Структура и гидрофизика набухающих почв как систем с переменным поровым пространством

Березин, Петр Николаевич

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Структура и гидрофизика набухающих почв как систем с переменным поровым пространством
ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Структура и гидрофизика набухающих почв как систем с переменным поровым пространством"

л п

рГа

На правах рукописи

БЕРЕЗИН ПЕТР НИКОЛАЕВИЧ

СТРУКТУРА И ГИДРОФИЗИКА НАБУХАЮЩИХ ПОЧВ КАК СИСТЕМ С ПЕРЕМЕННЫМ ПОРОВЫМ ПРОСТРАНСТВОМ

Специальность 06.01.03- агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва, '1995

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

Официальные опоненты:

- доктор биологических наук, профессор Т.Д. Соколова.

- доктор биологических наук А.И. Поздняков.

- доктор сельскохозяйственных наук.■ профессор В.И. Савич.

Ведущая организация:

Почвенный институт од. В.В. Докучаева.

Защита диссертации состоится "22 " декабря 1995 г в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д.053.05.31 при Московском государственном университете им. Ы.В.Ломоносова, факультет почвоведения, аудитория М-2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан: Н.дЛдпЛ •_1995 г

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, присылать по адресу 119899, ГСП, Москва. Воробьевы горы, МГУ, факультет почвоведения, ученому секретарю совета.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук,

профессор Л.А. Лебедева

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Большинство почв в той или иной мере обладают способностью к усадке-набуханию, то-есть изменению объема при изменении влажности. Эти процессы сопровождаются кардинальными изменениями распределения пор по размерам и всего порового пространства, что влечет за собой соответствующие изменения физико-химических, физических и гидрофизических характеристик капиллярной системы почвы.

Разработка теории, методов и критериев оценки параметров физического состояния набухающих почв как систем с переменным объемным строением представляет собой одну из существенных проблем современной теоретической, экспериментальной и практической физики почв.

Цель работы. Разработка теории, методов исследования и оценки параметров физического состояния почв как природных дисперсных систем с переменным пространственным распределением фазовых компонентов.

Задачи. 1. Исследование физико-химического взаимодействия воды с поверхностью твердой фазы. Водоудерживающая способность как следствие этого взаимодействия в конкретном поровом пространстве почвы.

2. Разработка и усовершенствование методов анализа дисперсности почв на уровне гранулометрического, микроагрегатного и агрегатного составов и системы вероятностной интерпретации распределений частиц по размерам.

3. Экспериментальное исследование изменения и дифференциации порового пространства в процессах усадки-набухания. Общая характе-ристка и количественная модель структуры порового пространства набухающих почв.

4. Динамичность почвенной структуры и слитость почвы. Разработка методов и критериев оценки слитых почв и диагностика опасности развития слитости.

Защищаемые положения. 1. Новое направление в изучении структурно-функциональных и гидрофизических свойств почв как набухающих систем, включающее в себя теоретическое и экспериментальное обоснование взаимообусловленности структуры, поверхностно-энергетических свойств твердой фазы и водоудерживающей способности почвы;

2. Комплекс расчетных и экспериментальных методов определения параметров физического состояния.

3. Оценка потенциальной опасности слитизации и фактической ак-

- 2 - •

туальной слитости почв по независим™, физическим параметрам почвы. Модель структуры порового пространства набухающих почв, расчетные и экспериментальные методы ее построения и использования при оценке физического состояния и режимов набухающих почв.

Научная новизна. - Введена концепция энергетической взаимообусловленности структуры, электроповерхностных свойств и водоудерживаю-щей способности почв как набухающих систем, включающая связь текущих характеристик физического состояния и базовых энергетических характеристик поверхности твердой фазы при ее взаимодействии с поровой водой.

Разработана система вероятностной интерпретации результатов анализа дисперсности на уровнях гранулометрического, микроагрегатного и агрегатного состава почв и почвообразующих пород.

Впервые экспериментально изучены закономерности изменения текстурного порового пространства почвы в режиме свободной усадки единичных агрегатов и показана зависимость хода усадки от внешних воздействий.

Сформулировано условие равновесия действующих давлений в системе "твердая фаза - поровая влага - поровое пространство" и найдены состояния неустойчивости системы, что позволило установить скачкообразный ход фрагментации квазинеограниченного объема и дифференциации порового пространства набухающих почв при иссушении.

Обоснован комплекс методов определения базовых энергетических параметров почвенной структуры, разработан алгоритй и программа расчетного построения диаграммы структуры порового ■ пространства как обобщенной характеристики комплекса физических свойств с- учетом их динамичности.

Разработана система диагностики потенциальной опасности слити-зации и актуальной слитости по количественным характеристикам физического состояния набухающих почв.

Практическая значимость работы. Разработан ряд методов определения физических характеристик почв как набухающих систем с переменным поровым пространством, что позволило выработать систему оценки физического состояния с учетом его стабильности и динамичности как физической основы почвенного плодородия. Дана физическая характеристика современного состояния ряда конкретных почв с различной степенью оструктуренности, набухаемости и слитости.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на 6,7.8 Всесоюзных съездах почвоведов, на 2-м съезде почвоведов и агрохимиков УССР, на Всесоюзных конференциях по современным методам исследования почв, по влагометрии, на заседании 1-ой комиссии Всесоюзного общества почвоведов, на теоретическом семинаре и на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения. 8 глав и выводов, включает 23 рисунков. 11 таблиц. Список литературы насчитывает 199 работ на русском языке и 88 иностранных.

Автору принадлежит сбор основной части полевого материала, выполнение экспериментальных работ, обобщение информации, разработка программы исследований и положений, представленных к защите, выводов работы. В диссертации использованы результаты личных исследований автора, а также работ, выполненных при его участии или под его руководством.

МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В работе использован комплекс современных физических и физико-химических методов исследования природных дисперсных систем и традиционные методы агрофизических исследований: рентгено-седимента-1 ционный метод гранулометрического анализа (РСГ-метод), объемометрия и порометрия, термодинамические методы, криоскопия, капилляриметрия и тензиометрия, сорбционное равновесие, полевые и лабораторные методы исследования физических свойств почв и грунтов, электрокинетические методы исследования поверхностных свойств капиллярных систем. Некоторые из перечисленных методов были впервые применены для исследования физических свойств почв вообще и набухающих, в частности, что потребовало значительной модификации и специальных методических разработок - это относится к рентгено-седиментационному методу гранулометрического анализа, обьемометрии агрегатов, методу пластинных прессов исследования водоудерживающей способности, капилляриметрии. В этих разделах был разработан метод пластинных прессов гидростатического взвешивания и специальные устройства, обеспечивающие возможность автоматической регистрации результатов. Ряд разработок защищен авторскими свидетельствами.

Объектами исследования служили, в основном, тяжелосуглинисгые и глинистые черноземы различной степени оструктуренности и набухаемос-ти, слитые предкавказские черноземы, вертисоли о. Кубы. В ряде слу-

чаев использовались почвы и почвообразущие породы, представляющие зональные территории СССР и других стран-мира,' в зависимости от конкретных целей эксперимента. Применялись также искуственные модели в виде размолов минералов и их смесей и другие физические модели.

Степень достоверности и обоснованности результатов. Ряд проблем. исследуемых в работе, имеет многолетнюю историю исследований, множество экспериментальных данных,' полученных различными методами. Получение новых сведений по известным проблемам потребовало специальных исследований по повышению точности экспериментов, методов измерения. интерпретации результатов. Такие работы были проведены при применении метода РСГ и ряда других с использованием теории вероятности и статистики при обработке экспериментальных данных и планировании экспериментов.

Существенным является, по нашему мнению, применение вероятностных характеристик для количественной оценки традиционно детерминированных систем - явлений .дисперсности, 'строения порового пространства, вероятностного поведения отдельных элементов и частиц дисперсных систем и вероятностно детерминированного поведения сложных совокупностей этих элементов или дисперсных систем в целом. Проведение экспериментов, основывалось на современных физических представлениях о методологии научных исследований, характере объектов и целей исследования - биологических аспектов физических явлений в почвах,и почвообразующих породах. - .

Глава 1. . ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ НАБУХАЮЩИХ ПОЧВ КАК ПРИРОДНЫХ' ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ С ПЕРЕМЕННЫМ ПОРОВЫМ ПРОСТРАНСТВОМ. - '

Трудности физической характеристики почв с переменным поровым пространством связаны с тем, что большинство физических параметров, традиционно принимаемых за стабильные, константные,. для набухающих почв становятся резко динамичными, связанными с влажностью почвы сложными, неоднозначными зависимостями. В связи с динамичностью величин, характеризующих физическое состояние почвы, существуют практические трудности применения оценочных шкал плотности, общей пористости, межагрегатной пористости, пористости агрегатов, распределения пор по размерам и ряда других физических показателей, традиционно применяемых для оценки ■ физического состояния почвы (Александрова

Л.Н., Надь М. 0.,. 1958; Александрова Л.Н. и др.. 1966; 1972: Алов A.C., I960;' Амелина Е. А.. 1985; Андрианов П. И., 1937; 1940; 1941; 1946а; ,19466; 1949; Антипов-Каратаев И. Н.. 1943; 1945; 1947; Астахова С. X., 1963; Безрук В. 'М., 1936; Березин П. Н., Сапожников П. М., 1982; "^итюков К. К.. 1951; Бондарев А. Г.. Медведев В. В.. 1980; Боро-винская Л.Б., Дмитриев Е.А.. 1967; Буров Д.И., 1969;' Воронин А.Д.. Березин П.Н.. 1985; 'Глобус A.M.. 1974; Дмитриев Е.А.. 1961; Земят-чинский П.А., 1927; Злочевская Р.И., Дивисилова В.П., 1972; Злочевс-каяР.И., Калачев В.Я.. 1968; Иовенко'Н. Г., 1978; Кузнецова И. В.. 1979; Медведев В. В., 1969а; Мичурин Б.Н., 1968; Носко Б.С. и др.. 1982; Орешкина Н. С., 1981; Передельский Л. В., Ананьеве. П.. 1973; Райтбуро Ц. М., Слонимская М. В., .'1970; Соколовская Н. А., 1967; Aylmo-re L.A.G., Fulrk J.P., 1959; 1962; 1967; Currle J. А.. 1965; Emerson W.W.. 1963; 1977; Greenland D.J., 1977; Hadas A., Wolf D., Ramitz E.. 1986; Hadas A. .Wolf D., 1983; 1984; Henln S.. Д938; Quirk J. P., 1968; Reeve J.. Hall G.M., 1978; Sankarnan K.S., Venkateshwar Rao, 1974; Stengel P., 1979; Sudo S.. 1965; Tessler D.. Pedro G.. 1980).

Динамичность физических характеристик обусловила появление понятия "равновесной" плотности. Это понятие широко используется при интерпретации экспериментальных данных, хотя далеко не снимает всех проблем оценки.физического состояния по единовременным замерам динамических характеристик. ' Так для оценки уплотненности почвы разработаны шкалы по величине плотности вообще для почв, для почв отдельных природно-климатических зон и почв отдельных регионов (Атаманюк А. К., 1968; Бахтин П.У., 1969; Бондарев А. Г. и др.. 1973; 1974; 1979; 1979а; 1980; .Долгов С. И.. МодинаС.А.. 1963; Зацепина Г. Н., 1974; Качинский Н.А., 1947; 1958; 1963; 1970; Крупский М.К.. 1969; Медведев В. В., 1969).

Изменчивость физических свойств почв неоднозначно определяется процессами набухания при увеличении влажности. Например, при замачивании сухой почвы часто происходит некоторое уплотнение ее вследствие переукладки частиц.

