Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Теоретические аспекты механизма уплотнения сероземов в антропогенезе

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Теоретические аспекты механизма уплотнения сероземов в антропогенезе"

ОБЙАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.' В антропогенезе активно п(>отокает »¡. цесс уплотнения серозёмов в результате использования тяжели* ¡и- .

-вообрабатывающих орудий и механизмов. До последнего времени — «гегч—-------------"-—'—

тической основой явления уплотнения окультуренных и генетически-, горизонтов агроземов являлось-мицелларное строение полидисперсныи частиц. Однако эта теоретическая база не цз.вала полного объяснений протекающим в сероземах физико-агрономичеснкм и механическим про и.ессам.

Исследования • института почвоведения Ш,Н РК последних лет вид винулк новую теорию о макромолекулярном строении почвеннных дис-:!ерс"й, исходя' из.-которого почва рассматривается гак ,<»лик»!й . комплекс из ренгенб-кристаялических и высокомолекулярных репгогса-морфных соединений. Последние отвечают за агрегатное состояние почв, поэтому возникла необходимость разработки теории механизма уплотнения серозёмов.

Тема■диссертации выполнена в соответствии с тематическим планом фундаменталннх исследований Института почвоведения Националь-ной Академии наук РК. В ее основу .положены материалы следующих тем: ... .:„ ... ........'. .. . . ........

-0. сх. 107.02.0?. - Провести исследования по определению в различных почгенно климатических зонах по определению .-"висимооти между уровнем и числом циклов нагружений почвы и изменением ее характеристик и деформаций;

-0. сх. 107.03.0!?. • Провести исследования по определению в рад личных поч1енно- клинических зонах взаимосвязи между уровнем воздействия на почву л дмьамикой самовосстановления ео времени;

-0. сх. 107. Об. О',. - Провести исследования по определению в различных ПОдеённб-КЛИ'вТИ^ плотностью' ; почвы величиной сопротивления обработке;

-1-6.- Регрессия и регенерация высокомолеклярных систем почв.

Цель ч падзчи. Цель'-"исследований - разработать теория механизма уплотнения серозёмов под воздействием сельхозтехники.

Задачи: 1) оп.'еделить зависимость уплотняемости от величины давления на почву; : ) определить зависимость уплотняемости от количества циклов наг .ужений; 31 исследовать процесс оамоЕоестанов жш обт^мноГ масс^ почт т.- естественных условиях; 4) установить . слияние еьлок.молекулярных со-динеш'.й на процесс уплотнений поли диепероней'среды; ~ 57 ' составить теоретите.зкую- сгему мехаяизш- уг~ ■■-■

- 4 -

^ажнения и уплотнения серозёмов.

Научная новизна. На основе современного теоретического положения о макромолекуларнок строении почвенных дисперсий и проведённых экспериментов даны теоретические аспекты механизма уплотнения серозёмов. Предложены также хемы механизма увлажнения, почвы. Экспериментально доказана не только правомерность расслатриваеШго теоретического положения, но и выявлены прямые зависимости прочности уплотняемой почвы от высомолекулярных соединений.

Оащищааик положение: -Механизм техногенного уплотнения почвы состоит из: ж) коздейстзуш на структурно-механические стабилизаторы почвенных дисперсий; 2) частичного перехода химико-кординацион-ного структуре об разовшия в кондёксаадошга-кристаллизационное.

Научно-прикладное .значенчие. Теоретическое положение о мицел-лярном строении почьенных дисперсий не может объяснить процесса уплотнения почвы и. погтому, при разработке методов борьбы с пере уплотнением и его отрицательным!: последствиями это положение не учитывалось. В связи с этим существующие методы носят эмпирический характер и на практике оказываются малоэффективными.

Созданная теория ькханизма уплотнения певьоли. приступить к разработке новых способов борьбы с переуплотснием: Креме того эта теория открывает возможности разработки таких мелиоргятов, которые- могли бы поддержив^ь такую величину объемной масси, какая не -обх >дииа для каждого в.ада культурных растений.

Вмешательством в макроструктуру почвы можно достигнуть улучшений Еодно-физичеоких свойств.

Апробация. Результаты полевых исследованай доложены на всесоюзном семинаре "Снижение уплотняющего воздействия сельскохоаяст-ве.-шой техники на почау - путь сохранения потенциального и эффективного ее плодородия". Москва: ВДНХ - 1987.

Оогеи и структура работы. Диссертация состоит из вводной части. четырех глав, содержащих полевые исследования, лабораторные опыты, теоретические .изыскания и выводов, "зложена на 162 страницах машинописи, включая 23 таблицы и 16 рисунков. Библиографических ссылок 205. '

Глава 1. Проблем! творим упжпнешш подчдасиерсных сред.

А. 11роблеиы агронешии при цехантескои уплотнении почв. РроО-лема с переуплотнением почвы сельскохозяйственными тракторами и механизмами возникла несколько десятилетий назад, но всколыхнула

весь мир. По мере распространения тялёди тракторов, применяемы в сельскохозяйственном производстве, проблема переуплотнения охв;: тила все страны на всех материках мира. , Причиной остроты этой'проблемны явилось повсеместное снил

ние урожайности культовых растений, к которым относятся зерноы* культуры, корнеплоды, даже травы и яблони. Минимально зафиксиро ванный спад ИХ обнарумен для проса и то после работы тракторь класса 1.4. Максимальный спад в 6 раз наблюдался для гороха и в 4 раза для. кукрузы на зелёную массу. Применительно к США убытки ov применил тякёлой сельхозтехники coctô ляет 1.18 млрд. до.кларов ежегодно, ^для.Советского Союза до 1.83 млрд. руб. (в ценах 1978г..). Для одной Украины - 500 млн. руб. ежегодно.

