеризуются более развитым каогуляционным структурообразованием.

4. Наиболее прочной коагуляционно-кристаллизационной структурой из всех исследуемых черноземов обладает вариант «некосимая степь». Ведение на данной почве культуры пара ведет к уменьшению прочности связей внутри агрегатов. При влажности максимального набухания чернозем типичный проявляет плывунно-дилатантные свойства. «Ложная» дилатансия обусловлена наличием водопрочных микроагрегатов.

5. Чернозем обыкновенный отличается от чернозема типичного пониженной прочностью межагрегатных связей, которые быстро разрушаются под действием

нагрузки, но после снятия нагрузки эти связи практически полностью восстанавливаются за счет образования коагуляционных структур.

6. У чернозема типичного наиболее подвержены разрушению при сдвигающих напряжениях микроагрегаты диаметром 0,3-0,05мм с максимумом в точке 0,1мм. Навоз способствует упрочнению структурных связей в микроагрегатах диаметром 1-0,5мм.

7. В дерново-подзолистых почвах наиболее подвержена разрушению фракция микроагрегатов диаметром 1-0,05мм. При непродолжительном контакте с водой разрушаются более крупные агрегаты (1-0,5мм), а при увеличении времени набухания и более мелкие (1-0,05мм). Известкование ведет к упрочнению связей в микроагрегатах 0,4-0,05мм.

8. При длительном набухании в дерново-подзолистых почвах увеличивается прочность структурных связей за счет коагуляционного структурообразования. В черноземе типичном, наоборот, прочность связей уменьшается с увеличением времени контакта с водой, так как длительное увлажнение ведет к разрушению микроагрегатов.

Материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Влияние длительного применения удобрений на набухание почв разного генезиса. Тезисы докладов XII Международной научной конференции «Ломоносов-2005», Москва, 2005,с.4-5.

2. Зависимость реологических свойств почв от их сельскохозяйственного использования. Тезисы докладов Всероссийской конференции «Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути стандартизации», Москва, 2005, с.216-217.

3. Зависимость реологических свойств дерново-подзолистых почв от их сельскохозяйственного использования. Тезисы докладов конференции молодых ученых «Реология и физико-химическая механика дисперсных систем», Карачарово, 2007, с. 98-99.

4. Особенности реологического поведения чернозема типичного при различном сельскохозяйственном использовании. Тезисы докладов XIV Международной научной конференции «Ломоносов-2007», Москва, 2007,с.60-61.

5. Реологические свойства почв разных биосистем. Тезисы док. Международной научно-практической конференции «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования», Астрахань, 2007, с. 156-157.

6. Влияние длительного применения удобрений на реологические свойства чернозема типичного. Вестник ОГУ, 2007, №12, с.91-95.

7. Влияние азотных удобрений и известкования на реологические свойства дерново-подзолистых почв. Вестник АГАУ, 2008, №2(40), с.31-35.

Подписано в печать 07.10.2008 Формат 60x88 1/16. О&ьем 1.5 п. л. Тираж 100 -экзгЗаказ № 749 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119991 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. А-102

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Николаева, Ирина Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА ПОЧВЫ КАК ОБЪЕКТ ИЗУЧЕНИЯ.

1.1. Основные положения теории структурообразования и современные представления о процессе почвенного структурообразования.

1.2. Основные типы дисперсных структур, встречающихся в почвах.

1.3. Понятия и термины реологии.И

1.4. Применение реологических методов для характеристики структурного состояния почв

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Объекты исследования.

2.2. Методы исследования.Ъ

2.2. Методологические основы изучения реологических свойств почв.3S

2.3. Методика определения реологических свойств почв на ротационном вискозиметре РЕОТЕСТ-2.

ГЛАВА 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Организация структурных уровней твердой фазы исследуемых почв и ее изменение при сельскохозяйственном использовании.

3.1.1. Гранулометрический состав.

3.1.2. Микроагрегатный состав.

3.1.3. Агрегатный уровень структуры.

3.2. Физико-химическая характеристика исследуемых почв.:.

