Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ГИДРОФИЗИКА ПОЧВ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ГИДРОФИЗИКА ПОЧВ"



ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

Воронин Анатолий .Данилович

СТРУКТОТО-ФУНКЦИОНАШШ! ШРОфИЗИКА ПОЧВ Специальность 06.01.03 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора биологических наук

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА • 19в1

Работа выполнялась на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета им, М.Б.Лшоносова.

Официальные оппоненты: член-корреспондент ЛИ СССР, профессор В.Р.Волобуев, член-корреспондент ВАСХШК, профессор С.В.Нерлин, доктор биологических наук, профессор Б.Г.Розанов.

Ведущее учреждение - Почвенный институт им. В.В.Докучаева.

Автореферат разослан й'?'.4?-..............1981 г.

Зшщта диссертации состоится на заседании специализированного совета по почвоведению при МГУ имени М.В.Ломоносова ....

........ 198/_ года в часов в малой аудитории зоны "Д" факультета почвоведения МГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета

Приглашаем Бас принять участие в обсуждении диссертации на заседании специализированного совета или прислать отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, по адресу:

1 ;ква 117234, Ленгоры, МГУ, факультет почвоведения.

Учёный секретарь специализированного совета, . донтср биологических наук

/М.С.Кузнецов/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы обусловлена большой ролю структуры и связанных с неб гидрофизических, механических и реологических характеристик почв в разработке мероприятий по мелиорация почв и технологических операций по их обработке.

Значение этих характеристик особенно возрастает в с вяз* с намеченной ХХУТ съездом КПСС широкой программой дальнейшего развития сельского хозяйства в СССР, ошрагщейся на интенсификацию и индустриализацию земледелия, требующих разработки мелиоративных приёмов и технолагических операций, основанных на сгрог см расчёте и прогнозе.

Однако* несмотря на значительные успехи, достигнутые физикой почв, остаются ещё недостаточно теоретически обоснованными как взаимосвязи между гидрофизическими, механическими и реолагичесгами свойствами почв, так и их зависимости от структуры твёрдой части почв. Последние особенно важны; во-первых, потопу, что изменение структуры почв является одним из наиболее доступных л вместе о тем действенных средств управления фязичесюши условиями плодородия почв, а во-вторых, эти зависимости дают возможность теоретически обосновать, усовершенствовать и уточнить многие из применяемых в настоящее время лабораторных и полевых методов измерения основных гидрофизических, механических и ре— од отеческих характеристик почв.

Пель работы. Исходя из приведённой оценки состояния проблемы в настоящей работе были цоставяены следупдие задачи.

1.Дальнейшее развитие представлений ой иерархии структурных уровней организации почвы и детальное изучение соо-тава и свойств элементов, присущих каждому уровню, с после-дутадей формулировкой основных принципов построения и функционирования почвенных структур.

2.Термодинамкчеспая оценка энергетического состояния.води, взаимодействующей о твёрдой частью почвы как на различных уровнях её организации, так и с различными структурами почв в целом,

/- /6Л4

3. Установление зависимостей между структурой твёрдой части почв и структурно-функциональными ¿Еизическими свойствами почв.

4. Р&зраО от га • мет адов определения и расчёта важнейших в агрофизическом и гидромелиоративном отношениях характеристик почв.

Объекты и_ методы, исследования. Объектами исследования служили как почвы в целом с ненарушенной и нарушенной структурой, развивающиеся под воздействием основных типов почвообразования, тая и выделенные из них фракции элементарных почвенных частиц» ьшфо- и макроагрегатов, Б основу отбора образцов на всех этапах исследования положен генетический принцип.

Наряду с общепринятыми в почвоведении методами исследования физических и химических свойств почв в работе использованы термодинамические методы изучения состояния веды в почве, мессбауэровская спектроскопия, ядерный магнитный резонанс, рентгеновский и термический методы« электронная и термическая спектроскопия.

Научная новизна работы. Развита концепция иерархии структурных уровней организации почвы, позвали шал расширить и уточнить существующее представление о структуре твёрдой части почвы и на этой основе развить структурно-энергетическую теорию функциональных ^изичеошх свойств почв, обосновывающую зависимости между структурными характеристиками твёрдой части почв и энергетическим состоянием взаимодействующей с ней воды, гидрофизическими, механическими и реологическими свойствами почв,

Тфедложенная теория объясняет физический смысл рада ранее считавшихся чисто эмпирическими важных в агротехническсм и мелиоративном отношениях характеристик почвы и раскрывает взаимосвязь и взаимообусловленность гидрофизических, механических и ре<маптческих свойств почвы.

Теория позволила по-новому подойти к классификации форм почвенной влаги, классификация почвенных пер по функциям, я определению интервалов влажностей, в которых почва ведёт себя как упругохрупкое, упруговязкое и вязкошастичное тело, описываемое соответственно моделями Пойнтикга-Томсона, Бардяерса, Еингама-Шведова «

Практическое значение предложенной теории состоит в том,

что она позволила разработать систему методов определения и расчета таких ос ковши характеристик структурно-функциональных свойств почв» как кривая всщоудержгвапцвй способности почва» распределение эффективных радиусов пор по размерам, гидравлическая проводимость почвы в ненасыщенном и насыщенном водою состоянии, влажность разрыва капиллярной связи, влажности пределов пластичности и текучести, предела усадю£, начала появления у почвы липкоста, интервала влагностей оптимальных дня агрегирования почвн и её механической обработки, объёма пор а эра лии, инфильтрации и легкодренируемнх пор» эффективных удальных поверхностей почв,'

Раскрывая взаимосвязь и взаимообусловленность основных струкгуряо-функциональшх физических свойств почв, предложенная теория позволяет прогнозировать изменение этих свойств под воздействием мелиоративных приёмов и технологических операций по обработке почв в расширить возможности управления наиболее важными для практик! фнзичвспгми свойствами почв.

Предложенная автором система методов определения к рао-чёта ОСНОВШЕС птруцтурип—ijiyпир»гаи ячплг (физических свойств почв используется в ряде научно-исследовательских институтов и вузах Советского Союза.

Материалы диссертации широко используются при чтении курса лекций "Физика почв" на факультете почвоведения МГУ пак для студентов, так и для слушателей курсов повышения квалификация, а тапке специальных курсов "Термодинамика почвенной влаги" и "Яизико-химия поверхностных явлений в почвах".

На основе разработанных авторш концепций составлена типовая программа курса "Физика почв" для государственных университетов (специальность 1501 - почвоведение и агрохимия) , утверждённая Учебно-методическим управлением по высшему образованию Минвуза СССР о» 3 октября 1979 г. Црограмш опубликована в 1981 г. издательства« МГУ.

Апробация работы. Основные полокения, излсяенпые в диссертации, докладывались на I Международном конгрессе почвоведов (Москва), на 17 Всеосюзном съезде почвоведов (Алма-Ата), на У Всеосюзнш съезде почвоведов (Шнек), на Рабочем сове-J-/Í2Í г.

щанюг по проблеме обмена энергией в системе почва-растение-атмосфера ■ (Баку), на научно-методическая совещании по тше "Улучшение водно-физичесяих свойств почв в целях повышения их плодородия" (Харьков), ш научной конференции "Московской университет сельсксму хозяйству", на Всесоюзной конференции "Мелиорация, использование и охрана почв Нечернозёмной зоны" (Москва), на Первой годичной научной отчетной конференции Биолаго-почвеннаго факультета МГУ, на совместном заседании I и У комиссий (Физика почв и.генезис и география почв) ВОП, ■

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов* Она включает страниц теиста, 40 рисунков и зо таблиц. Список литературы насчитывает 215 работ на русском и 180 на иностранном языках.

Работа выполнялась с 1955 по 1980 г .г» на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета, дружному коллективу которой автор выра-ет искреннюю благодарность за постоянную поддержку и помощь в работе. С особой признательностью автор вспоминает профессоров Н.А.Качинского и А.А.Роде, полезные дискуссии с которыми и их советы оказали существенное влияние на развитие рассматриваемых в работе конпеппий.

Автору принадлежит: разработка программы исследований, сбор значительной части полевкго материала и выполнение части экспериментальных лабораторных работ, обобщение всей полученной информации, разработка предложенных концепций и выводы из работы. В работе использованы результаты личных исследований автора и выполненных под его руководствш аспирантами и студентами.

СОДЕРЖАНИЕ РДБОТ.Ы Г Л Л В А I

г.тгголологичвскиЕ аспекты и .сонрышнов состояние

структурного подхода в почвоведении

С позиций марксистско-ленинской методологии на основе исследований автора и работ Герасимова' и Глазове кой (I960),.

Картачевского (1966), Козловекого <1970), Корнбдша (1970), Зольникова (1970), Роде (1971), Фридлаяда (1972), Розанова (1973) развита концепция иерархии структурных уровней организации почв»

Исходя яэ единства системного и элементарного аспектов, предаожено ввдеднтъ следуицие уровни организации почвы.

Мояекулярно-иоиндй уту"*^,. в которсы в качестве элеме»-тав выступаю? молекулы н ноны, находящиеся в почвенная растворе и воздухе, а таксе ва поверхности почвенных частиц« Их взаимодействие приводит к образование элементов следующего структурного уровня - уровня элементарных почвенных частиц,

В свое очередь, элементарные почвенные частицы, взаимодействуя между собой под влиянием процесса почвообразования, образует специфичные дна каждого типа почвообразования агрегаты н другие почвенные образования, поэтсыу его можно назвать уровнем агрегатов и почвенных образований.

Взаимодействие и способ образования последних создают структуру почвенного горизонта, т.е. следу иций структурные уровень - гошзонт^ый ~.

Система взаимодействующих между собой генетических горизонтов образует почвенное тело, наименьшей единицей которого является почвенный индивидуум* Поэтому данный структурный уровень мсяшо назвать уровнем почвенного итарвиртпта.

Способ организации н взаимодействие ряда почвенных индивидуумов образуют элементарный почвенный ареал - наименьшую единицу следующего уровня - почвенного прирова.

Рассмотренная концепция играет весьма важную как методологическую, так и метещичездфю роль, указывая на то, что для познания свойств и функций почвы в целом недостаточно изучение гакого-то одного уровня, а необходимо исследование взаимодействия всех уровней организации почвы.

В этой связи вознигает вопрос о месте в структурной иерархии почвы широко распространённого в настоящее время в почвоведении понятия "структура почвы*. В сущности, это упрощённое понимание организации вещества почвн (упрощённое потоку, что рассттривается только соотношение агрегатов, их

размеры и формы) на горизонтном уровне, будь то морфологическая члн агрономическая структура»

Рассмотрев различные подходы к определению понятия "структура ПОЧВЫ* ( Baver, 194-0 ; Дояренко,1941; Brewer,Slee-men, 1960 îllarsliall,l'962îElkman,1970îSassel,1971 {Rotin!, 1972 { Emersaa,l977; Greenland, 1977 ; Hiomaaeon, 1978 )

автор предлагает определить структуру почвы как физическое строение вещества почвы, обусловленное размером, формой, количественна* соотношением, характером взаимосвязи и расположением как элементарных почвенных частиц, так и агрегатов. Такое определение предпочтительно потому, что структура твёрдой части почва имеет самостоятельное, определяющее значение и оказывает влияние как на энергетическое состояние вода в почве, так и Va другие структурнокбунющональ-ные свойства. К тому se оно позволяет непосредственно вскрыть причины возникновения важных в практическом отношении струкгурнсНвункщовальных ^язичесмсс свойств и указать пути их изменения в заданном направлении.

Особенности'структуры почвы.и обусловленных ею функциональных физических свойств, вероятно, должны определяться составом и свойствами её структурных соотавлящих, т.е. элементарных почвенных частиц, микршгрегатав и агрегатов. Характеристике этих структурных составляющих и выявлению их роли в определении струетурно-фушщиовалышх сЕозических свойств почв.я посвящены следующие главы.