' . При тагах огромпй" убытках естественно возникает стремление у уменьшению вредного воздбйствия переуплотнения. Наиболее '¡щикое распространение получил ><ет6д минимизации числа обработок, имеющий многовековую историю развития. Однако вследствии действия закона Тюрго, этот метод имеет ограниченное применение, так как затраты начинают превышать над доходами, полученными от экономического эффекта, и при этом полностью ликвидировать последствия переуплот нения не"~удаётся. Но минимизация - мера агрономическая и неразумное ее применение приводит не к увеличению плодородия, а к уъет ченигс числа сорняков и к увеличению заболеваемости растений. Кратко рассмотрены и другие методы: чизелевание, глубокое рыхление, при мене ние. следозаделнзагелей, рыхление с мульчой, применение сдвоенных шин, разработка трёхосных колёсных агрегатов, пневмогусеничкнх двигателей, а таган применение маршрутизации и технологической ко леи. '

Низкая эффективность рассматриваемых мер в значительной степени зависит, от маяоизученности последствий, переуплотнения. почвы,

г

таких как химическими биологические. ,

Б. Инхвнарныа основы - уплотнения грунтов. _ .Основными задачами инженерных расчётов при уплотнении почв является определение уп-лотняемости, объёмной массы, водопрочности, величины деформации, усадки и прочности.- В механике грунтов, занимающейся именно ятими -'задачами, теоретической основой является допущение,. что грунт представляет собой сплошную массу. Мкцедлярное мировоззрение .господствовало ж толига в почвоведении несколько десятилетий, но и в механике грунтов. .Сднако из-за своей неспосбнооти дать всеоот«н«лк>

ыие теоретические обоснования процессам, происходящим в почвах, для инженерных рачётов используются не теоретические выкладки, а ,|''зультаты лабораторных исследований и поэтому они носят практически чисто эмпирический характер. Такое положение приводит к тому, что иногда невозможно обнаружить, ,что уплотненный, грунт под плотиной, зданием или дорогой находится в состоянии, близком к критическому, т. е. нео.киданно■ возникают прорывы плотин, неравномерна? усадки зданий, оползни и.другие явления...

Важнейшее понятие, используемое ь механике грунтов, это понятие тензора яапряжений. Однако, в виду эмпирического характера получения исходных данных, это понятие используется только для решения статических задач. Применение в качество теоретической основы учения oö интеррагенезюе коллоидно высокомолекулярных систем почв позволит решать задачи уплотнения почв в динамике. Приме пение гино-' тетических силовых линяй, касательные к которым являются векторными суммами главных напряжений, позволит решить задачи деформации пичв в пространстве. Гюсколько учеьпс* оО интеррагенезиее основано на физико-химической механике почв, ьозникает возможность теоретически' рассмотреть ближайшие критические точки, пр" которых могут возникнуть JIJJOptlLH, оползни, промоины и пр.

Глава 2. Характеристика оСУъекта исследования.

Объект исследования- сероземы обыкновенные северные пустынно-степного пояса.. Работы выполнены на стационара Института почвоведения HAH PK, расположенном на плато Карой • на территории совхоза "На?келенекий" Илийского административного района Алматинской области.

Климат определяется высокими значениями солнечной радиации, влияннием теплых циклонов летом и холодных зимой, близким расположением гор. Б целом климат характеризуется холодной непродолжительной зимой, жарким продолжительным летом, недостаточным й неус •тойчивым увлажнением с частыми проивлони/чи засушливых периодов. Среднегодовая температура в пределах 6.6-7.7 С, продолжительность периода с температурой воздуха более Ш С составляет 1 C'J- ' VL> дней, сумма положительных температур заэтот период достигает gVGO-i'ä'JO С. Годовое количество осадков рашо У0-1-420мм.

Рельеф и п о ч в о о О р. а з у ю щ и е породы. Плато Карой - это возвышенные плоские и волнистые денудационные равнины дренируемые каньонами рек Или, Каскелен, Курты и Аксигер.

Плато словно альбитсфировымн туфолавамк, песчаниками и пгастаии известняков, покрытых маломопгшн плагин злибия. Равнины Местами перерезается сетью'у^ких рольи _а оврагов. - Шчвосбршукзих порода ми служат в основном лёссовидные суглинки и ашизигдьна-пролхви-алькьо, местами _ деловиально-прраввизльнье двучленны? сутлиикйто-галечниковые наносы. Грунтовые воды залегапг глубока я на гтсгеоой-разсв&нке не влияют (Рубинштейн, 1988).

Рас т и 1 е я ь н н а п о к р о в. Ш ботаники-геограс>«чйе-коь«у районированию территория исследований откосятся к Сее?ро-Тя-ньианской (Заклийско-СеЕера-Дхунгарсксй.). провинции, Лркэаяджгско-предгорной подпровинции, к поясу зфеиеровдго-эяагово-кустарнК'гаЬых предгорий* 'пустынь на обыйювёшшг серо&8ваг В скпя? с ной чзолированностыз в районе стационара сохранилось значительное количество видов растений, доминирупщзе псяовэнке среда которых

занимая полынники (АгЬешз^а зешаг1с1а, - А. Ьер1ороЬая(ка, Л.

%

Бсорама). Имеются ссобпества ковылей (Бира загер1апа, 3.сгрШг-Ьа), с. участием житняка (Агторугоп Л-агПе), а весной обильны эфемеры и эфероиды (Роа Ьи1Ьозал Егешругии ШЪюеига, Мэ1кс1п1а КогеПпИ, Ьгрри1а ёгагкеписа) и другие, Црозтквнае пскрыги*» по7в растительность» весной до 60-70Х. -.....

Исходное состояние серозёюв обыкновенных се верных опытного участка. Морфология. Почвенный покров опнгного участил однородный - серозёмы обыкновенные сер.ернье. Шчвы характеризуете:-! средней модаостов ( л + В => 40см) гумусового слоя, который диферен-цкрован на следусщке горизонты. Верхний, ш гон остью 6 си, буроБаю-еерьй, сухой, уплззззнный, - сильнокореЕгквахый. слоеватоткомкова-тый, средне-суглинаетый. Ниже залегает горизонт {12 см) несколько светлее, плотный, г.тьбковаг о-комковатый. Гумусовый слой закакчива-■ ется горизонтом 22 .'_'м бурей окраски, _ уплотнённый, танезаю-комгад ватой структуры. Нгие следует переходный светло-бурый, сухой, уг. лотнэнный, пнлеватб-комковатый, средне-суглинистый геркшят. ПЬчса сформирована ка бехесовато-палевом карбонатном среднем суглинке, ♦ переходящем в дглти-бурыЯ -егкосуглинистый с включением редкая друз мелкокристаяли1ес1«зго гипса. •

Веществ ;нный состав. Исходное состояние целинных почт огытногэ участка харгисгеризуется слабой гумусщмЕгл ностью, содержание органических веществ в верхней части гу?л-е >

во- аккумулятивного гериэфгга составляет 2.1БХ с резким сниижвнием . (до 1.9W в его йидаей дасти.

