Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Сорбционные и водно-физические свойства целинных и мелиорированных солончаковых солонцов Северного Прикаспия

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Сорбционные и водно-физические свойства целинных и мелиорированных солончаковых солонцов Северного Прикаспия"

г г г од

- О ь:5

МОСКОВСКИ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.ВЛОМОНОСОВА

Факультет почвоведения

На правах рукописи

Тесленко Любовь Николаевна

СОРБЦИОННЫЕ И ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕЛИННЫХ И МЕЛИОРИРОВАННЫХ СОЛОНЧАКОВЫХ СОЛОНЦОВ СЕВЕРНОГО ПРИКАСПИЯ

Специальность 03.00.27- почвоведение

Автореферат

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва-1995

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

Научный руководитель

доктор биологических наук, профессор А.Д .Воронин Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор ЕШ.Савич кандидат биологических наук С .Ю .Розов Ведущая организация:

Институт почвоведения и фотосинтеза РАН

В 15->0

Зашита состоится" МАЯ_ 1995г. на заседании

диссертационного совета K053.05.I6 на факультете почвоведения МГУ им-М.ВЛомоносова по адресу. 119899, Москва, Ленгоры, МГУ, факультет почвоведения, аудитория М-2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан " АПРЕЛЯ 1995г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Г.В.Мотузова

Актуальность проблемы. Осуществление коренной мелиорации солончаковых солонцов - необходимое условие сельскохозяйственного освоения почв солонцового комплекса Северного Прикаспия. Сотрудниками Джаныбекского стационара Лаборатории лесоведения РАН разработана система мелиоративных мероприятий, основанная на сочетании плантажной вспашки с посадкой древесных и кустарниковых кулис в целях снегозадержания. Многочисленные опубликованные работы посвящены, главным образом, изменению водного и солевого режимов почв под влиянием этой системы мелиоративных мероприятий. Значительно меньше известно об особенностях минералогического состава илистой фракции почв, почвенных процессах с участием компонентов илистой фракции, а также изменении направленности этих процессов под влиянием мелиорации. Практически не исследовано влияние состава и свойств солончаковых солонцов на их водоудерживающую способность во всем диапазоне значений потенциалов воды в почве.

Цель работы. Изучение сорбционнных и водно-физических свойств солончаковых солонцов в связи с составом почвенного поглощающего комплекса, гранулометрическим и микроагрегатным составом почв, содержанием и составом солей и изменения этих свойств под влиянием мелиорации.

Основные задачи работы. 1. Подробное изучение гранулометрического и микроахрегатного состава целинных и мелиорированных солонцов, ¿.Определение минералогического состава илистой фракции исследуемых почв и закономерностей распределения ее компонегов по профилю. 3. Получение изотерм десорбции паров воды на почвах и выделенных из них илистых фракциях. 4. Получение основных гидрофизических характеристик почв. 5. Выяснение зависимости водоудер-живающей способности почв от состава илистой фракции, микро-

агрегатного и гранулометрического составов почв, содержания и состава легкорастворимых солей в почве, от состава почвенного поглощающего комплекса. 6. Применение модели ZVAG-I для описания процессов десорбции паров воды на почве и выделенной из нее илистой фракции, и модели ZPFMC-6 для описания основной гидрофизической характеристики почв.

Научная новизна. Показано, что в исследованных солончаковых солонцах в составе илистой фракции с глубиной возрастает содержание лабильных силикатов и уменьшается содержание иллитов предположительно за счет совместного действия процессов илпитизации и лессиважа. Статистически доказана связь потенциала вода! в почве в сорбционной области с составом илистой фракции, почвенного поглощающего комплекса и растворимых солей; в области высоких влажностен доказана зависимость потенциала воды в почве от микроагрегатного состава. Плантажная вспашка и древесные кулисы интенсифицируют процессы физического дроблешы^^способствуют увеличению количества крупных микроагрегатов (1.00 - 0,25 мм) и улучшению водно-солевого режима почв. Показано, что математическая модель ZPFMC-6 обладает высокой информативностью для изучения водно-физических свойств почв.

Практическая значимость. Дана оценка влияния системы мелиорации на сорбционные и водно-физические свойства изучаемых почв. С использованием методов математического моделирования выявлены факторы, вызывающие улучшение водно-воздушного режима почв. Предлагается метод группировки свойств почв по параметрам функций, позволяющий определить направление влияния факторов на исследуемый процесс и прогнозировать ход процесса.

Апробация. Материалы диссертации докладывались на заседаниях кафедры физики и мелиорации почв факультета

почвоведения МГУ (1988 и 1991 годы), на школе-семинаре факультета почвоведения МГУ в Пущино-на-Оке (1987г), на конференции в университете г.Байройт (Германия) в 1991г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и приложения, содержит S3 страниц машинописного текста, имеет с приложением рисунка. // таблицы. Список литературы содержит ?49наименований, из них 2.4 на иностранных языках.

Глава I. УСЛОВИЯ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ, ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ И

СИСТЕМА МЕЛИОРАТИВНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ НА ДЖАНЫБЕКСКОМ

СТАЦИОНАРЕ.