глава ii

элжентарные почбеннив частицы и молекэтшрно-ионный уровень структурной организации почвы

На основе обобщения работ Гедройцв (1927), Роде (193Г), Антипова-Каратаева (1945), Тклина (1946), Новикова (1952), ■ Качинекого (1965) предложено определять элементарныё почвенные частицы как облемки пород и минералов, а такяе амо- . р£инх соединений, органически* и органоминеральных частиц почвы песчаных, пыяеватых, илистых и коллоидальных размеров, все элементы которых находится в химической связи и не поддаются общепринятым методам дезагрегирования и пеп-

тизацки, применяемым при подготовке почв к гранулометрическому анализу,

Шенио на этой уровне дробленая элементарные почвенные чаогици и играют определяющую роль в структуре и свойствах почвы*

Доя того, чтобы разделить вещество почвы на элементарные почвенные частицы, необходимо дезагрегировать и пептгетро-вать все входящие в него структурные элементы высших порядков без разрушения самих элементарных почвенник частиц и изменения их свойств.

Показано» что дая почв, не содержащих гарбонатов, гипса к легкорастворнмых солей, вполне отвечает этим требованиям метод много1фатного раэмикакия в состоянии густой пасты. Из горизонтов, содержащих эти компоненты, фавции элементарных почвенных частиц выделяли в двух вариантах: с разрушение» карбонатов 0,1 н и их удалением 0,05 н HCl 2 цоследувдим разминанием (Горбунов, 1950) и без разрушения и удаления карбонатов, как это рексмендок" > Морозовым (1951).

Для разделения почвенной 1.лссы на фракции элементарных почвенных частиц применяли метод отмучивания с расчётш скоростей падения частиц по Стоксу,

Изучены состав и свойства следупцих фракций: < 0,001 мм; 0,001-0,005 мм; 0,005-0,01 мм; 0,01-0,06 мм; 0,05-0,25 до; 0,25-0,5 мм. В случае незначительных количеств фракции >0,25 мы изучали ^аящи 0,05-0,01 мм и 0,1-0,5 ш•

Распределение гумусовых веществ по фраквмм элементарных почвенных частиц.

Присутствие в почвах гумусовых веществ даже в небольших количествах довольно существенно изменяет их стругсгурно-функциовальные физические свойства»

Распределние гумусовых веществ цо фракциям элементарных почвенных частиц связано как с характером их взаимодейс твия с минеральной часть», обусловленньм её составом, структурой и особенностями её поверхности, так и структурой, размером я формой молекул или их ассоциатор самих гумусовых веществ,

К настоящему времени накоплено значительное количество

- J /т ?

модельных опытов и теоретические сухденжй о вероятных типах связей между органическими и минеральными компонентами почвы ( аг««111ал11 ,1971; Горбунов, Орлов,1977; Орлов,1979; Александрова, 1980).

Обобщение, литературных данных и результаты собственных исследований автора показывает, что гумусовые вещества, связанные о поверхность» глинистых мвдералов, преимущественно образуют ультрашткроагрегаты, состоящие *нз нескольких ¡фис-таллов иди доменов глинистых минералов, а не распределяются в виде шёнок на их поверхности, как это предполагают ряд исследователей.

Имеющиеся в настоящее время данные показывают, что размеры частиц гумусовых веществ (представленных в естественных условиях преимущественно ассоциатами молекул) в большинстве случаев соизмеримы с размерами кристаллов глинистых минералов и поэтому трудно говорить о тем, что гумусовые вещества подрывают плёнкой глинистые кристаллы.'Кроме того, довольно большие размеры молекул гумусовых веществ и особенно их ассоциатов часто не позволяв)! им проникнуть в почвах с естественной структурой в тонкие поры и приблизиться к значительной части минеральных поверхностей дня того, чтобы вступить с ниш во взаимодействие. Поэтому вероятнее предположить диффузное распределение гумусовых веществ, щки-водящее к агрегированию их доыенов и 1фисталлов.

Размеры этих ультраш^оагрегатов также как и частиц свободных гумусовых веществ зависят от особенностей почвообразования, проявляющихся, прежде всего, в реакции среды» составе поглощённых катионов, составе гумусовых кислот и т.д., и минералогического состава высокодисперсной фракции почвообра зующей породы.

результаты исследований показала, что в гумусо-акруму-лятивных горизонтах чернозёмов (типичном, зыщелоченнш, обыкновенном, шном, предвавказском) и почв светлокаштано-вого комплекса максимальное количество гумуса содержится во фракциях размером 0,001-0,005 мм. Как с увеличением

размера фракций, так и с его уменьшением содержанке гумуса надает.

Установлено также, что размер выделяемых шврсегрегатов во многом определяется и способом подготовга к выделению, о чём ясно свидетельствует то обстоятельство, что в почвах , . тёмнокаштановогал каштанового комплексов, при подготовке которых к выделению были применены более жёсткие условия, максимальное количество гумуса приходится на илистую кию, подобно тему, как и в дерново-подзолистой почве -<Ко-черива,1954), серой лесной (Личманова,1962), желтозёмных почвах Грузии <Карасёва,1974), ,<

Мягкие условия выделения, очевидно, дам более правильное представление <э, количестве ультрамшфоагрегатов в почвах, Поэтому есть основания предполагать^ что в почвах степного тиса почвообразования, в тем числе и в почвах тёмно-каштанового и каштанового комплексов, где преобладают г урановые - кислоты с достаточно крутом размером молекул или их ассоциатов, в условиях с близкой к нейтральной реакции среды и высокой насыщенностью поглощающего комплекса кальцием, образуются ультрамикроагрегаты более крупных размеров, могущие входить во фракцию мелкой шиш. .

В почвах, где отмечается преобладание гумусовых веществ с небольшим размером частиц, в условиях кислой реакции среды образуются ультрами1фоагрегаты белее мелких размеров, которые при выделении фракций элементарных почвенных частиц попадают в илистую фракцию.

Б крупных фракциях элементарных почвенных частиц содержание органических веществ резко падает по мере увеличения размера частиц. Гумусовые вещества здеаь -представлены преимущественно отдельными фрагментами, сорбированными на наиболее выветренных участках поверхности полевых шпатов и слюд* Иногда встречаются в виде сгустков с вовлечёнными в них минеральными частицами меньших размеров, мельчайших гу-шфишрованннх корешков. Кроме того, в некоторых почвах (краснозёму, желтозёмы, оглеенныегоризонты дерново-подзолистых и ряда других почв) они входят в состав конкреций полуторных окяслоэ, С этим и связано, например, наблвдающевся в

некоторых случаях повышение содержания гумуса в tqpynmix фракциях.

Поверхности кварцевых частиц, в основном, свободны от гумусовых веществ, последние встречаются только лишь тогда, когда на этих поверхностях имеются участят, покрытые отслвш железа и алшиния.

Несилитатиые Формы соединений железа и алюминия во

фракциях элементарных почвенных частиц.

В вашем исследовании, проведённом совместно с Бабаниным, Верховцевой, Малиновским, Фальковым и Яблонским (1978), показано с помощью электронного парамагнитного резонанса и определения удельных поверхностей для контроля за растворимость», что при действии реактива Мера и Джексона на алшосиликаты растворяются не только окислы железа, но и частично извлекается железо, входящее в структуру глинистых минералов в качестве изоморфной примеси. Вероятно, употреблять термин "свободные" окислы железа по отношении к их содержанию в дитио-нит-ттратних вытяжках модно лишь условно. Точнее следует говорить о содержании отелов железа, определяемом по методу Мера и Джексона.

Результаты определения по этому метод? окислов железа во фракциях элементарных почвенных частиц светлокаштановой почвы, коркового солонца и предкавказского чернозёма показывают, что максимальные количества этих оююлов содержатся в илистых фракциях и по мере уменьшения размера частиц их содержание падает, но это щдеше происходит довольно плавно, и окислы содержатся в заметных количествах во всех исследованных фракциях.

ДешпаВД, Гринланд и Куирк ( Deehpand, Greenland, Qaiik, I96S) показали, что в старых,'сильно окисленных почвах "свободные" окислы железа не оказывают сильного влияния на $взи-ческне и Зизико-химичесаде свойства из-за того, что эти окислы находятся в окристаллизованном состоянии* Карпачевский, Бабанин, Гендлер, Опаленко и Кузьмин (1972) нашли с пшощью ядерной гамма резонансной спектроскопии, что в дер-

ново-подзолистых почвах, серых лесных, чернозёьих, каштановых и враснозёмах 90 % железа представлено тонкодасперснши соединениями (наиболее вероятно - гетитсм, термодинамически наиболее устойчивый в этих условиях минерален)*

Ядерная гамма-резонансная спектроскопия дала возможность проследить судьбу железа, сорбированного поверхностями глинистых минералов. Обнаружено, что на поверхности таких минералов как каолинит и монтмориллонит, образуются "гетито-вые* структуры железа, которые затем могут-стать ядрами крис талли залии. Тетитовые" структуры обнаружены и у насыщенных железом гуминовсЙ и фульвоки слотах.

Амсффные - формы соединений алюминия, определённые в щелочной вытяжке.по Гедрайцу, в некоторых фракциях элементарных почвенных частиц комплекса тёмнокаттановых почв содержатся в'небольших количествах. Максимальное их содержание отмечается в илистой фракции и резко падает с увеличением размера частиц*. В песчаных фракциях их количества находились в пределах ; точности анализа.

Распределение карбонатов по фракциям элементарных рфч-

Венрчт чплтиг^.

Присутствие карбонатов в почвах оказывает заметное влияние на структуру и свойства почв. В зависимости от происхождения н формы, в которой они находятся в почвах, карбонаты способствуют агрегированию элементарных почвенных частиц и понижают их удельную поверхность. Последнее обстоятельство, вероятно, является одной из причин того, что их наличие снижает Глинистость" почв (КачинскиЙ,1965)«

0 количестве карбонатов в почвах темнокаштанового, каштанового и светлогЕштанового комплексов судили но содержанию С02 во фракциях, которое определят на приборе Квота пооле удаления органически: веществ.

Установлено, что в исследованных почвах наибольшее количество карбонатов содержится в тонких фракциях: илистой и ' мелкой пыли. Далее по мере укрупнения размера частиц их содержание падает. Принимая во внимание, что содержание или-

стой и мелкопылеватой фракций составляет почти половицу от общего содержания фракций, мсано утверждать, что в исследованных почвах карбонаты представлены, главным образсм, частицами < 0,001 мм. Это позволяет сделать вывод об их вторичном происхсивдении в горизонтах скопления карбонатов и гипсовом.

Валовой химический состав элементарных почвенных частил.

Результаты проведенных исследований и анализ литературных данных показывает, что на валовой химический состав фракций элементарных почвенных частиц оказывают влияние как минералогический и химический состав почвообраэующях пород, так и особенности почвообразования.

Во всех исследованных почвах, развитых на лёссовидных и лёссовых передах, содержание Э1в2 понижается с уменьшением размера фракций, а и возрастает. При этой

отмечаются довольно близкие величины содержания этих окислов и одинаковая форма кривых их распределения.

В исследованных почвах каких-либо закономерных изменений в содержании СаО во фракциях крупнее 0,001 мм не наблюдается, хотя в ряде случаев можно отметить слабую тенденцию к его возрастанию по мере уменьшения размера фракций. Заметное повышение содержания СаО отмечается во фракциях мельче 0,001 мм,

В распределении идо и Н^о по фракциям элементарных почвенных частиц всех рассматриваемых почв отмечается белее чёткая и однозначная зависимость, сводящаяся к талу, что с уменьшением размера частиц их количество возрастает.

