Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Влияние характера землепользования на структуру обыкновенного чернозема и параметры ее фрактальных моделей

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Влияние характера землепользования на структуру обыкновенного чернозема и параметры ее фрактальных моделей"

На правахрукописи

Гончаров Виктор Дмитриевич

ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРА ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ НА СТРУКТУРУ ОБЫКНОВЕННОГО ЧЕРНОЗЕМА И ПАРАМЕТРЫ ЕЕ ФРАКТАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ

Специальность 06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт- Петербург - 2004

Работа выполнена в Агрофизическом научно-исследовательском институте

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор А. М. Глобус

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ДА Куртенер

доктор сельскохозяйственных наук, профессор И.Н. Донских

Ведущая организация:

Санкт- Петербургский государственный университет (СПбГУ)

Защита состоится /Цм&х

2004 года в

/¿Г

на заседании диссертационного совета

Д 006.001.01 в Агрофизическом научно-исследовательском институте по адресу: 195220, г. Санкт-Петербург, Гражданский пр., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Агрофизического научно-исследовательского института

Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просьба присылать по адресу: 195220, г. Санкт-Петербург, Гражданский пр., 14.

Автореферат разослан

¥ ¿¿»реи,*

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук М. В. Архипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При длительном, интенсивном. сельскохозяйственном использовании- почв в современном, земледелии происходит существенное изменение их физических и физико-химических свойств, в том числе, и тех, которые зависят от почвенной структуры. Длительное сельскохозяйственное использование почв приводит к ухудшению физических условий существования. почвенной биоты. Последствия деградации структуры проявляются в виде снижения почвенного плодородия, де гумификации, заплывания,

уменьшения водопроницаемости. Физическая деградация является первопричиной усиления процессов водной эрозии.

Распашка черноземов при низкой культуре земледелия приводит к потере значительной части гумуса, разрушению макроагрегатов, изменению их свойств. В связи с этим возникает необходимость изучения изменения структурного состава, свойств почвенных агрегатов и их формирования в условиях интенсивного землепользования.

Основная часть пашни страны (53 %) находится на самых плодородных черноземных почвах, поэтому исследование явлений физической деградации является актуальной задачей земледелия Российской федерации.

Стоящая в центре внимания проблема глобального изменения климата, оказывается, также связана с познанием строения агрегатов почвы.

Согласно традиционным представлениям, между макроагрегатами структурной почвы большую часть вегетационного сезона находится воздух, а во внутриагрегатных микропорах -вода (почвенный раствор). Это, однако, может означать, что в микропорах, заполненных водой, устанавливается аноксия (дефицит кислорода). При этом часть микрофлоры начинает добывать кислород путем восстановления нитратов, что приводит к продуцированию N и N2O. Первый процесс ведет к потере азота из почвы в атмосферу, второй - к накоплению в атмосфере тепличных газов, ответственных, по мнению многих, за изменение климата. Для математического моделирования этого процесса необходима модель макроагрегата — и есть данные, что фрактальная модель оказывается эффективнее модели бимодальной пористости.-

Иерархические множества, подобные почвенной структуре, успешно исследуются в последние десятилетия методами фрактальной геометрии. Это подчеркивает актуальность исследований фрактальной природы почвенных агрегатов и ее численной характеристики.

Цели и задачи исследования. Цель работы - изучить, как с возрастом пашни изменяются структура, пористость (плотность), водопрочность, набухание макроагрегатов, массовая и фрагментационная фрактальные размерности обыкновенного чернозема. В задачу исследований входили следующие вопросы:

1. Изучение статистических параметров распределения по пористости макроагрегатов разных фракций в черноземе обыкновенном в связи с их размером и возрастом пашни;

2. Изучение свойств макроагрегатов черноземных почв (водопрочности, плотности, набухания) в связи с длительностью обработки;

3. Изучение взаимосвязи водопрочности с пористостью и/или набуханием макроагрегатов;

4. Разработка методов определения массовой фрактальной размерности и способности макроагрегатов к набуханию с использованием компьютерного анализа изображения

5. Оценка фрактальных характеристик структуры черноземной почвы и влияния возраста пашни на эти характеристики.

Научная новизна работы. Впервые систематически изучены закономерности изменения строения агрегатов различных фракций в обыкновенном черноземе Каменной степи в связи с возрастом пашни. Показано, как длительность распашки (возраст пашни) влияет на плотность, пористость, водопрочность и способность агрегатов к набуханию. Определены статистические параметры, устанавливающие распределения макроагрегатов по пористости в различных фракциях образцов исследованной почвы, роль набухания При

БИБЛИОТЕКА } СП« 09

определении массовой фрактальной размерности впервые использована значения массы и объема каждого из макроагрегатов выборки данной фракции, что позволило более точно определить величину фрактальной размерности. Получены уравнения, определяющие эволюцию массовой фрактальной размерности, а также зависимость плотности макроагрегата от его объема и возраста пашни. Проведено сравнение двух методов определения плотности агрегатов. Определена взаимосвязь плотности агрегата и его объема внутри отдельной фракции с использованием двумерного нормального распределения. На основе компьютерного анализа изображения макроагрегатов получены данные о массовой фрактальной размерности и способности к набуханию структурных отдельностей. В рамках фрактальной теории проведена оценка зависимости между массовой фрактальной размерностью, фрагментационной фракгальной размерностью и вероятностью распада почвенного агрегата.

Практическая ценность работы. Предложенный метод определения массовой фрактальной размерности, способный выявить антропогенное влияние на структуру, может характеризовать эволюцию черноземной почвы. В качестве диагностических показателей физической деградации представляется возможным использовать такие свойства- макроагрегатов, как пористость, плотность, водопрочность, а также фрактальные характеристики -фрагментационную и массовую фрактальные размерности. Метод определения набухания макроагрегатов с помощью компьютерного анализа изображений позволяет прогнозировать их распад, являющимся важным процессом, определяющим изменения почвенной структуры, агрегатов. Основные положения, выносимые на защиту.

1. С увеличением возраста пашни чернозема обыкновенного в условиях дегумификации происходит уменьшение текстурной и увеличение крупноагрегатной пористости.

2. Макроагрегаты с увеличением возраста пашни изменяются по плотности. Происходит уменьшение их водопрочности и увеличивается способность к набуханию.

3. Описание усовершенствованного комплекса фрактальных методов определения параметров, характеризующих строение отдельностей черноземной почвы, а также ее фрагментацию и фрактальные характеристики этой почвы

Апробация работы: Материалы диссертационной работы доложены на Всероссийской молодежной конференции «Почва и растение» (Санкт-Петербург, 1999), на научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых « 29 неделя науки СПб ГТУ СЛетербург 27.11-02.12.2000» (Санкт-Петербург, 2001), на научной конференции СПбГЛУ «Гумус и почвообразование» (Санкт-Петербург, 2001), на научной конференции СПбГАУ «Гумус и почвообразование» (Санкт-Петербург, 2002).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем диссертации: Диссертация написана на русском языке, изложена на 132 страницах печатного текста, иллюстрирована 32 рисунками, 11 таблицами. Состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов, списка использованной литературы (244 наименований, в том числе 150 иностранных).

Автор благодарен за помощь, оказанную в работе, академику РАСХН В.А.Семенову и Л.Д Ижогиной, а также признателен И.Ф. Поротикову, Романову О.В., О.В. Семашко, ОТ. Усьярову -за отбор и доставку образцов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Интенсивное земледелие я структура почв (обзор литературы).

Одним из наиболее существенных проявлений деградации почв, вызванной нарушением их природного статуса и нерациональным использованием, является ухудшение их физических свойств. Разрушение структуры, уплотнение, заплывание - все это ведет к неблагоприятным изменениям- водно-воздушного режима, ухудшает эксплуатационные свойства почв, неблагоприятно сказывается на развитии корневых систем растений и почвенной биоты. Результатом ухудшения структуры является усиление водной эрозии.

Структурное состояние - достоверный интегральный показатель плодородия почвы. Содержание органического вещества определят почвенную агрегацию, стабильность почвенной структуры и влияет на распределение по размеру почвенных агрегатов. Возрастание содержания органического вещества в почве - вызывает повышение пропорции более крупных агрегатов в распределении частиц, увеличивает стабильность почвенной структуры (Лдерихин П.Г.,1957- ' 1987; Березин П.Н., Воронин А.Д., Шеин Е.В.,1985; Бондарев А.Г., Кузнецова И.В. 1999; Бондаренко Н.Ф., 1975; Вершинин П.В.,1958; Воронин А.Д. 1984; Королев В.А., Шевченко В.М., 1986; Медведев В.В. 1988; Похидько Н.П.,1989; Сорочкин В.М., 1984; Щербаков А.П., Володин В.М., 1989; Bartoli, F., Burtin, G., Philippy, R., 1988; Dexter, A.R. 1988; Emerson, W.W., 1977; Kay, B.D., Perfect, E., 1993; Kay, B.D. 1998;Tisdall, J.M., Oades, J.M., 1982; и др.).

Распашка черноземов, потеря при этом значительной части гумуса, а также накладывающегося на эти процессы уплотняющего воздействия, приводит к разрушению макроагрегатов, изменению их пористости (плотности), водопрочности, набухания, размеров и формы (Березин П.Н., Воронин А.Д., Шеин Е.В.,1983; Воронин А.Д., 1986; Глобус A.M., 2000;Королев Г.В., 1987; Хан Д.В., 1969; Braunack, M.V и др., 1979; Elliott, E.T.,1986; Haynes R.J., Swift R.S., 1990; Puget, Р. и др., 1995; Quirk, J.P. and B.G. Williams, 1974 и др.).