Полнота обоснованности заключения о физическом состоянии почвы требует проведения режимных наблюдений по всем физическим параметрам. Это весьма трудоемко и не всегда методически и организационно возможно. Имеются принципиальные трудности сравнения и оценки объектов по массивам данных режимных наблюдений. Теоретические и методи-

ческие основы таких оценок разработаны недостаточно и заключение о характере режимов, несмотря на наличие больших массивов количественных характеристик, полученных с существенными затратами труда, в конечном счете приобретают вид субъективного экспертного суждения, однозначность которого часто бывает весьма спорна. Тем более неоднозначным может быть заключение, сделанное по разовым замерам отдельных динамических параметров. Невозможность определения всех динамических параметров на одном образце, пробе, или в одной точке одновременно вносит существенную долю в вариабельность получаемых результатов. Это ставит проблему жесткого отбора независимых и достаточных, функционально значимых параметров физического состояния почвы.

Глава.2. СТАБИЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЧВЕННОЙ СТРУКТУРЫ

2.1. Стабильность и динамичьность почвенной структуры. Физическое состояние почвы определяется ее способностью сопротивляться факторам внешних воздействий, сохранять основные параметры пространственного размещения вещества - стабильностью, и способностью изменять эти параметры в определенных пределах - динамичностью почвенной структуры. Соотношение динамичности и стабильности почвенной структуры определяет физическое состояние почвы, необходимость и степень сложности возможных технологических операций и воздействий для создания оптимальных почвенно-физических условий.

Существуют десятки определений термина "почвенная структура". Различные авторы используют это понятие в зависимобти от целей и задач исследования (Вершинин П.В., 1958; Вершинин П.В., Поясов Н.П., 1954; Виленский Д.Г., 1945; Вильяме В.Р., 1949; Воронин А.Д., 1980; 1984а; 19846; Воронин А.Д. и др., 1976; Дояренко А.Г., 1963; Сергеев Е.М., 1985; Baver L.D., 1959; 1972; Thomasson A. J., 1978; Marshall Т.J., 1962; 1978) для обозначения пространственного размещения вещества почвы с учетом уровня изучаемых объектов - от электронно-ионного до уровня структуры почвенного покрова в глобальном аспекте. Для наших целей наиболее рациональным представляется использование понятия почвенной структуры в узком агрофизическом плане как пространственное дискретное взаиморасположение фазовых компонентов, обусловленное соотношением, формой, размерами и упаковкой частиц, составляющих почву - гранулометрических элементов, микроагрегатов и агрегатов различного порядка. Следствием структуры является наличие

порового пространства как среда' обитания почвенного биоса. Таким образом, к стабильным параметрам почвенной структуры можно с определенной долей условности отнести такие параметры как гранулометрический, микроагрегатный и агрегатный составы почвы, плотность твердой фазы и некоторые другие показатели физических свойств почв; к динамическим параметрам относятся параметры, изменяющиеся при изменении влажности и других природно-климатических или антропогенных факторов - различные категории плотности, структуры' порового пространства, пластические характеристики и т.д. Набухающие почвы характеризуются преобладанием динамических.параметров, величина которых связана с влажностью почв и ее динамикой.

2.2. Устойчивость почвенной структуры при последовательном усилении разрушающих воздействий. При приложении разрушающих воздействий сплошность почвенной массы нарушается и происходит ее фрагментация на структурные отдельности различных размеров и качества -фрагменты, агрегаты, микроагрегаты и гранулометрические элементы. Одним . из наиболее распространенных методов изучения стабильности почвенной структуры является анализ распределения по размерам фрагментов, агрегатов, микроагрегатов и гранулометрических элементов, на которые распадается почвенное тело (проба, образец) при 'некоторых более или менее стандартизированных разрушающих воздействиях.

Сравнение распределений структурных отдельностей при разных •разрушающих воздействиях лежит в основе оценки водопрочности по результатам сухого и мокрого просеивания, дисперсности и микроагреги-рованности по результатам • микроагрегатного и гранулометрического составов (Качинский Н. А., 1947; 1958; 1963; Роде A.A., 1932). Принцип последовательного разрушения агрегата под действием различных химических агентов, разрушающих цементирующие связи был применен для физико-химического препарирования агрегата (Антипов-Каратаев H.H. и др., .1948, .1956; 1960; 1961;, Келлерман В.'В.. 1959; Хан Д.В.. 1969). Последовательное разрушение агрегатов и микроагрегатов с помощью обработки дисперсии ультразвуком при,увеличивающейся экспозиции было применено " для диспергирования почвы до гранулометрических элементов (Айдинян Р.Х.. 1947; Березин П.Н.; 1981; Березин П.Н. и др., 1981а; 19816; 1983; Шаймухаметов М. Ш. и др., 1985). Применение ультразвука позволяет нормировать разрушающий фактор, и таким способом оценивать прочность структурных связей (Воронин А.Д.,-Березин П.Н., 1985).

- 8'- • ■

2.3. Методические особенности современных методов, гранулометрии. Гранулометрия, как метод исследования почв, дает информацию о классификационной принадлежности почвы, о генезисе почвообразувдей породы и сформировавшейся на ней почве, о направленности современных процессов гипергенеза и трансформации или переноса твердого вещества на основе количественной характеристики размеров частиц, составляющих данную почву. Полноценное применение гранулометрического метода для исследования почв ограничивается рядом факторов:

- теоретическая и методическая неопределенность понятий "гранулометрический элемент", "элементарная почвенная частица", "микроагрегат". что обусловливает разнобой в методике подготовки образца к микроагрегатному и гранулометрическому анализу;

- сложность процедуры анализа, недостаточное количество определяемых фракций, произвольность или недостаточная обоснованность границ между фракциями и, соответственно, .недостаточная полнота и детальность характеристики всего диапазона размеров частиц;

- громоздкость представления результатов гранулометрического анализа, некорректное, условное применение математических методов для их интерпретации, обусловливающее неполное использование информативности результатов;

- сложившееся представление о гранулометрическом составе как о механическом наборе отдельных порошков-фракций, приведшее к фактическому отрицанию связи содержания частиц с их размерами, что препятствует объективной оценке эволюции гранулометрического состава и связи его с минералогической и химической трансформацией вещества почвы и функциональными физическими свойствами.

Эти обстоятельства требуют существенной теоретической и методической проработки гранулометрии почв по следующим разделам: подготовка пробы к анализу, автоматизация анализа, интерпретация результатов. Эти проблемы существуют во всей полноте несмотря на довольно длительную историю развития гранулометрии в теоретическом, методическом, экспериментальном и производственном планах ( Антипов-Кара-таев И.Н.. 1945; Антонов Г.. 1985; Безрук В.М., 1935; 1936; Ваданина А. Ф., Корчагина 3. А., 1973; Голдин М.М., 1958; Гольдштейн М. Н., 1973, Гриффите Дж., 1971; Деревянко Р. Г., 1975; Качинский Н. А., 1958; 1963; 1965; 1970; Мичурин Б.Н., Оншценко В.Г.. 1968; Морозов С. С., 1949; Роде А. А., 1932; РухинЛ.Б., 1947; Шаймухаметов М. Ш. и др..

1985; Юдкин Ю.Н., ХодаковГ.С., 1975. ЕЮпеп Р.. 1971).

Подготовка к анализу. Сущность подготовки пробы к гранулометрическому анализу состоит в разрушении микроагрегатов и получения дисперсии, состоящей из элементарных почвенных частиц, устойчивой к коагуляции. Для диспергации пробы используют химические, термические, механические воздействия и их комбинации. Успешно используются ультразвуковые установки с применением диспергирующих, отмывающих агентов: пиpoфocфaтa,. гексаметафосфата,' гипохлорита натрия в виде 0,05-0,1% растворов в качестве дисперсионной жидкости, что позволяет вести анализ без разрушения карбонатов соляной кислотой (Садовский М.А., 1982; СидериД.И., 1933; М1Й1ае1Е.Н., ВПпегС.Р., 1978).

Усиление жесткости обработки дисперсии при подготовке пробы к анализу ведет к увеличению выхода тонких фракций до определенного предела. Из существующих методов наибольшую диспергацию дает ультразвуковая обработка, близок к этому метод многократного растирания эластичным пестиком почвенных паст в растворе пирофосфата натрия. Предельность кривой распределения гранулометрических элементов может быть принята за критерий достаточности и полноты диспергации (рис.1) и принципиально качественного различия между гранулометрическим й микроагрёгатным составом.

' 2.4. Рентгено-с'едиментацйонный метод гранулометрического анализа (РСГ-метод). В работе использован рентгено-седиментометрический метод гранулометрического анализа почв, что потребовало определенной модификации его в части, касающейся подготовки образца к анализу, собственно процедуры анализа, а также интерпретации его результатов.

Оценивая в целом применение РСГ-метода для целей гранулометрического анализа почв, следует отметить:

- Метод дает хорошо воспроизводимую непрерывную кривую гранулометрического Ьостава' и не затушевывает индивидуальных особенностей образца.

. - Диспергация пробы с помощьв ультразвука до предельного выхода тонких фракций обеспечивает стандартизацию в подготовке образца к анализу, полную диспергацию и не производит разрушения гранулометрических элементов.

- Серия последовательных анализов одного и того же образца при увеличивающейся длительности обработки ультразвуком позволяет оценить прочность микроструктуры почвы.

- 10 - •

Последовательное усиление жесткости обработки , прр разрушении почвенной структуры использовано для исследования гранулометрического, микроагрегатного и агрегатного составов почв.

Глава 3. ВЕРОЯТНОСТНАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ,- ЧАСТИЦ ПО •РАЗМЕРАМ НА УРОВНЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО, МИКРОАГРЕГАТНОГО И АГРЕГАТНОГО СОСТАВОВ

3.1. Вероятностная интерпретация распределений частиц по размерам на уровне гранулометрического, микроагрегатного и агрегатного состава почв. Общепринятая система выражения результатов гранулометрического анализа в виде процентного содержания фракций'частиц различной крупности наиболее полно решает вопрос о классификационной принадлежности изучаемого объекта. Границы между фракциями, принятые различными исследователями не всегда совпадают, что привело к существованию ряда классификаций "механических", "гранулометрических" элементов, "элементарных почвенных частиц" и, соответственно, ряда классификаций почв по гранулометрическому или механическому составу. Все это обусловливает несравнимость'результатов гранулометрического анализа и терминологии, используемых исследователями различных стран, отдельных групп и организаций.

Имеются попытки применения статистико-математических методов оценки гранулометрического состава,(Антонов Т., 1985; Гриффите Дж., 1971; Рухин Л.Б., 1947)., Вероятностные характеристики гранулометрического состава как некоего дискретного распределения, весового или частичного, частиц по размерам могут быть использованы как классификационные показатели. , ' •

Несмотря на наличие огромного экспериментального. материала, изученность проблемы остается недостаточной..: Это касается прежде всего подробного изучения всег® диапазона размеров частиц как гранулометрических элементов так и' агрегатов, - комков, глыб и других "структурных" отдельностей. Распределение частиц по размерам отражает разную степень агрегированности первичных частиц в-микроагрегатах, прочность связи микроагрегатов между собой в агрегатах последующих порядков, стабильность почвенной структуры.

Для исследования распределений частиц по размерам были взяты различные по своим структурным особенностям почвы: черноземы типичные и обыкновенные на,лессовидных суглинках, собственно лессовидные

- и -

суглинки, пепловые вулканические отложения различных слоев, почвы на пепловых отложениях, моренные отложения, отдельные горизонты дерново-подзолистых почв на различных почвообразующих породах - на моренных отложениях различных оледенений и на покровных моренных и лессовидных суглинках. Было проведено подробное изучение кривых распределения агрегатов, микроагрегатов при последовательно увеличивающемся времени обработки ультразвуком и гранулометрических элементов как предельного распределения почвенных' частиц.

Общий вид гистограмм (рис.2) представляет собой сложные полимодальные распределения с чередованием максимумов и минимумов плотности вероятности. Характерным является приуроченность минимумов и максимумов плотности вероятности К определенным интервалам диаметров частиц. Участки общих распределений между соседними минимумами были рассмотрены как самостоятельные частные распределения.