ДляНг^о характерен такой тип распределения по фракциям элементарных почвенных частиц, при кот орем максимальные количества содержатся в пылеватых фракциях и как с уменьшением размера частиц, так и с их увеличением его содержание падает* Это, очевидно, связано с содержанием полевых шпатов, сосредоточенных тоже в пылеватых фракциях.

В результате исследований установлено, что в изученных почвах наибольшие изменения отмечаются во фракциях крупнее 0,001 ш, состоящих преимущественно из первичных минералов.

Поскольку с возрастанием степени дисперсности увеличива-

ется поверхность взаимодействия элементарной почвенной частицы о окрухаыцей средой» постольку более мелкие частицы интенсивнее подвергаются изменению н разрушению. ( Риг1, ЗАпвЬ.ЗЬагта, 1955; Добровольский,1977)

Естественно, что отмеченное обстоятельство проявляется в почвах по-разному н зависит от особенностей почвообразовательного процесса. Солонцовый процесс почвообразования приводит, например, к тому, что в верхних горизонтах солонцов некоторое обеднение полуторными отелами и обогащение 1фем-незёмоы происходит ухе во фракциях 0,5-0,25 мм. В то же время как в т ёмнокаштановой, светлокаштановой и лугово-гаш-тановой это начинает проявляться лишь во <£рагашях 0,01-0,005 ми. В светлосерой лесной почве (Личманова>1962) , испытьтаю-щей воздействие подзолообразовательнаго процесса, расширение молекулярных отншений аю^/ж^о^ отмечается токе во всех крупных фракциях верхних горизонтов.

В чернозёмах типичном, выщелоченном обшшовениом и вкнок кашк-либо закономерных изменений молекулярных отношений в крупных фрагащях по пробили почв не отмечается.

Данные валового химического состава помогает уточнить ми-нералогичесЕий состав фракций элементарных почвенных частиц, играющий важную роль в структурной организация почвенной массы.

Минералогический состав йоашрй элементарных почвенных частиц. ■

Минералогический анализ показал, что крупные { > 0,001 мы) фракции исследованных почв характеризуются близгак минералогическим составом . Преобладающим минералом является кварц, содержание которого по мере уменьшения размеров частиц падает. Следующее место занимают полевые штаты, сосредоточенные преимущественно в пылеватых фракциях. И, наконец, слюды, содержание которых возрастает с уменьшением размера частиц. В нижних горизонтах исследованных почв в довольно значительных количествах содержатся вврбоватн.

Форма* частиц в характер их поверхности, т.е. структурные особенности частиц оказывают существенное влияние на многие физические и зико-ыехпнические свойства. Поэтому при изучении минералогического состава было уделено внимание этим характеристикам. Во фракциях песчаного размера преимущест-

веяно содержатся плохо окатанный и неокатанный кварц, с неровной поверхностью и часто изъеденный многочисленные! углублениями , трещинами. В пылеватых фраыдаях содержание ква-рда падает, при этш возрастает число неокатанных частиц с острыми углами и неправильной формы. Полевые пшаты представлены плагиоклазами, среди которых встречаются как ортоклаз, так и ми вр октан» Подобно кварцу в пылеватых фракциях преобладают зёрна полевых шпатов неправильной угловатой формы как свежие, незатронутые процессом выветривания, так и с-изменённой поверхностью, мутноватые и в разной степени пелзги-эированные. Концентрация слюд во фракциях средней и мелкой пыхи связана как с их лёгкой механической разрушаемостью, так к с особенностями их отмучиваюгя. Привлекает внимание тот факт, что размеры зёрен слюд часто превышают размеры металлов других минералов. Поэтому можно предположить, что скопление частиц слюд в пылеватых фракциях обусловлено плоской формой их частиц, которая снижает скорость падения, благодаря чему они и оказываются во фракциях мельче 0,01 мм. В рассмо^ треккых здесь почвах слюды представлены, в основном, бесцветными чешуйками мусковита и в меньшей степени биотитом.

На основании проведённого исследования и обсуждения литературных данных сделан вывод о тем, что в большой группе почв* формирующихся на лёосовидншс и лёссовых породах, осно- -вную роль в качестве структурных составляющих играет кварц и в меньшей степени полевые шпаты.

В почвах, формирующихся на сравнительно молодых делюниа-льно -элювиальных и аллювиальных породах, полевые шпаты могут несколько преобладать, но по-прежнему кварц составляет существенную часть крупных фракций.

И, наконец, выделяется группа почв, а которых значительная часть элементарных почвенных частиц пылеватых и песчаных размеров состоит из мИ1фоагрегатов.

По минералогическому составу высокодасперсных фракций ( < 0,001 мм), в настоящее время опубликовано большое число работ, значительная часть из которых обобщена'в монографиях Горбунова (1974,1978), Основное внимание в этих рабо-

гах уделено распределения глинистых я других высок.одисперс ных минералов в профиле почв в связи о их происхождением, химическими в агрохимическими проблемами. В то же время шс роль как структурных составляпцгас изучена ещё далеко недостаточно, что, вероятно, связано с большими методическими трудностями как количественного определения их глинистой части, так и изучения их свойств, Для того, чтобы рассматривать глинистые минералы в качестве структурных составляющих, необходимо, о одной стороны, иметь хотя бы приближённое представление о количестве различных групп глинистых минералов, составляющих эту фраков», а о другой - знать свойства их поверхности (величину и качество удельных поверхностей, плотность и характер размещения зарядов на этих поверхностях) . Всё это позволит создать представление о механизмах взаимодействия этих компонентов и их размещении в пространстве. *

Поэтому в настоящей работе была предпринята попытка ориентировочной количественной оценки глинистых минералов в исследованных почвах не только с помощью рентгеново кото и химического методов, но и по величинам эффективных внутренних поверхностей, рассчитываемых по лдянш изотерм десорбции паров зояя ( Fairar, 1963). Наш дополнительные исследования по определению эффективных удельных поверхностей монтмориллонитов, насьщенных разными катионами, позволили расчитать стандарт для каждого конкретного образца, что способствовало существенному уточнению этого метода.

Результата исследования показали, что в подавляющем большинстве изученных почв преобладают гидрослюды (типа ил— лита), содержание которых колеблется, в основном, в пределах 30-40 %, достигая в отдельных случаях 57 Содержание минералов с расширяющийся решёткой (гругош монтмориллонита) варьирует преимущественно в пределах 20-35 %, возрастая иногда , например, в иллювиальных горизонтах солонцов до 45 Исключение составляет обыкновенный чернозём (Каменная степь) в котором, наоборот, преобладают минералы ipynm монтмориллонита (48-63 %), а идлит содержится в пределах 20-25 %, На третьем по количеству месте находятся минералы группы као-Г'/ifii

ланита и хлориты.

Идущую рель в качестве структурных составляющих играют и длит и, несколько меньше, минералы типа монтмориллонита, подчиненное, но заметное влияние оказывают каолинит и хлориты.

влияние пксокодиспзрсных фракций элементарных почвенных млстад на гидрофизические и другие структурно-тункшогиигьные CjioiiCTBa обусловлено не только их минералогичесj:г.; составом, :¡o iт способом организации алшосиликатных ojiooü г-вази кристаллы или кристаллов в домены, с внешней, или осмотически активной поверхностью которых и связано развитие диффузной части двойного злектрического слоя и отмеченных вше свойств. :'рестественно с этими поверхностями взаимодействуют гумусовые мзщества.

¡вменение состава поглощённых катионов, реакции среды и состава почвенных растворов под влиянием естественного почвообразовательного процесса или в результате антропогенных воздействий сказывается, прежде всего, на изменении тонкой етрукгурьг высокодисперсных »йракцнй, я это следует црини-исть ]'>о j.miMaiüie при разработке методов улучшения структуры

ПОЧВ. ■

■иПг; КУ.ЧЯГрЦ|>-У!ОН1ШК УРОВЕНЬ СТРУКТУРНОЙ организация гточны IT 0'ЗД1"ства ^рттуга элементарных почвенные ч.^стихт.

Unoiicnm i'^inaaiii зависят как от их размера, так и от ш-1 h=>t>é. ■.: i с л' ¡ 1с Кор о ;l x¡í:.á;4cc иого составов. Сияние откаченных

KTOpQjj ¡фоялтяотся через поверхности раздела твёрдой части ";счв с ';С1ЛК011 и последней с воздухом, Эти поверхности разлила обусловливают Eaiueinc;e свойства не только элементарно: почвенных ч.'Ю'пгд, но и почв в целсм, так как элементар-!!]к: почвенные частицы продеталяяют тот основной уровень структурно.! opríiíciaiíijíir почвы, который определяет es структуру ¡i свойства. Поэта.*;;' н работе; много вше,ta ни я уделено .таким характеристикам поверхностей раздела, каких величина п ;si'!üctdo. Поскольку эти характ ерис тг ки зависят от взаимо—

действующих с твёрдыми поверхностями веществ, постолы^ при ах определении отдано предпочтение веде - веществу, которое определяет существо взаимоотношений определяемых поверхностей с окружением,

ИмекщлЁся в настоящее время значительный экспериментальный материал показывает, что несмотря на специфику строения и свойств моле^лы вода, изотермы адсорбции я десорбции паров веда иг/еют вполне отчётливую сигмоидную форму. Поэтому к ним формально применимо уравнение БЭТ. для расчёта ёмкости монослоя, покрывающего поверхность раздела твёрдая часта почвы - вода ( Wm )• Несмотря на то, что монослой, рассчитываемый по БЭТ, не является сплошным в геометрическом смысле, энергетически, т.е. по типу взаимодействия с твёрдой поверхностью, он проявляется достаточно чётко и в этом смысле представляет собой важную характеристическую величину. Трудности и условность возникают тогда, когда эту величину переводят в размерность поверхности. В этом случае энергетическая гетерогенность поверхности, состав поглощённых ею катионов действительно оказывают заметное влияние на характер упаковки молекул веды на поверхности твёрдой части почв и, следовательно, на расчёт площади, занимаемой молекулой воды на поверхности адсорбата. Рассчитываемые таким образом величины удельных поверхностей, в сущности, являются эффективными величинами, т.е. такими, которые имеют размерность удельных поверхностей, но не всегда совпадают с их геометрическими размерами.

В ряде случаев, например, при изучении зависимостей между поверхностными и гидрофизическими свойствами почв, целесообразно пользоваться непосредственно величинами W^» и ( Wfn'Je, как характеристическими и не прибегать к дополнительным условностям.

величина ( Wit )е даёт представление о количестве воды, адсорбированном на внешних поверхностях, а точнее, по нашему мнению, представляет собой количество воды, пошедшее на образование первого слоя поверхности раздела вода-воздух или внешней поверхности адсорбционной пленки. Это количество токе определяют по данным изотерм десорбций (или адсорб-

ции) води в интервале P/PQ 0,4-0,8, применяя уравнение Фар-рера ( Ferrer, 1963).

Результаты исследования мессбауэровской спектроскопией состояния воды и Ft у поверхности монтмориллонита при различных относительных давлениях паров воды показали, что первое резкое уменьшение гашв-резонансного эффекта происходит в интервале до 0,2, т.е. в области образования моно-

слоя по БЭТ, далее с повышением Р/£0 до 0,65 величина эффекта меняется незначительно и, наконец, при Р/£0 >0,65 снова начинается резкое уменьшение гамма-реэонанса, вызванное ухе угощением диффузной части двойного электрического слоя, образующегося вокруг кваэикристаллсв. На этом основании сделан вывод о том, что в интервале Р/Р0 до 0,65 заканчивается (на монтмориллоните) образование адсорбционного слоя воды о пониженной подвижности и резво изменйнншя свойствами.