Исследователи почвенной структуры стремились найти способы ее физико-математического описания. Структуру почвы представляли, например, как правильную укладку шарообразных частиц (Фишер, 1926,1928, Хайнес, 1925,1927). В середине прошлого века Б.Н. Мичурин создал модель структуры макроагрегата, представляющую собой трехступенчатую иерархическую комбинацию правильных шарообразных частиц, обладающую свойством самоподобия. Это дало возможность рассчитать некоторые свойства модели, например, пористость, и сравнить их со свойствами реальной структуры. Понятно, однако, что в действительности почвенные агрегаты, представляя собой иерархически построенные отдельности, состоят в то же время' из неправильных, несферических частей, меньшие из которых лишь приблизительно напоминают более крупные и сам макроагрегат. Именно такими ансамблями интересуется молодая отрасль' математики — фрактальная геометрия, создателем которой считается Б.Мандельброт (1984).

Фрактальная геометрия создана для количественного описания многоуровневых, т.е. иерархически построенных множеств, или групп, обладающих свойствами самоподобия или самоаффиности (аффинность - частичное родство, или сходство). Члены каждого уровня иерархии могут быть лишь приблизительно сходны друг с другом и с членами других уровней иерархии. Уровни же иерархии отличаются лишь масштабом.

Мандельброт нашел удобную количественную меру неидеальности объектов — извилистости контура, неровности поверхности, трещиноватости и пористости объема -размерность Хаусдорфа. Для того чтобы особо подчеркнуть способность размерности Хаусдорфа принимать дробные, нецелые, значения, он и придумал свой неологизм, назвав ее фрактальной размерностью.

Для пояснения фрактальной размерности требуется понятие топологической размерности. Под топологической размерностью Д объекта в пространстве понимают число, характеризующих этот объект, линейно независимых координат в пространстве. Например, окружность и линия имеют топологическую размерность 1; круг - 2; шар и куб - 3. Фрактальная размерность множества D - размерность того пространства, которое полностью заполняется множеством. Для связи фрактальной и топологической размерностей используют показатель Херста Я, вычисляемый по формуле: H = D-D. Например, для кривых, заполняющих плоскость-А= 1 J)=2.

Согласно Мандельброту, слово фрактал происходит от латинских слов fractus - дробный и frangere - ломать, что отражает суть фрактала, как "изломанного", нерегулярного множества. Мандельброт в 1977 году дал математическое определение фрактала, как множества, размерность Хаусдорфа которого строго больше топологической размерности. Позднее он предложил заменить его другим. Фрактальными называются многоуровневое иерархическое множество или группа, состоящие из частей, которые подобны целому, т.е. самоподобная структура. Уменьшив такую структуру в r раз, получим N(r) уменьшенных ее копий, т.е. структура остается инвариантной при . изменении масштаба. Поэтому самоподобие называют масштабной инвариантностью.

Реальные природные объекты, в том числе и почвенные макроагрегаты, обладающие свойствами фракталов, никогда не соответствуют абстрактным математическим построениям. Требования самоподобия формы и сохранения при переходе от одного порядка к другому характеризующих это самоподобие масштабно-количественных показателей между размером объекта и числом частиц, его слагающих, являются чрезвычайно жесткими. Природные объекты имеют ограниченный интервал масштабов, в которых -они проявляют свою фрактальную природу, т.е. идеальных фракталов, как правило, не существует, и можно говорить лишь о фрактальных явлениях. В общем случае можно ожидать, что фрактальная структура реализуется в некоторой промежуточной области масштабов, хотя в действительности эта область может быть очень большой. Практически такие структуры рассматриваются только как модели, которые являются фракталами приближенно, в статистическом смысле.

Построение фрактального множества начинается с единичного элемента структуры, который называется инициатором и является предфракталом нулевого порядка. Далее над инициатором выполняют процедуру дробления, называемую генератором, при этом формируется предфрактал первого порядка. Затем ту же операцию последовательно повторяют над элементами, образующимися в процессе-генераторе для построения следующего предфрактала.

В настоящее время фрактальная теория распространена на объединения фрактальных множеств - мулътифракталы. Мультифрактал - это квазифрактальный объект с переменной фрактальной размерностью. Мультифрактальные модели более точно характеризуют природные объекты, процессы и используются для описания разнообразных процессов: броуновского движения, растущих структур, распределения галактик, реакций химической кинетики, физиологических процессов, роста городов и др.

Возникновение фрактальной геометрии привело к многочисленным попыткам рассматривать почву как предфрактал - иерархическое множество многоуровневых самоподобных или самоафинных структур, в которых каждый член иерархии данного уровня в чем-то подобен членам иерархии других уровней. Необходимым признаком принадлежности множества к предфракталам является определенный диапазон величин, в котором находятся так называемые фрактальные характеристики. Недавние достижения фрактальной теории позволили применить фрактальные параметры и количественно определять изменения, происходящие в почвенной структуре при - сельскохозяйственном использовании почв. Фракталы могут характеризовать как процессы почвенной агрегации, так и фрагментации. В случае фрактальной агрегации отдельности возникает степенная зависимость между ее массой и размером. При обработке почвы интенсивность фрагментации может быть определена при помощи фрактальных параметров: между числом фрагментов и их размером также возникает степенная зависимость, которая соответствует фрактальной теории. Взаимосвязь между фрактальными массовой и фрагментационной размерностями позволяет теоретически прогнозировать устойчивость почвенного агрегата (Eghball, В., и др., 1993; Globus A.M. 1998, Perfect E. и др., 1993; Perfect E., 1997; Rasiah V. и др., 1993;Rieu M., Sposito G., 1991; Turcotte D.L., 1986; Tyler S., 1992; Young, I.M., Crawford, J.W., 1991 и др.).

Глава 2. Объекты и методы исследования.

Объектом исследования являлись почвы различных угодий на обыкновенном черноземе заповедника «Каменная степь»: целинной степи, косимой степи и пашни, используемой в сельскохозяйственном производстве в течение 5, 40 и 100 последних лет, главным образом, в четырехпольном севообороте (зерновые и травы). Образцы отбирали из пахотного (корнеобитаемого) слоя с глубины 10-20 см согласно методике взятия почвенных образцов для определения механической прочности и водопрочности агрегатов. В лаборатории их сушили до воздушно-сухого состояния, а затем разделяли по фракциям на ситах. Для определения водопрочности почвенных агрегатов использован метод расплывания (Андрианов, 1947), основанный на подсчете зависимости количества распавшихся агрегатов, находящихся в спокойной воде, от времени. Поскольку распад агрегатов при их взаимодействии с водой является

случайным процессом, было решено усовершенствовать данную методику путем наблюдения за временной эволюцией ансамбля почвенных агрегатов с целью получения количественных характеристик их устойчивости и информации о скорости процесса, вызывающего их разрушение. Обычно в каждом опыте следили за устойчивостью 120-150 агрегатов в течение 45 дней. Через определенные промежутки времени подсчитывали количество распавшихся агрегатов.

Плотность агрегатов каждой фракции определяли, исходя из данных о плотности твердой фазы почвенного образца и его пористости по методу, приведенному в Методическом руководстве по изучению почвенной структуры (ред. Ревут И.Б. и Роде А.А., 1969). Массовую фрактальную размерность определяли согласно (Young and Crawford, 1991) по зависимости массы агрегата от размера из уравнения: соответственно

массовая фрактальная размерность и фрактальный параметр.

Массовую фрактальную размерность находили двумя методами (Гончаров, 1999), а фрагментационную фрактальную размерность - из соотношения между количеством фрагментов каждой фракции, их размером и плотностью (Rieu M., Sposito G., 1991).

В главе приведено описание почв Каменной степи.

Экспериментальные данные приведены в виде средних значений и стандартных ошибок их определений, которые получали и сравнивали с помощью компьютерных статистических программ. Существенность различий устанавливалась при уровнях значимости, не превышающих 0,05.

Глава 3. Влияние обработки на пористость макроагрегатов.

3.1. Изменение пористости агрегатов при обработке почв.

Понятие пористости является важнейшим для количественной оценки структурного и водно-воздушного состояния почвы. Поры служат резервуаром для почвенного раствора и воздуха, обуславливают возможность и характер передвижения газов и влаги, влияют на теплообмен в почвенной массе, являются ареной жизнедеятельности корней, микрофлоры и фауны. Строение почвенных агрегатов и порового пространства почв взаимосвязаны, поэтому по изменениям объема пор макроагрегатов почвы можно предсказывать изменения структурного состояния почвы под влиянием различного рода воздействий. В результате сельскохозяйственного использования почв происходят изменения пористости макроагрегатов, связанные с влиянием антропогенной нагрузки на почву.