Почвы изучаемого района формируются в полупустынной зоне в условиях континентального климата; коэффициент увлажнения территории 0,12 - 0,42 (Роде,1961). Средняя годовая температура б,9°С, Средняя месячная температура января -П°С , июля +24°С . Средняя сумма осадков в год 280 мм с диапазоном от 150 до 634 мм/год. Характерно чередование многолетних сухих и влажных периодов. Основная масса осадков поступает в почвенный профиль весной при снеготаянии, средняя высота снежного покрова 20 - 23 см. Морозы наступают, как правило, до установления снежного покрова, и почвы промерзают в течение зимы на глубину от 60 до 250 см. Наблюдается около 80 дней с суховеями в году, испаряемость влаги на территории превышает количество осадков в 3 - 4 раза.

Система мелиорации, разработанная коллективом Джаны-бекского стационара лаборатории лесоведения АН СССР, заключается в рассолонцевании солонцов с помощью имеющегося в почве гипса. Для вовлечения гипса в пахотный горизонт проводится; плантажная

вспашка, дополнительное увлажнение с помощью снегонакопительных кулис и лесополос.

Глава И. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Полугидроморфные солончаковые солонцы занимают около 50% площади территории. Характерным признаком является профиль, дифференцированный по морфологическим, физическим и физико-химическим свойствам, гранулометрическому составу, содержанию солей и т.д. Объекты исследования: разрез I - мелиорированный солончаковый солонец участка "Госфонд" (мелиорированный аналог разреза 2; 24 года мелиорации); разрез 2 - целинный солончаковый солонец участка "Госфонд"; разрез 3 - целинный солончаковый солонец участка "Новый опыт"; разрез 4 - целинный солончаковый солонец участка "Гослесополоса - 1С"; разрез 5 - мелиорированный солончаковый солонец участка "Гослесополоса - 1С" ( мелиорированный аналог разреза 4; 33 года мелиорации). Все участки расположены иа территории Джаныбекского стационара Института Лесоведения РАН на границе Волгоградской области России и Уральской области Казахстана. Образцы отбирали по генетическим горизонтам. Описание разрезов проводили по "Базовым шкалам свойств морфологических элементов почв"(Москва, Почвенный институт им. В.ВДокучаева, 1975г., с.58). Гранулометрический состав определяли меггодом пипетки в варианте Н А.Качинасого (Вадюнина А.Ф., Корчагина ЗА., 1975). Выделение илистой фракции (частицы < 0,001 мм) и фракции мелкой пыли ( 0,001-0,005 мм ) проводили методом отмучивания (Горбунов Н.И.,1963; 1971). Использован метод изучения гранулометрического состава почв как совокупности частиц различного диаметра, описание которой производится с помощью непрерывных функций вероятностного характера (Березин П.Н.,1983).

Минералогический состав илистой фракции исследовали методом реитген-дифрактометрни. Съёмка Mg-насышенных фракций проведена на приборе ДРОН-2 в режиме: СиК -излучение,40 kV, 20 mA, усиление 1000 имп/с. Содержание компонентов илистой фракции определяли по методике ЭА.Корнблюма (Корнблюм ЭА, Дементьева Т.Г. и др., J972) с некоторыми изменениями: количество иллитов оценивали по содержанию валового КгО в составе ила, исходя из предположения, что слюдистые компоненты содержат 10% КгО. Анализ валового К2О илистой фракции проведен спеканием по методике Смита (Агрохимические методы исследования почв, 1975).

Потенциал почвенной влаги измеряли методом сорбционного равновесия с парами вода и тензиометрическим методом (Вадаонина А.Ф., Корчагина ЗА.,1978.). Для создания ряда относительных давлений паров воды использованы стандартные насыщенные растворы солей . Удельная эффективная поверхность почв и илистых фракций определена методом БЭТ по данным адсорбции паров воды. Средняя часть основной гидрофизической характеристики (ОГХ) определена расчетным методом (Воронин АД.,1980). Изотермы десорбции воды аппроксимировали функцией Вейбула, моделью ZVAG-1 (Зейлнгер А.М.Л984). ОГХ почв во всем интервале потенциала воды рассчитана с помощью косвенного метода по модели "агрегированной" почвы ZPFMC-6 (Зейлигер A.M., Воронин АД.,¡989).

Глава III. СОДЕРЖАНИЕ И МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ ИЛИСТОЙ ФРАКЦИИ СОЛОНЧАКОВЫХ СОЛОНЦОВ.

Исследуемые почвы относятся к тяжелосуглинистым иловато-крупнопылеватым, что характерно для почв Северного Прнкаспия, в том числе и для почв исследуемой территории (табл.1). Во всех трех профилях целинных солонцов наблюдается свойственное солонцам

накопление илистой фракции в иллювиальном горизонте по сравнению с породой. При этом не отмечено потери илистой фракции в вышележащем горизонте по сравнению с породой. Можно предположить, что накопление илистой фракции в солонцовом горизонте происходит в основном в результате интенсивного процесса оглинивания. В мелиорированных профилях иллювиальный по илу горизонт отсутствует вследствие механического перемешивания дернового, надсолонцового, солонцового и части подсолонцового горизонтов при плантажной вспашке. В этих почвах по сравнению с целинными наблюдается некоторое снижение содержания крупнопы-леватых частиц в верхней части профиля. Видимо, здесь вследствие мелиорации интенсифицируется процесс оглинивания, и фракции, в том числе крупная пыль, дробятся до размеров илистых частиц (Соколова ТА., Приходько В.Е.,1989).