0 ёмкости этого адсорбционного слоя ^СЯ предложено судить по сумяе Wm +(Wm)e

Поскольку Wa представляет количество воды, цри котором, заканчивается формирование поверхности раздела всда-воэдух, постольку напрашивается вывод о том, что при равновесии соответствующее этому количеству воды относительное давление её паров можно считать за начало капиллярной ковденса— щи. Это даёт основание доя точного определения по изотерме десорбции или адсорбции пэров воды начало её конденсации, которое но приурочено, как это полагали раньше, к какому-то одпоглу для всех почв Р/Р0, а обусловлено структурой твёрдой части почв и тесно связанного с ней поровсго пространства.

Рассмотренные выше результаты но иессбауэровской спектроскопии позволяют сделать вывод о том, что в слоях, сорбирующихся при P/PQ выше капиллярной конденсации, возрастает подвижность молекул веды, в результате чего они получают возможность перемещаться из-под мениска, где она конденсируется в плёт^г, и наоборот.

Лчиякие поверхностных сгл на воду макроскопически проявляется в гиде расклинивающего давления Pj , теория которо-

го развита Дерягиным, Нерпиным, Чураевш и др.

С наличием отрицательного рас гсшнивапцего давления в плёнке и связано её совместное существование с мениском, где отрищтельное кашишфное давление обусловлено ^авизной поверхности раздела веща - воздух.

Для пологой пояимолекулярной плёнга, непосредственно примыкающей к водному мениску ( и находящееся о ним в термодинамическом равновесии), справедливо _р (I), где ^ - капиллярное (лашгасово)давление мениска, Р - лаплас ово давление, развиваемое свободной поверхностью плёнки (Глобус, 1969; Железный,1972,1977). Уравнение (I) можно рассматривать как уравнение эквипотенциальной поверхности вода--воэдух, что важно для последующей формализации зависимости свободной энергии воды от влажности почвы.

В работе отмечено, что указанная Железным (1977,1978) возможность получения изотерм расклиниваюйего давления путём однозначного перевода в них изотерм адсорбции однокемпонент-ного пара ва твёрдой поверхности Имеет существенное значение для гидрофизики почв, так как получение изотерм адсорбции и десорбции паров воды для тагах сложных и гетерогенных систем как почва, в сущности, является единственным надёжным экспериментальным кетодш исследования свойств поверхностей раздела при Р/Р0 до 0,98. При Р/Р0А(-1 удобнее применять капиллярный или тензисмегрический метод.

Изотермы десорбции (а в некоторых случаях и адсорбции) воды получены гравиметрическим методом.

Исследования показали, что максимальные величины эффективных удельных поверхностей отмечаются у фракций^ 0,001 мм и резко падают по мере увеличения размера фракций. Во фракциях одного и того же размера, но выделенных из разных генетических горизонтов и разных почв, величины эффективных удельных поверхностей зависят от минералогического * химического состава фракции, последнее особенно чётко видно на примере содержания гумуса. Влияние минералогического и химического со» ставов и особенностей почвообразования хорсоо прослеживается на самой поверхностно-активной фракции элементарных почвен-

них частиц ( < 0,001 ш).

Величины эффективных удельных поверхностей в нерасчленён-ш почвах во многом обусловлены содержанием вьюокодасперс-ных фракций элементарных почвенных частиц. Однако, прямой пропорциональности здесь не отмечается. Во-первых, из-за того, что в пределах илистой фракции величина поверхности сильно колеблется в зависимости от минералогического и химического состава, а во-вторых, !фоме илистых фракций, и другие фракции вносят вклад в величину поверхности почв в целой»

Расчёт по данным изотерм десорбции паров воды чистых дифференциальных теплот десорбции показывает, что несмотря ш некоторые различия в их величинах меаду отдельными генетическими горизонтами исследованных почв, в основной, они характеризуются довольно близкими значениями. Это говорит о том, что величина поверхностной энергии элементарных почвенных частиц обусловлена прежде всего их эффективной удельной поверхностью. Наблюдающиеся различил в чистых дифференциальных теплотах десорбции всяы связаны с минералогическим и химическим составами фракций.

Аналогичные закономерности отмечены и для плотностей поверхностного заряда, рассчитанных как ёмкость обменных катионов на. единицу поверхности (ыэкв/м2).

Ряд физических свойств фракций элементарных почвенных час-тип и, прежде всего, те из них, которые обусловлены взаимодействием с водой, т.е. гидро^изичесше, механические и реологические тесно связаны о рассмотренными выше поверхностными свойствами элементарных почвенных частиц.

Длияние как полной, так и внешней эффективных удельных поверхностей особенно чётко проявляется на максимальней гигроскопической влажности и в меньшей степени на влажностях нижнего и верхнего пределов пластичности и максимальной молекулярной влагоёмкости почв. Вероятно, это связано с тем, что по мере увеличения влажности влияние сил, возникающих на поверхности раздела твёрдой части с жидкой, ослабевает, а роль менисковых (капиллярных) сил возрастает. Пластичность и набухание проявляется только у мелких фракций.

Другой рад г^изических свойств элементарных почвенных частиц составляют такие свойства, которые не зависят от вели-ны поверхностной энергии, но тесно связаны либо с минералогическим и химическим составами элементарных почвенных частиц, либо о их размерами и формой.

К первым откосится такое фундаментальное свойство, как плотность элементарных почвенных частиц, аддитивно складывающееся из плотностей составляющих их минеральных и органических компонентов и непосредственно не связана с размерами фракций.

Плотность упаковки элементарных почвенных частиц зависит от их размера и формы, которая обусловлена как минералогическим составом, так и происхождением элементарных почвенных частиц. С уменьшением размеров фракций плотность упаковки падает. Во всех исследованных почвах наименьшая плотность отмечается во фракции (0,005-0,001 мм), что, вероятно, связано, во-первых, с тем, что здесь содержится наибольшее количество ультрамикроагрегатов, содержащих какое-то количество пор, а во-вторых, с преобладанием здесь минералов с пластинчатой и остроугольной формой.

На основании личных исследований автора и обобщения литературных материале® ( tobiana, 193?! Browor, Baver, 1959; KoLluIso , 1968; Ре ter зон, Cunningham, Itetelski, 1968( Парфёнова,Шилова 1977, Patón, 1978) предпринята попытка классификации почвенных структур по соотношению алемн-тарных почвенных частиц.

Проведенные нами исследования состава и свойств элементарных почвенных частиц показало, что решающее влияние на езру-ктуру и свойства оказывают илистая фракция и мелкая пыль. Поэтому в основу предложенной классификации положено содержание плазмы (в данном случае частиц 0,005 мм).

По соотнесению плазмы и скелетных элементарных почвенных частиц предложено ориентировочно ввделять следующие типы структур. I. Плазменный. Содержание шгазмы выше 70 П.Ске-летно-пяазменный. ( 70-40 ¡S) с подразделением на тшлеватсктуга-зменный,

III. Пиазменно-скелетныВ (40-15 IУ. Диоюетно-шга змеиный (15-5 %), У.Скелетный.( <5 %)

Предаохенный подход способствует более широкому использованию шзфдаорфолагичеоких наблюдений в почвенно-фюзических неследованиях. Он позволяет не только связать организацию вещества почва на уровне элементарных почвенных частиц с агрегатным структурным уровнем, поверхностные явления и энергетическое состояние воды в почве с макроскопическими структурно-функциональными свойствами, но и непосредственно вскрывать причины неблагоприятных в агр от ехничес ком, мелиоративном и эрозионном отношениях структур и в конечном счёте находить наиболее эффективные пути их направленного изменения, улучшения и оптимизации.

ГЛАВА III

АГРЕГАТНЫЙ СТРУКТУРНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ВЕЩЕСТВА ПОЧВЫ

Рассмотрены условия и механизма связывания элементарных почвенных частиц и разделения почвенной массы на микро-и масфоагрегаты.

Изучение влияния оптимальных доз полимере® как гидрофильной, так и гидрофобной природы на величины эффективных удельных поверхностей (полной, внешней и внутренней) и ах качество позволило сделать вывод о диффузном характере размещения полимеров в почвах , аналогичном до некоторой степени размещению гумусовых веществ. Такой характер размещения полимеров в почвах и затруднённость полного покрытия ими поверхностей элементарных почвенных частиц, вероятно, связано с тем, что крупные моле гулы полимеров, блокируя входы в тонкие поры, препятствуют их проникновению в это пространство и исключают возможность их контакта с поверхностью частиц. Заметное влияние на размещение полимеров в почвах оказывает вязкость полимеров.

Подчёркнуто, что вопрос о размещении полимеров в почвах является одним из важнейших при решении проблемы улучшения с их помощью структуры и (физических свойств почв.

Существенное влияние на агрегатообразованае оказывает содержание воды в почве (МяенсюаЙ,1945; Бершшин,19б8).

Хартаан и Де Боодт (Ва^ааап.Пв вооЛ*,1974) попытались связать влажность оптимального структурообраз ования с величиной первого критического потенциала воды (Нергшн,1967) и зависимостью кадиллярно-сорбционного потенциала от влажности почвы. С этой зависимостью связаны в почве процессы набухания и усадки, приводящие к возникновению в почвенной массе напряжений, образованию плоскостей непрочности и расчленению почвенной массы на отдельные фрагменты или агрегаты.

Структура фракакй микроагрегатного состава.

Микроскопические исследования и изучение распределения элементарных почвенных частиц по размерам во фракциях микроагрегатного состава, выделенных из серой лесной почвы, чернозёма типичного мощного, тёмнокаштановой почвы, глубокостолбчатого солонца и краснозёма, показали, что они состоят как из агрегированных и неагрегированных частиц. Строгой приуроченности шкроагрегатов и неагрегированных частиц к фракциям определённого размера не обнаружено. Неагрегированнне элементарные почвенные частицы содержатся во всех фракциях микроагрегатного состава, а их соотношение с микроагрегатами в той или иной фракции зависит от почвообраэуиаей пароды и типа почвообразования.

Свойства с&ракцай микроаурегаткого состава.

Такие свойства фракций, как эффективные удельные поверхности (полная, внешняя и внутренняя), ёмкость катионного обмена, плотность твёрдой фазы и плотность упаковки фракций обусловлены соотношением в этих фракциях агрегированных и неагрегированных частиц, а ход их изменений в зависимости от-размера фракций повторяет ход изменения во фракциях отмеченного соотношения.

Порозносгь сухого насыпного образца фракций микроагрегатного состава выше, чем у такого же размера фракций элементарных почвенных частиц. Это говорит о тем, что во фракциях

мшфоагрегатнаго состава появляется новое, очень важное в агротехническом и мелиоративном отношении свойство - вну-триагрегатная порозность. Это свойство становится доминирующим у микроагрегрегатов.

Структура и свойства макроаррегатдв.

Ыаяроагрегаты представляют собой обособившиеся в процессе периодического иссушения и увлажнения фрагменты почвенной массы, размер которых в большинстве случаев достаточно велик для того, чтобы содержать элементарные почвенные частицы в соотношениях, близких к существующим в почве в целой. Поэтому гранулометрический, минералогичесмгй и химический составы н связанные с ниш такие характеристики, как эффективная удельная поверхность и ёмкость катиокного обмена довольно близки между собой во фракциях разного размера, Найлвдашнеся колебания рассмотренных выше величин, вероятно, обусловлены неоднородностью распределения элементарных почвенных частиц в почвенном профиле, которая частично унаследована от материнской породы, а частично приобретена в процессе почвообразования»

В то же время результаты наших исследований, проведённых на почвах тёмнокаштанового и каштанового комплексов, показывают , что порочность агрегатов, параду с тесной связью её с генезисом почв, проявляет достаточно чёткую тенденцию к её увеличению (особенно в верхних горизонтах) с увеличением размера агрегатов. Это, очевидно, связано с тем, что с увеличением размеров агрегатов появляется возможность вовлечения в них более *фушшх пустот, что и сказывается на увеличении порозиости.