Результаты анализов подтвердили хорошо известный факт увеличения плотности и уменьшения пористости агрегатов с уменьшением их среднего радиуса. Вслед за работой (Шеин Е.В., Березин П.Н., Гудима И.И, 1988) пористость агрегатов размером 5-7 и 2-3 мм, мы считали соответственно, крупноагрегатной и текстурной, а их разницу -пористостью внутриагрегатной трещиноватости. В ходе выполнения работы установили, что текстурная пористость уменьшается, а крупноагрегатная возрастает, и потому внутриагрегатная трещиноватость тоже возрастает при увеличении длительности землепользования. Результаты исследования (табл. 1) позволяют сделать вывод о достоверно значимом увеличении пористости по мере роста размера агрегатов (рис.1, приведенные графики получены сплайн-сглаживанием). Наименьшая величина текстурной пористости в случае пашни 100-летнего возраста указывает на наибольшее изменение почвенной структуры, произошедшие за данный период антропогенного воздействия и на развитие процессов заплывания почвы. Текстурная пористость макроагрегатов этой пашни значительно изменилась по сравнения с целиной. Наибольшее значение внутриагрегатной трещиноватости достигается в макроагрегатах 100-летней пашни. Проведенный с использованием t-критерия и критерия Колмогорова-Смирнова анализ пористости агрегатов (от фракций 2-3 до 7-10 мм) с учетом объема выборки (приблизительно 150 агрегатов для каждого образца) позволил сделать вывод о статистически достоверном (при уровне значимости не более 0.05) различии агрегатной пористости. Достоверное различие по пористости выявлено как между образцами почв, так и между фракциями различного размера, в том числе, и для агрегатов фракций 2-3 и 5-7 мм.

Т-1-1-1-1-1--MM

1-2 2-3 5-7

Рис.1 Зависимость пористости (P) агрегатов от их размера для различных образцов •чернозема обыкновенного: 1 — целина; 3 - косимая степь; 4,5 - пашня 5 и 100 летнего возраста.

Log (Р%)

0.0 0.4 0.8

Рис.1а Зависимость логарифма пористости (Log Р) агрегатов от логарифма их размера d для различных образцов чернозема обыкновенного: 1 — целина; 3 - косимая степь; 4,5 - пашня 5- и 100-летнего возраста.

Сопоставимые результаты по изменению пористости агрегатов получены в работе (Шеина Е.В. и др.,1988) на другой почве чернозема обыкновенного (Молдавия). Это подтверждает общую закономерность изменения пористости агрегатов в исследованных почвах при воздействиях агротехнологического характера.

Как видно из табл. 1, внутриагрегатная трещиноватость существенно возрастает с возрастом пашни. Основной причиной этого, повидиму, является уменьшение органического вещества в исследуемой. почве с продолжительностью обработки. В условиях дегумификации, в крупноагегатной пористости возрастает доля мелких трещин и каверн, образующихся, вероятно, вследствие процессов набухания-усадки структурных отдельностей. Органическое вещество

почвы сужает диапазон этих процессов и наиболее сильно стабилизирует почвенную структуру в угодьях целины, и косимой степи, так как достигает там своего максимального

Таблица 1. Пористость агрегатов различного размера.

№ образца Размер агрегатов, мм

7-10 5-7 3-5 2-3 1-2

1-целина 0,33 ±0,04 0,31 ±0,04 0,28 ± 0,04 0,28 ±0,04 0,24 ±0,02

3-косимая степь 0,35 ±0,05 0,32 ±0,05 0,28 ±0,04 0,24 ±0,03

4-пашня 5 лет распашки 0,34 ±0,04 0,34 ±0,03 0,28 ±0,04 0,27 ±0,04 0,22 ±0,02

5- пашня 100 лет распашки 0,43 ±0,04 0,40 ±0,05 0,27 ±0,05 0,24 ±0,05 0,23 ±0,01

содержания по данным (Балашов Е.В, 1999).

Установлено, что большинство гистограмм распределения макроагрегатов по пористости в различных угодьях исследованной почвы может быть аппроксимировано нормальной, и логнормальной функциями распределения. Для фракции 3-5 мм образца косимой степи, в гистограмме распределения, которая может рассматриваться как исключение, четко

20 30 40 50

Рис.2 Гистограмма распределения макроагрегатов по пористости. 3' образец - косимая • степь (фракция 3-5 мм).

прослеживается бимодальность распределения, связанная с наличием достаточно крупных пор (рис.2). Данное распределение, хорошо аппроксимируется суммой двух нормальных распределений, при этом огибающая кривая проведена с учетом весового соотношения различных классов пор при бимодальности. Наличие • второго максимума этой зависимости, относящегося к существованию макроагрегатов с высокой пористостью, может быть объяснено интенсификацией развития корневых систем при скашивании трав, проникновением корней внутрь макроагрегатов с последующей их микробной минерализацией.

3.2Определение зависимости плотности агрегата от его объема внутри отдельной фракции.

При условии нормального распределения плотности р1 агрегата и его объема V , в отдельно взятой фракции макроагрегатов двумерное нормальное распределение задается формулой:

где пять параметров - математические ожидания , дисперсии - а' (р),а' (У) и

коэффициент корреляции Г — г(р,У)- задают это распределение.

Двумерная нормальная функция плотности вероятности, определяющая совместную плотность вероятности двух случайных величин - рУ, также может быть представлена в следующем виде:

ДаП --!-¡-ехр{-^(х - Му С"'(* - /1)\,

2л\(1(ЛС\г 1 1

где С-определитель соответствующей ковариационной матрицы; С"1 - обратная ковариационная матрица С"' =С/Уе( С; С - матрица, сопряженная матрице С;

3.2.1а

Степень, рассеяния, случайных величин- рможет характеризоваться площадью, ограниченной эллипсом, соответствующим определенной вероятности попадания произвольного агрегата данной фракции с известной плотностью и объемом внутрь эллипса рассеяния. Линии регрессии уО И V, Кир проходят через точку с координатами > которая

одновременно является, точкой их пересечения и центром эллипса рассеяния,- Значение коэффициента корреляции, рассчитанное, по экспериментальным данным для фракции 3-5 мм образца целины, составило г(р,К)=-0,389. Несмотря на сравнительно малое значение этого

коэффициента, в данном случае можно сделать статистический вывод, с использованием /критерия и непараметрических критериев, доказывающий, что между плотностью агрегата и его объемом существует отрицательная корреляционная связь. Таким образом, мы экспериментально показали, что известная зависимость между плотностью (пористостью) фракции агрегатов и их объемом, существует и внутри фракции. Параметры, характеризующие внутрифракционную зависимость между плотностью и объемом - необходимы, для моделирования (генерирования) множества почвенных агрегатов с заданной взаимосвязью между этими величинами.

3.3 Сравнение двух методов определения плотности почвенных агрегатов.

В настоящее время, благодаря применению компьютерных анализаторов изображения, открываются новые возможности при исследовании порового пространства почв, агрегатов и почвенной структуры. В ходе выполнения работы помимо измерения плотности агрегатов общепринятым методом, их плотность была определена с помощью системы цифровой обработки изображения. Эксперимент состоял в сравнении плотностей агрегатов целинной и пахотных почв, определенных двумя методами. Плотность агрегатов целины рассматривали как исходную,

при сравнении с агрегатами пашни. Исследованиями выявлены изменения плотности структурных отдельностей, и произведено сравнение данных метода компьютерного анализа изучения плотности почвенных. агрегатов (далее метод I), с данными общепринятого для определения плотности метода насыщения агрегатов неполярной жидкостью (керосином) (метод II). На основе экспериментальных данных найдены уравнения регрессий, связывающие тренды изменения плотности макроагрегатов с длительностью обработки

В соответствие с методом I предварительно взвешенные агрегаты снимали телекамерой, и полученное изображение анализировали специальной программой, определяющей радиус агрегата. Плотность /-того агрегата /^определяли, исходя из данных о его массе А/„ и объеме, который вычислили по радиусу, считая агрегат шаром радиуса

Средняя плотность и агрегатов фракции соответствовала: Р = ~/.Р,

п »1

3.3.2

Поскольку в этих исследованиях для каждого метода использовали другие агрегаты, оставалось допустить (с учетом больших выборок), что агрегаты использованные в каждом принадлежали одной генеральной совокупности.

На рис. 3 представлены графики (построенные сплайн-сглаживанием) изменения плотности агрегатов, полученные двумя методами, а также изменение плотности твердой фазы образцов почвы от длительности распашки.

Рис. 3 Изменение относительной плотности твердой фазы почвы - ТФ, плотности макроагрегатов фракций 2-3 и 3-5 мм -1 2-Змм, 13-5мм, П2-Змм, II 3-5мм, измеренных I и II методами, под влиянием распашки.

Как видно из рис.3, метод I смещен относительно другого, т.е. дает в среднем более высокие значения плотности агрегатов, чем метод И. Для решения вопроса об оценках этого смещения применен непараметрический критерий Вилкоксона. Результаты статистического анализа экспериментальных данных, позволяют сделать вывод о достоверно значимом (при уровне значимости а = 0,04 ), хотя и небольшом смещении.

Причина такого смещения, вероятно, связана с ошибками физического метода определения плотности агрегатов. Сопоставление морфометрического метода измерения площади пор в шлифах и определение пористости на капилляриметре (Скворцрва Е.Б.,1999, Ismail, 1975, Bullock and Thomasson, 1979 и др.) показывает, что физический метод по сравнению с морфометрическим методом имеет тенденцию к завышению объема тонких пор и занижению грубой пористости. Такое завышение объема тонких пор приводит к более низким оценкам значений плотности агрегатов, определяемых физическим методом, что и обнаружено в результате выполнения наших экспериментов. Метод I, приведенный в нашей работе, и близкий к нему метод морфометрии, а также метод определения пористости на капилляриметре основаны на разных подходах, имеют разные ограничения, что приводит к смещению результатов экспериментов. Данные методы взаимно дополняют друг друга, позволяя изучать поровое пространство в широком диапазоне размеров пор.