По величинам показателя дисперсности "к" (Березин П.Н.,1983) компоненты илистой фракции характеризуются в основном как среднеколлоидные. Однако верхняя часть профиля целинных солонцов резко дифференцирована по дисперсности илистой фракции: в надсолонцовом горизонте илистая фракция грубоколлоидная, в солонцовом тонкоколлоидная. Указанная дифференциация отсутствует в мелиорированных профилях. Совместное рассмотрение изменений величины показателя дисперсности и общего содержания глинных компонентов приводит к выводу о наличии элювиально-иллювиального процесса в целинных солончаковых солонцах. В мелиорированных солонцах признаки этого процесса отсутствуют. В составе микроагрегатов преобладают фракции размером 0.25-0.05 мм (до 43 %) и 0.05-0.01 мм (до 59 %). Содержание остальных фракций - в пределах нескольких процентов (табл.2). В результате мелиорации резко возрастает содержание самой крупной фракции микроагрегатов

Таблица 1

Гранулометрический состав целинных и мелиорированных солончаковых солонцов (в скобках указано содержание фракций, определенное при отмучивают)

№ разреза Горизонт Глубина Потери от обрабоив HCl Содержание, % от бсзгипсовой бескарбонатной навески, частиц размером [мм]

см % 0.25-0.05 0.05-0.01 0.01-0.005 0.005-0.001 <0.001 <0.01

1 4п<цг 0-40 11 9 35 9 11 (9) 36 (36) 56

вW 40-65 18 17 28 9 12(9) 34 (36) 55

65-100 17 18 31 10 9 32 51

100-140 21 9 42 8 9(7) 32 (32) 49

140-200 15 15 36 8 8(7) 33 (34)" 49

2 А1А2 0-9 4 14 40 6 12(9) 28 (29) 46

Ca' 9-29 7 14 35 7 9(9) 35 (35) 51 .

29-72 20 12 35 8 10(6) 35 (33) 53

Юс** 72-112 17 19 34 7 10(6) 30 (29) 47 .

B3"cacs 112-156 19 17 36 6 9(6) 32 (30) 47

156-185 19 14 38 7 8(8) 33(33) 48

3 А\А2 0-14 3 14 38 10 13(11) 25 (29) 48

14-32 4 7 27 9 11(11) 46(47) 66

32-81 14 10 32 8 12(9) 38 (41) 58

81-165 21 13 38 9 10(8) зо (зо) 49

165-200 17 16 40 7 7(7) 30 (30) 44

4 А1А2 0-6 - 4 14 41 10 9(9) 26 45

(Ca 6-26 7 13 35 5 10(8) 37 (30) 52

ВЪ , , ОгСг 26-68 25 15 36 8 8(7) 33 (30) 49

68-116 25 13 37 5 10(9) 35 (32) 50

ВС., Lais 116-170 30 13 34 9 10(8) 34 (31) 53

5 А „ах 0-38 9 12 35 8 11(9) 34 (33) 53

Cats 38-73 15 18 32 8 9(8) 33 (33) 50

73-103 20 16 31 10 9(6) 34 (26) 53

103-130 22 13 34 9 9(9) 35(31) 53

130-175 22 17 31 9 10(9) 33 (32) 52

(1-0.25 мм) - до 31%. Увеличение количества агрегатов указанной фракции происходит, видимо, в результате формирования дополнительного количества микроагрегатов с участием илистой фракции (до 6%) и фракции крупной пыли (до 20%). Коэффициент дисперсности в целинных солонцовых горизонтах 21-24%, а в пахотных горизонтах мелиорированных солонцов 9-10% . Фактор структурности по Фагелеру в целинных почвах 76-79%, в мелиорированных - 91-90%.

Расчет парных корреляций выявил, что количество микроагрегатов размером 1.0-0.5 мм и 0.5-0.25 мм связано с содержанием Са2+ в ППК (коэффициент корреляции (г) +0.74 и +0.76). Отрицательная корреляция наблюдается между количеством микро-грегатов указанного размера и содержанием Na* в ППК (г= -0.65 и-—0.70). Увеличение количества Na+ в ППК, выраженного в %, коррелирует со снижением образования крупных микроагрегатов (г= -0.71 и -0.73). Также коррелирует содержание микроагрегатов этой фракции с относительным количеством Na+ по сравнению с суммой Са2+ и Mg2+ в ППК (г =-0.69,г=-0.72).

Повышение содержания солей и катиона любого вида в составе солевой фазы также коррелирует с понижением содержания крупных фракций микроагрегатов (г около -0.70). Все указанные факторы по-разному влияют на содержание неагрегированного ила.

В составе илистой фракции преобладают диоктаэдрический иллит, триоктаэдрический хлорит, каолинит и лабильные силикаты, представленные неупорядоченными высокозарядными смешан-нослойными шотгг-монтмориллонитовыми структурами (таблЗ). Одинаковый характер рефлексов лабильных структур по всему профилю, включая породу, подтверждает их унаследованносгь в неизменном состоянии от почвообразующей породы. По всему профилю почвы диагностируется супердисперсность лабильных

Таблица 2

Микроагрегатный состав солончаковых солонцов

Горизонт Глубина, см Содержание ф ракций в % от навески, размер в мм

1.0-0.5 0.5-0.25 0.250.10 0,100.05 0.050.01 0.010.005 0.0050.001 <0.001

1,'ТосфощГ, мелиорированный солоней.

Анях 0-40 7 23 24 12 25 4 2 3

2."Госфонд". целинный солонец.