Структура и свойства макроагрегатов оказывают определяющее влияние на характер зависимости гиббеовой свободной энергии воды от её содержания. Шарма и Уехара ( яьагюа, Цс-хгаха, 1963) показали, что даже на почвах с водоустойчивой структурой (низкогумусные латосоли) влияние размера агрегатов на характер зависимости гиббеовой свободной энергии воды от ыга-дности почвы проявляется только при потенциалах вода выше -

- 10 Дж/кг (или приблизительно 100 см эквивалентного напора водного столба). Б почвах с менее водоустойчивой структурой ¡фИБые, харакгеризугаие зависимость гиббсовой свободной энергии води от влажности почвы, дня агрегатов крупнее I мм практически совпадали. Б то время как для агрегатов мельче

I мм отличались как от рассмотренных выше, так и между собой, проявляя при этом чёткую зависимость от гранулометрического состава агрегатов. { Jjnemiya , 1965)

В наших исследованиях комплекса почв тёмнокаштановой, каштановой и светлокаштановой подзон тоже не удалось получить для агрегатов < I мм зависимостей капиллярно—сорбционного потенциала вода от её содержания в почве, достоверно отличающихся от аналогичных *эжвых для почв в целом. Огсвда следуй ет вывод о том, что характер этой зависимости отражает влияние на энергетическое состояние воды всех структурных уровней организации почвы, включая и агрегатный.

Это и определяет её большую информационную ёмкость. Поэтому Чайлдс ( Childs ,1940) назвал её характеристической кривой почвенной влаги, а Глобус (1969) основное гидрофизической характеристикой почвы. Однако, работанпиА в 1973 -

- 1975 г.г. Международный комитет по терминологии в области физики почв, в составе которого работал и автор настоящей » работы, отметил неопределённость и неточность этих терминов и предложил заменить их на более строгий и непосредственно отвечающий ^язическсму смыслу этой зависимости термин "1фи-вая водоудерживающеа способности почвы", или для краткости "1фивая водоудерживаемости" почвы. ( Boit and otii. )

ГЛАВА 1У

ТЕРМОДИНАМИКА ВОДЫ В ПОЧВАХ

Обсуждены различные подходы к выбору независимых переменных, определяющих потенциал воды в почвах. Показано, что включение расклинивающего давления, которое, серого говоря, не является независимой переменной величиной, в анализ проблемы выбора независимых переменных спсосбствует уточнению их выбора к устранению существующих ранее неясностей в отношении роев адсорбционных сил в изменении энергетического состояния ведш.

IIa основе теории фазового равновеоия проанализированы методы измерения потенциала вода в почве и сведены в единую сиотему.

Отмечено, что в настоящее время дня определения зависимости капиллярно-с орбционного потенциала от влажности почвы применяют несколько методов (тензишетрический, метод мембранного пресса и метод с орбционного, равновесия с парами воды). Измерение потенциала воды этими методами требует много времени , так как они основаны на равновесии потенциалов в почве и измеряемой фазе к тому se, в диапазоне средних влажностей из-за низкой гидравлической проводимости почвы достижение равновесия затруднено, что не всегда позволяет получить надёжный результат. Поэтому исследователи давно пытались формалиэовать эту зависимость ( Qarduer, 1919S Vaeeler, Alteen, 1922; Visser

1959; Gardner, Hillel, Benyomlni, 1970j Rogowski, 1972;

Варазашвили и Петрова,1974 ; Мичурин,I&75; Kutilek , 1978; Судницын}I979)

В нашей работе предложен новый, теоретичесгат обоснованный подход к определению зависимости между кагшллярно-сорбщокным потенциалом воды и её содержанием в почве.

Из-за сильного влияния поверхности твёрдой части почвы на взаимодействующие с ней молекулы воды зависимость ^ ( W ) в адсорбционных плёнках трудно предсказать и поэтому ее приходится определять экспериментально. В случае смачивающей плёнки, как это показано ранее, можно предполагать, что неоднородность поверхности твёрдой части уже не оказывает существенного влияния на зависимость ^ (W ) и ока определяется и онно-зле ктрос татиче с кой составляющей расклинивающего давления, которую в общем виде можно представить как -п В

(2), где п и В - константы. Последняя характеризует взаимодействие смачивающей плёнки с адсорбционной. Для такого сложного и гетерогенного тела как почва, трудно расчитать эту константу и поэтому её, вероятно, надо определять экспериментально. Однако, Глооус (1974) показал, что вычисленные константы неплохо совпадали с эксторимента-

льны», что и дало ему основание считать, что в диапазоне средних вяаяностей действуют ионно-электростатичес кие силы.

Толщину смачивающей,пленив в (2) удобнее выразить через число монослоев воды и, таким образом, ввести в (2) непосредственно величину влажности почвы V/t' , для которой расчитывают потенциал воды . Так как рассматривается тояысо смачивавшая плёнка, то из IV; необходимо исключить количество воды, приходящееся на адсорбционный слой (W«.)« а разность ( Wi - УС&. ) отнести к количеству воды, размещённому на внешней поверхности адсорбционного слоя ( V/m )е. Подставив в (2) Щ ffa/ri^z вместо % получим

W- -B/[WrWa/(K)ej" сз)

Функции такого, вида в лагарисЕмических координатах представляют прямую линию. IIa рис. I видно, что нанесённые на логарифмическую сетку результаты экспериментально определённых величин (fJ и , полученных методами сорбции паров воды, мембранного пресса и лабораторным тензишетрическнм, довольно хорошо ложатсл на прямую линию и, следовательно, подтверждают предо сложение, что зависимость <p(W) в этга интервале влажностей хорсоо апроксиыи-руется функцией (3).

Пересечение этои цршой с ординатой даёт численное значение константы В, которое представляет собой величину капилдя-рно-сорбщонного потенциала воды при влажности образования первого слоя смачивающей плёнка ^^ . Следовательно, выражение ( 3 ) можно представить как

Зная Y^i модно найти п по уравне1шю

= £ & - п -UKwXl <5>

Поскольку для проведения прямой достаточно небольшого числа точек, то маяно ограничиться лишь теми зкепериментальны-

:......:,.

« «¿0

Рис. I. Зависимость логарифла каппллярно-сорйционного потенциала воды от логарифма толщины смачивающей шгёнви.

ао5-

" — —■—

—-----

---- ------—

Ж' ........& ' ' ......Уо* V* &0й,иС1-

-мно° -мм®1 -тчОДджТкг

Рис. 2. Зависимость между содержанием плёночной влаги и капиллярно-ссрбционным потенциален воды.

Обозначения к рис. 1,2 и 3.

* - метод сорбции ларов воды х - метсд мембранных прессов о- лабораторный тензиометрический метод. Чернозём обыкновенный,гор.А1 - ненарушенная структура - I, нарушенная структура - 1а; Б1 - 2 и 2а соответственно.

Дерново-подзолистая почва,гор.А1 - 5 и 5а; гор.А2 - 4 и 4а. Каштановая почва,гор.С1 - 3 и За.

ми точками, которые получены методами, позволяющими сравнительно легко и надёжно определить капиллярно-сорбционный потенциал воды при соответствующих аладностях почвы, К числу та галс методов относятся методы сорбции паров воды и лабораторный тензишетричеокий метод, так как они обеспечивают достижение надёжного равновесия* Предложенный рас чётно-э ксперимеиталышЙ

метод позволяет исключить сложный и ненадёжный метод мембранного пресса из определения зависимости у (ЧСО и, следовательно, уточнить, ускорить, упростить и удешевить определение кривой водоудерживаемости.

г:л А В А У

СТРУИ^О^ЛПОИОНАШШЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, почв

Попытки связать кривые водоудерживаемосги почв с различными формами вода в почве с их важнейшими агрофизическими свойствами были сделаны рядом исследователей Chofi« id ,1935, Koiaü:c,19W,196S¡H±chards,Weaver,19W-;Sudo,1968 ). Однако, это осуществляли путём механического перенесения эмпирически установленных на той или иной почве так называемых водно-фа-зическях"констант" на кривую водоудерживаемооти, связывая в дальнейшем как формы веда в почве, Так и её агрофизические характеристики с определёнными, едиными для всех почв уровнями энергетического состояния воды. Неудивительно, что исследователи, работающие на других почвах, часто не находили соответствия между физическими характеристиками, определёнными по кривым водоудерживаемооти почв, и путём их определения традиционными методами. (Долгов, 1948 j Роде, 1965)

С позиций развиваемой автором настоящей работы концепции отмеченные выше несоответствия между физичесгаши характеристиками почв, .определёнными по кривым водоудерживаемооти, и измеренными другими методами - результат эмпиричности и односторонности энергетической концепции, не учитывающей того, что области перехода почвенной влаги из одной формы в другую и связанные с ниш гидройизичеси!« и физико-механические свойства явяяяются функциями структуры почвы, а не одной из её функций - свободной энергии воды. Послед-

няя, хоть я обусловлена структурой почвы, но однозначно не определяет её, поскольку зависимость структуры от функции является менее жёсткой, чем функции от структуры* Воли определённая структура при соблюдении относительно стабильных условий выполняет более или менее определенную функцию, то одна и та же функция может выполняться весьма различными структурами. Это хорошо можно видеть на примере совпадения в некоторых областях кривых водоудерживаемости, характеризующих различные почвенные структуры,

В основу рассматриваемой здесь концепции положен струк— турно-фунщиональнкй закон, согласно которому области перехода почвенной влаги из одной формы в другую и связанные о ними гидрофизические, механические и реологические свойства являются функциями структуры твёрдой части почв и поэтому отмечаются на кривых водоудерживаемости при различных, но закономерно изменяющихся с изменением гранулометрической структурной составляющей, энергетических уровнях вода, характерных для каждой почвенной структуры.

Предложенный в главе 1У расчётно-экспернментальный метод определения гривой всиоудерживаемости почвы позволяет теоретически обоснованно, строго и точно, опираясь не на качественные представления о геометрических фсриах воды, физико-химических, механических и термодинамических её особенностях, а на природу и количественную оценку сил, удер-жипапцих воду в каждой кошфетной почве, определить на кривых области перехода' воды из одной формы в другую и связанные с ниш струюсурно-фунгашональные физические свойства почв.

Поскольку при потенциалах воды ниже вода находится под сильным влиянием поверхности твёрдой части почвы ^ свойства воды сильно изменены по сравнению с теми, что наблюдаются в объёме, постольку эту величину можно использовать для того, чтобы найти на кривой водоудерживаемости область перехода прочноевязанной плёночно-адсорбционной воды в пдёночно-сты-ковую.

Как видно на рис. 3,нанесённой На кривые водоудерживае-

мости величины У закономерно смещаются в сторону белее низких величин по мере утяжеления гранулометрического состава почв и довольно хоршо ложатся на прямую линию, пересекающую ось ^потенциалов при 15,5 кДж/кг ( рр = 5,2), тангенс угла наклона которой к оси владностей праблазательно равен 0,3.

Связь между и соответствующими им влажностями аппроксимируется следующей зависимостью

Наблюдения за динамикой усадки почв полазали, что в этой области нормальная усадка, при которой изменение объема почвы происходит пропердаонально изменению влажности, переходит в остаточную, когда изменения объёма почвы не происходит и достигается предел усадки* Следовательно, определённая по кривой водоудерживаемости в этой области влажность будет соответствовать влажности предела усадки.