3.2. Формализация распределений. Изучение отдельных участков общих полимодальных распределений показало, что гранулометрический состав большинства почв представляет собой в. основном два первых частных распределения: 1 - глинные компоненты (<5 мкм) и 2 - песчаные компоненты (>5мкм). Третье частное распределение (>90 мкм) встречается в грубозернистых почвах и количественно составляет, как правило, незначительную долю,'что не всегда позволяет выделить его в самостоятельное частное распределение и оно практически входит во второе частное распределение, внося в него некоторые изменения, связанные с характеристиками зернистости и отсортированное™ песчаных компонентов. !

Распределение частиц глинных компонентов в пределах экспериментально определяемого интервала (0,1-5мкм), удовлетворительно описывается интегральной функцией:

Рх (при Х<5МКМ) - (0,2х)к (3.2.1)

.. где Рх - содержание (Фх.%) частиц диаметром меньше х мкм, выраженное в долях от общего содержания (Ф5 , 35) глинных компонентов, то есть Р„ » Ф,/Ф5: Ф5 -■% содержания частиц диаметром менее 5 мкм;

к - показатель степени.

Распределение частиц диаметром более 5 мкм (песчаные компонен-

Диаметр частиц, мкм

Рис. 1. Предельность кривой распределения гранулометрических элементов при увеличении времени обработки ультразвуком.

- Гронуяоивчипвск» 1*»фсхгр«гст*я

Мокрое просеиоив Суков просемюие

Рис. 2. Кривые распределения гранулометрического, микроагрегатного и агрегатного состава. Чернозем типичный тяжелосуглинистый, Аггах., Харьковская обл.

- 13 -

ты) описывается формулой (интеграл вероятности):

Рх (при х>5мкм) = -; (3.2.2)

1+ (а/х)"

где Рх - содержание частиц диаметром от 5 до х мкм. выраженное в долях от общего содержания частиц диаметром более 5 мкм. то есть: Рх = (Фх-Ф5)/(100-Ф5); , .

а - нормирующая величина аргумента, мкм; ;

п - показатель степени.

3.3. Использование вероятностных показателей гранулометрического состава для характеристики почв и оценки почвенных процессов. Для количественного описания гранулометрического состава конкретного образца необходимо наличие четырех величин: (Ф5, %; к; а, мкм; п). Диапазоны и градации этих величин даны в таблице 1.

Величина Ф5 характеризует долю глинных компонентов (содержа-ниеД, частиц диаметром < 5 мкм), соответственно (100 - Ф5 )% характеризует содержание песчаных компонентов. Функции распределения глинных и песчаных компонентов связаны между собой через величину Ф5. Эта величина является основной оценочной величиной и позволяет отнести изучаемый объект к основным категориям по гранулометрическому составу от песков до тяжелых-глин в соответствии с общепринятой классификацией по Н. А. Качинскому. . что обеспечивает однозначное чтение почвенных карт и использование всех классификационных придержек. связанных с гранулометрическим составом.

Глинные компоненты являются наиболее динамичной частью твердого вещества почв и почвообразуюпдах пород. Показатель к отражает участие грубодисперсного материала в составе глинных компонентов независимо от их общего содержания Ф5. Чем больше величина к, тем грубее глинные компоненты. Показатель к отражает характер глинных компонентов, их отмытость, выщёлоченность, иллювиированность, что делает его характеристичным для таких явлений, как оподзаливание, оглеение, огли-нение и др., связанных с трансформацией, переносом и локализацией тонкодисперсного вещества в профиле почвы.

Существует также связь мевду величиной показателя к и минералогическим составом глинных компонентов. Так, невысокие значения,величины к свидетельствуют 'о преимущественном присутствии в составе глинных компонентов высокодисперсных минералов, высокие значения к -

- 14 - ■ ' ,

Диапазоны и градации , , »Таблица 1

характеристичных величин вероятностных функций распределения гранулометрических элементов почв и почвообразующих пород

1 ........ - ■ ■ ■ '■■ 1 1 -.....— ' ■1 .......... 1 1 1 Название | Содержание глинных компонентов Ф5, % 1 1 1 1

1 Песок | < 10 1

I Супесь | 11-20 1

I Суглинки: легкий | 21-30 I

1 средний | 31-40 I

1 тяжелый | 41-60 1

1 Глины: легкая | 61-70 1

1 средняя | 71-80 I

1 тяжелая | 1 I >80 I

1 Дисперсность глинных компонентов 1 1 I Градации показателя к|

1 I Высокодисперсные тонкоколлоидные 1 ■ 1 1 < 0.10 1

1 (коллоидные) среднеколлоидные 1 0.11-0.20 I

1 грубоколлоидные I 0.21-0.30 I

1 Среднедисперсные 1 0.31-0.40 1

1 Грубодисперсные 1 1 >0.40 I

1 1 Зернистость песчаных компонентов 1 1 Средний диаметр а,мкм| 1 |

1 1 Незернистые 1 1 1 < 20 1

( Тонкозернистые 1 21-30 1

1 Среднезернистые I 31-50 1

1 Грубозернистые 1 1 > 50 I

1 1 Отсортированное^ песчаных компонентов ■ 1 ! 1 Градации показателя п| 1 1

1 Неотсортированные 1 1 1 < 2.0 1

1 Слабоотсортированные 1 2.1-3.0 1

1 Среднеотсортированные I 3.1-4.0 1

I- Сильноотсортированные л: I > 4.0 1 1 1

- 15 -

о преимущественном содержании грубодисперсных минералов.

Характеристичные величины распределения песчаных компонентов, средний диаметр а и показатель отсортированное™ п, отражают процессы гипергенного разрушения и перераспределения первичных пород. Малые величины среднего диаметра наблюдаются в глинистых желтоземах. ' красноземах (16-20 мкм), в осветленных горизонтах подзолов и солодей, в лессовидных суглинках и лессах (20-26 мкм). Наиболее грубро-зернистые песчаные компоненты присущи моренным отложениям. При одинаковых условиях-средний диаметр песчаных компонентов свидетельствует о времени, в течение которого исходная порода подвергалась действию формирующих факторов. При одинаковом возрасте меньший диаметр свидетельствует о большей интенсивности, процессов гипергенеза. С усилением процессов гипергенеза ( и почвообразования) увеличивается отсортированность песчаных компонентов. Наименьшей отсортирован-ностью обладают моренные отложения (п < 2), наибольшая отсортированность наблюдается в осветленных горизонтах подзолов - п > 4. Высокая отсортированность песчаных компонентов характерна также для водноо-садочных глин, лессов, эоловых и водноледниковых легких отложений. Величины а и п косвенно отражают минералогический состав песчаных компонентов. Повышенная зернистость и малая отсортированность совпадают. как правило, с полиминеральным составом песчаных компонентов при значительной доле минералов малой устойчивости (полевых шпатов, •плагиоклазов и т.д.). Уменьшение зернистости,« усиление отсортиро-ванносги сопровождается изменением минералогического состава к преимущественно кварцевому с участием других прочных минералов. Все это делает показатели а и п весьма характерными для различных типов поч-вообразующих. пород, сформированных на них почв и отдельных почвенных горизонтов.

Представление дайных по вероятностной характеристике можно давать в виде таблицы четырех величин как дополнение к исходным данным или отдельно (табл.2).

В целом, гранулометрический метод исследования дает объективную информацию по ряду важных особенностей почв: по гранулометрическому составу отдельных образцов, по литологии почвенного профиля, по современным и длительным процессам гипергенеза и почвообразования, по минералогическому составу:

3.4. Гранулометрический состав и. удельная поверхность почв.

, Таблица 2

Характеристики распределений гранулометрических ' элементов некоторых почв

1 |Почва Го- Глинные Песчаные - .. ... ! Название почвы по гранулоломет- 1

ри- компоненты компоненты рическому составу в соответствии!

зонт 1 - с градациями таблицей 1 1

Ф5.5 е| к а,мкм п

IДерново- А1 27 10.409 24.1 2. 54 сугл. легк.,грубодисперсн.,тонко-!

го дз о - 1 зернистый, слабоотсортированный 1

I листая А1А2 39 10.163 27.0 2.50 сугл. средн.. среднеколлоидн., то-(

¡на море- 1 козернистый. слабоотсортированный!

не А2 26 |0. 387 25.3 3.03 сугл. легк., средаедисперсн., тон-1

1 козернистый. слабоотсортированный!

В1 61 10.099 30.5 1.96 глина легк..тонкоколлоидн., сре-]

1 даезернистая,неотсортированная 1

В2 45 |0.122 27.4 2.60 сугл.тяж.,среднеколлоидн..тонко-1

| 1 зернистый, слабоотсортированный |

1 С 49 10.158 36.7 2. 04 сугл.тяж.,среднеколлоидн.,сред- 1

1 незернистый, неотсортированный |

¡Чернозем А8А1 54 10.202 22.2 3. 16 сугл.тяж., среднеколлоидн., тон- |

1 козернистый,слабоотсортированный1

¡типичный А1 55 10.198 21.6 3.09 М II |

¡мощный В1 54 10.142 21.7 3.27 II к |

В2 57 |0. 205 21.1 3.37 _ И II II |

|Солонец А1 42 |0. 209 28.0 2.74 сугл. тяж., грубйколлоидн. ,• тонко-1

1каштано- 1 зернистый,слабоотсортированный 1

!вой зоны В1 69 |0.108 24.1. 2.87 глина легк..среднеколлоидн.,тон-!

1 козернистая,слабоотсортированная!

В2 66 10.125 24.5 2.61 — и _ " 1

С 54 10.127 29.0 3.18 сугл.тяж.,среднеколлоидн., тонко-1

1 зернистый, среднеотсортированный1

¡Песчаная АВ 9 10.366 120 2.68 песок среднедисперсный, грубозер-1

(почва на 1 нистый, слабоотсортированный 1

¡эоловых В1 9 10.252 120 3.31 песок грубоколлоидный, грубозер-1

1отложе- 1 нистый, среднеотсортированный 1

¡ниях орт- 36 10.036 160 3.38 сугл. средн., тонкоколлоидн., гру- 1

занд 1 бозернистый.среднеотсортированн. |

С 9 10.073 135 2.97 песок тонкоколлоидный,грубозер- \

| 1 | нистый, слабоотсортированный |

¡Кварцевый пе- 13 11.59 22.1 3.31 супесь, грубодисперсная, тонкозер-!

1 сок, размол | I | нистая, среднеотсортированная | |

Удельная поверхность почвы представляет собой сумму поверхностей частиц, составляющих единицу массы твердой фазы почвы. Теоретическая связь поверхности частиц "правильной" формы (куб, сфера) с гранулометрическим составом (Фридрихсберг Д.А., 1984; Роде А.А., 1932; Качинский Н.А., 1958) послужила основанием для ряда расчетных * и расчетно-экспериментальных методов определения ее по результатам гранулометрического анализа (Кутц, 1967; КиШек М., 1962а; 19626). Однако, сложность формы, разнообразие и сложность распределений частиц по размерам, - а также ряд неизбежных ограничивающих условий не всегда дают возможность полноценного использования расчетных методов.

Наличие функции распределения гранулометрических элементов позволяет получить теоретическую формулу, связывающую удельную поверхность с гранулометрическим составом. При некоторых упрощениях эта формула имеет вид:

Э = - А(х)(к'и ~ (3.4.1)

где: Б - удельная поверхность;

к - показатель дисперсности в функции распределения глинных компонентов;

х - минимальный диаметр частиц;

А - постоянная для Данной почвы, зависящая от формы частиц, плотности твердой фазы, содержания и дисперсности глинных компонентов.

В случае сферических частиц 0,ЗФ5 га к

А - -; (3.4.2)

К-1 .

где г3 - плотность твёрдой фазы.

Неопределенность' формы частиц и величины их минимального диаметра обусловливает невозможность использования этой формулы для конкретных расчетов удельной поверхности. Это обстоятельство лежит в основе того факта, что все попытки прямого определения удельной поверхности по данным гранулометрического состава не привели к сколь-либо приемлемому результату.и расчетные методы носят ориентировочный, приблизительный характер.