Оценка связи между двумя методами измерения была проведена с использованием коэффициента корреляции Спирмена и коэффициента согласованности Кендалла. Вычисленные значения коэффициента корреляции Спирмена J?s=0,886, коэффициента согласованности доказали существование линейной связи между двумя методами при уровне значимости (<* = 0,05) и (а = 0,04), соответственно. Выбор уровня значимости критерия а определяет способность отделить гипотезу (выдвинутую гипотезу о линейной связи) от противоположного предположения. Поэтому очевидное преимущество - за коэффициентом согласованности, поскольку ошибка первого рода при этом - наименьшая.

Найдены регрессионные зависимости, отражающие временные тренды плотности макроагрегатов. Для метода I такая зависимость плотности агрегатов фракций 2-3 и 3-5 мм имеет выраженный нелинейный (экспоненциальный) трецд, с коэффициентами детерминации ^=0,99, соответственно:

Для метода II временные тренды плотностей твердой фазы почвы, агрегатов лучше описываются уравнениями линейной регрессии:

где Дц bi параметры регрессионных уравнений (табл. 2), a t - длительность обработки.

Таблица 2 Параметры и коэффициенты детерминации уравнений 3.33 м 33.4

Метод измерения. плотности Уравнение регрессия Параметры уравнений

Агрегаты 2-3 мм Агрегаты 3-5 мм

а Ь R' а Ь R2

I А =I+a,(l-exp(-blt)) Ро 0,15 0,08 0,99 0,07 0,03 0,96

II — =а2 + b2t А 1,86 1,910° 0,99 1,85 1,2* 10° 0,996

*) параметры линейного временного тренда плотности твердой фазы составляют

а= 2,57 ,Ь=1,33*1(Т3.

Линейный тренд метода II имеет временную верхнюю границу, и определен в рассмотренном 100-летнем интервале, иначе зависимость 3.3.4 приводит к неограниченным значениям плотности при больших значениях времени обработки. Источниками ошибок в данном случае могут быть: предположение о линейности рассматриваемой зависимости, так как при

небольшом числе наблюдений (всего 4) ее параметры могут быть оценены неточно; сравнительно малый 100-летний- интервал длительности, при котором экспоненциальный тренд аппроксимируется линейным. К преимуществам метода I следует отнести сравнительную простоту и скорость. Следует отметить, что по анализу проекции агрегата, нельзя получить точные значения его объема, а вследствие этого - определить абсолютные значения плотности макроагрегатов. Этот метод определяет лишь плотность агрегатов данного угодья по отношению к агрегатам целинного образца.

Глава 4. Влияние обработки на водопрочность и набухание макроагрегатов чернозема обыкновенного.

4.1. Динамика водопрочности агрегатов и ее изменение при сельскохозяйственном использовании

Результаты исследования водопрочности макроагрегатов характеризуют данные, которые указывают на связь вероятности распада с размером агрегатов. Распад агрегатов практически не наблюдался в первые сутки. Водопрочность нарушается со временем, что выражается в снижении доли неразрушенных агрегатов с течением времени (табл. 3). Между тем, в соответствии с общепринятой методикой их можно было бы считать водопрочными вне зависимости от продолжительности сельскохозяйственного использования почв.

Зависимости числа макроагрегатов п, распавшихся к моменту времени t, с большой степенью точности соответствует следующая нелинейная регрессионная модель, имеющая вид:

где П„, - предельное число распавшихся агрегатов при I —>оо, соответственно, к - величина, характеризующая скорость распада.

Доля частиц р, распавшихся ко времени t, определятся отношением числа распавшихся

частиц к общему числу частиц а отношение предельного числа распавшихся

агрегатов при к общему числу агрегатов, подвергшихся воздействию воды, определяет

предельную долю распавшихся макроагрегатов: рв =—=-„' Уравнение (4.1.1), определяющее

кинетику распада можно представить в виде:

После логарифмирования выражения 4.1.2 получается линейное уравнение относительно /, тангенс угла наклона которого определяет параметр к. Параметры уравнения (4.1.2.):

рассчитанные значения. величин и к приведены в табл. 4, а значения доли частиц р,

распавшихся ко времени / (по данным эксперимента) - в табл. 3.

Зависимость (4.1.1) для агрегатов пашни 100 лет землепользования с размерами 2-3 мм, представлена на (рис.4). Она содержит два неизвестных параметра: И» и к, которые находятся как параметры регрессионного уравнения. Для нахождения этих неизвестных параметров использовали метод нахождения линейного регрессионного уравнения при помощи статистического программного продукта, позволяющего рассчитывать соответствующие значения, обеспечивающие минимум суммы среднеквадратичных отклонений экспериментальных

точек от теоретической модели (4.1.2), и оценивать погрешность расчета. Необходимо отметить, что при подобном способе получения и обработки экспериментальных данных, в отличие от общепринятого метода мокрого рассева, предполагающего выражение водопрочности в виде отношения числа сохранившихся агрегатов к их общему количеству, удается найти не только предельное число распавшихся, агрегатов, но и сопоставить водопрочности конкретную физическую величину. Этой величиной является среднестатистическое время существования агрегатов определяемое как

Образцы, отобранные с косимой и с некосимой степи (целины), характеризуются высокой водопрочностью агрегатов. При этом распад следует рассматривать как редкое событие, и расчет на основании малого объема выборки приводит к большим ошибкам при определении параметров нелинейного регрессионного уравнения. Для более точного их нахождения в этих случаях необходимо исследовать водопрочность большого количества агрегатов. Наименьшая погрешность результатов расчета свойственна агрегатам, взятым из почвы, характеризующейся большой длительностью сельскохозяйственного использования и относительно низкой водопрочностью агрегатов. Вследствие этого выборка экспериментальных значений, характеризующих распад агрегатов, становится достаточной и обеспечивает большую точность определения параметров уравнения (4.1.1). Например, для агрегатов размерами 2-3 мм пашни 100 летнего возраста (см. табл.4) коэффициент детерминации, интегрально характеризующий точностные свойства уравнения регрессии (4.1.1) достигает максимального значения из всех вычисленных - R =0.996.

Распад почвенного агрегата связан с движением воды внутрь агрегата, наличием защемленного воздуха, набуханием и диспергацией.

Набухание- агрегата, может- быть результатом внутрикристаллического и/или внекристаллического поступления воды. Непосредственной причиной, приводящей к распаду агрегатов при взаимодействии с водой, являются внутренние напряжения, возникающие в зазорах между первичными почвенными частицами. При увлажнении агрегата под давлением воды воздух проникает во внутренние поры и совершает работу против сил сцепления почвенной частицы. Чем быстрее проходит фронт увлажнения в макроагрегате, тем выше давление защемленного воздуха, способное привести к разрушению агрегата.

За счет неравенства химического потенциала воды внутри и вне агрегатов, вода поступает в агрегат, проникает в зоны контакта микроагрегатов, а также первичных частиц, что приводит сначала к набуханию, а затем и последующей диспергации (разрушению) агрегатов. Таким образом, с одной стороны, наблюдается увеличение объема макроагрегатов. С другой стороны, внутренние напряжения вызывают изменение структуры порового пространства макроагрегатов. Повидиму, поры макроагрегата, интегральной характеристикой которой является пористость, обеспечивают их буферность по отношению к внутренним напряжениям, вызванным набуханием. Зависимость водопрочности от длительности сельскохозяйственного использования почвы, а также различие в водопрочности агрегатов на залежи и косимой степи, вероятно, связаны, главным образом, с микробиологической минерализацией, корневых и пожнивных остатков, которая особенно интенсивно осуществляется в первые два-три года после распашки степи. Образующиеся при этом поры, определяют возможность релаксации напряжений, возникающих в агрегатах при их набухании, и тем самым способствуют большей водопрочности.

4.2 Влияние возраста пашни на набухание обыкновенного чернозема и его

макроагрегатов.

Большинство почв обладает способностью к усадке-набуханию, т.е. их объем изменяется при изменении влажности. То же относится и к отдельному почвенному агрегату. В агрегированных почвах почвенный комок, в основном, сохраняет свою форму, размер и степень контакта с окружающими агрегатами. По мере потери почвой своей структуры, агрегат теряет эти свойства, а его масса пополняет бесструктурную почву. Свойства отдельного

Таблица 3 Доля агрегатов (р--), распавшихся за определенное время, для различных

угодий.__

Время, Доля распавшихся макроагрегатов р

сутки 3-5 мм 2-3 мм

Целина Косимая пашня 100 Целина Косимая Пашня 100

степь лет степь лет

0 0 0,007 0 0 0 0

1 0 0,014 0,021 0 0 0,017

2 0 0,014 0,029 0 0 0,026

3 0 0,014 0,029 0 0 0,035

7 0 0,014 0,036 0 0 0,061

8 0,007 0,014 0,036 0 0 0,078

9 0,007 0,014 0,043 0 0 0,087

10 0,007 0,014 0,043 0 0,008 0,096

13 0,007 0,014 0,043 0 0,015 0,104

14 0,007 0,014 0,043 0 0,015 0,122

15 0,007 0,014 0,043 0 0,023 0,130

22 - 0,014 0,014 0,057 0 0,031 0,174

32 0,014 0,014 0,071 0 0,031 0,209

43 0,021 0,014 0,106 0,008 0,031 0,261

45 0,021 0,014 0,114 0,008 0,031 0,270

Таблица 4. Параметры уравнения 4.1.2, характеризующего водопрочность агрегатов во времени.