3.3. Использование капиллярно-сорбционного потенциала воды в почве для характеристики структурного состояния. Основная гидрофизическая характеристика.

3.4. Набухание почв и минералов.7f

3.5. Реологические свойства почв и минералов.

3.5.1. Реологические свойства основных почвенных минералов.

3.5.2. Влияние азотных удобрений и известкования на реологические свойства дерново-подзолистых почв.

3.5.3. Реологические свойства чернозема типичного абсолютно заповедной степи нарушенного и ненарушенного сложения. Стадийность реологического поведения при многократных деформациях. Релаксация напряжений во времени.

3.5.4. Реологические свойства чернозема типичного при различном сельскохозяйственном использовании.

3.5.5. Реологические свойства чернозема обыкновенного.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Реологические свойства дерново-подзолистых почв и черноземов при различном сельскохозяйственном использовании"

Актуальность проблемы

Изучение структуры почвы, как системы определенным образом организованных элементарных почвенных частиц и их агрегатов во взаимодействии с жидкой фазой почвы, создало необходимость использования в почвоведении достижений механики дисперсных систем и привело к развитию нового направления изучения структуры почвы -почвенной реологии. Реологические свойства почв, являясь функциями структуры, относятся к числу структурно-функциональных свойств почвы и отражают взаимодействие двух фаз: твердой и жидкой. Реологические исследования позволяют вскрыть внутреннюю природу прочностных свойств почв, получить представление о преобладающих типах структурных связей и дать интегральную оценку прочности связей, участвующих в образовании агрегатов почвы. Различными авторами проводились исследования, направленные на изучение реологического поведения почв по генетическим горизонтам при отдельных значениях влажности [2,6,70,119]. Однако остается недостаточно ясной картина изменения реологического поведения почв при различном сельскохозяйственном использовании и на разных стадиях набухания.

Задачи:

1. обосновать и отработать методику получения специфических оценочных параметров (пределов прочности и характеристик деформационного поведения) и реологических кривых (основной и дополнительной) на модельных образцах основных почвенных минералов (каолинит, монтмориллонит, мусковит); fb

4. определить размеры фракций микроагрегатов исследуемых почв наиболее подверженных разрушению при сдвигающих напряжениях.

Практическая значимость

Сельскохозяйственное использование находит отражение, прежде всего, в изменении структурного состояния почв. Исследование реологических свойств позволяет вскрыть внутреннюю природу прочности структурных связей и дает возможность прогнозировать поведение почв при обработке. Реологические исследования являются существенным дополнением к общепринятым методам изучения структуры почвы.

Заключение Диссертация по теме "Почвоведение", Николаева, Ирина Владимировна

выводы

2. Для дерново-подзолистой почвы характерно тиксотропное восстановление структуры и истинная дилатансия. Преобладающий тип связи — конденсационно - коагуляционный. Применение минеральных азотных удобрений приводит к понижению прочностных свойств этих почв, а при известковании идут процессы воссоздания микроструктуры.

3. Преобладающий тип связи у чернозема типичного - коагуляционно-кристаллизационный. Внесение органических удобрений (навоза) на черноземе типичном ведет к упрочнению внутриагрегатных связей, улучшению технологических свойств почвы, а внесение минеральных удобрений (NPK) обуславливает неблагоприятные структурно-механические свойства почвы. Только совместное и сбалансированное внесение органно-минеральных удобрений приводит к улучшению структурного состояния почвы, увеличивая прочность структуры. Варианты почвозащитного севооборота характеризуются более развитым каогуляционным структурообразованием.