При известной удельной поверхности, определенной независимым методом, например, по адсорбции нейтральных газов, эта. формула поз-

а)

Рас. 3. Направленность изменения внешней удельной поверхности от гранулометрических показателей: а) - степени дисперсности глшных компонентов (К); б) - содержания: глинных компонентов (Фс)

воляет приблизительно оценить минимальный размер гранулометрических элементов, который для почв составляет величины порядка нескольких единиц 10"9 м, что по данным различных авторов (Фридрихсберг Д.А., 1984; Щукин Е. Д., 1972) представляет собой границу между частицами, образующими коллоидные и истинные растворы.

На рис. 3 (а,б) показана направленность влияния степени дисперсности, к, и количества, Ф5, глинных компонентов на величину удельной поверхности при.других константных характеристиках.

Таблица 3

Гранулометрический состав и набухаемость почв

1 1 IГранулометрический| Максимальное набухание. % от исходного |

i 101 20 1 |30 i 140 i i |50 |60 i i III 1 70 |80 190 |100 I lit i

1 Песок 1 1 1 1 - 1 - III 1 - i - 1 - 1 - 1

1 Супесь 1 + | 1 - 1 - - 1 - 1 - 1 - 1

1 Суглинок легкий 1 + | 1 - 1 - - 1 - 1 - 1 - 1

I средний | •i- | 4- 1 + 1 - 1 - - 1 - 1 - 1 - 1

I тяжелый 1 +■ | + 1 + | + | + | - - 1 - 1 - 1 - 1

1 Глина легкая | + | Г + | + | + | + + I - I - I - |

| средняя | + | + 1 + 1 + | + | + + | + | + | - |

I тяжелая 1 1 1 + | i + 1 + i | + i | + | + i i + | + | + | + | til i

Аналогична направленность«влияния гранулометрического состава и на процессы набухания (табл. 3).

Глава 4. МЕЖФАЗОВЫЕ ГРАНИЦЫ, ИХ ФИЗИЧЕСКАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

4.1. Характеристика раздела "твердая Фаза - жидкость". Наиболее существенными границами в почве как поликомпонентной системе являются разделы "поверхность твердой фазы - поровый раствор" и "поро-вый раствор - воздух". На контакте "твердая фаза - жидкость" возникает двойной электрический слой (ДЭС), обусловленный наличием электрического заряда на поверхности твердой фазы. , При этом образуетоя своеобразный конденсатор,'внутренней обкладкой которого служит заряженная поверхность твердой фазы, внешнюю обкладку образуют электри-

ческие заряды, находящиеся в объеме прилегающего медемицеллярного раствора.

Теория ДЗС разработана в трудах Гельмгольца, Гуи, Смолуховско-го, Штерна, Перрена и др.(Фридрихсберг Д. А., 1984; Childs Е.С.. 1954: Overbeek J.Tn.G., 1956).

Применение теории ДЭС для решения теоретических и практических проблем в изучении дисперсных систем, для изучения поверхностных явлений использовали крупнейшие исследователи в различных отраслях фундаментальных и прикладных наук и практических технологий (Матт-сон, Ребиндер, Дерягин, Щукин. Фридрихсберг, Григоров, Сергеев, Зи-ангиров, Злочевская и др.).

В области почвоведения положения теории ДЗС были использованы Гедройцем. Антиповым-Каратаевым и др. для развития учения о поглотительной способности почв.

Современные представления о ДЭС включают закон распределения зарядов в объеме раствора, контактирующего с поверхностью твердой фазы. В целях нашей работы существенно показать распределение электрических зарядов ДЭС в терминах понятия "электронейтральности" системы "твердая фаза - жидкость", которая выражается в полной взаимокомпенсации зарядов, формирующих ДЭС, в виде тождества:

0*6« - Out * % (4.1.1)

где: Q^ - заряд поверхности твердой фазы;

Qu, - заряд слоя наибольшего _ приближения адсорбированных носителей заряда, или слой Штерна-Гельмгольца;

Qa • - заряд диффузной части ДЭС.

Существует определенное ■ соответствие между величинами зарядов, входящих в "условие электронейтральности", и традиционными общепринятыми характеристиками поверхности твердой фазы почвы. Это соответствие нельзя отнести к строго количественному, однако на определенном качественном уровне оно является методической основой для решения ряда капитальных проблем физического и физико-химического характера в приложении к почве как природной полидисперсной, поликомпонентной гетерогенной системе.

Заряд диффузной части ДЭС, Qs , обусловливает наличие дополнительного осмотического давления, пропорционального этому заряду и обратно пропорционального объему контактирующей воды. Это давление по существу является концентрацией поверхностной энергии в объеме

жидкой поровой влаги, а физически играет роль поверхностной составляющей давления межмицеллярного раствора, Р3: йаКТ Е

Рз --- -• (4.1.2)

» - «а » - »а где: ЕТ - газовая постоянная и абсолютная температура;

- количество прочно связанной адсорбированной воды. Давление Р3 реализуется в конкретном поровом пространстве, обусловливая набухание дисперсной системы в зависимости от характера межчастичных связей.

В этой формуле характеристичными величинами фактически являются характеристики распределения зарядов во внешней обкладке ДЭС. Это или емкость адсорбционного слоя, выраженная через количество прочно связанной адсорбированной воды (Беринг Б.П. и др.. 1970; Во-лобуев В.Р., 1974; Кульчицкий Л.И., 1972; 1975), характеризует слой Штерна-Гельмгольца или слой наибольшего приближения адсорбированных зарядов к поверхности твердой фазы. Е прямо характеризует заряд диффузной части ДЭС. С учетом условия электронейтральности эти две величины (Иа и. Е) дают достаточно полную энергетическую характеристику поверхности раздела "твердая фаза - жидкость", что позволяет использовать их в количественных конкретных расчетах. Существенным является также и то, что эти величины достаточно однозначно определяются независимыми методами, широко используемыми в физической и коллоидной химии и в физико-химической механике дисперсных тел.

Поскольку величина Ра имеет осмотическую природу, как следствие гидратации ионов диффузной части ДЭС и поверхности твердой фазы, имеется возможность ее определения криоскопическим методом. Такие данные представлены на рис.4, где точками показаны результаты прямого определения осмотического давления почвы при различной влажности в режиме иссушения, а сплошной линией дана функция Рэ= И№). рассчитанная по экспериментально определенным величинам энергии диффузного слоя и количеству прочно связанной воды.

4.2. Характеристика раздела "поровая вода - воздух" Граница межфазового раздела "вода - воздух" соответствует границе суммарного объема твердой фазы и поровой воды и представляет собой пленку поверхностного натяжения, искривленную в соответствии с геометрическим строением порового пространства почвы. Эта поверх-

ность характеризуется энергией поверхностного натяжения, С,' Дж/мг и площадью пленки поверхностного натяжения со сложной системой менисков различной формы и размеров. С характером (радиусом г) кривизны менисков связана величина капиллярного давления, Рк . (формула Жюре-на):

Рк = 26/г (4.2.1)

4.3. Адекватность капиллярных явлений и энергетического взаимодействия твердой (Вазы с межмицелляшой водой. С цблью выяснения некоторых количественных связей капиллярных явлений и поверхностной энергии твердой фазы рассмотрим три ситуации:

1. Случай идеального цилиндрического капилляра;

2. Случай капилляра сложной формы - комбинация "полусфера - цилиндр".

3. Поровое пространство реальной почвы.

1. Капиллярное давление, Рк , в цилиндрическом капилляре описывается формулой Жюрена (4.2.1). Рассмотрим это с точки зрения энергетического взаимодействия внутренней поверхности капилляра с заполняющей его водой. Стенка капилляра в этом случае может быть охарактеризована потенциальной энергией взаимодействия, е, приходящейся на единицу площади контакта с водой. В соответствии с формулой Р8, выведенной ранее, давление Р в объеме V воды заполненной части капилляра составит:

Р = еБ/У _ (4.3.1)

где: Б - площадь контакта стенки капилляра с водой."

Выразив величины Б и V через радиус г и высоту Л капилляра, после соответствующих преобразований получим:

Р = 2е/г - (4.3.2)

Эта формула аналогична формуле Жюрена.

2. В случае капилляра сложной формы (комбинация цилиндрического капилляра радиуса г и и полусферы радиуса К прй тех же условиях, что и в случае 1, давление, обусловленное энергетическим взаимодействием на контакте поверхность-вода составит:

Р * Ек/ук + = 2е/г + Зе/й (4.3.3)

Так как радиус шара значительно больше радиуса капилляра, вторым членом можно пренебречь; в случае, когда радиус шара стремится к радиусу капилляра, сложный капилляр превращается в цилиндрический с радиусом г. В любом случае результатом является формула Жюрена, в

которой вместо поверхностного натяжения воды фигурирует потенциальная энергия взаимодействия поверхности капилляра. Это обстоятельство однозначно показывает адекватность капиллярных (менисковых) явлений энергетическому взаимодействию фаз.

3. Случай реального порового пространства почвы. Пленка поверхностного натяжения воды является разделом, разграничивающим объемы порового воздуха. . непосредственно сообщающегося с воздухом атмосферы и суммарного объема внутрипоровой воды и твердой фазы. Баланс давлений в ненасыщенной почве можно проследить на примере ситуации в условиях эксперимента с мембранным прессом.

В камере высокого давления, где помещена проба влажной почвы, создано пневматическое давление Рпн. находящееся в равновесии с матричным давлением почвенной влаги, Р„, испытуемой пробы. В камере низкого давления находится подмембранная жидкость (раствор, аналогичный по своему составу поровому). Давление Рпн вытесняет часть по-ровой воды вследствие "вдавливания" рабочего газа в некоторый объем, М, порового пространства под давлением Рпн - Р„. Энергия газа в этом объеме составит;

Е - РПНМ * Р„М (4.3.45

где: Е - суммарная энергия в объеме М при сжатии газа под давлением Рпн - Р„. ' ■ ,

С увеличением пневматического, давления (теоретически до величины критического, по изотерме воды Ван-дер-Ваальса - 221,3*1о5 Па, рР=5,345) форма пленки поверхностного натяжения стремится к форме твердой матрицы почвы, а ее площадь к удельной внешней поверхности почвы, Бдн- В этой пределе энергия пленки поверхностного натяжения воды . максимальна и равна величине потенциальной энергии взаимодействия поверхности твердой фазы с контактирующей поровой водой.

Исходя из этого,'удельная площадь пленки поверхностного натяжения воды б при влажности N и текстурной пористости Б составит: ?1 (Ъ - Щ)

51 = - . (4.3.5)

а в пределе '

РкрРпр"««)

5вн----(43-6)

Давление, рр

2 -1 ■

О -1-1-1-1_I_I

О 10 20 30 40 50 60

Влажность. % 0 Криоскопия -Росчвтн. Р-Е/0»-»а)

Рис. 4. Осмотическое давление почвенной влаги. Чернозем обыкновенный, Апах., Молдова.

Бвн- Ркр(0-\У)/з,кв.м./г

О 20 40 ВО

Бен по Фареру, кв.м/г ° По "Рарвру -Росч. 5в«=Ркр{О-*0»

Рис. 5. Сопоставимость величин удельной поверхности, определенной по Фареру и расчитаннои по энергетическим параметрам.

100

На рис. 5 показана сопоставимость величин удельной поверхности определенной по Фарреру (Anderson R.B.. 1946; Farrar D.M.. 1963) и рассчитанной на основании вышеприведенных формул.

Приведенные примеры однозначно показывают адекватность количественного описания капиллярных явлений на основе понятий кривизны менисков, площади пленки поверхностного натяжения, геометрических параметров капиллярных систем и энергетического взаимодействия поверхности твердой фазы с контактирующим объемом поровой воды.

4.4. Равновесие действующих давлений при набухании и усадке почв. Давление набухания обратно пропорционально объему жидкой воды в поровом пространстве почвы (для условия равновесного состояния) и прямо пропорционально поверхностной энергии твердой фазы, или энергии взаимодействия твердой фазы с поровой жидкостью, и, соответственно, величине заряда диффузной части ДЭС, в соответствии с формулой (4.1.4).