А1А2 0-9 2 9 20 10 43 6 7 3

В2<с<> 9-29 2 5 21 10 47 5 3 7

29-72 1 3 21 10 53 2 1 9

72 - 112 1 4 23 12 45 6 1 8

112 - 156 0 1 13 7 58 5 4 12

156 - 185 0 2 16 8 59 5 4 6

3."Новый опыт", целинный солонец.

Л1А2 0-14 4 11 23 12 39 5 4 2

14-32 3 9 29 14 31 4 4 6

32 - 81 3 9 26 13 34 4 1 10

ВУ , СаС1- 81 -165 2 5 21 И 47 4 2 8

ВС г СаС: 165 - 200 2 6 18 9 46 3 5 11

4."Гослесополоса", целинный солонец.

лиг 0-6 3 7 14 8 50 7 7 4

6-26 3 7 12 6 47 10 7 8

26 - 68 1 2 26 14 42 6 4 5

ВЗ'с.С 68-116 1 4 21 10 50 6 2 6

116 - 170 0 2 22 12 46 11 2 5

5."Гослесополоса", мелиорированный солонец.

Ащал 0-38 | 8 | 23 | 23 12 Й 4 2 3

силикатов. Иллитовый и монтмориллонитовый компоненты илистой фракции обнаруживают отчетливую дифференциацию по профилю: во всех разрезах с глубиной содержание иллита несколько уменьшается, одновременно возрастает содержание лабильных силикатов.

Таблица 3

Состав илистой фракции целинных и мелиорированных солончаковых солонцов

Содержание. % от суммы Солержаиие. % от почвы

№ № Горизонт Глубина (по интенсивности рефлексов) с учетом содержания ила

см каолинита лабильных каолшшта пабнльвых

□ЁрШ + НЛЛЕТ1 + вллвта

хлорал силикатов хлорита силикатов

1 1 АлАХ (МО 29 51 20 10 13 13

2 40-65 35 42 23 12 12 10

3 65-100 33 43 24 10 11 10

4 100-140 31 44 25 10 11 11

5 ^ 140-200 31 43 26 10 9 14

2 б А1А2 0-9 29 52 19 8 10 10

7 9-29 28 45 27 10 12 13

8 29-72 31 51 18 11 11 13

9 72-112 30 Л 19 9 10 и

10 112-156 30 51 19 10 9 13

11 ВСсс, 156-185 30 48 22 10 8 15

3 12 А1А2 0-14 25 63 12 6 9 10

13 14-32 15 62 23 7 14 25

14 32-81 31 51 18 12 12 15

15 81-165 29 52 19 9 9 12

16 ВСс^ 165-200 29 57 14 9 9 12

4 И А1А2 0-6 25 66 9 6 10 10

18 6-26 24 45 31 9 12 15

19 МсЛ* 26-68 32 47 21 10 и 12

20 68-116 32 47 21 и 12 12

21 116-170 32 48 21 и и 12

5 22 А пах 0-38 28 59 13 9 12 13

23 въ , , Са О 38-73 31 50 19 9 10 12

24 73-103 30 56 14 9 10 11

25 103-130 29 52 19 10 11 14

26 130-175 30 50 20 10 10 13

Максимальное содержание лабильных силикатов приурочено к солонцовым горизонтам или материнским породам. При пересчете

содержания отдельных групп минералов на почву в целом выявлено некоторое накопление гищюслюд в верхних горизонтах почвенного профиля и уменьшение количества лабильных структур в надсолон-цовом горизонте.

Таким образом, полученные данные не противоречат представлениям о том, что в формировании профиля распределения глинистого материала в целинных солонцах может участвовать ряд процессов: иллитизация, лессиваж с преимущественным выносом лабильных силикатов из надсолонцового горизонта в иллювиальный, физическое дробление слюдистых минералов пылеватых фракций до размера илистых частиц, разрушение трноктаэдрических хлоритов (Корнблюм ЭЛ., 1972).

В мелиорированных профилях сохраняется тенденция к уменьшению суммы каолинита и хлорита в илистой фракции верхних горизонтов и возрастанию в ней количества иллита. Этому способствует, видимо, разрушение хлоритов и интенсификация процесса физического дробления слюд. В пахотном слое особенно хорошо проявляются признаки супердисперсносги лабильных структур ( высокий уровень фона и слабая асимметрия рефлекса 1,5 нм). Можно предположить, что часть лабильных структур разрушается при промывании слабоминерализованными растворами.

Глава 1У. СОРБЦИОННЫЕИ ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕЛИННЫХ СОЛОНЧАКОВЫХ СОЛОНЦОВ И ИХ ИЗМЕНЕНИЕ ПОД ВЛИЯНИЕМ МЕЛИОРАЦИИ.

Изотермы десорбции паров воды на почве и выделенной из нее илистой фракции имеют Б-образную форму и относятся к изотермам второго типа, имеющим одну точку перегиба (рис.1). Изотермы десорбции на иле не имеют других точек перегиба, что можно отнести

Рис. 1.

Изотермы десоРБЦНи.

Рис.2.

Основная гщраФизическАЯ

характеристика почв.