Q составе гумуса преобладают фудьвокислоты. отношение гумино-вых кислот к фульвокислотам в- превышает- 0.50 в почвенном профиле. В гумусе содержится значительное количество устойчивых лингнййо-гуминовых соединений- (11>.7-28.72; негидрелизуемого остатка), что свойственно для карбонатных почв.- Содержанке азота в верхнем горизонте составдяог1 o.160Z,ho с' увеличением глубины падает До 0.0665L . Емкость катионного обмена невысокая и в° превышает 12. Б мг/акв. Содержание обменного натрия незначительное» сумма обменных \натрия и калия составляет 6.0-8.5Z. Почвы щелочные, pft иодео* eye- ненэии в профиле ^еьначиге^но колеблется (8.3-8. 7).

\ ■ Но гранулометрическому составу почвы опытного участка средивт-еугливдстью. Содержанке . физической глины варьирует ро профилю от - 3ä.'8 .до 36.2Х, Цтщ глинистой фракции незначительное модаместаа - 10-12%.. В составе фракций дошщирует пыль крупная (0, 05-О. Ol med -47-53Х. Via рассмотренных материалов следует, что обьишовенные серозёмы имеют среднмр мощность гумусового горизонта, слабогумусиро-ваны. слабокарбонатные, рчень слабо обеспечены минеральным питанием, имеют невысокую ёмкость катионного обмена кальциевогр состава, неаасолены, почвообразу^щие' породы слабовасолены. Пэчвн обладает 'слаСэвыраженной структурой, способны к распылению,/а при поливах • к образованию плотной корки и уплотнению. V-У

Глава а Динаммка процесса упжлнеккяв подевш условиях.

1'/у'. ■ ,• ■'• • .■■

3.1. Зависииостъ уплотнения от величины и числа нагружениЛ. фрграмма и методика эксперимента разработаны на основе уже существующих, но с учётом почвенно-климатичёских условий и наличием уникальной передвижной радиометрической установки РРУ-5 для измерения обгёмной массы, разработанной Кравченко В. И. (1964).

Подготовка поля ааюючалась в приведении почвы в состояние, соответствующее состоянию почвы после предпосевной обработки, Подготовленное поле 'разбивалось на три участка для различных тракторов: К-У01, ЩЭ-80-и ДТ-75Ы. Для исходного, нулевого, варианта производилась замеры объёмной массы,и профиля поля, делались вабо-ры почвы для определения влажности и макроагрегатного состава. Танке же измерения.прводились и после первого проевда каждого трактора на своём уна. ж. После второго и пятого проходов тракторов рдед в. длед, вамеды повторялись.

- 9 - .

В таблице 1 приведены изменения обЪёйгой масбы серозёма: в ве-' рхнем горизонте после различного числа цикяов нагружений его движителями различных тракторов. Из этой-таб4ЛЦЫ следует, что^ объёмная масса резко возрастает после первого Ьрохода, но продолиает, хотя и медлено,; расти с увеличением.числа проходов. . "

Коэффициент уплотняемости - отношение объёмных масс до и после проходов тракторов, сильно, зависит от влажности почвы и массы трактора, так для К-701 после пяти проходов он равен 1.51. с увеличением глубины этот коэффициент уменьшается и равен нулю Для ДТ-75М на глубине О.Зм, для МГЗ-80 - на глубине 0.59м. для Кт701 -на глубине 0.56м. Такая глубокая'проработка почвы ведёт к постоянному ншсоплению плотности в подпахотном гориаонте. ' V , Анализ измерений макроагрег&тного состава показал, что:.

' • , • ТаЭЛИПа 1.

Изменение объёмной массы серозёма после различного чирла нагружений его движителями различных трактороз.

Тип I Горизонт,! Влажность, I , г/см, при кратности нагружений

трактора! М X 1 0 1 1 2. • - "..6 -

К-701 1 0. ОБ 7.2 1 1.12 1.52 1.55 1.69

1 0.10 ' 1 13.2 1 1.04 1.46 1 ' 1.60 1 1.53

МТБ-ВО 1 0. ОБ 1.8 1 1.12 1.25 1.39 1. 13

' 1. 0.10 .8.3 1 1.08 1.31 1 1.32 1.38

ДТ-76М 1 0.06 9.6 1 0.92 1.24 1 1.33 1.38

1 0.10 ■ 11.2 ! 0.02 1.18 1 1,26 1.28

7 - наиболее симные изменения в макроструктуре произошли в верхнем слое,' причадой тому послужили и нивкая влажность и явление пробуксовки, являющееся необходимым атрибутом движения колёс;

- количество фракций , <1>0.1м претерпело значительные измене- . ния, так даже после1 первого прохода глыбистые и. крупноглыбистые исчезли полностЫо, а количество мелкоглыбистых понизилось с 37.7% до РАК \7. у ШЗ-60 и с 38. б'ДО'3.525, - У К-701; '

I - содержание фракций редних размеров от 0.07м ^о 0. Юм колеблется в щрэких пределах," так'.как ив зтого раамера после перс -тирания част щи по;юходят в более мелкие,- но и поступают поел» разрушения более..крупны.";;, ........,.,,.„• . ..... ........

- оо'держишо эрозионно-ооасных частиц С<1>0.001м) резко воз-

iAaoïaer от 21.4Z до 38.3i у МГЗ-80 и от 19.3% до 72.9Z у К 701.

Дел исехедуеюго рзгиона такое количество эрозионно-опасных частиц явление угрожайте из-за сильных ветров.

5.2. Дчнашт саиэаосстановмэшгя сссозеш. ЭкеперлмектальЬое исследование самовосстановления '¡}очь после переуплотнения у многих , последователей вызволю значительные трудности, постольку применяемый л*гтод регуг^го кольца »Ыеет погрешности на порядок превышающие изменения величина обчемзой массы почвы. При это-« аажры ¡..окно де-i лать тод; ко с"наруазнкен естественного сложения почв, что совер-•ьс-нно недспуетшэ гяя дшшых исследоааний. Позтоцу толы со применение установки ПРУ- Ъ позволило провести наблюдения за дкпажкоа са-Мзьосстаноме!шз р.счки во времени.