Набуханию препятствует большой комплекс факторов, обеспечивающих пространственную фиксацию набухающей системы, то есть определяющих структуру при данном давлении набухания. Не вычленяя отдельных факторов, можно выразить это равновесие в терминах давления набуха1 ния, которому препятствуют, полностью его компенсируя, все противодействующие факторы и которые'можно обозначить как Рстр, то есть как давление, обеспечивающее фиксацию данного пространственного строения •и эквивалентное равновесному давлению набухания.

Для насыщенного состояния почвы Ра=Рстр. При выражении через энергетические параметры1 и с учетом того, что в состоянии полного насыщения объем порового пространства, DH , равен объему насыщающей воды, WH. давление Рстр, противодействующее и уравновешивающее давление набухания. Ps, составит:

Е Е

Рстр = Р*--- - —"-: W.4.1)

(Wh - tfa, (Dh - Wa,

При недостатке воды, когда W < D, то есть в ненасыщенной почве, возникает всасывающее давление, адекватное недостатку воды и соответствующее .разнице, АР, давлений. Ра и Рстр:

Е Е

АР -'Р«с«> - Р. - Рстр ----: (4-4.2)

(W - Wa) (D - Wa)

- 26 -1 1

Р„ - Е {---;-; (4.4.3)

(W - Wa) (в - Wa)

Таким образом, равновесие набухающей системы определяется равенством действующих давлений: Р8= Рм+ Рстр. в некотором поровом пространстве определенного геометрического строения. Фактически это означает, что в набухающих почвах существует очень тесная функциональная связь между электроповерхностными свойствами твердой Фазы, водоудерживащей способностью и структурой порового пространства.

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА ПОЧВ

5.1. Структура почвы и поровое пространство. Почва - это дисперсно-связная система, природное тело особого пространственного строения.

Формирование структуры и, соответственно, порового пространства происходит, в основном вследствие двух процессов (Harris P. J., Chester G.. Allen O.N.. 1965; Hartman M.D., De Boodt, 1974):

1. Слипание отдельных частиц в микроагрегаты и агрегаты, слипание агрегатов между собой (коагуляционно-агрегатные структуры).

2. Фрагментация сплошной массы в процессах усадки и технологических операций - формирование фрагментов, глыб и межфрагментарных пустот, трещин, каверн (текстурно-фрагментационные структуры) и ряда других процессов. ' •

Соответственно, поровое пространство почвы составляют категории: • •

1) текстурное поровое пространство - поровое пространство, формируемое взаиморасположением гранулометрических элементов в пределах нерасчлененных агрегатов и ыикроагрегатов, или внутриагрегатное поровое пространство;

2) межагрегатное (структурное) поровое пространство - в пределах отдельных комков, глыб,фрагментов;

3) межфрагментарное поровое пространство - трещины, межкомковые пустоты.

5.2. Методы определения категорий порового пространства.

Методически определения категорий порового пространства сводятся к определению объемов структурных отдельностей при известной их

массе твердой фазы, или же к определению плотности структурных от-дельностей (включая и гранулометрические элементы).

Практически это сводится к определению плотностей твердой фазы, агрегатов, фрагментов (глыб, комков) и почвы в целом (по макрообъемам) с последующим расчетом категорий пористости на соответствующих уровнях структурных отдельностей.

Существует ряд методов определения объемов воды, занимающих ту или иную категорию порового пространства, а также методы морфометрии (макро- и микроскопии). Часто эти методы дают различные результаты, что связано с различной постановкой задачи и их методическими особенностями.

5.2.1. Определение плотности твердой Фазы и удельного объема, занимаемого твердой Фазой почвы. Под плотностью твердой фазы почвы понимается масса твердых компонентов почвы, приходящаяся на единицу объема, занимаемого этими компонентами (твердой фазой).

Существующие методы определения плотности твердой фазы основаны на жидкостной и газовой обьемометрии. Основной принцип - определение объема некоторого пустого сосуда (волюметра) по количеству вмещаемой жидкости или газа, необходимого для заполнения того же сосуда с помещенным внутри него известным количеством (навеской) определяемой пробы. Разность объемов измеряющего агента (жидкости или газа) дает объем навески. По известным массе и объему вычисляется плотность твердой фазы ра и удельный объем твердой фазы Ув:

М» ДУГ(Ж) 1

Ра = -: = ——: рв - —;

АУГ(Ж) Ма' У3

где: АУги) - разница объемов газа или жидкости заполняющих волюметр без навески и с навеской;

Мэ - масса сухой,пробы. .

Наиболее существенные методические особенности этих процедур сводятся к предварительному удалению адсорбированных газов и воды, и пузырьков воздуха (кипячение и вакуумирование. нагрев и продувание навески инертным газом).

5.2.2. Определение плотности агрегатов и удельного объема внут-риагрегатного (текстурного) порового пространства. Под плотностью агрегатов понимается масса твердых компонентов (твердой фазы) почвенного агрегата, отнесенная к объему, занимаемому всеми компонента-

ми (твердыми, жидкими и газообразными) этого агрегата. При известной плотности твердой фазы определение плотности и удельного объема по-рового пространства агрегата сводится к определению объема агрегата при известной его массе. Плотность агрегата рассчитывается по формуле:

Ма

Ра = --; (5.2.2.1)

Уа

где: Ма - масса сухих агрегатов, а V, - объем агрегатов. Удельный объем внутриагрегатного (текстурного) порового пространства (Б) рассчитывается по формуле: 1 1

Б = — - -; (5.2.2.2)

Ра Ра

В зависимости от целей исследования для определения отбираются агрегаты соответствующей крупности. В случае крупных агрегатов определения проводятся на отдельных агрегатах с необходимой повтор-ностыо. .Объем мелких агрегатов определяется в пробе, состоящей из 10 и более агрегатов также с необходимым числом повторнортей.

Для сухих и воздушно-сухих агрегатов вполне приемлемые результаты дает парафиновый метод (Вадюнина. Корчагина, 1973). Часто возникает необходимость определения объема влажных агрегатов в связи с процессами усадки-набухания при изменении влажности. В этом случае используется керосиновый метод, который дает приемлемые результаты в широком диапазоне возможной влажности (Березин П.Н. и др., 1988).

5.2.3. Определение плотности межтрешинных Фрагментов и почвы в целом. При полевых определениях плотности почвы методом режущего кольца, как правило, на площадках выбираются места , не имеющие явных нарушений сложения почвы - трещин, ходов крупных зем-лероев, корней и т.д.

Реальное сложение почвы в любом случае предполагает наличие трещин различного порядка, межкомковых пустот, каверн, ходов земле-роев. полостей от разложившихся корней и т.д. Это обусловливает необходимость определения удельных объемов и других параметров этой категории порового пространства и учитывать их при оценке плотности почвы в целом.

Для этой цели нами использовался метод определения плотности

почвы по выемкам макрообъемов. Масса извлекаемой из выемки почвы составляла от 3.5 до 40 кг, в зависимости от характера трещиноватос-ти почвы.

Сущность применения методик с последовательным увеличением размеров пробы состоит в последовательном включении категорий порового пространства в измеряемый объем.

В результате этих измерений получаются данные, характеризующие последовательный ряд категорий плотности (г/см3, кг/м3) р8 - плотность твердой фазы ра - плотность агрегатов р - плотность межтрещинных фрагментов, глыб ДФ рь - плотность почвы в целом.

В табл. 4 даны диапазоны величин плотности структурных отдель-ностей для пахотных (минеральных) почв. Эти диапазоны достаточно широки и существенно различаются в зависимости от категории плотности.

Таблица 4

Диапазоны величин категорий плотности структурных отдельностей для пахотных (минеральных) почв.

1 ........— ------— Г Категория 1 плотности '1 ........;............. 1 (Диапазоны встречающихся величин для | (минеральных почв, г/см3 |

1 Ра 1 1 | 2.50-2.75 |

1 Ра I 1.20-1.90 |

1 Р | 1.00-1.90 |

1 ДФ

1 Рь 1 I 0.90-1.80 1 | |

5.3. Методы определения категорий порового пространства. Характеристики категорий плотности являются.исходными для расчета удельных объемов твердых компонентов и категорий порового пространства (см3/г, м3/^):

У3 - удельный объем твердой фазы, У9= —; (5.3.1)

Ри

Б - удельный объем внутриагрегатного (текстурного) порового

пространства, Б = — --—; 1 (5.3.2)

Р« Рв

ДФ - удельный объем межагрегатного порового пространства межтрещинных фрагментов (стабильная структурная пористость). 1

ДФ »--Б ; (5.3.3)

ДФ

Ф - удельный объем всего порового пространства почвы в целом, 1 1

включая и трещины, Ф « — - — ; (5.3.4)

Рь Р*

Т - удельный объем межфрагментарных трещин,

- 1

Т = Ф - Ш + ДФ) - Ф--; (5.3.5)

ДФ

Диапазоны удельных объемов категорий порового пространства почвы представлены в табл.5.

Таблица 5

Диапазоны удельных объемов категорий порового пространства почвы.

~г

I Категория порового простр-ва

Удельные объемы.см3/г

Обозначение

IВнутриагрегатное текстурное IМежагрегатное внутрифрагм-ное IТрещинное I Общее

0.14 - 0.38 0.00 - 0.25 0.00 - 0.30 0.20 - 0.80

ДФ

5.4. Зависимость пористости сухих агрегатов от размеров структурных отдельностей. Для текстурно-фрагментарного строения почвы характерна независимость пористости агрегатов от их размеров и повышенная набухаемость. Для агрегированной почвы характерна четкая зависимость пористости агрегатов от их размеров.

На рис. 6 приведены графики зависимостей порозности агрегате

Целим«« чернозем,А1 Орошаемый черноз. Ал Слитой чернозем, В1

Рис. 6. Зависимость пороэности агрегатов от их размеров.

от их размеров. Почвы тяжелосуглинистые и глинистые, сформированные на лессовидных и покровных отложениях. Обращает на себя внимание наличие плато в области 2 - 5 мм, возрастание порозности в области 7 -30 мм и понижение порозности в агрегатах диаметром более 30 - 50 мм (Березин П.Н., 1988, Польский М.Н., 1949). В агрегатах больших размеров (в глыбах), если они присутствуют в распределении, удельная пористость падает вплоть до величин, равных агрегатам 2 - 3 - 5 мм. В слитых почвах явления увеличения пористости с увеличением размеров агрегатов (фрагментов, глыб) практически не наблюдается. Увеличение пористости с увеличением размеров фактически означает наличие многоступенчатой агрегации. Сохранение пористости с увеличением размеров означает отсутствие межагрегатной пористости в глыбах, их сли-тость. Это очень существенная особенность, дающая основание говорить о характерной текстурной пористости отдельных агрегатов, когда внутри фрагментов крупных размеров и в небольших агрегатах удельная пористость одинакова. В агрегированных почвах появляется характерная категория порового пространства - межагрегатная пористость, которая тем меньше, чем больше слитость почвы.

Глава 6. ПОРОВОЕ ПРОСТРАНСТВО ПОЧВ И ПРОЦЕССЫ НАБУХАНШ-УСАДКИ.

6.1. Изменение порового пространства в процессах набухания и усадки. В связи с процессами набухания - усадки поровое пространство претерпевает существенные изменения при изменении влажности. В любом случае, в процессах усадки - набухания происходит деформация порового пространства и перераспределение объемов отдельных категорий пор.-Некоторые из этих категорий остаются постоянными и практически не зависят от влажности почвы. В зависимости от условий эти изменения могут быть обратимыми, необратимыми или же для возвращения в исходное состояние требуется не только прохождение цикла усадки - набухания. но и другие превращения - замораживание - оттаивание, крошение - консолидация и т. п.

В связи с полидисперсностью почвы и сложным, часто многоступенчатым строением почвенного тела следует рассмотреть отдельные наиболее существенные процессы, определяющие дифференциацию порового пространства почвы в целом.