Используя рассчитанные по предлдаеннму методу константы л , можно найти на кривых водоудерживаемости область перехода плёночно-стнковсй воды в плёночно-капиллярную, рассчитав зависимость мевду содержанием пленочной влаги \SC4t и нагомлярно-еорбционным потенциалом ^ по уравнению:

да - ->-/"></У

которое отличается от предложенного ранее Нерпшаал (1975) лишь более общим видом, позволяющим использовать в расчётах отмеченные выше константы, а танке тек, что по уравнению (7) М^Йу рассчитывается только для смачиващей плёнки. Здесь Я^Ь - влажность при ионном насыщении (кг/кг), \)СГ - влажность, при которой определяется содержание плёночной влалг (кг/кг), - каппллярно-сорбшгонный потенциал Ц&с/к?) при влажности VI/ , у - поверхностное натяжение волн (Дж/м2), 3616«

= - площадь сяномслекулщ>наго слоя массой в I г,

где /V - число Авагадро, С-> - площадь, занимаемая молебой

воды на поверхности адсорбента (при плотной упаковке воды CU равна 10,8* 1СГ16 М2), м - молекулярная масса воды. Некоторые из рассчитанных в пределах смачивающей плёнки зависимостей показаны на рио. 2,

На кривых отчётливо видны области с высоким, но близким друг к другу содержанием плёночной влаги и достаточно выраженным его максимумом при определённом и характерней для ка-адой почвы капиллярно-сорбдаокном потенциале воды. Существование этого максимума Нерцин (1975) объясняет тем, что с повышением кагшллярно-сорбциокного потенциала воды одновременно действуют два противоположных фактора: увеличение толщины плёнок н софащение их площади. Первое резкое со!фащение площади плёнок происходит при заполнении пор между элементарными почвенными частицами, т.е. согласно С.С.Нершну при первом критическом капиллярно-сорбцР!окном потенциале воды ). Поэтшу есть основания принимать калиллярно-сорбцяонный потенциал воды при максимальном содержании почвенной влаги за j^f , а область потенциалов с близкими к нему величинами областью перехода плёночно-стыковой влаги в плёночно-капиллярную. Перенеся значение этих потенциалов на кривые всщоудерживаемос-ти почвы (на рис. пунктирные линии) можно легко убедиться в том, что % подобно закономерно смещаются в сторону их более низках величин по мере утяжеления гранулометрического состава и лежат на прямей, тангенс угла наклона которой близок к 0,3, но пересекающей ось потенциалов в точке, приблизительно равной-14,7 Дк/кг или эквивалентному напору водного столба 150 см ( рр = 2,18). Расчёт эффективного радиуса при этом потенциале показывает, что он равен 10 мкм и соответствует расстоянию, на которое распространяется ялияние поверхностных сил вглубь жидкого компонента (Дистлер и КобзарсшДЭет).

Отмеченная закономерность объясняется те«, что в тяжёлых по гранулометрическому составу почвах поры между элементарными почвенными частицами мельче, чем в лёгких и поэтому их заполнение и сокращение площади плёнок начинается при более низких капиллярно-сорбционных потенциалах воды, С укрупнением частиц и увеличение^ размеров пор между нами их заполнение будет начинаться при более высоких потенциалах воды. Так будет про-

додаваться до тех пер, пока радиус пор не достигнет размера максимально возможной толщин плёнки и не начнёт её превышать. В порах с радиуссм большим этого поверхностные силы и толщина плёнки не оказывают влияния на заполнение пор.

Связь между и соответствующими им влажностяма-в почвах разного гранулометрического состава подчиняется зависимости, аналогичной (6), но отличающейся от неё только числовым коэффициент см.

Установленная закономерность позволяет сделать важный методический вывод о том, что для определяй« ^ а связанных с ним функциональных физических свойств почв нет необходимости прибегать к отмеченным ранее довольно сложным и трудоемким расчетам.Для этого достаточно найти пересечение кривой водоудерживаемости с отмеченной выше прямой, проведённой либо по логарифмам потенциалов, рассчитанных но (8), или просто под углом 16,7° к абциссе (¿д 16,7 = 0,3) из точки на оси потенциалов, соответствующей логарифму потеншала-14,7 Дж/кг

(р/? ш 2,18)

С областью перехода плёночно-стыковой влаги в плёночно-капшшфцую и особенно с связан ряд важнейших структурно-функциональных физических свойств почв.

Прежде всего из Физической сущности первого критического кагошгярно-сорбционного потенциала воды следует, что при ^ происходят нарушение сплошности заполнения водой основного объёма пустот, образующихся между элементарными почвенными частицами, что приводит к "разрыву" капиллярной связи мозду различными участками веды в значительной части объёма пор почвы. Следовательно, влажность ночш при деляна соотвех -ствовать "влажности разрыва капиллярной связи" (ЛРК). Как видно из таблицы I определение ЛРК по методу, предложенному Мацкевич (1966), несмотря на его недостаточную строгость и грубость (точность около I $}, действительно оказывается очень близкой к платности^. Отсюда следует, что с появлением возможности определения ^ по кривой водоудертавасмости,

появляется теоретичесри обоснованный, точный, сравнительно простой и надёжный метод определения ВРК в почве как ненарушенной, так и нарушенной структуры.

С рассматриваемой областью перехода связано резкое изменение прочности почвы в зависимости от её влажности к переход почвы из т вёрдообра зного вязкоупругаго тела в твёрдооб-разное упруговязкое или из полутвёрдой консистенции в пластичную. Так как при потенциалах ниже ^ вода в почве находится преимущественно в виде плёнок, переходящих на контактах между частицами в мениски с большой кривизной, то последние обуславливают развитие в точках контакта довольно больших контракционных сих, достаточно прочно удерживающих частицы друг с другом. Однако, гогощадь этих менисков мала и при соответствующих напряжениях связь между частицами нарушается.

По мнению Хусзара ( Ниагаг , 1976) деформационное поведение почвы в этом интервале влажноетей вполне удовлетворительно описывается физической моделью Пойнтннга-Тшсона (на рис. 3-а)

При потенциалах выше ^ силы сцепления несколько ослабевают, однако, резко возрастает площадь контактных менисков, что приводит к возможности смещения частиц относительно друг друга без нарушения связи между ними. Начиная с влажности, с оответствующей и вплоть до влажности, при которой силы сцепления ослабевают настолько, что при смещении частиц нарушается связь между ними, и почва переходит в состояние пластичности (граница текучести), почва ведёт себя как упруго-вязкое, пластичное тело, поведение которого как показали исследования Sudo, Higaahiy&ma, Yama.eaJfci (1965), Хорошо описывается моделью ЕарДжерса(рис. З-б).

Поскольку при влажности í^ происходит переход из полутвёрдого состояния в пластичное, постольку эта точш соответствует нижней границе пластичности. Результаты определения нижней границы пластичности методом опус кающегося конического . пенетрометра ( СашрЪеИ , 1976) указывают на их хорошую сходимость с влажностью (табл. I)

Таблица I

Результаты определения гидрофизических свойств почв полевыми и лабораторнши методами и по 1фивнм водоудерживаемости почв (влажность, % от твёрдого компонента почвы)

Горизонт и

глубина, см

Максимальная кашгошрно-сорбционяая влагоёмкссть

Полевая: Влажность предела влаго-; теручести ёмкость:-

: ■ по : до : кривой :Аттербер-:водоуде-: гу гряшвае- : :мости :

Шажность

при %

Влажность: Вшшость: Влажность: Влажность разрыва : предела ¡оптималь-: начала капилляр-: цластич-:ная для ¡появления ной : ности ;агрегиро-:лишюста связи : : ьания :

: : пскчв :

Дерново-подзолистая

А1 2-10 А2 25-30 В 70-80

А I 20-30 В I 50-60 В 2 85-95

А I 5-15 В I 25-32 С I 51-65

26,0 18 I 2з;о 28,6 • 21 9 22,3 33,0 19 8 25,5 32,3 20 5 25 ;з 20,3 13 4 18,7 21,0 12 0 18,0 20,8 12 5 18,8 21,0 14,0 19,0 19,7 II 3 17,5

Ч е р нозёи 0 б к к н овен н ы 2

40,8 35 4 28,5 40,2 34 3 28,0 45.5 40.6 31,5 44,8 41 9 33,0 Каш 29,5 25 6 22,8 Г а н о в а 31,0 25 0 22|0 я 31,3 27,8 20,8 30,0 26 0 23,0 28,4 24 5 21)2

28,5 28 8 23 0 26,8 26 2 21,5 34,2 32 2 24,1 33,1 32 7 27,0 22,5 22 I 19,0 23,0 .22 0 19 0 22,5 21 8 19,7 23,0 23,0 19 0 21,9 21 I 17 5

Появление у почвы липкости, т.е. способности прилипать к другим предметам при минимальной нагрузке, тоже связано с областью перехода пдёвочно-стнковой влаги в плёночно-капиллярную. При потенциалах воды ниже липкость у почвы практически отсутствует из-за сравнительно небольшой доли смоченной поверхности, приходящейся на всю поверхность контактирующего с почвой предмета. Однако, эта площадь резко возрастает при слиянии менисков и заполнении пор водой, что приводит к появлению у почвы липкости при влажности, близкой к влажности^ ,

Шачмость почвы, при шторой появляется липкость, является важным агротехническим показателем, поскольку липкость почвы оказывает существенное влияние на работу сельскохозяйственных машин.

Оптимальные условия для образования прочных, более или менее одутлой формы агрегатов складывается толе в области перехода плёночно-стыковой влаги в плёночно-кашллярную. Свободная энергия поверхности вода-воздух при влажности, близкой к влажности ^ , в основном, ещё определяется площадью поверхности плёнки, которая при перемешивании и рыхлении почвы почвообрабатывающими орудиями стремится принять шесте с почвенными частицами форму с наименьшей поверхностью, т.е. шарообразную, и поэтому почва распадается на агрегаты более или менее округлой формй. С понижением влажности размер образуемых агрегатов уменьшается, что и сказывается на плотности упаковки почвенных частиц. Плотность упаковки возрастает и при влаж-ностях выше, чем влажность ^ , т.к. в этих случаях почвенные частицы, получая возможность скольжения относительно друг друга, реализуют основную тенденцию дисперсных тел - стремление к возможно плотной упаковке. Сокращение гшсщади шгёнок приводит к тому, что ош уже не в состоянии сформировать агрегаты зернистой формы и поэтому при рыхлении и перемешивании почвенная масса распадается на довольно крупные и шотнне комки и глыбы, не оказывавшие существенного влияния на упаковку. Отсюда следует, что самую наэкую плотность упаковки почвенных частиц можно ожидать при влажности образования агрономически ценных агрегатов. Это обстоятельство и бшго использовано

мдоудерйлвающей способности почв.

Вершининым (1958) и позже Хартмавсы и Да Боодтсм ( Наг-Шап, Ов БоойЪ, 1974) при. определении оптимальной для агрегирования .влажности почвы методом уплотнения при разных виажностях. Однако, следует отметить, что этот метод очень трудоёмок, груб и субъективен, т.к. ушютнение зависит от числа ударов. Представленные.в таблице I результаты определения оптимальной для агрегирования почвы влажности по методу П*В.Вершинкна показывают, что они вполне удовлетворительно совпадают с шаж-ностью при ^ . Однако, предложенный в настоящей работе подход позволяет определить влажность, оптимальную для агрегирования почв, теоретически обоснованно, строже, точнее и проще.

Принимая во внимание, что влажность при в то же время очень близка к влажности нижней границы пластичности и влажности начала появления липкости у почвы, есть основания полагать, что здесь складываются оптимальные для механической обработки почвы условия. Необходимо отметить, что совпадение величин влажности оптимальной агрегации с влажностью физической спелости почвы и влажностью предела пластичности ранее отмечали Рыжов и Ефимов (1938), Бахтин (1969).

Исследования Бахтина (1969) показали, что при физической спелости .почвы происходит, не только оптимальное крошение, но и отмечается оптимальное удельное сопротивление почвы при пахоте, которое с изменением влажности почвы сначала понижается, и, достигнув определённого минимума, начинает снова возрастать. В нашей раб от© показано, что минимальное удельное сопротивление почвы при пахоте приходится на область перехода цл ё ночно-с тыковой влаги в плёночно-капиллярную.