Для заклздш i зтсто эксперимента били повторены предыдущие сшгты, но sa есстснни-!-- почьы ве.шсь постоянные наблюдения, для чего два раза в год проводились измерения влажности, объёыюй ыас-CU, иа^фаш-регатного состава и глубины следа (дефорнация).

Измерения ctnw.çU массы серозема в течений четырёх лет наб лкдеаий показаны фрагнентально для Еергаего горизонта в таблице 2.

• . -- Таблица 2.

¡ЖП'-шш ндоса подай ь динаотке в опыте с К- 701 на у>1асгках с различным 4?.cjum проходов.

Род ; Горизсв? б си . t Горизонт 10 см

набладеииЯ! О ! î ! 2 I 5 I О ! 112 1 5

1SÎS2 ! О. S4 i 1.52 i. 1.55 !'1.72 i 0.84 1 1.50 ! 1.52 t 1.60

1й£й 5 Î.04 ! 1.43 i 1.5-3 i s. 63 l 0.89 ■ 1.45 i 1.47 ! 1.54

19S4 : l. 12 ! 1. 37 I 1. 43 i 1.54. i 0.93 Г 1.40 i 1.43 I 1.50

1S& ! 1-20 }. 1.22 i 1.26 i Ï.33 ! ?.'G3 i 1.26'î 1.30 I 1,46

результаты исследований показали, что чем Сольем начальная объемная масса, теы интенсивнее идёт разуплотнение, но с увеличь-HiteV глубины процесс самовосстановление заыеД-йЯетсл и по орие'глро еочныл ^асчётау для участка с пятью проходами К-701, это будет глител не иэнее 10-15 лет. На неуллотпэшюм участке (О проездов) на поверхности образовалась прочная коп'.а толщиной 1-2 сы, но укь не с-ггдуьщий год она была разрушена корняии растений эфемеров. Ш. участка с одшш рр'.эздоы растения появились через год, а в следе 5

- 11 - ; _ проездов за 4 года наблюдений растения не4 !юявились.

Динамика изменения макроагрегатного Ыстава для частиц, раз меры которых наиболее подвертки изменениям показаны в таблице 3

На опытном поле частиц с! > 10 мм оказалось меньше чем на целине вследствии обработки и разрушения дяикителями тракторов. "Соде ркание зрозионно- опасных частиц <3 < 1 »!Кг увеличивается с возрастанием числа проездов и при пяти проездах достигает 72.5%, а при нмзкой влажности и больше. Через год, в 1983 году, в макроаг;эегат-ном составе зафиксированы резкие изменения. Содержание частиц й • ,10 мм увеличилось на-всех .участках,.. з^т.о резко упало содержание зрозионно-опасных частиц, их даде стало меньше чем на целине. 'Так 'в следе 5 цроездов содержание ИХ"СНИЗИЛОСЬ с 72:5% до 6:2%;; в то врепя как на целине сохранилось 27.6%.

В последующие • годы. 1984 и 1985 процесс самовосстановления проходил более спокойно, однако следует .заметить, что з каблюдае-мий период самосстановление по макро агрегатному составу стремилось не к равновесному состоянию, а к обрзованию сплошной среда Появление низкорослой короткоживущэй растительности с густой корневой системой повернуло процесс в сторону равновесного состояния.

................... ' .......................Таблица 3.

Динамика изменения макроагрегатного состава по годам, в%.

! 4ракции I Годы 1 . а, мм I

Число О ! 1

н а

груде 2

н и й б

Целина

1982 !

I

1983 I

1984 1

1985

>10 <0. 25 <1 >10 <0. 25 <1 >10 <0. 25 <1 ' >10 <0. 25 <1

38. 60 8.13 •.18.28 '.¡12.00 9.40 ¡18.20 :'ЗЕ. 80 14.60 ' 28.10 26.70 16. 70 31. 20

16.00 .21,03 33.04 67.00 6. 40 11.20. 65.. 50 5.80 10.30 59.90 12 . 30 19.10

14. 55 33.13 47.68, 78.90 3.70 .7.00 56. 60 -6.80 14. 20' 54. 20

1а 20

17.30

2. 55 56. 41 • .72. 48 80. 20 '3. 50 6.20 47. 40 7.40 17.80 46. 20 ч. 9.10 16. 70

54. 4 2.6 27. 6

- 12 - -

3.3. Сопротивление обработке. Задачей этого экспримента был устаноьить различие в сопротивлении обработке почвы основными ору дияии для данного региона в следе тратаopa и вне его. Участок пол для исследований был падгото»»лен так же как И в первом эксперимен те. К приборам и оборудованию были добаклены культиваторы КПП-2.; м КГС-4.8, измерительный параллелограмм и тензометрическая аппаратура с выходом на светолучевой осцилограф Н-100.

Измерения усилий дроазводйлись - с помощью параллелограмма с одной степенью свободы, на котором поочерёдно устанавливали одиночны« рабочие лапы культиваторов КПО-2.2 и ТС-4.8. Измерения . проводились поочерёдно с каждым орудием в каждом следе и вне его в , трёхкратной повторностг. Измерения, остальных параметров проводились так ли как и ь первом эксперименте.

Полученные даньые для следов тракторов К-701 и ИГ:}-80 сведены б таблицу 4- Глубина.оЭработки для КГШ-2.2 составила 0.14- 0.18 к, для КГС-4.0 - 0.20-0. £1: м. Средня ^чажнссть в опытах с КПП-2.2 Сила 13. 7-16.5Z, е'рпытах с КГС-4.8 - 9.8-10.2X. Шставить опыты с КТО-4. а в следе 4 проездов К-Vil оказалось невозможным, потому чго дагзе одиночное орудйе агрегатируемый трактор ЛТ-'/oií не мог вагнать его ни т|« йуькук1 глубину.

■ Таолица.4.

Избиения сопротивления ибрг*адтке серозема.