6.2. Изменение текстурного порового пространства единичных агрегатов - режим "свободной" текстурной усадки при иссушении. Расс-

мотрим идеальный модельный вариант усадки небольшого (d = 3 - 5 мм) искусственного агрегата пастообразного состояния. Этот фрагмент имитирует единичный агрегат, в котором разрушены цементационные связи. В целом кривая изменения текстурного порового пространства имеет плавный вид, но отдельные участки кривой описываются различными формулами:

- участок линейной усадки в интервале влажности от влажности полного набухания до нижнего предела текучести описывается формулой линейной усадки, то есть в интервале WT< W < WH:

D = DT + K„(W - WT); (6.2.1)

где Кл - коэффициент хода линейной свободной усадки:

- участок экспоненциальной усадки в интервале Wa< W < WT, то есть при иссушении от влажности текучести до уровня прочно связанной адсорбированной воды:

K3(W-Wa)

D = Dnpe (6.2.2)

где Кэ - коэффициент хода экспоненциальной усадки:

- участок влажности менее уровня адсорбированной прочно связанной воды - удельный объем текстурного порового пространства остается практически неизменным:

D = Dnp = const: (6.2.3)

где Dnp - предел усадки по величине удельной текстурной пористости.

Этот тип усадки характерен для небольших фрагментов слитых почв, все поровое пространство которых является текстурным.

Приблизительно по этому типу усадки изменяется поровое пространство и единичных агрегатов, цементационные связи в которых не разрушены, в случае если они вычленены из общей почвенной массы. Существенным является то, что при высоких влажностях естественный агрегат часто достигает полного насыщения, когда дальнейшего набухания не происходит или в силу наличия внутренних структурных связей или в силу ограничения его объема давлением окружающей почвенной массы. В этом случае становится вполне определенной величина влажности насыщения (WH), которая при этом равна удельному объему текстурного порового пространства агрегата: WH= DH= Dmax. При этом фактически исчезает участок линейной усадки, экспоненциальная усадка трансформируется в кривую гиперболического типа:

- 34

Ю =М(Юпрг + Ка*!«2); Коэффициент агрегатной усадки

чин:

Ка

0„Р2

О«2

= 1

(6.2.4

(Ка) из экспериментальных вели Опр2

-; (6.2.5)

И/

Именно эта зависимость наиболее точно описывает поведение реальной почвы и является характеристичной для конкретных почв (табл. 6). Здесь показаны экспериментальные данные текстурной усадки агрегатов для ряда почв.

Таблица 6

Примеры величин текстурной пористости почв в сухом состоянии и коэффициент текстурной усадки для ряда почв

I-;-1---

IТекстурная пористость

1 Почва |в сухом состоянии I 1 Бпр*10~5, м3/кг 1 1 I текстур. 1 усадки 1

1 1 I Чернозем типичный, целинный, А1 1 37.80 1 I 0.42

1 Чернозем обыкн.окультуренный, Апах| 31.04 I 0.68

(Чернозем южный, А1 (лесополоса) 1 26.92 | 0.52

¡Чернозем южный. Апах (поле) 1 19.94 | 0.64

|Лугово-черноземная почвы,. Апах 1 15.41 | 0.74

1Чернозем слитой, предкавказ. Апах| 15.89 I 0.93

Коэфф.

Эта функция. является характеристичной, так как прямс

или косвенно определяет характер структуры порового пространства, р исходной для всех случаев анализа усадки, уплотнения, фрагментации I т.д.

6.3. Текстурная усадка в условиях квазинеограниченного объема. В отличие от условий свободной усадки единичного агрегата, xo^ его усадки в реальных условиях носит другой характер, обусловленны! влиянием окружающей почвенной массы, с которой этот агрегат механически связан или же составляет единое целое, а собственно структурной отдельностью становится после вычленения его из общей почвенно! массы при фрагментации под действием усадочных напряжений или механического дробления как при вспашке или других агротехнических операциях. Тем не менее, в агрегированных почвах агрегат является »

просто фрагментом общей почвенной массы, а сохраняет в определенных пределах свою форму, размеры, характер контактов с соседними агрегатами. Чем более оструктурена почва, тем стабильнее по всем параметрам отдельные агрегаты и характер их взаимной упаковки. Чем менее "оформлены" агрегаты, тем меньше межагрегатная пористость, тем меньше отличаются межагрегатные связи от внутриагрегатных, тем более однородна почва в целом, более "бесструктурна" более "слитая".

Измерения удельной пористости в зависимости от влажности в процессе иссушения текстурных агрегатов 3-5 мм, крупных фрагментов и нерасчлененной почвенной массы (квазинеограниченного объема) показали существенные различия хода усадки в зависимости от размеров испытуемой структурной отдельности. Эти различия сводятся к следующему:

- для квазинеограниченного объема четко ограничена величина максимального набухания при полном насыщении, что обусловлено сжимающим давлением окружающей массы и вышележащих слоев, то есть в этих условиях существует определенная величина текстурной пористости при полном насыщении:

Ошах - »„ = 0Н; (6.3.1)

- в начальной стадии иссушения не происходит текстурной усадки из-за растягивающего действия окружающей массы, то есть отсутствует участок линейной усадки;

- при дальнейшем иссушении наблюдается резкое (скачкообразное) уменьшение текстурной пористости, это скачкообразное уменьшение пористости приурочено к влажности массового появления трещин, которая близка к влажности границы "раскатывания в шнур"- влажность фрагментации почвы при иссушении.

6.4. Формирование обш^й пористости почвы в условиях иссушения квазинеограниченного объема. В случае-равномерной трехосной усадки выделяющихся фрагментов вертикальные трещины, образующиеся при фрагментации почвы, реализуются полностью, а горизонтальные вследствие осадки не формируют сколько-нибудь значащих объемов. В этом случае, при выражении общей удельной пористости через величины текстурной пористости можно принять: (Он+2Б)

ф---- (фн - Бн); (6.4.1)

где: Ф -общая удельная пористость при данной влажности;

- 36 - '

D -текстурная пористость при данной влажности;

DH-текстурная.пористость при полном насыщении (набухании);

Фн-общая пористость в набухшем состоянии.

В атом выражении (Фн - DH) = ДФ представляет собой межагрегатную пористость, что практически всегда имеет место в реальных условиях.

В слитых почвах и вертисолях эта величина близка к нулю. В хорошо агрегированных почвах эта категория может занимать значительный объем, до 50% от всего объема порового пространства. Эта категория порового пространства освобождается от воды при ее гравитационном отекании.

Для слитой набухающей почвы понятия внутриагрегатной и межагрегатной пористости теряют смысл вследствие исчезновения агрегатов, остаются только текстурная пористость и трещиноватость. Межтрещинные фрагменты слитых почв обладают недифференцированным поровым пространством - текстурным. Это экстремальные ситуации, в реальных почвах всегда присутствует некоторый объем стабильного структурного порового пространства в соответствии со степенью ее агрегированности. Именно это обстоятельство делает стабильную структурную пористость специфической характеристикой стабильности почвенной структуры.

6.5. Формирование трепин при иссушении почвы в условиях квази-цеограниченного объема. Бри усадке больших объемов почвы (квазинеограниченных) от состояния полного насыщения до потери почвой текучести объемные напряжения реализуются за счет перетекания текучей почвенной массы. Дальнейшее иссушение ниже предела текучести вызывает упрочнение почвы, усиление каркасности, препятствующей перетеканию и обуславливающей реализацию объемных напряжений в виде трещин, то есть фрагментацию почвенной массы. Формирование трещин возможно только в том случае, когда давление, обусловливающее усадку, Рх, станет равно или превысит давление структурных связей, Рстр. Это состояние неустойчивого равновесия действующих давлений соответствует наибольшей вероятности появления трещин и усиленной фрагментации почвенной массы:

Pl " > Porp

С учетом формул 4.1.3 и 4.4.3 влажность массового формирования трещин (влажность фрагментации) составит:

№т + Иа)

--: (6.5.1)

Дальнейшее иссушение, и усадка выделившихся фрагментов ведет к новому возникновению объемных напряжений и появлению трещин последующих порядков:

0<„-,)+

\ = -; (6.5.2)

Формула 6.5.2 отражает скачкообразный ход усадки квазинеограниченного объема почвы и ее фрагментацию на последовательно уменьшающиеся фрагменты 1-го, 2-го и т.д. порядков.- Практически этот процесс завершается на уровне 3-го порядка.

Глава 7. МОДЕЛЬ СТРУКТУРЫ ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА НАБУХАЮЩИХ ПОЧВ КАК СИСТЕМ С ПЕРЕМЕННЫМ ПОРОВЫМ ПРОСТРАНСТВОМ И ЕЕ ВЫРАЖЕНИЕ В ВИДЕ ДИАГРАММЫ.

7.1. Принципы построения модем и диаграммы структуры порового пространства. Теоретические и эмпирические зависимости удельных объемов отдельных категорий порового пространства от влажности или давления почвенной влаги позволяют создать расчетную модель структуры порового пространства почвы как системы с переменным поровым пространством.

Собственно алгоритм требует независимого экспериментального определения нескольких констант, характеризующих конкретную почву: р3 - плотность твердой фазы; Впр - предел усадки по текстурной пористости; Он - предел набухания по текстурной пористости; ДФ - удельный объем стабильной структурной пористости;- Е - энергия диффузной части ДЭС; - емкость адсорбционного слоя по воде.

Последовательность операций включает расчет зависимостей от влажности текстурной пористости, матричного давления почвенной влаги, пористости без учета трещиноватости и удельного объема трещин с использованием ранее приведенных зависимостей. Независимым аргументом берется влажность в диапазоне от прочносвязанной воды до влажности полного насыщения.

По массиву данных, полученных в расчете, строится диаграмма структуры порового пространства, которая представляет собой сводку

0.8

о.е

0.4

0.2

Удельный обьем порового пр—ва, смЗ/г

■- т э-о

> ^Н 1 . *-*

\ г-"4

Влажность почвы Текстурной порист—ть Пористость фрагменте Общая пористость

0 1 2 3 4 5 Давление почвенной влаги, рГ.

Рис.7а. Диаграмма структуры порового пространство. ' Чернозем типичный, целинный, Апах.

0.8

0.6

0.4

0.2

Удельный обьем порового пр-ва, смЗ/г

топ! т

—ИчФЬв^. 1

Влажность поной Текстурная порист—ть Пористость фрагмента Общая пористость

0 1 2 3 4 5 Давление почвенной влаги, рГ. Рис. 76. Диаграмма структуры порового пространства. Чернозем обыкновенный, орошаемый, Апах., Одесская обл.

-38а-

Удельныя обьем порового пр—во, смЗ/г

о.в

0.4

- —Т~ТЧШ1 т

г 1

? <р ж

Влажность почвы Текстурная порозн-ть Порочность «ррагмента Общая порочность

0 1 2 Э 4 5 Давление почвенной влаги, рГ.

Рис. 7в. Диаграмма структуры порового протранства. Чернозем слитой, предкавказския, Апах.

0.8

о.в

0.4

0.2

Удельный обьем порового пр-эо, смЗ/г

Влажность почвы Лороэностъ фрагмента Пороэностъ обшая Текстурная пороэн-ть

0 1 2 3 4 5

Давление почвенной влаги, рГ.

Рис. 7г. Диаграмма структуры порового пространства. Вертисоль. о. Куба.

унифицированных графиков зависимостей влажности и удельных объемов отдельных категорий и всего порового пространства от матричного давления почвенной влаги. * '-

Диаграмма содержит информацию о состоянии структуры и водоудер-живающей способности почвы, включая базовые независимые параметры физического состояния, служащие исходными константами в расчете, и динамические параметры, изменяющиеся с изменением влажности (рис 7, а-е).

7.2. Равновесный пузырьковый газ как отдельная категория порового пространства. В структуру порового пространства входит ряд категорий пустот, различных по. происхождению,, строению и роли в формировании физических режимов почвы.

Наименее изученной категорией является объем порового пространства, занятый так называемым защемленным воздухом. Развитию теоретических подходов препятствует отсутствие надежных методов экспериментального определения объема защемленного воздуха даже в лабораторных условиях, тем более этот вопрос совершенно не изучен для натурных полевых условий при резкой динамичности .влажности, давления почвенной влаги, температуры и т.д.