Размеры агрегатов "о -к, 1/сутки /\ сутки R2, коэф. детерминации

3-5 мм 0.06±0.04 целина 0.01±0,01 1001100 0,94-

2-3 мм 0.05±0.03 косимая степь 0,0510,03 20110 0,82

3-5 мм 2-3 мм 0.14±0.03 0.3710.03 пашня 100 лет 0.03Ю.01 0.029Ю.002 33110 3412 0,83 0,996

I

10

Рис. 4а Зависимость 4.1.2, определяющая кинетику распада агрегатов при их взаимодействии с водой от времени, в полулогарифмическом масштабе. Размер агрегатов 2-3 мм; 100- летний период сельскохозяйственного использования почвы.

почвенного агрегата, как и почвы, отражают влияние почвообразовательного процесса и характера землепользования. Кинетику трехмерного набухания агрегата (в предположении его сферичности) определяли путем записи его изображения через определенные промежутки времени. Изображения набухающих агрегатов анализировали с применением программных средств. При этом определяли радиусы макроагрегатов, рассчитанные из площади проекции каждого агрегата, как функцию времени набухания. Их степень набухания МА рассчитывали из выражения:

Мл =-

4.2.1

где Ло И Я(1) -радиусы макроагрегата в начальный момент и при времени /, соответственно.

Изучение кинетики одномерного набухания пахотного слоя почв проводили на приборе ПНГ по методу Васильева. Степень набухания почв характеризовали соотношением:

.Я(0-Я0

я„

4.2.2

где Н0 И Н(Т) - высота почвенного образца в начальный момент и при времени /, соответственно.

Зависимости степени набухания агрегатев и почвенных образцов от времени могут быть представлены в виде уравнений:

мл= MAaa(l-exp(-XAt)) Ms = Л/500 (I - ехр(- Я ¡¡0),

4.2.3

4.2.4

где - соответствующие предельные степени набухания, а величины

характеризуют скорость процесса.

Параметры уравнений 4.2.3 и 4.2.4, для исследованных почвенных образцов представлены в табл.5. Коэффициенты корреляции экспериментальных и теоретических зависимостей были весьма высоки и для всех случаев превышали 0.9. Анализ данных, представленных в табл.5, а также их сопоставление их с результатами исследования пористости и водопрочности агрегатов позволяет сделать следующие выводы.

Набухание почвенных агрегатов и почв особенно интенсивно происходит в первые минуты и десятки минут. Эти времена отвечают скоростям поглощения воды на начальной стадии гидратации. Именно на этой стадии* возникают наибольшие напряжения в агрегатах,. обусловленные, набуханием. Вместе с тем, разрушение агрегатов при взаимодействии с водой характеризуется более продолжительными промежутками времен, составляющимя порядок десяти дней, т.е. соответствуют медленной стадии набухания и поглощения влаги.

Таблица 5 Параметры уравнений 4.23, 4.2.4 для почв, характеризующихся различной продолжительностью сельскохозяйственного: использования» и процентное- содержание

Почвенные образцы Целины Косимая степь Пашня 100 лет

М,«, 0,23 ±0,03 0,20 ±0,05 0,35 ±0,10

Ms«, 0Д35± 0,002 0,239±0,002 0,163±0,001

0,031±0.003 0,05±0.03 0,04±0.03

0,014+0.001 0.016±0.002 0,016±0.002

Nw'> 21,8 13,6 44,2

Данные о содержании неводопрочных агрегатов Nw* определены в работе (Романов И.А., 1999)

Предельная степень набухания агрегатов зависела от продолжительности сельскохозяйственного использования почв, и для столетней пашни она была наибольшей. Следует отметить, что значения предельной степени набухания агрегатов - Ai««> и водопрочность в исследованных образцах хорошо коррелируют друг с другом, с коэффициентом корреляции между МАа> И Nw* (содержанием неводопрочных агрегатов) 0,997 (при стандартной ошибке определения SE=0,01). Сравнительно небольшое набухание водопрочных агрегатов целины в сумме приводит к заметному одномерному набуханию почвенной колонки, тогда как агрегаты старопашки, обладающие наименьшей водопрочностью при одномерном набухании, разрушаются, заполняя макро - и мезопоры, благодаря чему толщина образца набухающей почвы изменяется меньше.

Глава 5. Изменение фрактальных параметров, характеризующих агрегацию почвенных частиц и структуру почвы, под влиянием обработки.

5.1. Влияние длительностираспашкинамассовую фрактальнуюразмерность и плотностьмакроагрегатов обыкновенного чернозема.

Почвенные частицы обладают характерным минимальным размером -радиусом почвенной частицы, являющейся мономером. Тогда объем агрегата будет представлять собой кластер -упаковку таких сфер, радиус которых есть мономер для данной структурной отдельности. Размер агрегата оценивается по радиусу R наименьшей сферы, содержащей внутри себя кластер. Между числом частиц - N (мономеров), составляющих агрегат с размером R, при /V .стремящимся к бесконечности, существует соотношение:

При постоянной плотности твердой фазы, между массой отдельности и числом частиц ее

О.

"(f).

слагающих (M—k„,N), соотношение 5.1.1 можно представить в виде М "" ^ | > тогда

согласно (Young and Crawford, 1991) зависимость массы агрегата от размера характеризуется уравнением:

где 0„ и кт соответственно массовая (кластерная) фрактальная размерность и фрактальный параметр. Размерность кластера не зависит ни от его формы, ни от типа упаковки в нем

частиц. Она лишь служит количественной характеристикой того, как кластер заполняет занимаемое им пространство.

Под влиянием различного рода воздействий почва распадается на структурные отдельности. Размер различных частиц и отдельностей в такой полидисперсной системе, как почва, изменяется от сотых долей миллиметра до нескольких сантиметров. Существование в почве частиц, размеры которых могут отличаться друг от друга на несколько порядков (соответственно массы данных частиц отличаются в еще большей степени), и их самоподобное строение в форме многоступенчатой агрегации позволили применить теорию фракталов к этим объектам.

Обработка почвы, изменяет как физические свойства макроагрегатов (в том числе, плотность), так и степень фрагментации почвы. Для установления зависимости между плотностью агрегата с одной стороны, его размером и влиянием длительности распашки с другой, применена фрактальная теория.

Макроагрегаты многих, в том числе, черноземных почв подчиняются фрактальным закономерностям (Глобус А.М. 1992,1997). Это, в частности, проявляется в характере зависимости пористости агрегатов черноземных почв от размера. Из уравнения 5.1.2, следует, что масса фрактального агрегата пропорциональна его объему Vв степени !Ут/3:

где Г)т массовая фрактальная размерность, принимающая необязательно целые значения в диапазоне 0 ^ /) 5 3 для объекта в трехмерном евклидовом пространстве, определение кт дано

выше. Из 5.1.2, следует уравнение для плотности агрегата Р^У)'-

В случае полностью сплошной сферической частицы Ря-3. Агрегаты с большим содержанием пор, имеют меньшую массовую фрактальную размерность. Чем больше массовая фрактальная размерность отличается от 3, тем сильнее зависимость плотности фрактального агрегата от объема. Таким образом, массовая фрактальная размерность может характеризовать изменения, возникающие при эволюции внутриагрегатной пористости, а соответственно происходящие и с объемной плотностью агрегатов в зависимости от его размера.

В ходе выполнения работы существовали две возможности для определения фрактальных параметров. Первая из них основана на использовании формулы 5.1.3. Проводя взвешивание воздушно-сухих макроагрегатов и макроагрегатов, насыщенных керосином, находя их объем, из уравнения можно рассчитать фрактальную размерность и фрактальный параметр

Второй метод определения фрактальной размерности предполагает нахождение массы воздушно-сухих макроагрегатов, измерение их размера путем анализа изображений и основан на использовании формулы 5.1.2. В соответствии со второй методикой, с использованием микроскопа и телеокамеры получали изображения предварительно взвешенных агрегатов и анализировали их программными средствами. Определяли средний радиус агрегатов и фактор формы, учитывающий степень сферичности. Фактор формы, найденный для различных образцов исследованной почвы, оказался практически одинаковым и равным 0.92.

По экспериментальным данным получены регрессионные уравнения вида 5.1.2 и 5.1.3. Найденные параметры и степень корреляции этих уравнений приведены в таблице 6 и таблице 7, соответственно. На рис.5 в качестве примера для одного из классов агрегатов представлена зависимость М(К) массы агрегатов от их радиусов и аппроксимирующей модели на основе уравнения 5.1.2. Величины радиусов-/? находили путем анализа изображений. На рис.6 также в качестве примера построена зависимость М(У) на основании данных о массе воздушно- сухих агрегатов и их объемов и модели в виде уравнения 5.1.3. Аналогичные зависимости М(К), М(У) получены и для других образцов. Соответствующие фрактальные размерности, рассчитанные как параметры регрессионных уравнений 5.1.2 и 5.1.3 для образцов целины, косимой степи, пашни 5 лет и пашни 100 лет, приведены в табл.8.

Значения Д приведенные в таблицах 6 и 7, находятся в диапазоне, предписываемом теорией фракталов, что является. одним. из аргументов в пользу фрактальной природы почвенной структуры. Как следует из результатов сопоставления, второй способ определения приводит к более низким значениям фрактальной размерности, при которой должна обнаруживаться сильная зависимость пористости от размера агрегатов. Однако, в экспериментах, проведенных с использованием метода взвешивания в керосине, .подобная зависимость не является столь сильной. Такое отличие, вероятно, связано с систематической ошибкой измерений при анализе изображений. вследствие определенного расположения анизодиаметричных макроагрегатов на

1д М(г)

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5

Рнс.5 Зависимость логарифма массы агрегатов от логарифма их радиуса (радиусы найдены путем анализа изображений). Косимая степь.