Бахтин (1969) установил, что удельное сопротивление почв при пахоте увеличивается с повышением скорости вспашки. В зависимости от последней находятся и условия крошимоети почвы. Поэтому с изменением скорости вспашки почвы изменяется и величина оптимальной для её обработки влажности. В вашей работе обращено внимание на то, что интервал изменений этих оптимальных влажностей, как показали результаты исследований, доволь

по хорошо совпадает с интервал см, в которой наблюдаются близкие величины содержания плёночной влаги (рис, 2 ), т.е. с областью перехода гшёночно-стнковой влаги в плёночно-капишгяр-нут, ограниченную на рис, 3 прямыми пунктирными линиями. Отсюда можно сделать вывод о тол, что оптимальные для механической обработка почв условия характеризуются не одной величиной влажности, а интервалом влажностей. Точки пересечения нижней пунктирной прямой о кривыми водоудерживаемости дают величины оптимальных для обработки почв влажностей при высоких скоростях. Проведённая через середину этого интервала прямая даёт, цри пересечении с кривыми водоудерживаемости, величины оптимальных влажностей при средних влажностях. И, наконец, верхняя пунктирная прямая отмечает на кривых водоудерживаемости почв влажности, оптимальные для обрабопи при низких влажностях.

Рас чётно-эке перименгальный метод определения зависимости {¿^позволяет найти на кривой водоудерживаемости область перехода шгёночно-капшиярной воды в капиллярную. Как видно на рис.3 это отмечается там, где завиоимость ^(ус) начинает отклоняться от расчётной вследствие того, что определяющее влияние на удерживание воды в почве начинают оказывать капиллярные силы, чутко реагирующие на неоднородность в распределении пер по размерам. Величину влажности в этой точке можно назвать максимальной капиллярно-сорбционной влагоёыкостью ( ). 3 тех случаях, когда зависимость опре-

деляют на образцах с ненарушенной структурой, до-

статочно хорошо совпадает с полевой влагоёмкостью при условии, что горизонт, в котором определяют эту величину, не подстилается плотными малопроницаемыми горизонтами или слоями почвы. В противном случае нижележащие водоупорные горизонты подпирают воду и тем самым повышают величину полевой влагоём-кости по сравнению с максимальной вшгаллярно-сорбционной, доведя её почти до полной влагоёмкости за счёт заполнения всего перового пространства. Ото хершо видно на примере данных, представленных в таблице I . Полученные результаты позволяют дать физическое обоснование падевой влагоёмкости, ранее считавшейся чисто эмпирической величиной. Её физический смысл

состоит в том, что при влажности, соответствующей полевой влагоемкости, происходит сиена капиллярного механизма удерживания и передвижения вещи в почве на ' яапиллярно-с ербци онный.

Подобно отмеченному ранее,- ^ , соответствующие величинам , закономерно смещаются на кривых водоудерживае-мости в сторону их более низких величин и лежат на прямой, пересекающей ось потенциалов в той же точке, как и прямая, на которой лежат , т.е. при V =-14,7 Дд/кг. Однако, тангенс угла наклона её близок к 0,1.

Связь между величинами ма котельной капиллярно-еррбционной влагоемкости в различных почвах и соответствующими, им потенциалами воды можно адпроиодмировать следующей зависимостью

(9)

Пересечение отмеченных выше прямых в одной точке убедительно подтверждает её физический смысл, состоящий в том, что при данном потенциале отмечаются максимально возможное распространение ионно-электростатических сил и максимальная толщина плёнки на плоской поверхности.

При максимальной толщине плёнок почвенные частицы расходятся так далеко, и силы сцепления между ними ослабевают настолько, что при смещении частиц друг относительно друга связь между ними нарушается, и почва переходит в состояние текучести. Поскольку поверхность плёнки приближается к плоской и, следовательно, её кривизна не оказывает существенного влияния на энергетическое состояние воды, постольку последнее полностью определяется =-14,7 Дк/кг. Поэтому, проведя из этой точки прямую, параллельную оси влахностей, до пересечения с кривой водоудерживаемости почвы, получим на их пересечении влажность, соответствующую границе те^честж. При влажности выше этой почва ведёт себя как вязкопластичное тело Бингама-Шведова и находится в состоянии текучести (рис. 3-в),

Следует, отметить, что эту т<?чку, вероятно, модно принять и -за границу пор инфильтрации, поскаль^г в порах с радиусш >10 мкы остаётся пространство, свободное от влияния поверх-

ностных сил, и поэтому преимущественно по ним будет происходить проникновение всщы в почву, т.е. её инфильтрация в нижние горизонты*

Предлагаемая концепция позволяет дифференцированно, т.е. с учётом конфетных почвенных структур, подойти к классификации пор по функциям. Как видно на рис. з выделяются следующие категории пор: I - поры инфильтрации, II - поры аэрации или легкооренируемые поры, III - влагоцроводямие поры, 1У -- влагосохраняющие поры. Кривые сушки почвенных образцов показывают, что начиная с влажности, соответствующей , скорость сушки резко совращается, что и способствует относительному сохранению воды в почве. В то же время гидравлическая проводимость воды остаётся ещё сравнительно хорошей, хотя и понижающейся с изменением влажности почвы* У — поры, занятые адсорбированной прочно связанной водой с изменёнными физическими свойствами, ""

Кривая водоудерживаемости почв позволяет определить основные характеристики взаимодействующего с водой перового пространства почв* его объём л & , поверхность жидкой части почвы (pclO и гидравлический радиус

а такке связанные с ними распределение пор по размерам и гидраплическую проводимость ненасыщенных и насыщенных водою почв. Последнюю можно расчитывать, суммируя гидравлическую проводимость последовательного ряда объёмов пор, выделенных по кривой водоудерживаемости.

Аналогичным путём можно определить зависимость гидравлической проводимости от влажности

Здесь m - число классов, на которые разделена кривая водоудерживаемости, С - I - соответствует классу пор с наименьшей вла-

(Ю)

(II)

жностыз, при кот срой рассчитывается гидравлическая проводимость, а ( =т соответствует влажности при насыщении, I = = J - соответствует той влажности, при которой рассчитывается гидравлическая проводимость.

В предложенном нами метоле К(@) рассчитывают на основе уравнения Коэеш-Кармана, в котором эдесто общей псрозности и удельной поверхности твёрдой части почва использован соответствующий объём норового пространства д 0¿ , занятого водой, и его удельная поверхность Сож . Кроме того, в уравнение введён коэффициент отношение данной части объёма пор к общей пористости), показыващий вклад данного. объёма пор в гидравлическую проводимость почвы в целш.

-Л___U&J , ¿Oí , ,

[Uy-оГст ft <*

где J> - плотность вода , у - гравитационная постоянная ,

- вязкость воды, С - коэффициент фермы, Т - коэффициент извилистости пер* Произведение CT является величиной постоянной и равной приблизительно 5. Рассмотренный метод расчёта гидравлической проводимости в зависимости от влажности почвы отличается от предложенных ранее ( Ckilds, Collins-George, 1950j Marschall, 195S; Uilllnoton, Quirk, 1961j Kunze a.o. 1963; Oreen, Corey, 1971t Denning a.o. , 1974- ) тем,

что даёт вполне удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными без подгоночного коэффициента.

Наконец, рассматриваемая здесь концепция позволяет по-новому подойти к классификации фор» почвенной влаги.

Обсуждая различные классификации форм и категорий почвенной влаги, Роде (1965) отмечал, что даже наиболее удачная из них классификация Долгова (1948) претендует на универсальность, в то время как по отношению к шаге различные по гранулометрическому составу почвы и грунты имеют некоторые принципиальные отличия. Поэтому схема Долгова,по мнению Роде, скорее соответствует почвам и грунтам суглинистого состава. Пытаясь устранить этот недостаток. Роде даёт две схемы ферм почвенной влаги: одну для почв песчаного состава и другую для суглинистого.

Из предложенной здесь стру ктурно-энергетиче с кой концепция дифференцированный подход (т.е. о гранулометрического

состава, структуры и свойств почвы) вытекает яак следствие, и это хорошо видно на рис.З.

В основу предлагаемой классификации, также как н в предложенных ранее другими авторами, полстены природа сил, удерживающих воду в почве, и подвижность води, но рассмотренные выше расчётные методы позволили в каждой конкретной почве достаточно строго определить границы действия этих сил я, следовательно, границы между различными формами почвенной влаги, а также выделить плёночно-стыковую и плёночно-капиллярную влагу.

Кроме того, исходя из рассмотренной э главе I концепции иерархии уровней структурной организации почвы, вероятно, целесообразно классификацию форм и категорий почвенной влага разделить на две части, В первой из них рассмотреть классификацию форм почвенной влаги в объёме почвенного горизонта, его части или какого-то слоя почвы, в пределах которого сохраняются более или менее однородный состав и структура почвенной массы; ко второй относить виды почвенной влаги, связанные о особенностями почвенного простая и окружающей почву среды, И, наконец, едва ли целесообразно вводить, в качестве специфических форм воды в почве её агрегатные состояния. Достаточно отметить, что вода в почве встречается во всех трёх £азах*

С учетом указанных замечаний мсагно предложить шделение следующих форм почвенной влаги.

Химически связанная, кристаллизационная или гидратная вода. В.Р.Всяобуевым (1974) показана тесная связь содержания этой,воды с энергетикой почвообразования и генетическими особенностями почв. На рис. 3 не обозначена.

Прочноевядяяняя пиёночно-адсорбвдоиная вода. Потенциал воды в этом состоянии ниже . На рис. 3 - А.

ТНА Г?ДА- Капиллярно-сорбционный потенциал этой воды находится а интервале между и . На рис.3 --Б.

Пяёаочно-капидлярная вора. Находится между ^ и потенциалом, соответствующим максимальной капвллярно-сорбционнаЙ вла-гоёмкости ^нцсъ . На рис, 3-В.

Капиллярная вода .Расположена между а потенциал см, соответствующим максимальной толщине, плёнки на плоской поверхности - 14,7 Дк/кг ( рр = 2,18). На рис. 3-Г.

Капиллярно-гравитдпипнндя -дгууг. Соответствует такому её энергетическому состоянию, при кот орем кагиллярно-сарбдаон-ный потенциал выше-14,7 Дж/кг. На рис. 3 - Д.

В работе показано, что достоверных различий в величинах У™, определённых на образцах с ненарушенной (монояитики) и нарушенной (насыпные образцы с естественнши агрегатами) структурой не обнаружено в диапазоне влажностей ниже . Этот факт объяснён сглаживающим действием расклинивающего давления на нерегулярности в распределении пор по размерам в давнем интервале влажностей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Развита концепция иерархии структурных уровней организации почвы. На её основе расширено и уточнено понятие термина "структура почвы".

2. Показано, что исходным структурным уровнем, определя-пцим специфику почвы как целого, являются элементарные почвенные частицы, обуславливающие с одной стороны, характер протекающих на их поверхностях ионно-мопевдяярных процессов, а с другой - геометрию поров ого пространства. Агрегирование элементарных почвенных частиц приводит лишь к увеличению норового пространства преимущественно за счёт образования пер крупных размеров.

3. Предложена структурно-энергетическая теория гидрофизических, механических и реологических свойств почв, в основу которой положена зависимость этих свойств как от структуры твёрдой части почвы, так и от свободной энергии вода в них.

4. Показано, что 1фивая водоудерживаяхцей способности почвы, характеризующая зависимость кагошгярно-сорбциояной составляющей свободной энергии воды от её содержания в почве, отражает взаимодействие воды о твёрдой частью почвы на всех

уровнях организации последней, что и обуславливает её большую информационную емкость,

5«Установлено, что значительная часть отмеченной вше кривой подчиняется зависимости

На этой основе предложен расчётно-экспериментал ьный метод определения ¿дшвой водоудерживащей способности почвы,

6. Предложенный метод определения прявой водоудержйвае-мости почвы позволил рассчитать и найти на 1фивых, харак-теризувдих различные по гранулометрическому составу почвы, области перехода вода из одной формы в другую.