5. Чернозем обыкновенный отличается от чернозема типичного пониженной прочностью межагрегатных связей, которые быстро разрушаются под действием нагрузки, но после снятия нагрузки эти связи практически полностью восстанавливаются за счет образования коагуляционных структур.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проделанной работы можно утверждать, что изучение реологических свойств, действительно, является существенным дополнением к общепринятым методам исследования структурного состояния почв. Близкие по структурным характеристикам почвы при реологических исследования могут вести себя по-разному. Поведение почвы под нагрузкой зависит от многих факторов, одним из главных является преобладающий тип связи. Для дерново-подзолистой почвы характерно тиксотропное восстановление структуры и истинная дилатансия, проявляющаяся за счет грубодисперсной фракции песка. Применение минеральных удобрений и известкования по-разному влияет на структурное состояние этих почв. При известковании идут процессы воссоздания микроструктуры, снижается значение начальной вязкости системы и увеличивается удельная мощность предельного разрушения структуры, что ведет к снижению удельного сопротивления почвы при обработке. Внесение минеральных азотных удобрений, наоборот, снижает удельную мощность предельного разрушения структуры, нивелируя действие извести в процессе образования прочных конденсационно-кристаллизационных связей. Азотные удобрения понижают прочностные свойства дерново-подзолистых почв, что особенно ярко проявляется при больших нагрузках.

Среди исследованных черноземов вариант «некосимая степь» абсолютно заповедной степи обладает наиболее прочной коагуляционно-кристаллизационной структурой, которая не разрушается даже при предварительном суточном набухании. Вариант многолетний «пар» проявляет реопексию, что говорит о менее прочных связях внутри агрегатов. Эти варианты отличаются повышенным значением удельной мощности предельного разрушения структуры по сравнению с другими исследуемыми черноземами, причем с глубиной величина удельной мощности предельного разрушения структуры уменьшается. При неоднократном последовательном деформировании полного разрушения микроагрегатов не достигается.

В черноземе типичном, находящемся в длительном сельскохозяйственном использовании, преобладают прочные коагуляционно-кристаллизационные связи. При снятии напряжения восстановление сопротивления деформации идет по типу тиксотропии, а ложная дилатансия проявляется за счет водопрочных микроагрегатов. С увеличением времени набухания коагуляционные структуры переходят в состояние тиксостабильности. После недельного набухания образцы сохраняют тиксостабильную структуру, причем прочность ее несколько увеличивается, но при этом появляются незначительные петли реопексии. На реологических кривых отсутствуют выраженные пределы прочности, что говорит о проявлении плывунно-дилатантных свойств. Почва в таком состоянии легко подвергается деформационному сдвигу при незначительных нагрузках. Внесение одних органических удобрений (навоза) ведет к уменьшению петли реопексии на реологических кривых и увеличению ложной дилатансии, а внесение минеральных удобрений (NPK) - наоборот, значительно увеличивает площадь петли реопексии и уменьшает дилатансию. Наиболее прочными структурными связями по отношению Pm/PKi обладает вариант «NPK+навоз» и «контроль». Только совместное и сбалансированное внесение органно-минеральных удобрений приводит к улучшению структурного состояния, увеличивая прочность структуры при деформации.

Чернозем обыкновенный при сельскохозяйственном использовании проявляет значительную реопексию. Водопрочные микроагрегаты при нагрузке частично разрушаются, увеличивая вязкость, при этом увеличивается и скорость образования коагуляционных структур между уже разрушенными микроагрегатами. Эта почва имеет большие значения величины максимального набухания, влажности набухания по сравнению с другими исследуемыми черноземами.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Николаева, Ирина Владимировна, Москва

1. Абдурагимова Л.А., Ребиндер П.А., Серб-Сербина Н.Н. Упроговязкостные свойства тиксотропных структур в водных суспензиях бентонитовых глин. Коллоидный журнал, 1955, т. 17, вып.З.

2. Абрукова В.В., Манучаров А.С. Некоторые особенности деформации почв при реологических исследованиях. Почвоведение, 1985, №6, с.89-95.

3. Абрукова В.В., Манучаров А.С. Реологическая характеристика тундровой поверхностно-глеевой почвы. Почвоведение, 1986, №9, с.44-52.

4. Абрукова В.В. Почвенно-агрономическая характеристика АБС Чашниково. М., 1986, 93 с.

5. Абрукова В.В. Связь реологических свойств почв со структурными характеристиками. Дисс. к.б.н. М., 1988, 128с.

6. Абрукова Л.П. Изучение тиксотропных свойств почв с применением ротационного вискозиметра РВ-8. Почвоведение, 1970, №8, с.83-90.