/ _' _: ■

iayi ¡ Число I OO-béMUíLV 1 Твёрдость, Í Пористость, 1 Тяговое усилие

орудия: циклов; ыаеса, г/см 1 ЫПа I X i кН ! %

- о В Ы Т Ы С К - 70 1

¡ 0 ! 0. Е5 ¡ 0.85 ¡ 60.0 1 5.10 ¡ 100

КПП-2.2: 4 1 ▲ 1 1.Б1 i г. го ¡ 43. ü ¡ 6.15 ¡ 121

* I 4 I 1.62 1 а го 1 39.0 1 G. 75 1 132

i ОПЫТЫ с- М T 3 - 8 0

. i * 0 I 1.08 1 0.93 1 53.0 1 4.75 1 1GG

КПП12. 2i 11 1/25 1 1.05 I 52.0 1 5.61 1 116

1 4 1 1.34 I- 2,90 ! 48.0 1 6.08 1 128

1 0 1 1.06 1 0.93 i 59.0 1 1.45 ! ICO

КГС-4.8! 1 1 1.24 I 2.30 1 52.0 ¡ 1. 79 ! 123

1 4 : 1.38 1 2.98 1 48. o : 2.43 1 1С-

\ По многим параметра« трактор МГЗ-SO допустимо применим д.;: ■ работы на серозёмах, но при этом необходимо не допускать марпрутк зации, так как С увеличением вдела проходов по одному следу W-: растает глубина лроработки, что приводи1? "к накоплению плотности • подпахотном горизонте. Но более поздними исследованиям (P^caj'O:' 1984) было обнаружено снижение урожайности рядси со следом 'г раки та K?T3-ßO даже больше чем в самом с ггеде.

Если целесообразность применения на полевых работах тракюр-'i !ЯЗ-Ю под сомнением,' то относительно Й- TOI вывод однозначен: на ¡олевых p€i60Tax применять вредно.

Во всяком случае для колёсных тракторов увеличение мо'днооти,' I соответственно и веса, 'малоэффективно для сел^скег'? - Tnenirrrrs, ,'ак как возникают дополнительные затраты в ?0-ЗСТ для обработка jBoero же собственного следа Кроме того, с увеличении глубины обработки увеличййается и разность в тяговых усилиях и можт достигать 67%. •

Согласно орйентировочныи подсчётам, замена имегэдхея в настоящее время в хозяйствах колёсных тракторов Классов 3 и 5 на гусеничные позволит уменьшить недобор урожая, например, зерновых колосовых" культур в расчёте на 1 га Hà i-з ц. расход топлива па вспашке снизится на 2.5-3.5 кг/Га (Временные, 1085).

Глаьа <L Теория иех^пеша уплотнения.

4.1. Основные этапы развития преставления с uexmr.sr.ue уплотнений почп. Первой теоретической работой по механике грунтов, где уже рассматривалось уплотнение принято считать статью Варля Оггста Кулона (1 '73) "О применении правил максимума и минимума к некоторым проблемам статики, относящейся к архитектуре". В атой работе Кулоя ставил "свспРцельюоНределить, йасколько шлет это позволить соединение теЬрии и эксперимента, влияние трения н сцепления (

в некоторых зацачак статики" (Ренгач, 1973).

Идея, нредлогенпая Кулоном, об электростатическом взаимодействии частиц почвы между собой,. претерпевала значительные измене ния, но не потеряла своей актуальности до настоящего времени.

В 1912 году Гедройцеч К. К. была сформулирована мицеллярн-^я теория и сразу полЯгила широкое признание.

В 1925 * года- была опубликовала -книга- Карла Терцзги -"Erdbaumechanil-; auf -bodenpiiisikalisehen ürunilage", которая on на меновала соб;й-ро}дение капиллярной теории прочности грунтов. Последователями этой теории Герсеванэвым ЕМ. и Покровским Г. II был

внесен огромный вклад в развитие науки механики груьтов; Окончательный »ид'теория капиллярной прочности получила в работах ТеггадЬ» К., в,1940 и. 1950гг. Наиболее широкое применение эта теория получила в механике грунтов, но 1..д давлением всё возрастающего влияния мицеллярной теории иапилярная теория потеряла своё ' доминирующее значение и в настоящее время:служит для. объяснения явления гидратации, происходящей в начальный момент увлгапюиия почвы.

В своих теоретических работах Денисов ЕЯ. (1934), Еернацккй Л й-(1937), Приклонский В. А. (1946), Лифшиц Е. Ч, (1954) и др. . окончательно ¿формулировали мицеляярное мировоззрение, которое \ртало господствующим в фундаментальных исследованиях по почвочи-дениа. Дальнейшее; развитие этого мировоззрения: обнарлшие пленки У> мицеллы Седлецким ¡1Д' (1954), эксперименты по коагудгции Доря-гина Б. -Е (1955),' привлечение сил Ьан-дер-Ваальса (Денисов, 1957) а также работы Арипсва- Каратаева' Н.Е (1946) , Ребиндера П. А. (1У55), А. Скемптонй (1&64) и др. не только укрепили ыицеллярное мировоззрение, но ц послужили фундаментом для возникновения нового учения о природе почв,еиных структур. Следующим шагом в познании механизма уплотнения яв^ись ряд работ Яцынина Е Л. (1989, 1989а, 1990, 1992, 1992а, 1994), в юторых изложены основные положения учения об интеррагенезизё коллоидно-высокомолекулярных систем почв на сонове которого была, расширена теория академика Ребиндера П. А, о двух типах структурообразсц&кия.

Ребиндер II А. размотал два -теоретических положения о структуре почвы: ...

„ - конденеационно-кристаллизационные структуры, • которые формируются путём срастания.кристаллических структур.- 'Процесс возможен (тогда пограничные зоны кристаллических дисперсий слабо развиты. . Наиболее ярто это вырагается в почвах с лёгким механическим составом; ' . ; - крш'уляционкые структукры образуются за счёт вандерваальсо-вых сцл сцепления, когда они превосходят электростатическое отталкивание одноимённо заряженных мицелл. ■

' ' Яшиным Е Л. (1У90) в связи с предложением теории макромолекулярного строения почвенных частиц расширено представление о структуре почвы и прдложено теоретическое положение о химш«-координационной структуре, которая' формируется за счёт'образования химических координационных связей-между молекулярными соединениями пограничных сон .кр зтаишческих дисперсий, Сами же продукты аывет-

ривания с кристаллической структурой являются скелетной частью почв. Трансформация молекулярных соединений почв всегда сопровождается увеличением или уменьшением количества звеньев (блоков) ' ¿ъяшатмш собой" хйадчес :шми или координационными связями;

Задачей следующих экспериментов является: выяснить ю какому прикцш^у ий§т структурообразование при уплотнении сероземов движителями тянёлых сельхозтрактороз.