7. Установлено, что эти области перехода закономерно смещаются в зависимости от гранулометрического состава почв*

а) Области перехода прочносвязанной плёночно-адсорбцао-нной воды в пденочно-стыковую вполне удовлетворительно ложатся на прямую, тангенс угла наклона которой близок к 0,3

и пересекающую ось потенциалов в точке, близкой к 1550 Дк/кг.

б) Области перехода плёночно-стыкоъой воды в шёночно-капгллярную токе лежат на прямой, тангенс угла наклона которой близок к 0,3, но пересекающей ось потенциалов в точке, близкой к-14,7 Дж/кр.

в) Области перехода плёночно—капиллярной воды в капиллярную вполне удовлетворительно ложатся на прямую, пересекшиую ось потенциалов в той же точке-14,7 Дж/кг, однако, тангенс угла наклона её близок к 0,1*

8. Показано, что с отмеченными областями перехода форм воды связаны важнейшие структурно-функциональные фиэнчесгие свойства почв. С областью перехода шгёночио-стыковой воды в плёночно-кзпшиярную связаны влажности: разрыва капиллярной связи, нижней границы пластичности, начала появления липкости, оптимального агрегирования и оптимальной для механической обработки почвы. С областью перехода шёночно-адсорб-ционной воды в шгёночно-стыковую связан предел усадки почвы, а о переходом плёночно-капиллярной воды в капиллярную связана максимальная капиялярно-сорбционкая вдагоёмкость, совпа-даюцая в большинстве случаев с палевой влагоёмкоотью.

9* На основе установленных закономерностей разработана система методов определения ирасч§та по кривым водоудержи-ваемоств основных структурно-функциональных физических свойств почвы. Предложен метод расчёта но гривой водоудер-хиваемости гидравлической проводимости ненасыщенных и насыщенных всдсю почв.

10. Установленные закономерности позволили дифференцированно, т.е. с учётом гранулометрического состава и структурных особенностей почв подойти к классификации форм почвенной влаги и пор по функциям, а также установить пределы, в которых почва ведёт себя как упругохрупкое, упруговязкое и вязкоплаотичиое тело.

IX. Предложен подход к классификации почвенных структур по соотношению плазмы и - с келетных элементарных почвенных частиц, позволяющий не только связать организацию твёрдой части почвы на уровне элементарных почвенных частиц с агрегатным уровнем и структурно-функцаопальными физическими свойствами, но и непосредственно вскрывать причины неблагоприятных в агротехначес кем, мелиоративном и эрозионном отношении структур и, в конечном счёте; находить наиболее эффективные пути их направленного изменения и улучшения.

Список работ, опубликованных по теме

1. Некоторые свойства фракций механических элементов- комплекса почв светлокаштановой подзоны. "Вестник Московского университета*) сер.биологическая,* 4, 1958, отр. 93-102.

2. Характеристика активной поверхности фракций механических элементов комплекса почв светлокаштановой подзонн. "Научн.докл.высшей школы"сер.Биол.науга, * 3, 1959, стр.237--342.

3.Химичес кий и минералогичео кий состав фракций механических элементов комплекса почв свеилоюпггаяовой подзоны. "Научн.докл.высшей шкоянп1сер.Биол,науи1,№ I, 1962, стр.193--199.

4.0 характере ультрапористости фракций механических элементов комплекса почв светлокаштановой подзоны. "Научн.докл. высшей школы," сер.Биол.науки,№ 3, 1963, стр. 189-192.

5. Влияние поверхностных сил на термодинамический потенциал почвенной влаги. Первая годичная научная отчётная конференция. .Еиолаго-псчвенный факультет МГУ. Рефераты докладов, 1964, стр. 286—287. Изд. МГУ.

6. Термодинамичес кий метсц исследования поведения всщы в системе почва - растение. "Сельскохозяйственная биология", № 4,.1966, стр. 538-548,

7. О потенциале почвенной влага. „Научн.докл.Высшей школы," сер.Биоп.науки,№ 3,1967, стр. 119-128.

8. Характеристика активной поверхности мощного чернозёма и составляющих его фракций механических алемвнтов.^Научн, докл.высшей шкалы," сер.Вюя.науяи, А 6, 1967, стр. 131-134. (в соавторстве),

9. Термодинамические основы методов измерения потенциала почвенной влаги. Тезисы докладов 17 Всесоюзного Делегатского съезда почвоведов, кн. I, Алма-Ата, 1970, стр. 102-103.

ХО. Термодинамика всщы в почвах. Тезисы докладов Рабочего совещания по проблеме обмена энергией в системе почва-растение-атмосфера. Баку, 1970, стр. 13-14. Изд. "ЗИМ*

П. К оценке величины внешней и внутренней удельных поверхностей твёрдой фазы почв. "Почвоведение", Л ХО, 1971, стр. 50-57 (в соавторстве),

12. Химический и минералогический состав фракций механик ческпх элементов комплекса почв тёмно-каштановой подзоны, "Почвоведение", № 8, 1972, стр. 1X2-123 (в соавторстве).

ХЗ. Свойства фракций механических элементов комплекса почв тёмно-каштановой подзоны. "Вестник Московского университета", сер.биологическая, Л 3, 19733стр. 103-108 (в соавторстве),

14. К вопросу об измерении потенциала почвенной влаги криоокопическим методом. "Метеорология и гидрология", № 9,

1973, стр. 56-65 (в соавторстве).

15. К определению понятия "структура почвы". "Вестник Московского университета", сер.Биология,Почвоведение, ХЗ,

1974, стр. 26-31.

16. Перспективы использования различных направлений в развитии учения о почвенной влаге. Труды X Международного вон-

гресса почвоведов, т. I, М. "Наука", 1974, отр, 25-33 (в соавторстве).

- 17.Характеристика энергетики воды в некоторых основных типах почв Европейской части СССР. Cd. "Жизнь земли^ внп.Ю, _ Изд. МГУ, 1974j стр. 146-152 (в соавторстве).

18. Поверхностные явления в почвах и направленное изменение свойств почв.,Научн.докл.высшей школы," сер.Еиол.науки,

12, 1975, стр. 7-15.

19. Характеристика энергетики веды в почвах. (^»"Проблемы сельскохозяйственной науки в Московском Университете", Изд. (ЛГУ, 1975, отр. 96-99 (в соавторстве).

20. О некоторых путях превращения ооедаюний Fe в почвах. "Почвоведение", Ä 2, 1975, стр. 35-40.С в соавторстве ),

21. Плотность и порозность агрегатов комплекса почв тём-нокаштановой и каштановой подзон. "Почвоведение",]! 1,1976, стр. 58-65 (в соавторстве).

22. Состав и строение фраюшй мпкроагрегатов некоторых типов почв. "Вестник Московского университета", сер. биология, почвоведение, * I, 1976, стр. 100-106 (в соавторстве).

23. Изучение состояния .воды, связанной поверхностью каолинита, насыщенногоН*, А/а", методом ЯМР. "Почвоведение", № 4, 1976, отр. 156-160 (в соавторстве),

24. Исследование Ft -органических соединений почв методом ЯГР. "Почвоведение", № 7, 1976, отр. 128-134 1в соавторстве )>

25. Психрометрическая установи для измерения равновесного относительного давления пара. "Научн. докл .высшей школы," сер.Еиол.науки, №5, 1976, отр.120-122 (в соавторстве).

26. Изучение состояния воды в дисперсиях Н, Fc -- монтмориллонита методом ЯМР высокого разрешения, "Вестник Московского университета", сер.биолагия,почвоведение, № 4, 1976, стр. 94-98 (в соавторстве).

27. Новый метод расчёта зависимости между проводимостью -воды и её содержанием в почве* "Вестник Московского университета," сер. ХУЛ, почвоведение, J6 3, 1977, стр. 51-56.

28. Агрофизическая характеристика почв тёмно-каштанового комплекса южной части Приволжской возвышенности. В монограф. "Агрофизическая характеристика почв степной и сухостепной

зон Европейской части СССР", М.,"Колос", 1977, стр. 155-163 (в соавторстве).

29. Изучение состояния обменных катионов железа в монтмориллоните методом ядерного гамма-резонанса. "Научн.доки.выс-шей школы5, 1977, стр.119-122 (в соавторстве).

30. К оценке методов измерения внешней удельной поверхности почв. Тезисы докладов У Делегатского съезда Всесоюзного общества почвоведов, кн.1,№шск, 1977, стр. 103-105 (в соавторстве).

31. Характеристика основных физических свойств почв с помощью кривой их водоудерживающей способности. Тезисы докладов научно-методического совещания по теме "Улучшение водно-физи--чес кик свойств почв в целях повышения их плодородия". Москва,

1977, стр. 46-47.

32. Изучение методом ЭПР процессов извлечения железа-реагентом Мера-Джексона. "Почвоведение", JE 2, 1978, стр. 102-106. (в соавторстве),

33. Соотношение между полным, кагаширно-сорбцконным и осмотическим потенциалами врды в почве ."Почвоведение", К 12,

1978, стр.121-125. (в соавторстве).

34. Свойства поверхности раздела между твёрдой и жидкой фазами почв. Сб. "Проблемы почвоведения", М., "Наука",стр. 27-33 (в соавторстве),

35. Методадагические принципы и методическое значение концепции иерархии уровней структурной организации почвы. "Вестник Московского университета",сер.ХУЛ, почвоведение, ß I,

1979, стр. 3-10.

36. Влияние полимеров гидрофильной и гидрофобной природы на свойства поверхности почвенных частиц. "Агрохимия", № I, 1979, сор,85-89 (в соавторстве).

37. Кривая водоудерживаемости почвы (основная гидрофизическая характеристика),В монограф,"Почвенно-биогеоценотические исследования в лесных биогеоценозах". Изд. Московского университета, 1980, стр. 80-108.

38. Изучение состояния воды, связанной поверхностью монтмориллонита и каолинита, насыщенных различными катионами, методт ЯМР высокого разрешения. Сб."Связанная вода в дисперсных системах", вып. 5.Изд. Московского университета.

I960, стр. 105-109,

39. К проблеме теоретического анаяиза-и синтеза в науке о почве. Сб."История и методология естественных наук", сер. почвоведение .Изд. Московского университета, 1980,стр. 24-31.

40. Новый подход к определению зависимости капиллярно-сор-бционнаго потенциала воды от влажности почвы. "Почвоведение" й 10,1980,стр.68-79.

41. Структурно-энергетическая концепция гидрофизических свойств почв и её практическое применение, "Почвоведение", № 12, I960, стр. 35-45,

42. Теоретические основы и практическое применение структурно-функциональной концепции гидрофизических и физико-механических свойств почв. Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Мелиорация, использование и охрана почв Нечернозёмной зсяы".Изд.Московского университета, 1980, стр.75-76.

43. The energy state of soil moisture as related to soil fabric. "Geoderma", N 12, 1974, стр. 135 - 139.

. 44. Soil Phisics Terminology. "Bulletin of International Society of Soil Science", H 49, Rome, '1976, стр, 26 - 36.

Ев соавторстве).

45. Effect of soil conditioners on surface properties of

soils. Third International Symposium on Soil Conditioning. Gent, 1976, стр. 427 - 4J0.

Пода, к печати fifä'&nrfVfJtf

Фш. п. л. 3, ¿Ç Уя.'К5д. л Заказ /(>24, Тнр*ж /¿Л

Московского увимрсвтет», Моек»», К-9. ул. Героем, 6/7, Т«К1гр|фн< Нм-м МГУ. Мост«, Л «я горы