-1

ш *

1 к РАЗ рез гу

% 1 V ч я, у

\ 1 \Гу Ч Л

\ \ к \

1

о 10 20 70 40 50 60

Условные обозначения

* КРИВАЯ

I НА ГОРИЗОНТ ГЛУБИНА,СМ

о ^ ГРШШ

17 --- А1А2 0— 6

18 ----- ЯЧсо? 6—26

19 26— 68

20 -- ВЗйаСзг 68- 116

21 -------- ВСсай52 116-170

22 --- А ПАХ 0-38

0.2 0.4

0.6

0.8 1.0

р_ ро

за счет неупорядоченного переслаивания фаз с разным количеством сорбата. Это свидетельствует о неравномерном распределении зарядов в пакетах смешаннослойных илпит-смектитов. Характерный крутой подъем линии графика в начале изотермы соответствует быстрому образованию двух молекулярных слоев в межпакетных пространствах минералов с лабильной кристаллической решеткой, насыщенных кальцием (Кульчицкий Л.И.,1970). Второй крутой участок линий изотерм располагается в области Р/Ро более 0,75 и соответствует образованию третьего и четвертого межпакетных слоев сорбирован-ой воды. Изотермы редко пересекаются, что вызвано близким минералогиченским составом ила и насыщенностью фракций ионом кальция. Нижнее положение на графике занимают изотермы надсолонцовых и первых подсолонцовых горизонтов. Выше всех располагаются изотермы переходных к породе горизонтов. Илистая фракция из пахотных горизонтов мелиорированных солонцов обладает сорбционными свойствами, промежуточными между свойствами солонцовых и надсолонцовых горизонтов целинных почв.

В процессе десорбции паров воды на почве наименьшее количество воды удерживается в надсолонцовом горизонте. Можно предположить, что это связано с пониженным содержанием илистой фракции и лабильных силикатов, а возможно и с обогашенностью этого горизонта органическим веществом.

Процесы капиллярной конденсации и осмотические процессы вызьтают резкое отклонение линий изотерм вверх при Р/Ро > 0.65, особенно в образцах из обогащенных солями горизонтов. Длительность установления равновесия при десорбции в этой области давления паров воды свидетельствует о возможности хемосорбции.

Существует большое количество факторов, от которых зависит сорбция воды на почвах и илистых фракциях. Для выяснения

характера этих зависимостей проведен корреляционный анализ между величинами влажности разных образцов при каждом отдельно взятом значении давления паров воды и всеми прочими исследованными свойствами почв и илов. Результаты этого исследования таковы (табл.4):

1) Влажность почвы связана с содержанием ила в диапазоне Р/Ро от 032 до 0.86 (г от +0.64 до + 0,78 ). Такая же связь наблюдается между влажностью почвы и величиной общей удельной поверхности: при Р/Ро от 0,32 до 0.86 г от +0.70 до +0.87. Связь обеих указанных величин с влажностью почвы говорит о зависимости количества сорбированных паров воды от дисперсности почвы в интервале Р/Ро 032 - 0.86.

2) Обнаружена тесная связь количества сорбированной воды с содержанием лабильных силикатов в почве: г до +0.81. Видимо, в интервале P/Pg от 0.55 до 0.86 в процессе десорбции набухшие лабильные елнкаты удерживают сорбированную воду, и лишь при Р/Ро < 035 она может десорбироваться.

3) Не обнаружены значимые коэффициенты корреляции между влажностью почвы и содержанием в ней гумуса. Однако во всем диапазоне Р/Ро коэффициенты корреляции постоянно меньше нуля, что говорит об общем гидрофобном характере гумуса. В области высоких Р/Ро гидрофобность выражена больше. Видимо, необходим детальный анализ органического вещества почвы доя выявления его влияния на процессы сорбции воды.

4) Влияние солей на сорбцию воды существенно лишь при Р/ Ро = 0.98 и более (г =+0.68 и +0.94). При Р/Ро =0.98, видимо, проявляется объем воды, способный расворять соли, и заметным становится влияние осмотической составляющей на потенциал воды в почве.

Вид катиона, находящегося в составе соли, в процессе десорбции при еще высоких давлениях перестает влиять на влажность почвы: лишь

Таблииа 4

Коэффициенты парной корреляции между равновесной влажностью почв при

заданных величинах Р/Р. и некоторыми свойствами изученных почв (Объем выборки п=18, при Р=0,99 значимы все |г|>0,59; яря Р=0,999 значимы все |г| £0,70) (Дмитриев Е.А.,1972)

Р/Ро 0.15 0.20 0.32 0.43 0.55 0.65 0.75 0.86 0.98 0.999

Содержание ила +0.34 +0.32 +0.64 +0.78 +0.75 +0.70 +0.64 +0.64 +0.16 -0.29

Удельная поверхность почвы +0.55 +0.63 +0.81 +0.73 +0.87 +0.84 +0.77 +0.70 +0.26 -0.09

Содержание лабильных силикатов +0.48 +0.57 +0.68 +0.66 +0.77 +0.81 +0.81 +0.80 +0.48 +0.29

Содержанке гумуса -0.21 -0.18 -0.П -0.09 -0.04 -0.14 -0.24 -0.33 -0.43 -0.71

Содержание солей +0.27 +0.20 +0.11 -0.05 +0.06 +0.16 +0.25 +0.34 +0.68 +0.94

Содержание в водной вьггажке: Na/Ca+Mg -008 -0.11 +0.03 -0.08 +0.01 +0.02 +0.02 +0.07 +0.70 +0.77