7. Абрукова Л.П. Изучить тиксотропные свойства почв. Фонды Почвенного инст-та, 1976, УДК 631.4:551.3; № гос. регистрации 71074371, инвентарный № Б 605789.

8. Абрукова Л.П. Кинетика тиксотропного структурообразования в почвенных суспензиях. Почвоведение, 1970, №3, с. 104-113.

9. Абрукова Л.П. Реопексия при реологических исследованиях. Почвоведение, 1976, №5, с. 121-125.

10. Абрукова Л.П. Тиксотропные свойства почв. Депон. научн. очет. № 71074971, 1977, 141с.

11. Н.Авдонин Н.С. Повышение плодородий кислых почв. М.: Изд-во с-х. лит-ры, 1960, 238с.

12. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации.- Л.: «Наука». Ленинград, отд-ни, 1953, 287 с.

13. З.Амелина Е.А. Контактные взаимодействия в дисперсных структурах // Физико-химическая механика природных дисперсных систем / Под ред. Е.Д.Щукина и др. М.: Изд-во МГУ, 1985, с.6-19.

14. Антипов-Каратаев И.Н. Келлерман В.В. О механизме структурообразования и физико-химических исследованиях почвенных агрегатов. — В сб.: Материалы научно-методического совещания по обработке почв. Тр. ВАСХНИЛ. М., 1961, с.5-8.

15. Антипов Каратаев И.Н., Келлерман В.В., Хан Д.В. О почвенном агрегате и методах его исследования. М-Д.: Изд-во АН СССР, 1948, 84с.

16. Антипов-Каратаев И.Н., Рабинерсон А.И. Почвенные коллоиды и методы их изучения // Под общ. ред. Л.И. Прасолова. Л.: Тр. Ленинградской лаборат. Ин-та агропочвоведения, 1930, вып. 10, 283с.

17. Арене И.П. Особенности действия азотно-калийных удобрений на кислых дерново-подзолистых почвах. Автореф. к.б.н. М., 1958, 24с.

18. Арчегова И.Б. Наблюдения за восходящей миграцией железа и гумусовых веществ под влиянием промораживания в опыте и в природе. Почвоведение, 1979, №8, с. 103-107.

19. Афанасьева Е.А. Черноземы Средне-Русской возвышенности. М.: «Наука», 1966, 222 с.

20. Бартенев Г.М. Теория структурной вязкости дисперсных систем. В. Кн.: Успехи коллоидной химии. М.: Изд-во «Наука», 1973, с. 174-184.

21. Барчуков Л.Н. Почва как коллоидная система. Почвоведение. 1948, №4, с.243-251.

22. Бахтин П.У. Удельное сопротивление оптимальной влажности для обработки почв некоторых колхозов Московской области. Почвоведение, 1953, №3, с.47-60.

23. Березин п.Н., Воронин А.Д., Шеин Е.В. Структура почвы: энергетический подход к количественной оценке. Почвоведение, 1983, №10, с.63-68.

24. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. 3-е издание, перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1986, 416с.

25. Васильев Е.В. Лигнин как основа препаратов мелиорантов для почв (нерешенные проблемы) // Тез. докл. 1 Всес. конф. «Использование лигнина и его производных в сельском хозяйстве». Рига: Знание. 1978г. с.112-115.

26. Вигнер Г. Избранные работы. Физико-химические исследования почв. Перевод И.Н. Антипова-Каратаева и др. / под ред. И.Н. Антипова-Каратаева. -М.: «Сельхозгиз», 1941, 312 с.

27. Вильямс В.Р. Почвоведение, т.2, М.: Изд-во с-х. лит-ры, 1949, 539 с.

28. Витязев В.Г. Энергетика воды в почвах в зависимости от состава и строения их твердой фазы. Дисс. к.б.н. М., 1971, 148 с.

29. Возможности современных и будущих фундаментальных исследований в почвоведении / под ред. Спозито. М.: ГЕОС, 2000, 138с.

30. Воларович М.П. Исследование реологических свойств дисперсных систем // Коллоидный журнал.- 1954.- 16(3).- С. 227- 240.