М, г

0.6—1

0.0- 0.1 0.2 0.3 0.4

Рис.6 Зависимость массы агрегатов М от объема И, измеренного

путем их взвешивания в воздушно-сухом состоянии и насыщения керосином (пашня 5 лет землепользования).

подложке, при котором их центры тяжести стремятся занять максимально низкое положение из всех возможных, т.е. имеет место систематическое увеличение эффективного радиуса. Поэтому расчеты, проведенные с использованием определенных методом анализа изображения величин эффективного радиуса, приводят к получению заниженных значений фрактальной размерности. Представляется очевидным, что по анализу двухмерного объекта (каким является проекция агрегата) без данных об изменении площади сечения с высотой объекта нельзя получить точные значения его радиуса или объема. Результаты определения фрактальной размерности, найденные первым методом, практически совпадают с фрактальными размерностями, рассчитанными на основе зависимостей плотности агрегатов чернозема обыкновенного от их размера, приведенными

в литературе, а коэффициенты. корреляции представленные в табл. 7, интегрально характеризующие точностные свойства уравнений регрессии (5.1.3), показывают их высокое соответствие экспериментальным значениям.

Таблица 8 Массовая фрактальная размерность агрегатов черноземной почвы, определенная методом !шаге-анализа и путем взвешивания насыщенных керосином агрегатов._

Метод

Определения

1-целина

3-косимая степь

4-пашня 5 лет.

5-пашня 100 лет

1 -метод

2.94 ±0.01

2.9410.01

2.92±0.01

2.80 ±0.01

Анализ изображений .

2.51 ±0.03

2.87±0.03

2.51 ±0.04

5.2 Эволюция фрактальных параметров и плотности агрегатов, связанная с длительностью обработки.

Как следует из результатов, табл.7, максимальное значение массовой фрактальной размерности имеют агрегаты целины, не подвергшиеся воздействию сельскохозяйственной обработки, и агрегаты косимой степи, испытавшие минимальное воздействие на почвенную структуру, связанное с антропогенной деятельность. Для агрегатов других исследованных угодий значение массовой фрактальной размерности уменьшается по мере увеличения длительности распашки . черноземной почвы. Отмеченная, закономерность такого изменения величины 0„ связана с характерной эволюцией пористости агрегатов. по мере увеличения длительности распашки, механизм которой был рассмотрен в главе 3.'

Изменению экспериментально найденных величин фрактальной размерности -связанному с длительностью землепользования, лучше всего соответствует нелинейное регрессионное уравнение, определяющее эволюцию массовой фрактальной размерности, имеющее вид:

А. =£>щ -а,(1-ехр(-г>0)

5.2.1-

где D^ - фрактальная размерность целинного образца, а и b - параметры регрессионного

уравнения, / - длительность распашки. Параметры нелинейного регрессионного уравнения. определенные при помощи статистической программы методом наименьших квадратов, приведены в табл. 9. Коэффициент детерминации уравнения 5.2.1 для приведенных данных -iP—l. Соответствующая зависимость представлена на рис.7.

Заметим, что согласно уравнению 5.2.1 величина Dm имеет предельное значение при /-+«>

limD.

равное: . =D —а.,

/-»оо

вероятно, обусловленное процессами агрегации структурной отдельности в данной почве.

Значение величины кт - по данным табл.7 возрастает по мере увеличения возраста пашни и также имеет свое предельное значение при поскольку, не может превзойти массу

сложения, состоящего из элементарных почвенных частиц (ограничение связанное с плотностью сложения ЭПЧ). Кроме этого, ограничение ктпредельным значением:

ИшАг, / ->• оо ~

связано с процессами разуплотнения почвы и агрегатов. Соответствующее нелинейное регрессионное уравнение (приведено на рис.9) с лучшей степенью соответствия данным табл.7 найдено, вышеприведенным способом, имеет вид:

где - фрактальный • параметр целинного образца, а2 И Ь^ - параметры регрессионного уравнения, Ь длительность распашки. Параметры й2, Ь2, к^ - приведены в табл. 9. Вид зависимости 5.2.2 совпадает с видом зависимости 3.3.3, выражающей эволюцию агрегатной плотности и определенной другим независимым способом (при помощи компьютерного анализа изображения), это позволяет сделать вывод о правильной оценке тренда

Релаксационные времена в зависимостях 5.2.1 и 5.2.2 , отражающие изменения массовой фрактальной размерности, к„ с возрастом пашни, определяли как

/ = - 1/Ь„ где - параметры вышеуказанных зависимостей. Данные времена, составляют несколько десятков лет и также приведены в таблице 9.

С учетом регрессионных моделей 5.2.1 и 5.2.2 уравнение 5.1.4 преобразуется в уравнение 5.2.3, определяющего зависимость плотности макроагрегата от его объема и возраста пашни:

Таблица 9 Значения параметров уравнений 5.2.1.5.2.2

Вид уравнения

Параметры

Л/

Ь,

Параметры

Предельное Значение

А. Л

rг

коэф. детерм.

А.=Ач-я,0-ехрН>0)

0,149

0,029

'2,94

2.79

1

2,59

0,018

4,46

7.05

5.3Определение фрагментационной фрактальнойразмерности..

В почвенной среде происходят процессы приводящие к разделению почвенной массы на структурные отдельности в результате приложения внешних сил. Главным воздействием на почвенную структуру является механическое воздействие почвообрабатывающих орудий, способствующее распаду почвенной массы на отдельные фрагменты, - т.е. сельскохозяйственная деятельность. Возникает необходимость нахождения таких параметров, которые способны выявить изменения, происходящие с почвенной структурой под влиянием антропогенной деятельности, и количественно их оценить. Недавние достижения фрактальной теории позволили применить такой параметр, как фрагментационная фрактальная размерность Фракталы

(Тигсойе,1989) могут быть использованы для характеристики почвенной фрагментации, вызванной сельхозобработкой.

где N - кумулятивное количество фрагментов размером больших, чем /, а Ау- фрактальный параметр, - фрагментационная фрактальная размерность, определяющая степень почвенной фрагментации. Чем больше значение Х)^, тем больше фрагментация. Найденные величины приведены в табл.10. Наименьшее значение фрактальной размерности у образцов целины и пашни 5 лет, а наибольшее - в образце пашни 100 лет распашки. Низкая величина Добычно связана с преобладанием в образце агрегатов большого размера, а наибольшее значение - с преобладанием меньших агрегатов.

Табл.10 Значения параметров уравнения 53.1 N = кг1 .

Почвенные образцы Фрактальная kf - параметр Коэффициент

размерность D, детерминации В?

целина 2.7 1.9 0.92

пашня 5 лет распашки 2.8 1.9 0.96

пашня 100 лет распашки 3.2 2.4 0.99

Как и предсказано фрактальной теорией (Perfect Е.,1993), устанавливающей зависимость

между фрактальными размерностями в виде:

(где Р -вероятность распада агрегата 21, а 6-масштабный фактор), для образцов целины и пашни 5 лет, полученные значения фрагментационной фрактальной размерности меньше чем

величины массовой фрактальной размерности йт (0/<0т). З н а ч е н^еИ: ходит за пределы значений интервала определенного фрактальной теорией, такое превышение

нередко наблюдается в работах, относящихся к структурному составу почв, и объяснялось в этих исследованиях ошибкой предположения об инвариантности агрегатной плотности. Однако изменение плотности агрегатов в данной работе было учтено. Объяснение этому факту дано в

рамках мультифрактальной модели почвенной фрагментации, в которой почвенная среда представлена разными фракталами. Другая интерпретация значений Of>3 связывается с ошибками эксперимента, оценочной модели и их совместным влиянием.

В работе (Глобус А.М., Туленинова О.К.,2000), поверхность твердой фазы образцов черноземной почвы рассматривается как фрактал. Сравнение полученных в этой работе другим методом значений фрактальной размерности для образцов целины (D=2.76) и пашни 5 лет распашки (Z)=2.52) той же самой черноземной почвы с данными табл.10 - позволяет сделать вывод о близости результатов. С учетом теоретического вывода в работе (Perfect и др., 1993), утверждающего, что в случае поверхностных фракталов достигается равенство величин поверхностной фрактальной размерности и фрагментационной фрактальной размерности {Df — D,) - проведение такого сопоставления полученных экспериментальных данных возможно. Результаты эксперимента свидетельствуют о возрастании величины £)^по мере увеличения длительности распашки. Проведение дополнительных исследований, вероятно, позволит дать более четкую дифференциацию значений для разных образцов черноземной почвы и

определить регрессионную модель, в которой изменение величины фрагментационной фрактальной размерности связано с влиянием возраста пашни.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования показали влияние возраста пахотного угодья на изменение фрактальных параметров, физических свойств почвенных агрегатов и почвенной структуры обыкновенного чернозема, являющейся важным фактором плодородия. Применение методов статистики, фрактальной теории и компьютерного анализа изображения позволило

изменения, происходящие в структурных агрегатах, почве при истенсивномид^шш^йшее развитие примененных экспериментальных методов и фрактальных моделей окажется полезным для других физических свойств и типов почв.

ВЫВОДЫ

1. Распределение по пористости (плотности) макроагрегатов разных фракций в черноземе обыкновенном разных угодий со значительно различающимся возрастом обработки весьма точно аппроксимируются нормальным и логнормальным распределениями. Пористость данных макроагрегатов зависит от их размера и длительности обработки. Совместная плотность вероятности двух случайных величин - пористости агрегата и его объема - внутри фракции характеризуется двумерной функцией распределения.