4. 2. Эюпертюнт /г установлению значения хшша-координационного стоуКгурооОразовання. ?с:юванный на принципе М Шнтельс. Стругаурообравование, с точки зрения мицэллярной теории', происходит-- 68 ечё1!1' нз««*юдейет8ия мешу .мицеллами, -¿ыбнуемым. пршиишш ем, цементацией, приклеиванием, припоем и др. , подразумевающими взаимодействие с помощью сил Ван-дер- Ваальса. Но эти силы является не столько химическими,. сколько ' физическими, и соответственно должны подчиняться законам физики, а не химии. Прочность структуры, при взаимодействии мицелл, зависит от баланса сил мезшицёлляо-lioro сцепления и электростатического отталкивания одноимённо женых час гиц (.' Теория ДЛЮ). Поэтому если почву уплотнять при -различной влажности;-• -•ке-аревыишоиэй. полной влагоемкости, то количество взаимодействий очень мало зависит от влажности, а следовательно и прочность . такой структуры тоже будет малозависимой от влакноетк. С другой стороны, если структурообразова.гие является химическим процессом,- количество взаимодействий должно подчиняться принципу Ле-Щиалье, согласно которому в растворе устанавливатся определённое равновесие, т.е. соотношение, диссоциированных и не-диссоциированных молекул в растворе прямопропорционально \ зависит от. количества растворителя. Таким образом, __при увеличении влажности происходит диссоциация - разделение молекул на ионы, прк уменьшении - молизация, т.е. воссоединение ионов в молекулы.

Сбрацы почвы для эксперимента, диаметром и высотою 10 мм, иготавливали '..j почвы различной, наперёд" заданной, влажности. "Величины влажности приняты. 32, 5%, 10%', 15Х, 20% и 25%, что вполне достаточно для определения характера кривой. В процессе изготовления образцы уплотняли с одинаковым 7,ля всех' экспериментов давлением, вокичиип. которого.принята 0. 416 Ь(Па, что соответствует стати-, часком/ д^^жнию передних колёс трактора К-'701. Образец jpaapyumn с Фиксацией необходимого для этого разрушения усилия.. Измеренные усилия'ЯЗЛЯЮТСЙ'ЙрИ'ГервЭМ ХИМИК0-физического" СОб'ГОЯЧИЯ почва"

(

• для опытов взята почва трёх характерных горигонтов: верхнего, глубины 0-6 см, как наиболее гумусированного; ерю дне го, с глубины 7-32 см, как переходного; "нижнего, 90-100 см, представляющего материнскую породу. " .' ■ •.

По результатам, полученными в этом эксперименте,. построены графики зависимости прочности от влажности уплотнения природного серозёма (Рис. 1). Вогнутый характер этих кривых свидетельствует об участии в увлажнении двух процессов, гидратации и диссоциации. На величину Ван-дер-Ваальсовых сил может оказывать влияние только гидратация, так как от наличия влаги зависит плотность упаловки мицелл и соответственно количество точек взаимодействия, е. 'сочек проявления сил Вандер-Ваальса. Таким образом, ¡;а основании анализа этого графика, можно сделать'вывод: с учётом гидратации,' проявляю^ ¡цейс я з начальный период увлажнения, структурсобрйзввШше подчиняется принципу Ле Шателье и, следовательно, относится к химико-координационному типу структурообразованйй. -

Однако показанные кривые имеют незакойченый характер, поскольку и диссоциация толе не может происходить до бесконечности. Это обменяется величиной структурно-механичебкой зашиты кристаллических дисперсий и её рыхлостью, поэтому значительнее количество влаги ' при гидратации уходит на межструктурное я инутриструктурнсе смачивание. Таким образом этот слой набирает много влаги, которой всё-тага недостаточно для полной диссоциации, ко уже много для уплотнения и при сжимании почвы эта вЛага запихает все поровое пространство и не позволяет произвести уплотнение Ь полной мере. • 1

Чтобы устранить это явление необходимо уменьшить слой структурно- механической защиты, что можно достигнуть удалением ВМС би-хроматом кгишл. Полученные данные представлены на графике (Рис.2.) зависимости прочности от влажности уплотнения минерального скелета серозема. . ,

Анализ этого графика показывает, что для серозёма при данной обработке при влажности около 20 % наступает полная диссоциация и рост прочнеош, с дальнейшим увеличением влажности, уменьшается, из чего следует, что при этой влажности образование структур по типу хи1ш:<о-1С?ардинациннсго стуктурообразавания прекращается.

Таким образом и этот эксперимент подтвердил, "что при уплотнении оеровьмо.з в процессе эксплуатации происходит в основном химико координационное структурообразование. Однако следует заме-

¡•1-90- 100с"

¿0

I 1с. 1

60;

50

40

Рис. 2 .

220.'?'

Р,Н

Горигонт 0-6 гц

43. 4

Горизонт 7-зге 1.1

30

20

22.2

ТТГ III

М<

III 111 111

!" III III II!

КСг, 0 -

- На 1.3 Са _0.65

К-9 "„7.2

ИТ Ш

III

111 III 11 I! II

II

!>>

III 111 111 111

!!! 111 III I! I

17.9

КСг,Ог Ка

6.08 Са 1.65 1.61

*** +++

Горизонг ; 90- ЮОом ' '41.6

КСг^Оу

14.6

Са

7. 08-

3.04

мм« ***

***

Рис. 3

тить, что в процессе структурообразования незначительное участие принимают и вандерваальсовые силы, особенно в начале процесса увлажнения, в конце же этого процесса проявляется и кондеНсацион-но-кристаллический тип струтурообразования, обусловленный 'гем, что при полной диссоциации прочность структурно-механического защитного слоя падает на столько, что становится возможным сопрйсоснове-ние пограничных зон кристаллических структур и их срастание. Кроме того, анализ этих графиков указывает на полное отсутствие признаков коагуляционного структурообразования.