31. Воронин А. Д., Боровинская Л.Б., Гомонова Н.Ф. Некоторые агрофизические свойства дерново-подзолистых почв при длительном применении минеральных удобрений / Оптимизация условий повышения плодородия почв. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1991, с. 21-31.

32. Воронин А.Д., Середа Н.А. Состав и строение фракций микроагрегатов некоторых типов почв. Вестн. Моск. ун-та. Сер. 16. Биология, почвоведение, 1976, №1, с.100-106.

33. Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М.: Изд-во МГУ, 1984, 203 с.

34. Воронин А.Д. Сруктурно-энергетическая концепция гидрофизических свойств почв и ее практическое применение. Почвоведение, 1980, № 12, с. 35-46.

35. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1976, 512 с.

36. Гедройц К.К. Учение о поглотительной способности почвы. М.:Изд. 1922, 56 с.

37. Гомонова Н.Ф. Действие повторного известкования при длительном применении минеральных удобрений на кислых дерново-подзолистыхпочвах в метровом слое (данные 30-летнего опыта) // Химия в сельском хозяйстве, 1982, т.20, №9, с. 18-22.

38. Гомонова Н.Ф. Скворцова И.Н., Зенова Г.М. результаты длительного применения различных видов и сочетаний удобрений на дерново-подзолистых почвах. Почвоведение, 2007, №4, с.498-504.

39. Горбунов Н.И., Абрукова Л.П. Реологические свойства и минералогический состав слитых почв. Почвоведение, 1974, №8, с.74-85.

40. Горбунов Н.И., Градусов Б.П. Связь между минералогическим составом и физико-химическими свойствами почв. Почвоведение, 1979, №3, с. 110-118.

41. Горбунов Н.И., Ерохина Г.Л., Шурина Г.Н. Связь минеральной части почв с гумусовыми веществами. Почвоведение, 1971, №7, с. 117-128.

42. Горбунов Н.И. Минералогия и коллоидная химия почв. М.: Изд-во «Наука», 1974, 314 с.

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

44. Горбунов Н.И. Перспективы изучения физико-химических свойств почв, почвенных коллоидов и минералов. Почвоведение, 1973, №1, с.57-72.

45. Горбунов Н.И. Почвенные коллоиды. М.: Изд-во АНСССР, 1957, 147с.

46. Горькова И.М. Влияние воды на агрегацию почвенных и грунтовых систем. Почвоведение, 1984, №4, с. 260-267.

47. Горькова И.М. Роль гидратационной воды в образовании связи между частицами глин. Почвоведение, 1939, №10, с. 92-107.

48. Горькова И.М. Теоретические основы оценки осадочных пород в инженерно-геологических целях. М.: Изд-во «Наука», 1966, с. 136.

49. Горькова И.М. Физико-химические исследования дисперсных осадочных пород в строительных целях. М.: Стройиздат, 1957, 207 с.

50. Грин Г., Уэлтман Р. Тиксотропия. В сб.: Физикохимия глинистых растворов. - М.: Гстоптехиздат, 1947, с. 44.

51. Дерягин Б.В. Взаимодействие неодинаково заряженных поверхностей различной природы. Коллоидн. ж. Т. 16, 1954, 425 с.

52. Дерягин Б.В., Кусаков Н.М. Свойства тонких слоев жидкости и их влияние на взаимодействие твердых поверхностей. Изд. АН СССР. — ОМЕН. Сер. химическая. №5, 1939, с. 741-753.

53. Дерягин Б.В. Смачивающие пленки / Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев. М.: Наука, 1984, 156 с.

54. Дерягин Б.В. Устойчивость коллоидных систем (теоретический аспект). Успехи химии. - Т.48. - Вып.4, 1979, с. 675-721.

55. Качинский Н.А. Структура почвы.- М.: Изд-во МГУ, 1963, с. 100.

56. Классификация и диагностика почв России / Авторы и составители: Л.Л. Шишов, В.Д. Тонконогов, И.И. Лебедева, М.И.Герасимова. Смоленск: Ойкумена, 2004, 342 с.