2. Водопрочность, плотность, набухание макроагрегатов чернозема обыкновенного связаны с длительностью обработки. Агрегаты целинной почвы характеризуются значительной водопрочностью, текстурной пористостью и малым набуханием. С увеличением возраста пашни происходит уменьшение водопрочности, текстурной пористости и увеличение набухания агрегатов. Агрегаты, имеющие меньшее набухание - более водопрочные.

3. Фрактальные зависимости определяются двумя величинами: фрактальным параметром (кт или Лу) и фрактальной размерностью (£>, ИЛИ ). Эти величины чувствительны к длительности обработки пашни и могут характеризовать как агрегацию структурных элементов черноземной почвы, так и ее фрагментацию. Массовая фрактальная размерность £>„ уменьшается по мере увеличения длительности распашки почвы, что связывается с возрастанием рыхлости агрегатов. Величина возрастает с увеличением длительности землепользования и достигает максимального значения в пашне 100 лет распашки. Релаксационные времена в кинетике изменения фрактальной размерности и фрактального

параметра связанные с продолжительностью обработки, составляют несколько десятков лет. Установлено возрастание фрагментационной фрактальной размерности по мере

увеличения длительности обработки, происходящее вследствие повышения доли мелких агрегатов в почве.

4. Наряду с определением параметров массовых фрактальных зависимостей и плотности агрегатов - компьютерный метод анализа изображений применен для измерения кинетики их набухания.

5. Измерение массы и объема индивидуальных агрегатов, входящих в выборки из каждой фракции - позволило определить величину массовой фрактальной размерности с большей точностью.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ:

1. Гончаров В.Д., Ковалева Д.А. Определение пористости почвенных агрегатов обычным методом и с помощью Image - анализа. Тезисы докладов Всероссийской молодежной научной конференции. -С.-Петербург, 1999 г. С.51-52.

2. Гончаров В.Д., Зотов К.В., и др.. Изучение набухания и водопрочности агрегатов в связи с проблемой прогнозирования равновесной плотности корнеобитаемого слоя почв.// Тезисы научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых « 29 неделя науки СПбТТУ С.-Петербург 27.11-02.12.2000». СПбГТУ 2000.

3. Гончаров В.Д. Влияние сельскохозяйственного использования на пористость макроагрегатов чернозема обыкновенного. // Гумус и почвообразование./ Сб. науч. Трудов С.-Петербург, гос-го аграрного ун-та. -С.-Петербург, 2002.- С-135-138.

4. Гончаров В.Д. Влияние длительности распашки на массовую фрактальную размерность и плотность макроагрегатов обыкновенного чернозема.

// Гумус и почвообразование./ Сб. научн. трудов СПбГАУ.С.-Петербург, 2002.- С.-133-135.

5. Гончаров В.Д. Сравнение двух методов определения плотности почвенных агрегатов.

// Гумус и почвообразование J Сб. науч. трудов С.-Петербург, гос. аграрного ун-та. - С.Петербург, 2002.- С-128-132.

SS - 72 4 7

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Гончаров, Виктор Дмитриевич

Введение

1 Интенсивное земледелие и структура почв (обзор литературы)

1.1 Влияние обработки на почвенную структуру.

1.2 Поровое пространство почв.

1.3 Роль органического вещества в почвенной структуре.

1.4 Устойчивость и распад почвенных агрегатов.

1.4.1 Модели агрегации почвенных частиц.

1.4.2 Содержание и состав органического вещества (ОВ) в агрегатах 21 различного размера.

1.4.3 Агрегатный распад.

1.4.4 Набухание агрегата. 24 1.4.4а Влияние типов структур на набухание агрегата.

1.4.5 Факторы, влияющие на устойчивость агрегата. 27 1.4.5а Влияние состава ОВ и размера агрегатов на его устойчивость.

1.5 Применение фрактальной теории к почвенным условиям.

1.5.1 Фрактальная теория.

1.5.2 Фрактальные модели агрегации.

1.5.3 Построение фрактальных множеств и их ограничение.

1.5.4 Фрактальные явления в почвах.

2 Методики и объекты исследований.

2.1 Методы определения пористости агрегатов.

2.1.1 Определение плотности твердой фазы.

2.1.2 Определение внутриагрегатной плотности.

2.1.3 Морфометрические методы измерения почвенной структуры.

2.2 Методы определения водопрочности агрегатов.

2.3 Методы определения набухания образцов и агрегатов почвы. 59 2.3.1 Методы определения набухания образцов почвы.

2.3.2 Методы определения набухания агрегатов почвы.

2.4 Методы определения фрактальных размерностей. 61 2.4.1 Определение массовой и фрагментационной фрактальной размерности.

2.5 Методика обработки результатов эксперимента.

2.6 Объекты исследования.

3 Влияние обработки на пористость макроагрегатов.

3.1 Изменение пористости агрегатов при обработке почв.

3.2 Определение зависимости плотности агрегата от его объема внутри отдельной фракции.

3.3 Сравнение двух методов определения плотности почвенных агрегатов.

4 Влияние обработки на водопрочность и набухание макроагрегатов чернозема обыкновенного.

4.1 Динамика водопрочности агрегатов и ее изменение при сельскохозяйственном использовании.

4.2 Влияние возраста пашни на набухание обыкновенного чернозема и его макроагрегатов.

5 Изменение фрактальных параметров, характеризующих агрегацию почвенных частиц и структуру почвы, под влиянием обработки.

5.1 Влияние длительности распашки на массовую фрактальную размерность и плотность макроагрегатов обыкновенного чернозема.

5.2 Эволюция фрактальных параметров и плотности агрегатов, связанная с длительностью обработки.

5.3 Определение фрактальной фрагментационной размерности.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Влияние характера землепользования на структуру обыкновенного чернозема и параметры ее фрактальных моделей"

Актуальность работы

При длительном, интенсивном сельскохозяйственном использовании почв в современном земледелии происходит существенное изменение их физических и физико-химических свойств, в том числе, и тех, которые зависят от почвенной структуры. Длительное сельскохозяйственное использование почв приводит к ухудшению физических условий существования почвенной биоты. Последствия деградации структуры проявляются в виде снижения почвенного плодородия, дегумификации, заплывания, уменьшения водопроницаемости. Физическая деградация является первопричиной усиления процессов водной эрозии.

Распашка черноземов при низкой культуре земледелия приводит к потере значительной части гумуса, разрушению макроагрегатов, изменению их свойств. В связи с этим возникает необходимость изучения изменения структурного состава, свойств почвенных агрегатов и их формирования в условиях интенсивного землепользования.

Основная часть пашни страны (53 %) находится на самых плодородных черноземных почвах, поэтому исследование явлений физической деградации является актуальной задачей земледелия Российской федерации.

Стоящая в центре внимания проблема глобального изменения климата, оказывается, связана с познанием строения агрегатов почвы.

Согласно традиционным представлениям, между макроагрегатами структурной почвы большую часть вегетационного сезона находится воздух, а во внутриагрегатных микропорах - вода (почвенный раствор). Это, однако, может означать, что в микропорах, заполненных водой, устанавливается аноксия (дефицит кислорода). При этом часть микрофлоры начинает добывать кислород путем восстановления нитратов, что приводит к продуцированию N2 и N2O. Первый процесс ведет к потере азота из почвы в атмосферу, второй - - к накоплению в атмосфере тепличных газов, ответственные за изменение климата. Для математического моделирования этого процесса необходима модель макроагрегата - и есть данные, что фрактальная модель оказывается эффективнее модели бимодальной пористости.

Иерархические множества, подобные почвенной структуре, успешно исследуются в последние десятилетия методами фрактальной геометрии. Это подчеркивает актуальность исследований фрактальной природы почвенных агрегатов и ее численной характеристики. Цели и задачи исследования

Цель работы - изучить, как с возрастом пашни изменяются структура, пористость (плотность), водопрочность, набухание макроагрегатов, массовая и фрагментационная фрактальные размерностей обыкновенного чернозема. В задачу исследований входили следующие вопросы:

1. Изучение статистических параметров распределения по пористости макроагрегатов разных фракций в черноземе обыкновенном в связи с их размером и возрастом пашни;

2. Изучение свойств макроагрегатов черноземных почв (водопрочности, плотности, набухания) в связи с длительностью обработки;

3. Изучение взаимосвязи водопрочности с пористостью и/или набуханием макроагрегатов;

4. Разработка методов определения массовой фрактальной размерности и способности макроагрегатов к набуханию с использованием компьютерного анализа изображения

5. Оценка фрактальных характеристик структуры черноземной почвы и влияния возраста пашни на эти характеристики.

Основные положения, выносимые на защиту -С увеличением возраста пашни чернозема обыкновенного в условиях дегумификации происходит уменьшение текстурной и увеличение крупноагрегатной пористости.

-Макроагрегаты с увеличением возраста пашни изменяются по плотности. Происходит уменьшение их водопрочности и увеличивается способность к набуханию.

- Описание усовершенствованного комплекса фрактальных методов определения параметров, характеризующих строение отдельностей черноземной почвы, а также ее фрагментацию и фрактальные характеристики этой почвы

Научная новизна работы

Впервые систематически изучены закономерности изменения строения агрегатов различных фракций в обыкновенном черноземе Каменной степи в связи с возрастом пашни. Показано, как длительность распашки (возраст пашни) влияет на плотность, пористость, водопрочность и способность агрегатов к набуханию. Определены статистические параметры, устанавливающие распределения макроагрегатов по пористости в различных фракциях образцов исследованной почвы; роль набухания агрегатов в их водопрочности. При определении массовой фрактальной размерности впервые использована вся выборка значений массы и объема каждого из макроагрегатов фракции, что позволило более точно определить величину фрактальной размерности. Получены уравнения, определяющие эволюцию массовой фрактальной размерности, массы единичного размера (инициатора), а также зависимость плотности макроагрегата от его объема и возраста пашни. Проведено сравнение двух методов определения плотности агрегатов. Определена взаимосвязь плотности агрегата и его объема внутри отдельной фракции с использованием двумерного нормального распределения. На основе компьютерного анализа изображения макроагрегатов получены данные о массовой фрактальной размерности и способности к набуханию структурных отдельностей. В рамках фрактальной теории проведена оценка зависимости между массовой фрактальной размерностью, фрагментационной фрактальной размерностью и вероятностью распада почвенного агрегата.