Na/Ca -0.25 -0.30 -0.22 -0.28 -0.21 -0.18 -0.19 -0.25 -0.10 -0.73

Na +0.23 +0.14 +0.09 +0.01 +0.02 +0.14 +0.22 +0.29 +0.61 +0.90

Ca +0.45 +0.38 +0.28 +0.21 +0.20 +0.27 +0.34 +0.41 +0.57 +0.77

Содержание в ППК Na/Ca+Mg +0.03 -0.08 -0.10 -0.08 -0.03 +0.07 +0.20 +0.30 +0.59 +0.77

Na/Ca -0.12 -0.07 -0.17 -0.06 -0.03 +0.03 +0.16 +0.29 +0.72 +0.79

Na +0.00 +0.00 +0.00 +0.00 +0.12 +0.21 +0.36 +0.44 +0.70 +0.74

Ca -0.17 -0.18 -0.10 -0.11 -0.17 -0.26 -0.39 -0.46 -0.75 -0.87

при Р/Р0 около 1 коэффициент корреляции величины влажности почвы с величиной отношения содержания № к сумме содержания Са и равен +0.77, для отношения N8/08 он равен -0.73. Абсолютное же содержание любого иона еще яри Р/Р0=0.98 влияет на влажность почвы ( +0.61 для Ыа и +0.57 для Са: +0.10 для Ыа/Сг). Наиболее тесная связь отмечена между влажностью и содержанием N8 в водной вытяжке (г=+0.90).

5) Существует корреляционная связь между содержанием Na+ и Са2+ в ППК и влажностью почвы (г =+0.70 и -0.75 соответственно) в интервале Р/Ро от 0.98 до 0.999. Следовательно, влияние этих катионов противоположно: наличие Na+ повышает количество сорбированных паров воды, присутствие Са2+ его уменьшает. Противоположно действие кальция в разных состояниях : Ca2* в обменном состоянии уменьшает количество сорбируемой воды, Ca в солевой фазе его увеличивает. Предполагаем, что находящийся в составе ППК кальций так изменяет поверхность почвенных частиц,что в результате меньшее количество воды сорбируется при насыщении. Относительное содержание Na+ в ППК по сравнению с Са2+ и Mg2+ повышает количество сорбируемой воды, tjc. образцы находятся в более дисперсном состоянии.

Влажность илистой фракции связана с ее удельной поверхностью (УП«ф) в интервале Р/Ро от 032 до 0.65 (г от +0.81 до +0.87). Выше Р/Ро=0.65 ведущую роль играют не изученные здесь факторы. Не обнаружены значимые коэффициенты корреляции между содержанием лабильных силикатов и влажностью ила. Выявлена связь содержания гумуса в составе илистой фракции с интенсивностью сорбции паров воды на иле: г = -0.79 при Р/Ро=0.65, г = -0.73 при Р/Ро=0.55. Вероятный характер гидрофобного действия гумуса - неполярный характер его молекул. Насыщенная при анализе кальцием фракция не проявляет полностью свойств, приобретенных илом в процессе почвообразования под влиянием входивших в ППК ионов. Такое воздействие обработки - свидетельство обратимости действия почвенных факторов, а следовательно, возможности мелиорации.

Произведены численные эксперименты по аппроксимации изотерм десорбции функцией Вейбула с помощью оптимизационной программы ZVAG (модель 1) (Зейлигер А,М.,1984) (рисЗ). В тексте

гпь-.и.

Аппроксимация изотерм десорвции функцией 2уа& (модель 1, почва ).

18-солонцовый горизонт (6-26 см) целинного солонца „ Гослесополасл ".

22-пахотный горизонт (о-звсм) мелиор. солонца . Гослесополосл 1

/ n i— -г.

Основная гидрофизическая ХА РА ктеристикл почв

\ \ • а — расчёт по методу Воронина оа — экспериментальные ДАНные --расчёт noZPFMC-6

о\ а 22 V К

8 а ö

о 0,1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

работы имеется полный математический анализ функции и описание методики расчета и оптимизации параметров нелинейного уравнения. Для каждой экспериментальной изотермы находились коэффициенты уравнения вида ТМкО (модель 1), которые позволили достигнуть высокой степени точности аппроксимации этой функцией экспериментальных кривых. Свойства каждой изотермы и каждого конкретного процесса десорбции получили количественнное выражение.

Предлагаемый метод изучения результатов аппроксимации изотерм может быть применен при аппроксимации любых зависимостей функциями любого вида. Любой наблюдаемый в природе процесс зависит от множества факторов Вв. Идеальной дня описания этого процесса является функция, количество параметров А* которой совпадает с количеством факторов Вп. В реальности используется функция, каждый параметр Ак которой несет косвенную информацию о группе факторов Вп. Если между данным Ак и данным Вп существует связь , то этот фактор В входит в совокупность факторов, описывемых данным параметром А. Зная зависимость функции от параметра А из математического исследования функции и характер связи между данным В и этим параметром А, мы можем прогнозировать изменение значения функции в зависимости от изменения данного В. Таким образом, если изначально в параметры уравнения не вкладьшается физический смысл, то в процессе анализа он выясняется. Обнаружено, что:

- величина параметра А несет информацию о содержании солей в почве и Са2+ в ППК;

- величина параметра В зависит от дисперсности почвы и содержания лабильных силикатов;

- величина параметра С связана с составом ППК и содержанием солей;

- величина параметра О примерно постоянна и с изученными факторами не связана.

Все параметры функции ZVAG для изотерм десорбции паров воды на иле в той или иной степени связаны с дисперсностью илистой фракции, а параметр В - еще и с содержанием лабильных силикатов.