57. Ковда В.А. Почвоведение / Под ред. Ковды В.А. и Розанова Б.Г. Т.2. -М.: Изд-во «Высшая школа», 1988, 368 с.

58. Кройт Г.Р. Наука о коллоидах. При участии Дж. Овербека и Г. Джонкера. / Под ред. Г.Р. Кройта. Пер. с англ. Н.А. Плетеневой и Н.Н. Трахтман. -М.: Изд-во иностр. лит., 1955, 538 с.

59. Кузнецова И.В., Данилова В.И. Влияние гранулометрического, минералогического состава и содержания органического вещества на набухание почв. Почвоведение, 1991, №10, с. 69-83.

60. Кузнецова И.В. Роль органического вещества в образовании водопрочной структуры дерново-подзолистых почв. Почвоведение, 1994, №11, с. 34-41.

61. Кузнецова И.В. Физические свойства пахотных дерново-подзолистых суглинистых почв. Почвоведение, 1978, №2, с. 44-55.

62. Ливеровская-Кошелева И.Т. К вопросу о тиксотропности почв тундровой зоны. В юз.: Проблемы Севера, 1964, вып.8, с. 225-237.

63. Манучаров А.С., Абрукова В.В. Применение в почвенно-реологических исследованиях автоматического прибора РЕОТЕСТ-2. Почвоведение, 1982, №11, с. 92-100.

64. Манучаров А.С., Абрукова В.В., Черноморченко Н.И. Методы и основы реологии в почвоведении. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1990, 97 с.

65. Манучаров А.С. К использованию реологических исследований в почвоведении. Вестник Московского Ун-та, сер. 17, Почвоведение, 1983, №3, с. 36-40.

66. Манучаров А.С., Степанов П.Ю. Основы реологии: Учеб. Пособие. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 2004, 116 с.

67. Матрошилов Ю.А., Харитонова Г.В. Влияние восстановительных условий на состояние гумусовых веществ в луговых глеевых отбеленных почвах. Деп. ВНИТИ, №1975-В88, 1988.

68. Методические разработки к практикумум по коллоидной химии (4-е издание). Часть III. Устойчивость и структурно-механиеческие свойства дисперсных систем // Под общ. ред. В.Ю. Траскина. М., 1986, 95 с.

69. Милановский Е.Ю. Гумусовые вещества как система гидрофобно-гидрофильных соединений. Автореф. д.б.н. М., 2006, 94 с.

70. Минкин М.Б., Буравчук Н.И. Удельная мощность предельного разрушения структуры. Почвоведение, 1975, №5, с. 62-67.

71. Минкин М.Б., Горбунов Н.И., Садименко П.А. Актуальные вопросы физической и коллоидной химии почв. Изд-во Ростовского ун-та, 1982, 280с.

72. Михайлов Н.В., Лихтгейм A.M. Исследование полных реологических кривых и формулы для расчета эффективной вязкости структурированных жидкостей и молекулярно-кинетической интерпретации входящих в нее членов. Коллоид.ж., 1955, т.27, вып.5, с. 364-378.

73. Мичурин В.Г., Онищенко В.Т. Зависимость между всасывающим давлением и влажностью в почвах с разной удельной поверхностью и плотностью. Сб. трудов по агрономической физике, вып.22, 1976, с. 25-31.

74. Никитин Б.А. Эволюция дерново-подзолистых почв при окультуривании (на примере почв Горьковской области). Автореф. дис. канд. с-х. н.-М., 1975, 28 с.

75. Ничипоренко С.И., Грушицкий Н.Н. Управление свойствами коагуляционных структур глинистых минералов. В кн.: Успехи коллоидной химии. - М.: Изд-во «Наука», 1973, с. 190-199.

76. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв. М.: Изд -во Моск. ун-та., 1974, 333 с.

77. Орлов Д.С., Пивоварова И.А., Горбунов Н.И. Взаимодействие гумусовых веществ с минералами и природа их связи. Агрохимия, 1973, №9, с.61-68.84.0рлов Д.С. Химия почв. Учебник. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1985, 362с.