4.3. Эксперимент на выявление коагуляциокноЯ структуры, "'ео-ретичэсккое положение о коагуляционном струтурооСра-ювании академик Ребиндер а А. предложил на основе работ академика Гедройца К. К (1912), академика Антипова-Каратаева (1853) и академика Доря-гина Б. В. (1956). В основе электростатической теории генезиса почв ле:кит мицеллярное строение золей тонкодисперсной части почв. Механизм пепйюации сводится к тому, что при насыщении двойного электрического слоя катионами натрия пилы элетростатического отталкивания между одноимённо заряженными частицами превышают над силами межмицеллярного сцепления: Дисперсии становятся агрегативио устойчивыми, а почва приобретает отрицательные агрофизические свойства. При замещении катиона натрия на катион кальция меямицеллярные силы преобладают над электростатическими силами отталкивания и происходит коагуляция или агрегация частиц. Почвы преобретают положительные агрофиэкчские свойства. Терия устойчивости дисперсий за счет двойного электрического слоя была разработана Б. В. Дерягиным (1956), а' для полидисперных систем солонцов Ан"иповым-Каратаиьыа А. II (1863). . ■ ' • ' " \ - .

Целью этого эксперимента была проверка теоретического положения о коагуляцйонном структурообразовании серозёмов. Результаты опытов с природным серозёмом насыщенным натрием или кальцием не представляют интереса, так как имеются многочисленные исследования и результат заранее известен. Однако при теоретическом объяснении этих результатов отсутствовало представления'о роли в этом процессе высокомолекулярных соединений. ' Поэтому для того чтобы выявить роль ВМС в эхом процессе использовали серозём, из которого удалены ВМС. Оставшуюся скелетную часть почвы насыщали катионами натрия, кальция, а тякке обрабатывали искусственнным полимером К-9.

Влажнеешь образцов - 20%, как наиболее близкая к оптимальной

. ' - 19 -

для уплотнения серозёмов. Экспериментальные образцы представляли собой: 1) почва в естественном состоянии, 2) скелетная часть почвы, 3) скелетная часть почвы насыщенная натрием, 4) скелетная ~ часть" почки насыщенная кальшем, 5)" скелетная частъ~почвы насыщен ~ пая полимером К-9.

Результаты, полученные в.этом эксперименте, сведены в дкаг-оаьа<ы (Рис. 3). Анализ полученных данных погсазал, что прочкост!. .почвы.без ВМС резко упала.по.сравнению.с прочностью природного серозем 'Это явление указывает на ведущую роль ВМС*в агрегации уплотнённого серозема. Насыщение натрием и кальцием понизило проч ность почвы, что противоречит мицеллярным представлениям о агрега-. Щй ничьи. .'..,.

Наеьш^ние почвы полимером привело к увеличению прочности, чю свидетельствует о ведущей роли ВМС в процессе агрегации и правильности-положения о химика-координационном структурообразовании.

4. 4. Механизм у л л о тис н и я почвы. Механизм уплотнения заключает в себе представления об явленниях увлажнения, непосре'дс тес-ино с; мого уплотнения, структкроебразования и дегидратации. На основании анализа результатов ^оставим механизм кэ.ждого явления.

Уеханизы у в л а ж н е н и я. Процесс происходит в три этапа: гидратация, диссоциация и наполнение гравитационной ведой. Гидрн-тацгаэ различают шаструкгурную и виутриструктуриую. Лои ицдотрук-турной происходит смачивание по внешнему контуру высоксмолекуляр ного ссед:ш&икя, набухание незначительное. Дальнейиеч увеличение влаги привадит к процикковенкю её внутрь ВМС, точнее в ту ее часть, которую Ребнндер П. А. (195ь) нзаынал структурно-мехштес кой защитой. Прсисхддящэе при этом набухание приводит к растравлению ВМС и в нём возникают напряжения. В тех соединениях, где сила связи мехду элементами макромолекулы меньше осмотических сил, яро-' исходит разрыв РЖ, т. е. диссоциация.

Нэханиз1.'у п л о т н е н и я почвы. При уплотнении сухо!1, почвы происходит разрушение связей мегду агрегатами, за «чет чего аг-рогать, могут перемещаться в перовое пространстве. Прочность таких печз крайне н?-;начителька из-за оч-иь низкой вероятности сближения элементов ШЗ на растояние ионного радиуса.

- При у-'стлении влажной иочвтг разрывы ЙЮ прайс/едят по'диозо-:-"¡¡ровшпшм св..¿ям, чгс ъ значительной стспбчи облегчает дефгрыа-' ¡цш почвы. !:р:т этом дкссоциировавште иаиы к звенья (блоки) ВМС но-

20- 'Л

гут вытесняться и служить затем при гидратации составными частями химико-координационного структурообразования. Если приложенного усилия достаточно для полного вытеснения всей структурно-механической защиты, то это приведёт к соприкосновению пограничных боц кристаллических структур, а следовательно к образованию конденса-ционно-кристаллических структур.

"Механизм дегидратации заключает в себе не только уменьшение влаги, но .и сложный химический процесс, называемый мо-лизацией, состоящей в восстановлении молекулы вещества. Удаление влаги между двумя разноимённо заряженными ионами уменьшает диэлектрическую проницаемость среды", а следовательно приводит к увеличению сил Кулона. Таким образом присходит не только ориентация линейных. ВШ, но и подтягивание почвенных агрегатов друг к другу для молизации вещества, что в конечном итоге приводит к усадке яочвЫ при дегидратации.

ВЫВОДЫ.

1. фи техногенном воздействии в антропогенезе происходит переуплотнение серозёмов до величин, значительно превышающих агро-нормы, нто приводит . к снижению плодородия и развитию эрозион-но-опасных явлений. Увеличение энергоёмкости-тракторов приводит к увеличению сопротивления обработке.

2. Воледствии длительной эксплуатации угодий. происходит накопление переуплотнения в подпахотном горизонте. Самовосстановление фивико-ыеханических свойств под влиянием естественных условий процесс длительный 'и существенного влияния на улучшение свойств серозёмов' не оказывает.

3. Теорию Механизма Уплотнения почв серозёмного пояса необходимо увязывать, с•макромолекулярным и кристалло-выоокомолекулярным строением почвенных дисперсий. , Под влиянием техногенного давления химико-координационное структурообрааование усиливается частичным образованием конденсационно-кристаллизационных струтур. Наложение кристаллизационного процесса . осложняет, разуплотнение почвенного профиля в естественных условиях в течении многих'лет. ' .