То, что в поровом.пространстве в объеме порового раствора реально существуют значительные объемы газа, изолированного водными перемычками от свободного воздуха и не имеющего транзитных коммуникаций с воздухом атмосферы, несомненно и однозначно доказывается рядом работ (Бондаренко Н.Ф.. 1975; De ВасКег L., Klute А., 1967; Гу-дима И.И., 1984; Судницин И.И., 1988; Файбишенко Б.А., 1984; 1986). ■ В работе сделана попытка количественного теоретического анализа поведения суммарного объема равновесных газовых пузырьков, как отдельной категории порового пространства почвы, разработки теоретических и практических подходов к оценке его участия в формировании водоудерживающей способности и водно-воздушного режима почв. Количественную основу для такого анализа предоставляет концепция взаимообусловленности энергетических параметров поверхности твердой фазы, структуры порового пространства и водоудерживающей способности почвы.

Глава 8. ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СЛИТОСТИ ПОЧВ 8.1. Взаимообусловленность энергетических параметров твердой Фазы, структуры порового пространства и водоудерживающей способности

почвы. Сущность концепции взаимообусловленности энергетических параметров твердой фазы, структуры порового пространства и водоудержива-ющей способности почвы состоит в том, что состояние воды в почве определяется характером гидратации поверхности твердой фазы, распределением пор по размерам, .способностью почвы к усадке-набуханию. Это положение иллюстрируется схемой причинно-следственных связей в системе "состав-свойства-режимы" и физическое состояние почвы (рис.8), которая представляет собой сводку разработок, изложенных в предыдущих главах. Используемые физические и физико-химические параметры фактически полностью определяют физический облик почвы и могут быть приняты за оценочные характеристики. Это дает основания оценки сли-тости почвы по физическим параметрам.

8.2. Физические основы ' слитогенеза. Слитыми принято считать почвы, обладающие неблагоприятными физическим свойствами: резко выраженной набухаемостью, сплошностью сложения во влажном состоянии (собственно, слитостью), блочностью структуры и крупной трещинова-тостью в сухом состоянии. Как правило, среди исходных свойств, способствующих слитогенезу. указывают на тяжелый гранулометрический состав, специфический водный.режим, невысокое содержание органического вещества при значительной доле негидролизуемого остатка, смек-титовый минералогический состав (Тюремнов, 1930; Быстрицкая, Тюрюка-нов, 1971; Розанов, Зборищук, 1984; МигШу еХ а1., 1982; Самойлова, 1990. и др.). Энергетический подход к оценке структуры (Березин П.Н. и др., 1883; Березин П.Н., Макурин А.Б., 1987; Березин П.Н., 1987) представляется полезным для оценки слитости почв.

Параметры (Ея и ) являются некоторыми обобщенными, сборными характеристиками поверхности твердой фазы, отражающими "вещественные" свойства почвы: минералогический и гранулометрический составы, содержание и качество,органического вещества, емкость обмена и состав поглощающего комплекса. Учитывая это обстоятельство, необходимо рассмотреть возможные связи энергетических характеристик, Еа и Ка, с показателями вещественного состава слитых, набухающих почв.

Современное состояние вопроса о слитизации позволяет сделать заключение о несомненной связи процессов слитизации с вещественным составом почв. Она не всегда определенна, в большинстве случаев многозначна, поэтому на данной степени изученности не представляется возможным говорить о формализованных зависимостях. Однако, качест-

Минералогический состав Органическое вещество Гранулометрический Оо

состав

Условие электронейтральности ДЭС

Оо- Оагг+ Оз

Состав Состав

обменного порового

комплекса раствора

Емкость обмена

Стабильная

ст зуктурная

ПО| эистость

№

Структура порового пространства

Гигроскопичность

Равновесие

действующих

давлений.

РВт Рк + Рстр

Поверхностная энергия твердой фазы,Е«0з&Т

Давление набухания

Рз-

У "

Капиллярное давление

7 1 Рк - Е(;

Полное давление влаги

Р ~ Ра+ Роем

Режим структуры Водно-воздушный режим

Солевой режим

Биологический режим

Рис. 25. схема причинно-следственных свягей в системе состав -свойства - режимы и физическое состояние почвы.

венное рассмотрение взаимосвязи поверхностных энергетических характеристик твердой фазы гранулометрического и минералогического составов, гумусового состояния, состава ППК позволяет во многом прояснить внутренний механизм процессов слитизации почв.

Утяжеление гранулометрического состава ведет к непосредственному увеличению общего удельного поверхностного заряда почвы, который определяется площадью удельной поверхности почвы и поверхностной плотностью заряда. Последняя определяется минералогическим составом почвы, особенно ее тонкодисперсных глинных компонентов. Поэтому вполне понятна приуроченность слитости к тяжелому гранулометрическому и смектитовому (что нередко связано) минералогическому составу.

Увеличение содержания органического 'вещества обычно ведет к снижению поверхностной энергии. Это связано с тем, что в большинстве случаев с точки зрения взаимодействия "вода - твердая фаза" оно выступает как поверхностно активное вещество (ПАВ), снижающее поверхностную энергию. При этом влияние органического вещества зависит от его качества и характера взаимодействия с минеральной основой и меж-мицеллярной водой. В этом плане оно может вести себя как гидрофобное ПАВ.

Обладающее гидрофобными свойствами органическое вещество при взаимодействии с минеральными компонентами снижает величину общего заряда и, соответственно, Е3 и , препятствует сорбции воды, сужает диапазон усадки-набухания и стабилизирует почвенную структуру. В случае его гидрофильности оно ведет себя как фактор дополнительного возрастания поверхностной энергии, увеличивая диапазон усадки-набухания и обусловливая проявление слитости.

Обменные основания, существенно не изменяя общий заряд поверхности твердой фазы,- практически целиком:-определяют распределение зарядов в компенсирующей обкладке ДЭС, то есть величины Е3 к Так, увеличение . доли обменного натрия в очень малой степени способствует увеличению и значительно увеличивает поверхностную энергию Е3. Это обусловливает пониженную текстурную пористость в сухом состоянии и резко повышенную способность к набуханию. Вхождение кальция в обменный комплекс увеличивает величину Иа и уменьшает поверхностную энергию (или заряд диффузной части ДЭС), что приводит к снижению диапазона усадки-набухания на более высоком уровне значений текстурной пористости, то есть обеспечивает определенную стабильность почвенной

структуры. Наличие поглощенного магния несколько увеличивает величину Wa. но одновременно способствует увеличению поверхностной энергии. хотя и в меньшей мере, чем натрий. В силу этого магний имеет в целом отрицательное воздействие на структуру (Злочевская Р.И., Диви-силоваВ.И., 1972; Sharma М. L.. Uehara G., 1968; UeharaG.. 1982; Neal С., Cooper D.. 1983; Dvoracsek N.. 1984 и др.).

8.3. Потенциальная опасность слитизашм и актуальная слитость почвы. Теоретические и эмпирические зависимости, определяющие структуру порового пространства, позволяют выделить формальные константы, от которых зависит характер динамики и статики физического состояния почвы. Диагностическая значимость этих констант различна, различен также и физический смысл этих величин.

Величины Е и Wa представляют собой базовые энергетические характеристики поверхности твердой фазы относительно межмицеллярной влаги, определяют динамичность структуры в условиях конкретных режимов и, в силу этого, несут существенную информацию о потенциальной чувствительности почвы к деструктивным воздействиям. Это позволяет использовать их для диагностики потенциальной подверженности почв слитизации, или потенциальной слитости почвы (табл.7).

Таблица 7

Диапазоны и градации базовых энергетических характеристик поверхности твердой фазы и оценка потенциальной слитости почв

1.......... (Поверхностная • Емкость адсорбци- Суммарный i Категория |

1 энергия твердой онного слоя по балл потен- потенциаль- 1

|фазы воде циальной ной 1

слитости слитости 1

1 1 1

|Е. |Балл сли- Wft,см3/г |Балл сли- c=cj +сг почвы 1

1дж/кг |тости, cj 1 I |тости, сг 1

1 1 |<60 | 1 1 <0.04 | 1 <4 Устойчива к 1

1 61-80 | 2 0.05-0.061 2 слитогенезу |

I 81-1001 3 0.07-0.081 3 5-6 среднеуст-ва|

1101-1201 4 0. 09-0.101 4 7-8 слабоусто-ва|

I >121 | 5 1 1 .... >0.10 | 5 1 1 >8 слитогенная 1 1 .1

Уровень фактического состояния почвы характеризуется независи-

мши параметрами физического состояния, достаточно традиционными и самостоятельно определяемыми характеристиками: Впр, Ка и ДФ.

Параметр Опр, предел усадки по текстурной пористости .(методически - удельная пористость сухих агрегатов или фрагментов размером 3 - 5 мм) отражает предельный уровень уплотненности почвы при иссушении. Минимальные значения Опр характерны для наиболее слитых почв (0.15 см3/г), максимальные - для целинных черноземов (0.32 - 0.38 см3/г). Остальные почвы укладываются в этот диапазон.

Потенциальная набухаемость характеризуется диапазоном изменения текстурного порового пространства при изменении состояния почв по влажности от полного насыщения до сухого. Процесс усадки в этом диапазоне ■описывается формулой , в которой характер усадки определяется коэффициентом агрегатной усадки Ка. Эта величина колеблется в пределах 0.40 - 0.95.

Стабильная структурная пористость отсутствует в слитых почвах, а ее наличие и величина свидетельствуют об уровне стабильности почвенной структуры, стабильности агрегатов и их взаимоупаковки в пределах крупных межтрещинных фрагментов, глыб и почвы в целом.

Фактически эти три (0пр, Ка и ДФ) независимых, специфичных параметра являются основными показателями физического состояния почвы, ее актуальной слитости. В табл. 8 показаны диапазоны значений этих

Таблица 8

Диапазоны и градации независимых характеристик физического состояния и оценка актуальной слитости почв

I-1-1-

I Предел усадки по | Потенциальная |Стабильная структур-Iтекстурной пористости! набухаемость |ная пористость

<0. 17 | 5 1 <0.50 | 1 I <0.02 I 1

0.17-0.191 4 |0.50-0.701 2 | 0.03-0.051 2

0.20-0.251 3 10.71-0.801 3 1 0.06-0.101 3

0.26-0.301 2 I0.81-0.90l '4 I 0.11-0.201 4

>0.30 | 1 I >0.90 | 5 I >0.20 | 5

I-1_I_1_!_I_:_I_I

1 I Суммарный балл 1 — -------------------------1 (Категория актуальной 1

Iслитости. Iслитости почвы . 1

1 а! + а2 + а3

I А=-

1 1 1

1 <4 1 4 1 Отсутствие слитости 1

1 . 5-6 I Слабая слитость ]

I 7-8 1 Средняя слитость )

1 >8 1 I Сильная слитость 1 | '

величин и оценки слитости по равноценным градациям, которые быт сделаны по принципу аддитивности конечных оценочных баллов по учитываемым независимым параметрам. Суммарная оценка актуальной слитостр получается сложением баллов по отдельным^ параметрам и пpивeдeниe^ суммы баллов к масштабу 10-бальной шкалы. *.

Применение этих шкал показало вполне удовлетворительную сходимость оценок с заключением о состоянии почв по всему комплексу физических характеристик и соответствие их уровню технологических нагрузок. Оценочные величины потенциальной и актуальной слитости являюта самостоятельными, независимыми друг от друга характеристиками.

выводы' . '

1. Введена концепция ' энергетической взаимообусловленност! структуры, . поверхностных свойств твердой фазы и водоудерживающе! способности набухающих почв как систем с переменным, поровым пространством. ■ -

2. Давление почвенной влаги определяется энергией взаимодействия твердой фазы с поровым раствором, , гигроскопичностью почвы, динамичностью порового пространства и газовой активностью почвы. -

3. Гранулометрический.' микроагрегатный и агрегатный ■ состав] почв представляют собой полимодальные распределения, с закономерны расположением минимумов плотности вероятности в зонах, сопряжени частных распределений. ' - .