Данный метод независимо от уже применявшихся здесь способов позволяет выяснить, какие свойства сорбента и как влияют на процесс сорбции. Установлено, что увеличение сорбции паров воды при всех значениях относительного давления паров воды происходит при увеличении содержания солей, в ППК, илистой фракции,

лабильных силикатов, от дисперсности почвы. И, наоборот, повышение содержания Са2+ в ППК и органического вещества в почве вызывает уменьшение количества сорбированной воды.

Наиболее важным результатом аппроксимации изотерм является возможность определения точки перегиба линии изотермы и ее параметров. Точка перегиба является характеристической для изотермы, однако она подробно изучается впервые. Положение точки перегиба на графике определяется двумя координатами: величиной давления паров воды, при которой происходит перегиб, и влажностью почвы, которая имеется в момент перегиба.

С помощью корреляционного анализа выявлено, что для почвы и ила количество адсорбированной воды в точке перегиба составляет в среднем 1.40 ( влажности образования монослоя). Влажность перегиба связана с влажностью монослоя соотношением линейной регрессии = 139^ т + 0.05 для почвы и¥л= 1.2+1.63 для ила, коэффициент корреляции двух этих величин для почвы +0.75, для ила +0.85. Подчеркнем, что величины влажности перегиба и влажности образования монослоя получены независимыми методами.

аэ

Влажность перегиба тесно связана с величиной удельной поверхности сорбента (г =+0.84 для илов и г =+0.75 для почвы), с содержанием илистой фракции для почвы (г =+0.75), с содержанием гумуса в иле (г = -0.71). При десорбции перегиб линии изотермы происходит "раньше", т.е. при более высоких Р/Ро, если в почве меньше содержится Na+ в ППК . И наоборот, чем меньше Са2+ в ППК, тем при более низких значениях Р/Ро происходит перегиб графика.

Таким образом, момент перегиба определяется составом ППК сорбента, а количество сорбированной воды в этот момент - дисперсностью сорбента. В реальности в окрестности точки перегиба в некотором интервале Р/Ро происходят плавные изменения интенсивности и механизма десорбции воды, которые выражаются в изменении выпуклости-вогнутости и наклона графика. Это позволяет предположить, что существует энергетически однородный слой сорбированных молекул воды, который по массе в 1;4 раза больше энергетического монослоя воды. При образовании этого нового слоя воды характер процесса сорбции меняется.

Величина удельной поверхности почвы (УП0) составляет 88-156 м2/г и достигает максимума в солонцовых горизонтах (табл.5). В пахотных горизонтах мелиорированных солонцов УПп несколько выше, чем в надсолонцовых, и примерно равна УПп солонцовых горизонтов целинных аналогов.

Корреляционный анализ показал, что величина УПп тесно связана с количеством илистой фракции (г = +0.89), с количеством физической тины (г = +.73), с содержанием лабильных силикатов в почве (г =+0.75). Величина УПп оказывает сильное влияние на величину равновесной влажности образцов почв в интервале значений Р/Ро 0.15-0.86, как уже упоминалось, и на влажность в точке перегиба линии изотермы. Уравнение регрессии Wn = 0.04 УПп +0.05 (г =+0.76).

Таблица 5

Обшая удельная эффективная поверхность (м*/г)

Горизонт Почва Илистая фракция Фракция остатка при отмучивании

I. "Госфонд". мелиорированный солоней

4 123 295 10

2. "Госфонд". целинный солонец

А1А2 100 299 12

В 122 316 8

109 285 9

104 301 б

121 зем 7

ВСсС, 117 310 8

3. "Новый опыт", целинный солонец

А1А2 88 248 13

В2<С> 156 274 9

ВЗС*г 128 288 6

ВУс*с*> 105 315 6

114 332 6

4."Гослссополоса", целинный солонец

А1А2 99 264 16

120 281 12

96 206 8

99 334 11

ВСс«г 96 317 5

5. "Гослесополоса", мелиорированный солонец

..... 122 289 15

Удельная поверхность илистой фракции (УПИф) составляет 245 -334 м"/г. В двух целинных солонцах отмечается локальный максимум УП„Ф в солонцовых горизонтах и постепенное увеличение дисперсности илистого материала ближе к породе. На участке "Новый опыт" величина УПИф увеличивается к породе ( от 248 ло 332 м"/г ). Величины УПиф в пахотных горизонтах мелиорированных солонцов составляют 289 и 295 м7г, что близко к величинам УПиф надсолонцовых и солонцовых горизонтов соответствующих целинных аналогов. Пря

этом дисперсность илистого материала на участке Тослесополоса" несколько повысилась, а на участке "Госфонд" осталась на уровне надсолонцового горизонта. Кривые водоудерживающей способности почв представлены на рис.2. В вариантах засоленных образцов средняя часть кривой не определялась, так как расчетный метод рекомендован только для незаселенных почв. На величину влажности образцов при равных потенциалах влияет содержание глинных компонентов и солей (А.К.И-Хуссейн, 1985). Однако эти данные приведены в основном для искуственных смесей. Наши данные свидетельствуют лишь о незначительной зависимости влажности почв от содержания лабильных силикатов в почве (г от+0,48 до+0.51), величины удельной поверхности (г от +0.47 до +0-51), содержания Са в солевой фазе (г =+0.47), отношения содержания Ыа к содержанию Са в солевой фазе (г = -0.48).