78. Пакшина С.М., Петухов В.Р. Исследование применимости теории устойчивости коагуляции коллоидов в системе «почва-раствор». Почвоведение, 1973, №5, с. 35-42.

79. Парфенова Е.И., Ярилова Е.А., Руководство к микроморфологическим исследованиям в почвоведении. М.: Наука, 1977, 197с.

80. Плюснин И.И., Мелиоративное почвоведение. М.: Госсельхозиздат, 1960, 240 с.

81. Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв: Методическое руководство / Под ред. Шеина Е.В. М.: Изд-во МГУ, 2001,208 с.

82. Початкова Т.Н. Состав и свойства почвенных агрегатов в зависимости от их размеров. Дисс. к.б.н. -М., 1985, 149 с.

83. Почвенно-агрономическая характеристика АБС Чашниково // Под ред. Л.О. Карпачевского и A.M. Головкова. М: Изд-во Моск. ун-та, 1988, 147с.

84. Пути повышение плодородия почв. Киев: Урожай, 1969, с. 16-22.

85. Пятковский Н.К., Бендерская Е.И., Шиманская Н.К. Влияние минеральных удобрений на структуру почвы. Почвоведение, 1983, №7, с. 108-111.

86. Ребиндер П.А. Конспект общего курса коллоидной химии. М.: Изд-во МГУ, 1949, 111 с.

87. Ребиндер П. А. О природе пластичности и структурообразования в дисперсных системах. В кн. «Сборник, посвященный памяти акад. П. П. Лазарева». М., Изд-во АН СССР, 1956, с. 113—131.

88. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур. -М., «Наука», 1966, 400 с.

89. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика — новая область науки. — М.: Знание, 1958, 64 с.

90. Рабинерсон А.И. Фукс Г.И. Структура почвенных коллоидов. О структурах коллоидного гидрата окиси железа. Л., 1933, 56 с.

91. ЮО.Редькина Н.И., Ходаков Г.С. Теоретические основы химических технологий, 2003, т.37, №3, с. 1-6.

92. Рейнер М. Деформация и течение. М.: Изд-во иностр.лит., 1963.

93. Рейнер М. Реология. М., Наука, 1965.

94. Скотт Р. Физические и механические свойства почвы. Успехи физических наук, 1971, т. 104, вып.4, с. 645-668.

95. Слобода А.В. Характеристика минеральных и органических коллоидов типичной сильноподзолистой и торфянисто-подзолистой глееватой почвы среднетаежной подзоны Коми АССР. -В сб.: Материалы по почвам Коми АССР, Сыктывкар, 1972, с. 3-11.

96. Теории и методы физики почв. Коллективная монография /Под ред. Шеина Е.В. и Карпачевского Л.О. М.: «Гриф и К», 2007, 616 с.

97. Трофимов В.Т. и др. Грунтоведение. М.: Изд-во Моск. ун-та, Изд-во «Наука», 2005, 1024 с.

98. Тюлин А.Ф. Коллоидно-химическое изучение почв в агрономических целях. Тр. ВНИИуд., агрот. и агроп. - Вып.28, 1948, с. 183-192.

99. Ю8.Урьев Н.Б. Высококонцентрированныеб дисперсные системы. М.: Химия, 1980,319 с.

100. Физико-химическая механика природных дисперсных систем. / Авт.: Щукин Е.Д., Перцов Н.В., Амелина Е.А. и др./ Под ред. Щукина Е.Д. и др. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 1985, 264 с.

101. Фукс Г.И., Абрукова Л.П., Бурибаев Я.Б. Влияние поглощенных оснований на реологические свойства почвообразующих глин. Почвоведение, 1973, №10, с. 80-89.

102. Фукс Г.И., Бурибаев Я.О. О факторах, определяющих коагуляционное взаимодействие частиц глин. В сб.: Исследования по физико-химии контактных взаимодействий.- Уфа, 1971.

103. Фукс Г.И. Вязкость и. пластичность нефтепродуктов. M.-JI. -Гостоптехиздат, 1951, 272 с.