4. Изменения текстурного порового пространства набухающих поч в режиме свободной усадки единичных агрегатов носят гиперболически.

характер. Ход усадки зависит от внешних воздействий - сцепления с окружающей массой, механического давления, размеров образца (квазинеограниченность). и определяет связь гидрофизических характеристик с этими факторами.

5. Равновесие действующих давлений в системе "твердая фаза -поровая влага - поровое пространство" определяет состояние неустойчивости системы, скачкообразный ход фрагментации почвы и дифференциации порового пространства при иссушении.

6. Для конкретной почвы существует определенная влажность массового появления трещин при иссушении (влажность фрагментации), которая соответствует условию неустойчивого равновесия давлений. Влажность фрагментации близка по величине к'влажности "раскатывания в шнур" или нижнему пределу пластичности почвы.

7. В условиях ненасыщенности в объеме капиллярного раствора формируется значительный объем пузырькового газа. Количество его определяется потенциалом почвенной влаги и химико-биологической активностью почвы. Разработаны методы его количественного определения по данным полевых режимных исследований сопряженной динамики влажности и капиллярного давления почвенной влаги.

8. Разработан ряд методов определения физических характеристик почв как набухающих систем С"переменным норовым пространством. Разработан алгоритм расчетного построения диаграмм структуры порового пространства (математическая модель порового пространства) как обобщенная характеристика физического состояния.

9. Разработана система диагностики потенциальной опасности сли-тизации и актуальной слитости набухающих почв по количественным характеристикам физического состояния и их оценки по специальным условным оценочным десятибалльным шкалам. • Дана физическая характеристика современного состояния ряда конкретных почв с различной степенью оструктуренности, набухаемости и. слитости.

СПИСОК научных трудов БЕРЕЗИНА ПЕТРА НИКОЛАЕВИЧА

1. Влияние постоянного электрического тока на эффективность промывок солонцеватых солончаков // Вестн. Моск.ун-та. Сер."почвоведение". 1968. N 4.

2. Динамика удельного электрического сопротивления почв при электромелиорации //Вестн.Моск.ун-та. Сер."почвоведение", 1968, N

3. Полевой опыт по электромелиорации засоленных содово-сульфатных почв Карабахской равнины Азербайджанской ССР // Биол. Науки, 1968. N 10.

4. Применение геофизических методов при изучении дерново-подзолистых почв // Материалы V Всесоюзного съезда почвоведов. - Минск. 1977 (в соавт.). .

5. О механизме формирования и влиянии естественных электрических полей на почвенные процессы // Веста. Моск.ун-та. сер."почвоведение". 1978, N 2, (в соавт.).

6.. Зонд для изучения уд. электрического сопротивления почв // Материалы по результатам н.-и. работ. - М.: Из-во МГУ, 1979 (в соавт. ).

7. Датчик для измерения электропроводности дренажных вод // Материалы Всесоюзного совещания по Нечерноземью. - М.: Из-во МГУ, 1380 (в соавт.). .

8. Применение седиграфа для гранулометрического анализа лочв и грунтов.// Почвоведение, 1981, N 5,. С. 56-63 (в соавт.).

9. Применение вероятностных функций для описания гранулометрического состава почв и грунтов // Вестн. Моск. ун-та. сер."почвоведение", 1981, N 3. С. 30-36 (в соавт.). •

10. Применение вероятностных функций для описания гранулометрического состава // Материалы IV Всесоюзного съезда.почвоведов. -Тбилиси. 1981.

11. Влияние оглеения на структурно- водно-физические свойства почв // Почвоведение , 1982. К 5 (в соавт.).

12. Особенности распределения гранулометрических элементов почв и почвообразукицих пород // Почвоведение, 1983, N 2. С. 64-72.

13. Устройство для одновременного определения гидравлической проводимости, потенциала почвенной влаги й влажности почв //' Авт. свид. N 961604 от 01.06.82 (в соавт.).

14. Способ определения электропроводности почв // Авт. свид. N 993855 от 08.10 82 (в соавт.).

15. Новый прибор для одновременного определения потенциала почв, влаги, коэффициента влагопроводности и влажности почв // Вестн. Моск.ун-та. сер."почвоведение". 1983, Н 3..

16. Структура почв: энергетический подход к количественной

- 48 -

оценке // Почвоведение, 1983, N 10 (в соавт.).

17. Прибор для определения" зависимостей потенциала почвенной злаги и ненасыщенной гидравлической проводимости от влажности почв и дисперсных грунтов // Сб. "Новые приборы, установки и методики, разработанные учеными МГУ для народного хозяйства" - М.: Изд-во МГУ, 1983 (в соавт.).

18. Основные энергетические параметры и комплекс экспериментальных методов количественной оценки структуры почв // Тр. Всесоюз-•юй научн. конф. "Современные методы исследования почв" - М.: Изд-во СУ, 1983 (в соавт.).

19. Параметры структуры почв, их количественная оценка и прог-юз // 2-ая Всесоюзн.. конф. по применений математических методов и ЭВМ в почвоведении - Пущино, 1983 (в соавт.).

20. Двухфакторная модель фильтрации в зоне отклонения от закона 1арси. 2-ая Всесоюзн. конф. по применению математических методов и ЭВМ в почвоведении - Пущино, .1983 (в соавт.).

.21. Способ контроля влажности при определении зависимостей потенциала воды и гидравлической проводимости от влажности почв и дис-герсных грунтов с помощью мембранных прессов // Авт. свид. N 1161011 )Т 25.05.83 (в соавт.).

22. Структурообразование в. почвах // Сб. "Физико-химическая ме-;аника природных дисперсных тел". - М.:. Изд-во МГУ, 1985 (в со-шт.).

23. Основные параметры и методы количественной оценки почвенной :труктуры //Почвоведение, 1985, N 10, с. 56-68 (в соавт.).

24. Общность природы и взаимосвязь водйудерживающей способнос-'й, структуры и электроповерхностных характеристик почвы // Тр. VII ¡елегатск. съезда почвоведов - Ташкент, -1985 (в соавт.).

25. Количественная оценка и прогноз почвенной структуры // Сб. ,аучн. тр. : "Моделирование почвенных .процессов" - Пущино. 1985 (в оавт.).

26. Особенности влагопереноса в почве в условиях близких к на-ыщению при малых перепадах давления // Почвоведение N 5, 1986 (в оавт. ).•

27. Устройство для определения ненасыщенной гидравлической про-одимости почв в полевых условиях,// Авт. свид N1276302, 1986 {в со-вт.).

28. Энергетическая концепция структурно-функциональных свойств почв // Сб. "Успехи почвоведения: советские почвоведы на 13 международном конгрессе почвоведов". Гамбург, 1986. - М.: "Наука", 1986 (в соавт.).

29. Структура почв - физическая основа почвенного плодородия // Тр. 2 Украинского съезда почвоведов и агрохимиков республики. Укр.НИИ почвоведения и агрохимии, - Харьков, 1986 (в соавт.).

30. Diagrama del estado estructural de la capa mulch de un suelo oscuro Plástico bajo bosque.// "Clentias de la Aqrlcultura". No 27. 1986. P. 120- 125 (в соавторстве).

31. Информативность основной гидрофизической характеристики // Сб. докладов Всесоюзной конференции: " Гидрофизические функции и влагометрия почв" -Л.: 1987 (в соавт.).

32. Конструкции мембранного пресса использующие принцип гидростатического взвешивания // Тезисы Всесоюзного совещания по влагомет-рии почв. - Ленинград, 1987. (в соавт.).

33. Параметры почвенной структуры, их оценка и прогноз // Сб. тезисов докладов на 2-ой Всесоюзной конференции по применению математических методов и ЭВМ в,почвоведении. - Пущино, 1987 (в соавт.).

34. Структура и гидрофизика набухающих почв // Тезисы Всесоюзного совещания по влагометрии почв. - Ленинград, 1987.

35. Структура перового пространства набухающих почв: параметры, программа для ЭВМ // Сб. научн. тр."Комплексное изучение продуктивности агроценозов".- Пущино, 1987 (в соавт.).

36. Мембранный пресс с непрерывной регистрацией влажности почвенного образца // Веста. Моск.ун-та. сер. "Почвоведение", N4, 1988 (в соавт.).

37. Особенности исследования порового ■ пространства набухающих почв // Почвоведение, N 11, 1988. С. 63-67 (в соавт.).

38. Формирование структуры почв // Колл. монография "Поверхностные пленки воды в дисперсных структурах". - М.: Изд-во МГУ, 1988 (в соавт.).

39. Способ определения дифференциальной порозности почв // Положительное решение об изобретении от 14.04.1988 (в соавт.).

40. Задачник по физике почв. - М.: Изд-во МГУ, 1988 (в соавт.).

41. Гранулометрия почв и почвообразукмцих пород // Сб. "Современные методы исследования физических и химических свойств почв". - М.:

ИЗД-ВО МГУ. 1988. С. 56-73.

42. Структурно-функциональные и гидрофизические свойства набухающих почв // Сб. "Современные методы исследования физических и химических свойств почв", - М.: Изд-во МГУ. 1988. С. 20-46.

43. Методы и приборы для оценки структурных и гидрофизических свойств почв // Сб. "Современные методы исследования физических и химических свойств почв". - М.: Изд-во МГУ, 1988. С. 3-20 (в соавт. ).

44. Дифференциальная пористость почв // Вестник Моск. Ун-та. сер. "Почвоведение", N 4. 1988. (в соавт.).

45. Агрофизическая характеристика почв черноземно-солонцового комплекса Кулундинской равнины // Сб."Проблемы орошения почв Сибири". Тезисы научной конференции. Барнаул, 1988 (в соавт.).

46. Физические основы и критерии слитогенеза // Вестник Моск. Ун-та, сер. "Почвоведение", N 1, 1989. С. 31-38 (в соавт.).

47. Способ определения давления барботирования воздуха в почвах // Положительное решение об изобретении N 021346 от 22.05.90 по заявке N 4647702/26 от 07.02.89 (в соавт.).

48. Устройство для определения влажности почвенного воздуха // Авт. свид. II 1693508 от 19.12.89 (в соавт.).

49. Энергетическая взаимообусловленность поверхностных явлений, структуры и водоудерживаклцей способности почвы // Материалы 8 Всесоюзного сьезда почвоведов. - Новосибирск, 1989 (в соавт.).

£0. Агрофизическая характеристика южных черноземов в различных условиях- использования // Тр. конф. "Охрана и рациональное использование почв Молдавии". - Кишинев, 1990 (в соавт.).

51. Влияние межагрегатного уплотнения на водоудерживающую способность южных черноземов // Тр. конф.- "Охрана и рациональное использование почв Молдавии". -Кишинев, 1990 (в соавт.).

52. Физическое состояние почв подовых понижений и экологические проблемы их использования // Тр. конф. "Охрана и рациональное использование почв Молдавии. - Кишинев, 1990 (в соавт.).

53. Эколого-гидрологическая роль подовых понижений в ландшафте и их использование // Тр. конф. по рациональному использованию земель. - Курск, 1990 (в соавт.).

54. Диагностика потенциальной и актуальной слитости почв по независимым физическим критериям // Почвоведение, N 5, 1990. С. 65-75.

55. Экспериментальное изучение распределений агрегатов, микроагрегатов и гранулометрических элементов почв // Почвоведение. 1991. N4. С. 135-142.

56. Особенности вероятностных распределений гранулометрических элементов почв и почвообразущих пород // Почвоведение, 1991, Н 7, С. 135-142 (в соавт.).

57. Изменение физических свойств почв при эволюции подовых понижений Приднестровья // Почвоведение. 1993. N 2. С. 52-56.

58. Физическая деградация почвы: параметры состояния // Почвоведение N 11, 1994. С. 67-70. (в соавторстве).

59. Экологические основы рационального землепользования // Кол. монография. - М., 1994.

Информация о работе

Березин, Петр Николаевич
доктора биологических наук
Москва, 1995
ВАК 06.01.03

Автореферат

Похожие работы