Установлено существенное влияние микроагрегатного состава на водоудерживающую способность почвы при высоких влажностях. Например, увеличение количества агрегатов фракции 0.5-0.25 мм способствует лучшей водоудерживаемости почвы при трех последних значениях рр (г =+0.60). Несколько меньше влияет на влажность почвы в этом интервале фракция микроагрегатов 0.25-0.10 мм. Увеличение количества мелкой пыли при полном насыщении уменьшает водоудерживающую способность почвы (г = -0.56).

При расчете ОГХ почв по модели "агрегированной" почвы по ¿£РРМС-6 исходными данными являлись величины плотностей почвы, твердой фазы почвы, агрегатов почвы, а также гранулометрический, микроагрегатный и агрегатный составы почв. Получены гидрофизические характеристики образцов изученных почв : например, проводимость воды пористой среды транспортного внутри агрегата ого капиллярного пространства (м/сут.) постепенно уменьшается

S3

при pF от 0 до 2.0 , а при pF>2 практически равна нулю во всех горизонтах почв. В результате мелиорации проводимость воды увеличивается при всех pF<2 с 0.1-0.2 м/сут до 9 м/сут. Это происходит в результате изменения микроагрегатного состава почв: появление крупных фракций микроагрегатов приводит к уменьшению дисперсности, исключает набухание и запльшание транспортных пор. К улучшению проводимости воды в почве приводит увеличение содержания крупных фракций микроагрегатов (г +0.95 и +0.97) и уменьшение содержания мелких фракций (г от -0.52 до -0.81). Улучшению проводимости воды способствует уменьшение содержания Na+BlinK(r cNa+/Ca2++Mg2+=-0.65) и уменьшение содержания Na в водной вьггяжке (г=-0.60). Существенно увеличивается проводимость воздуха в результате мелиорации: от 9-25 м/сут. в целинном солонце до 63-130 м/cyr в мелиорированном. Увеличение проводимости воздуха происходит в связи с теми же факторами. Следовательно, можно говорить о существенном улучшении водно-возцушного режима почв в результате мелиорации. Отмечается хорошее соответствие результатов расчета ОГХ по АД.Воронину с результатами расчетов по модели "агрегированной" почвы ZPFMC-6 (г=+0.99) (Зейлигер A.M.,Воронин АД., 1989) (рис.4).

ВЫВОДЫ.

I. Для целинных солончаковых солонцов Северного Прикаспия характерны следующие свойства:

а) тяжелосуглинистый иловато-крупнопылеватый гранулометрический состав и преобладание мелких фракций в составе микроахре-гатов, К даai.-3Q% ; наличие обогащенного илом по сравнению с породой горизонта;

б) существование дифференцированного по составу илистой фракции профиля: максимальное содержание лабильных силикатов в солонцовых горизонтах или породе. Лабильные силикаты представлены неупорядоченными высохозарядными смешаннослойны-ми иллит-монгмориллонитовыми структурами, унаследованы от почвообразующей породзы и характеризуются повышенной дисперсностью;

в) наличие процессов огнинивания, иллитизацин и лесссиважа с преимущественным выносом из надсолонцового горизонта в иллювиальный лабильных силикатов.

2. Установлено влияние факторов на водоудерживающую способность во всем диапазоне значений потенциалов воды в почве:

а) в сорбционной области влияют дисперсность почвы, количество лабильных силикатов, содержание гумуса, состав ПИК , содержание н состав солей. Влияние каждого фактора ограничено конкретными значениями давления паров вода и характеризуется определенным коэффициентом корреляции.

б) в облает высоких влажностей упомянутые факторы не влияют на водоудерживающую способность почвы. Здесь наблюдается тесная связь влажности почвы с ее микроаграгатным составом: влажность повышается при увеличении содержания крупных фракций микроагрегатов (0.5 - 0.1 мм) и уменьшается при увеличении содержания мелких фракций.

3. В результате мелиорации, осуществляемой на Джаныбекском стационаре, происходят существенные изменения почв солонцового комплекса:

- процесс оглинивания интенсифицируется, усиливается супердис-персностъ лабильных структур;

- в результате преобразования почв на ионно-молекулярном уровне изменяется водоудерживающая способность почв, существенно улучшается водно-воздушный режим почв.

4. В ходе работы осуществлены методические исследования:

а) впервые показана высокая информативность методов математического моделирования, аппроксимации и корреляционного анализа при изучении водоудерживающей способности солончаковых солонцов:

б) предложен эффективный подход к изучению свойств почв: метод группировки свойств объектов по параметрам функций. Метод позволяет определить направление влияния факторов на исследуемый процесс и прогнозировать таким образом ход процесса;

в) отмечено соответствие результатов расчета водоудерживающей способности почв по методу АД.Воронина и с помощью модели А.МЛейлигера ¿РРМС-б.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Реферат доклада на II Межвузовской коференции молодых ученых. Вестник Ленинградского ун-та, с ер."Биология", 1984 г., № 4, с.79 (в соавторстве).

2. Особенности ионообменных реакций с участием калия в серых лесных почвах. Вестник Московского ун-та, сер."Почвоведение", 1985 г., № 4, с37-42 (в соавторстве).

3. Гранулометрический состав и состав тинистых минералов в целинных и мелиорированных солончаковых солонцах Северного Прикаспия. Биологические науки, 1989, №12, с. 87-92 (в соавторстве).