4. Влияния электролитов на структурообрааовательный процесс ■происходит ос.осредотвенно через высокомолекулярную часть дисперсий, серозёмов. Ви кристаллизационное струтурооВраэование электролиты оказывают незначительное влияние, поэтому.принцип разуплотнения

■' почвенного профиля должен строится на придание упругости структур-но-м«!хани'1';ским стабилизаторам. - .

5. Приме аеше искусственных и естественных структоров оказы вает влияние на процесс химико-координационного структурообразования и^мойгтпосдувить средством уменьшения уплотняемооти- при техногенном воздействии.

6. Для предотвращения распространения переупллотцения при многократном техногенном воздействии необходимо принимать предохранительные меры, заключающиеся в предварительном шелевании с внесением искусственных и естественных структоров или мульчированием.

* Ш материалам диссертации с публикованы следующие работы: .1. .Ерзб^зщзз, :, ДД - Кулаков Я А. Каргузенкоп А. Д,, Мзтоды определения. степени уплотнения почвы машинами. //Механизация и электро-фикацаясоц, сел. хоз-ва. - 1977. -.N5.- С. 20-28.

2." Кравченко Е И., Кулаков Я А. Сопротивление обработке уплотненного движителями К-701 серозема. //Механизация и электрофикация

■V сельского даяйства.- 1983. - N5.-с.16-19. *

3. Рравчешсо ji И., Кулаков Я. А. Изменение физико- механических свойств и сопротивление обработка серозема при воздействии на него .Едлаоаыг. тракторов.. //. Сб.,; научи, тр. ВЖ. т Ж : - Ю34.

Т. 102. - 0.104-114. ' •

4. Кравченко В. И., Кулаков Я. А, Динамика самовостановления серозема уплотнелного колесными тракторми. Механизация производственных процессов в сельском хозяйстве. //Сб. научн. от. НПО "Каь-сельхозмеханизация". "Кайнар". - Алма-Ата: - 1985.- С. 102-107.

б. Кравченко R И., Кулаков Я. А. Изменение Физических свойств почв под действием ходовых систем машин. Сероземы. // Земледелие^ -1987.- N9. - 0,25-29. \

6. Савченко '.ï И.,• Кулаков Я. А. Некоторые вопросы динамики самовосстановления переуплотненного серозёма. //Научные' труди ВИМ. Ы. : - 1988.

7. Кулаков Я А. Влияние движителей тракторов на изменение агрофизических с-ойстВ сероземов. // Снижение уплотняющего воздейс твия сельскохозяйственной техники на почву - путь сохранения потенциального и эффективного ее плодородия. Доклад. Всесоюзный семинар. - М-:- ВДНХ.- 1987.- 20.02-02.03,87.

8. Кулаков Я А. Деформация почвы при техногенном воздействии. //Основные направления учения сС интеррагенезисо ко./угаидно-высокомолекулярных cncteM почв. — Алмат- • - 1в«б. - Г. 1; С. 68:73.

Кулаков Ярослав Александрович

. АНТРОПОГЕН ЖАГДАЙЫНда СУРТОПЫРАКТАРДЫН НЫРЫЗДАЛУ МЕХАНИЗМДЕР1Н1Н ТЕОРИЯЛВД АСПЕКТ1ЯЕР1

Казацстанда ауыр ауылшаруашылык; техникаларыныц осержен кэдшп TepicTiK суртопырацтардын физика-механикаяы* касиегтер1ж'я езгеру-лерш зерттеу жумыстары алгаш^ы рет иург|з1лд<. Ныгыздалудыц агро-номияль^ шект] нолшерден кеп ocyi, соиымен ^aisp толырацтын ьщгей-сыз бз.герген ^асиеттер)жн твкенг! цабаттарга тараяуы мен оныч унем1 еиделу иагдайында молаюы, еидеуге парсыльцтыц Ko'GeciHe, суртопыра*-тардьщ табиги.'жагдайларда ^айта ^аяпына кеяу Mywi-itsi Л1Г)'н1ч ете темен болуы, м!не есылардыц барды™ топырак цунаиынач чемендеу1не со-катыны аны^талды. Топыра^тыч макроагрегатты^ курыньмдагм баЯкаяган e3repicTep оным эрозияга шалдыгуына себеп болу нумк.жд<г« зйк.ындаяды. Антропогенезде суртопырактардыч ылгалдану, ныгыздаяу, курылыманьщ пайда болуы мен ылгалсыздану механизмдер}нен туратын нь-тыэдалу тео-риясы. жет<лдiрiлд<. Топыра^тыи пкелеб ныгыздалуы химия - кОордина-ционды «вне кристалл-конденсационды цурылымдар пайда болулары патар жургенде болатыны аны^талды. Техногенд1к ныгыздаяган суртопыра»;тар-дьи Kepi есерлерж темеНдету ушш олардыц эртурл1 теренд1ктер1н коп-сь!пту арпылы габиги кэне колдан касалган курылым тузувм заттар ^ол-дану усынылдь^ '

- ' - Kulakov Yaroslav Alexandrovich

THEORETICAL ASPECTO OF THE SIER0ZEM3 COMPACTION MECHANISM UNDER ANTHROPOGENESIS.

Investigations on changes of^physico-mechanical properties of northern usual sierozems under the influence of heavy agricultu-al engineering, were carried out, in Kazakhstan for the first time. Increase of compaction higher the acceptable agronomic rate and also distribution-'of changes in soil properties to a considerable depth, their accumulation under the permanent .exploitation of lands, increase of resistance to cultivation and insignificant role of natural conditions in the process of selfreduction of sierozems leading to . decrease of soil yielding ability were determined.- ТЫге "were found such changes in macroaggregate composition that, can result in erosion" phenon»na A theory of ¡¡flerczeirs compaction under anthropofeenesis was worked out; It includes mechanisms of humidification, cor.paction, structure formation and dehydratation. It is established that direct compaction oocures due to combination of chemical-coordination aid crystalHc-condensation structure formation. It is recommended .to use artificial and natural condioners applied for chapping at different depth in order, to reduce negative., influence of tuyhnr-je'iic сотрэзиои. on sierozems.

. Огпе</ап»мо 6 7</s?p>/>ocput/.

. /?)£' ¿.'о;жс.'1 ' ЗаА'.л/ббО-гсо