Практическая ценность работы

Предложенный метод определения массовой фрактальной размерности способный выявить антропогенное влияние на структуру, может характеризовать эволюцию черноземной почвы. В качестве диагностических показателей физической деградации представляется возможным использовать такие свойства макроагрегатов - как пористость, плотность, водопрочность, а также фрактальные характеристики -фрагментационную и массовую фрактальные размерности, массу инициатора. Метод определения набухания макроагрегатов с помощью компьютерного анализа изображений позволяет прогнозировать их распад, являющийся важным процессом, определяющим изменения почвенной структуры, агрегатов и почвенной структуры при длительной распашке позволяют рациональнее применять приемы мелиоративного, агротехнического регулирования почвенного плодородия.

Структура и объем диссертации

Диссертация написана на русском языке, изложена на 132 страницах печатного текста, иллюстрирована 32 рисунками, 11 таблицами. Состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов, списка использованной литературы (244 наименований, в том числе 150 иностранных).

Заключение Диссертация по теме "Агропочвоведение и агрофизика", Гончаров, Виктор Дмитриевич

ВЫВОДЫ

1. Распределение по пористости (плотности) макроагрегатов разных фракций в черноземе обыкновенном разных угодий со значительно различающимся возрастом обработки весьма точно аппроксимируются нормальным и логнормальным распределениями. Пористость данных макроагрегатов зависит от их размера и длительности обработки. Совместная плотность вероятности двух случайных величин -пористости агрегата и его объема - внутри фракции характеризуется двумерной функцией распределения.

2. Водопрочность, плотность, набухание макроагрегатов чернозема обыкновенного связаны с длительностью обработки. Агрегаты целинной почвы характеризуются значительной водопрочностью, текстурной пористостью и малым набуханием. С увеличением возраста пашни происходит уменьшение водопрочности, текстурной пористости и увеличение набухания агрегатов. Агрегаты, имеющие меньшее набухание — более водопрочные.

3. Фрактальные зависимости определяются двумя величинами: фрактальным параметром (km\\jmkf) и фрактальной размерностью

Dm или Df). Эти величины чувствительны к длительности обработки пашни и могут характеризовать как агрегацию структурных элементов черноземной почвы, так и ее фрагментацию. Массовая фрактальная размерность Dm уменьшается по мере увеличения длительности распашки почвы, что связывается с возрастанием рыхлости агрегатов. Величина кт возрастает с увеличением длительности землепользования и достигает максимального значения в пашне 100 лет распашки. Релаксационные времена в кинетике изменения фрактальной размерности Dm и фрактального параметра кт, связанные с продолжительностью обработки, составляют несколько десятков лет. Установлено возрастание фрагментационной фрактальной размерности Df по мере увеличения длительности обработки, происходящее вследствие повышения доли мелких агрегатов в почве.

4. Наряду с определением параметров массовых фрактальных зависимостей и плотности агрегатов - компьютерный метод анализа изображений применен для измерения кинетики их набухания.

5. Измерение массы и объема индивидуальных агрегатов, входящих в выборки из каждой фракции - позволило определить величину массовой фрактальной размерности с большей точностью.

Ill

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования показали влияние возраста пахотного угодья на изменение фрактальных параметров, физических свойств почвенных агрегатов и почвенной структуры обыкновенного чернозема, являющейся важным фактором плодородия. Применение методов статистики, фрактальной теории и компьютерного анализа изображения позволило количественно интерпретировать изменения, происходящие в структурных агрегатах, почве при интенсивном земледелии. Дальнейшее развитие примененных экспериментальных методов и фрактальных моделей окажется полезным для других физических свойств и типов почв.

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Гончаров, Виктор Дмитриевич, Санкт-Петербург

1. Адерихин П.Г. Изменение химического состава и физико-химических свойств черноземных почв ЦЧО при использовании их в сельском хозяйстве.// Охрана природы Центрально-Черноземной полосы. Воронеж, 1964. №5.

2. Адерихин П.Г., Королев В.А. Изменение структуры и агрегатного состава черноземов ЦЧО при сельскохозяйственном использовании. // Сб. трудов Воронежского гос. ун-та. Генезис, свойства и мелиорация черноземов. Воронеж. 1987.

3. Андрианов П.И. и Ракитин М.Ф. Зависимость физических свойств почвы от размера агрегатов. Доклады ВАСХНИЛ, вып. 23-24, М., 1939.

4. Андрианов П.И., 1947. О прочности почвенного комка и методах ее определения. Почвоведение №2, 1947.

5. Антипов-Каратаев И.Н., Каллерман В.В. и Хан Д.В. О почвенном агрегате и методах его исследования. М., Изд-во АН СССР, 1948.

6. Баренблатт Г.И. Подобие, автомодельность, промежуточная асимптотика. JL: Гидрометеоиздат, 1982. 254 с.

7. Бердникова И.В. Механический и структурный состав черноземных почв разной степени окультуренности.//Изменение почвенных процессов и факторов плодородия при земледельческом использовании почв. Сборник научных трудов. Горький, 1986, 143 с.

8. Березин П.Н. Автореферат на соиск. учен, степени докт. биол. наук, 1995, 48 с.(Москов. Универс.)

9. Березин П.Н., Воронин А.Д., Шеин Е.В. Основные параметры и методы количественной оценки почвенной структуры// Почвоведение. 1985. № 10 С. 58-68.

10. Березин П.Н., Воронин А. Д., Шеин Е.В. Структура почвы: энергетический подход к количественной оценке// Почвоведение. 1983. № 10 С.220-223.

11. Березин П.Н., Гудима И.И., Шеин Е.В. Дифференциальная пористость почв// Почвоведение. 1988. № 3 С. 53-64.

12. Березин П.Н., Шеин Е.В. Особенности исследования порового пространства набухающих почв. // Почвоведение № 11, 1988.

13. Беседин П.Н. Качественный состав агрегатов почв Средней Азии. Труды Всесоюзного НИИ хлопководства, вып. 10, 1956, с. 193-216.

14. Большев JI.H., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М., 1983,416 с.

15. Бондарев А.Г. Проблема обостряется //Земледелие. 1985, № 2. С. 2325.

16. Бондарев А.Г., Кузнецова И.В. Проблемы деградации физических свойств почв России и пути ее решения. // Почвоведение. 1999 . - №9 С. 1126-1131.

17. Бондаренко Н.Ф. Физические основы мелиорации почв. JL,Колос, 1975. 258 С.

18. Бородич Ф.М. Энергия разрушения фрактальной трещины, распространяющейся в бетоне или горной породе. Докл. АН. 1992. T.325.No.3.C.l 138-1141.

19. Бородич Ф.М., Онищенко Д.А. Фрактальная шероховатость в задачах контакта и трения (простейшие модели), Трение и износ. 1993. Т. 14. No.3. С. 452-459.

20. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М., 1973. 399 С.

21. Вершинин П.В. Почвенная структура и условия ее формирования. Л., Изд-во АН СССР.1958 С. 110-118.

22. Воронин А.Д. Основы физики почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. С. 110-112.

23. Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1984,- 204 с.

24. Гедройц К.К. Материалы к выяснению вопроса о структуре почв. «Тр. сов. Секции МАП», т. 1, 1933.

25. Глобус A.M., 1997. Отчет АФИ о научно-исследовательской работе за 1997 г. Раздел 2.3.

26. Глобус A.M., Туленинова O.K. Влияние длительности и характера землепользования на свойства обыкновенного чернозема.// Почвоведение. 2000. № 2 С. 220-223.

27. Гончаров В.Д. Влияние длительности распашки на массовую фрактальную размерность и плотность макроагрегатов обыкновенного чернозема. .// Гумус и почвообразование/ Сб. науч. Трудов С.-Петербург.гос-го аграрного ун-та. -С.-Петербург, 2002.- С.-133-135.

28. Гончаров В.Д. Влияние сельскохозяйственного использования на пористость макроагрегатов чернозема обыкновенного. .// Гумус и почвообразование/ Сб. науч. Трудов С.-Петербург.гос-го аграрного ун-та. -С.-Петербург, 2002.- С.-135-138.

29. Гончаров В.Д., Ковалева Д.А. Пористость почвенных агрегатов по данным измрений и анализа изображений. Тезисы докладов Всероссийской молодежной научной конференции. С.-Петербург, 6-10 декабря 1999 г. СПб, НИИ химии СпбГУ. С.266

30. Гончаров В.Д. Сравнение двух методов определения плотности почвенных агрегатов.// Гумус и почвообразование/ Сб. науч. Трудов С.-Петербург.гос-го аграрного ун-та. -С.-Петербург, 2002.- С.-128-132.

31. Гончаров В.Д., Зотов К.В., и др. Изучение набухания и водопрочности агрегатов в связи с проблемой прогнозирования равновесной плотности корнеобитаемого слоя почв.// Тезисы научно-технической32