104. Фукс Г.И., Клычников В.М. Влияние низких концентраций электролитов на сцепление микроскопических почвенных частиц. Тр. ВНИИуд., агрот. и агроп. -М. Вып.29, 1949, с. 186-196.

105. Физический энциклопедический словарь, 1965, т.4, с. 202.

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

107. Хан Д.В. Органно-минеральные соединения и структура почвы. М.: Наука, 1969, 142 с.

108. Хан К.Ю. Поздняков А.И., Сон Б.К. Строение и устойчивость почвенных агрегатов. Почвоведение, 2007, №4, с. 450-456.

109. Харитонова Г.В., Манучаров А.С. Реологические свойства луговых глеевых почв Приамурья и их изменения под воздействием антропогенного фактора. Вестник Московского Ун-та, сер. 17, Почвоведение, 1993, №1, с. 3846.

110. Харитонова Г.В. Структурное состояние луговых текстурно-дифференцированных почв Среднеамурской низменности и его изменение под воздействием антропогенного фактора. Дисс. к.б.н., Хабаровск, 1995, 152с.

111. Ходаков Г.С. Реология суспензий. Теория фазового течения и ее экспериментальное обоснование. Рос. хим. ж., 2003, т. XLVII, №2, с. 33-44.

112. Шеин Е.В. Курс физики почв: Учебник. М.: Изд-во МГУ, 2005, 432с.

113. Шеин Е.В., Милановский Е.Ю., Хайдапова Д.Д. Органическое вещество и структура почвы. Тезисы Между нар. конф. «Роль почвы в формир-ии естест. и антропоген. ландшафтов». Казань, 2003, с. 101-104.

114. Щукин Е.Д. Коллоидная химия. Учебник. М.: Изд-во ВШ, 2007, 443с.

115. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Изд-во МГУ, 1982, 348 с.

116. Щукин Е.Д. Физико-химическая теория прочности дисперсных структур и материалов // Физико-химическая механика природных дисперсных систем / Под ред. Щукина Е.Д. и др. М.: Изд-во МГУ, 1985, с. 72-90.

117. Яминский В.В., Пчолин В.А., Аменлина Е.А., Щукин Е.Д. Коагуляционные контакты в дисперсных сисетмах. М. Химия, 1982, 185с.

118. Edwards А.Р., Bremner S.A. Microagregates in soil // J. Soil Sci., 1967, v.18, p. 64-73.

119. Grunland D J. Interactions between hymic and fulvic acids and clays // Soil Sci. 1971, V.ll,№l,p. 34-41.

120. Harris PJ., Chester G., Allen O.N. Dynamics of soil aggrigation // Adv. Agron., 1965, v.18, p. 107-180.

121. Kodama H., Schnitzer M. Adsorbtion of fluric acid by non-expanding clay minerals // Тр. X Междунар. конф. почвоведов. M.: Наука, 1974, т.2, с. 51-56.

122. Kodama H., Schnitzer M. Reactions between fulvic acid and Cu2+ -montmorillonite // Clay and Clay Minerals. 1972, V.20, p. 359-367.

123. Mingelgrin U., Saltzman S. Surface reactions of parathion on clays // Clay and Clay Minerals. 1979, V.27, №1, p. 72-78.

124. Overbeek I.J., Colloid Stability in aquevus and Non-aquevus Media, Faraday Society Discussions, 1966, Nr.42, p. 7-13.

125. Schwodoff Th., J. Do Physlqee (2), 8, 341 (19889).

126. Wang T.S.C., Li S.W., Fernf Y.L. Cayalytic polimerization of phenolic compounds by clay minerals // Soil Sci. 1978, V.126, №1, p. 15-21.

127. Visser S.A. Production of humic substances in decompositing peat and compost samples//Nature. 1962, V. 196, №48606, p. 1211-1212.

Информация о работе

Николаева, Ирина Владимировна
кандидата биологических наук
Москва, 2008
ВАК 03.00.27

Диссертация

Реологические свойства дерново-подзолистых почв и черноземов при различном сельскохозяйственном использовании - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы