CC BY
91
УдК 631.432.26
Шваров А.П., Кубарева А.В.
Московский государственный университет имени М.В. ломоносова E-mail: [email protected]
ВОДОУДЕРЖИВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПОЧВ СТЕПНОЙ ЗОНЫ
Исследованы некоторые физические свойства и водоудерживающая способность почв степной зоны (Воронежская область). Выявлены особенности водоудерживания почв во всем диапазоне влажностей для чернозема, солонца и солоди на циклах иссушения-увлажнения. Дана оценка степени проявления гистерезиса основной гидрофизической характеристики этих почв в единицах влажности и интегральной энергии водоудерживания. Установлено, что основным фактором, определяющим степень капиллярно-сорбционного гистерезиса, является дисперсность. Показано, что процессы набухания и усадки усиливают гистерезис основной гидрофизической характеристики (ОГХ) в капиллярной области. В сорбционной области различия влажностей при одном значении потенциала воды колеблется в пределах от 0,005 г/г в горизонте Е солоди до 0,018 г/г в нижних горизонтах солонца. В капиллярной области гистерезис ОГХ выражен в пределах от 0,053 г/г в горизонте ВССа чернозема до 0,102 г/г в ВСа горизонте солонца. Интегральная энергия водоудерживания наиболее полно отражает влияние состава и свойств почв на степень проявления капиллярно-сорбционного гистерезиса. Максимальные значения разность энергий водоудерживания на циклах иссушения-увлажнения принимает в области адсорбированной влаги и колеблется от 701 джоуль/кг в горизонте Е солоди до 3182 джоуль/кг в BNa горизонте солонца. В области пленочной влаги разница энергий водоудерживания принимает более низкие значения - от 1 джоуль/кг в горизонтах BNa и ВСа солонца до 24 джоуль/кг в горизонте АВ чернозема. В области капиллярной влаги энергия водоудерживания принимает свои минимальные значения и ее разность на циклах иссушения и увлажнения колеблется от 0,2 джоуль/кг в горизонте А чернозема до 1,2 джоуль/кг в горизонте Bg солоди.
Ключевые слова: почвы степной зоны, основная гидрофизическая характеристика почв (ОГХ), гистерезис ОГХ, интегральная энергия водоудерживания.
Среди физических свойств почв, определяющих почвенное плодородие степных почв, ведущее место занимают водные свойства, в т. ч. их водоудерживающая способность.
В современной гидрофизике почв большое теоретическое и практическое значение имеет зависимость влажности почв от капиллярно-сорбционного потенциала воды [1], или основная гидрофизическая характеристика (ОГХ) [2, 3]. Эта зависимость позволяет определять важнейшие гидрологические константы, широко используемые при расчетах в гидротехнических мелиорациях почв.
Однако в реальных условиях эта зависимость носит гистерезисный характер, т. е. неоднозначна в зависимости от предыстории процесса, от предшествующих циклов иссушения-увлажнения [5, 7].
И в этих условиях влажность почв неоднозначна при одном и том же значении потенциала воды [11, 12, 14].
Учет гистерезиса ОГХ важен при использовании математического моделирования для прогноза изменения водного режима почв и ландшафтов.
Для практических целей оценка гистерезиса ОГХ важна для почв степной зоны, в которой
интенсивно развито земледелие с широким применением мелиоративных мероприятий. [4].
Объекты и методы исследования
Объектами исследования являлись почвы степной зоны Воронежской области: чернозем типичный, мощный, тяжелосуглинистый (А 0-52 см; АВ 52-80 см; ВСа 80-140 см; ВССа 140-147 см), солодь луговая, обычная, мелкодерновая, среднемощная, среднесуглинистая (Ad 0-5 см; Е 5-29 см; Вg 29-56 см; ВСg 56-94 см; ВССа 94-124 см), солонец лугово-черноземный, глубоко-солончаковатый, глубоко-карбонатный, среднеореховатый, легко-среднесуглинистый (АЕ 0-14 см; В№ 14-60 см; ВСа 60-80 см; ВС 80-108 см).
Гранулометрический состав почв определяли на лазерном дифрактометре ANALYSETTE 22 Comfort, общую удельную поверхность рассчитывали по методу БЭТ по методу десорбции паров воды, объемные усадку и набухание определяли методом Васильева. Зависимость капиллярно-сорбционного потенциала почв от влажности на циклах иссушения и увлажнения определялась тремя методами. В диапазоне низких влажностей - методом сорбционного равновесия над насыщенными растворами со-
Шваров А.П., Кубарева А.В. Водоудерживающая способность и физические свойства почв...
лей с относительным давлением паров воды Р/ Ро, равным 0,15; 0,32; 0,55; 0,86; 0,98.
В капиллярной области - капилляриметри-ческим методом [15]. Среднюю часть кривой водоудерживания почв определяли расчетно-экспериментальным методом [1].
Результаты и обсуждение
Исследуемые почвы имеют значительные различия в гранулометрическом составе. Наиболее тяжелый состав у чернозема.
При этом содержание физической глины вниз по профилю возрастает от 53,9 до 64,9 % (табл. 1) Наиболее легкий состав у солоди. В верхних Е и Bg горизонта содержание физической глины не превышает 39,9 % (среднесу-глинистые).
Вниз по профилю у солоди наблюдается утяжеление состава до тяжелого суглинка (47,7-50,0 %). Солонец по гранулометрическому составу занимает промежуточное положение между черноземом и солодью.
Другим показателем степени дисперсности почв является удельная поверхность [7]. Исследуемые почвы имеют значительные различия в величинах удельной поверхности. Более легкая по гранулометрическому составу луговая со-лодь характеризуется относительно низкими величинами удельной поверхности от 33 в горизонте Е до 111 м2/г в горизонте Bg (табл. 1).
В глинистом по составу черноземе полная удельная поверхность высока и составляет от
92 м2/г в горизонте ВСа до 149 м2/г в горизонте А.
В солонце лугово-черноземном величины полной удельной поверхности также высоки и колеблются в от 73 м2/г в горизонте ВС до 136 м2/г в горизонте В№.
Механизмы процессов набухания и усадки оказывают значительное влияние на водоудер-живающую способность почвы. В наименьшей степени эти процессы выражены в солоди. В этой почве значения набухания в горизонте Е- составляет 5,8 % , а усадка 10,3 %. Вниз по профилю у солоди эти параметры возрастают благодаря утяжелению гранулометрического состава (табл. 1). В черноземе и солонце процессы набухания и усадки выражены сильнее, чем в солоди, но имеют некоторые особенности. Так набухание в солонце в целом по профилю несколько выше чем у чернозема, однако, усадка, наоборот, сильнее выражена в генетических горизонтах чернозема (табл. 1). Причиной этих особенностей является различие в величинах внутридоменной и междоменной усадки [6]. Среди исследованных почв содержание илистой фракции максимально в черноземе. Следовательно, величина внутридоменной усадки в черноземе максимальна. .
Поскольку энергетическое состояние воды в почве в зависимости от её влажности изменяется в очень широких пределах, её условно делят на три диапазона [3]: область низких влажностей (при величине pF 6,4-4,5), область
Таблица 1. Некоторые физические свойства исследуемых почв
Горизонт, глубина, см Ил <0,001 мм Физ.глина <0,01 мм Объемное набухание, % Объемная усадка, % Полная удельная поверхность, м2/г
Солодь луговая
E (5-29) 3,2 34,3 5,8 10,3 33
Bg (29-56) 7,8 39,9 12,6 23,5 111
BCg (56-94) 9,3 47,7 13,8 25,0 108
BCCa (94-124) 11,2 50,0 15,3 27,5 99
Чернозем типичный
А(0-52) 7,4 53,9 13,6 24,5 149
АВ (52-80) 10,2 60,5 15,0 27,8 122
ВСа (80-140) 12,8 63,0 16,3 30,2 92
ВССа (140-147) 13,6 64,9 16,5 30,8 106
Солонец лугово-черноземный
AE (0-14) 10,9 50,7 14,5 22,8 105
BNa (14-60) 10,1 45,8 19,6 26,0 136
BCa (60-80) 9,6 44,3 15,3 21,7 127
ВС (80-108) 14,5 53,0 17,8 26,5 73
средних влажностей (pF 4,5-3) и область высоких влажностей (pF 3-1).
Поскольку механизмы проявления капи-ллярно-сорбционного гистерезиса различны в областях различного влагосодержания [9, 10, 14], оценка степени его проявления рассмотрена в отдельности (табл. 2).
В области гигроскопической влаги величина сорбционного гистерезиса колеблется от 0,005 г/г в горизонте Е солоди до 0,018 г/г в нижних горизонтах солонца.(табл. 2).
Эти различия обусловлены гранулометрическим составом и величинами удельной поверхности (табл. 1). В области пленочной влаги (рЕ 4,5-3) величина гистерезиса растет.
Здесь она принимает значения от 0,007 г/г в горизонте Е солоди до 0,062 г/г в горизонтах АВ чернозема и ВСа солонца (табл. 2). В наибольшей степени разница равновесных влаж-ностей на циклах иссушения-увлажнения при одном значении потенциала выражена в капиллярной области.
Она колеблется от 0,053 г/г в горизонте ВССа чернозема до 0,102 г/г в горизонте ВСа солонца. На величину гистерезиса ОГХ в капиллярной области накладываются процессы набухания и усадки, а также гидрофильность или гидрофобность поверхности почвенных частиц и связанные с этим явления смачивания.
Площадь петли капиллярно-сорбционного гистерезиса характеризует изменение свобод-
ной энергии в почве по величине объема влаги в процессах сушки-увлажнения, и, следовательно, ее можно использовать для количественной оценки этого явления [2, 3, 9]. Площадь петли гистерезиса оценивается по разности интегральной энергии водоудерживания [8] на циклах иссушения и увлажнения.
Максимальные значения разность энергий водоудерживания принимает в области адсорбированной влаги и колеблется от 701 джоуль/кг в горизонте Е солоди до 3182 джоуль/кг в В№ горизонте солонца (табл. 3).
В области пленочной влаги разница энергий водоудерживания принимают более низкие значения - от 1 джоуль/кг в горизонтах В№ и ВСа солонца до 24 джоуль/кг в горизонте АВ чернозема. В области капиллярной влаги энергия водоудерживания принимает свои минимальные значения и ее разность на циклах иссушения и увлажнения колеблется от 0,2 джоуль/ кг в горизонте А чернозема до 1,2 джоуль/кг в горизонте Bg солоди.
Столь значительные различия в разнице интегральных энергий водоудерживания на циклах иссушения и увлажнения объясняются природой сил удерживающих влагу.
Если в капиллярной области давления порядка 0,01-1,0 атмосфер , то в адсорбционной оно достигает тысяч атмосфер. Учет гистерезиса ОГХ почв важен для практической области. Если режим орошения контролируется по
Таблица 2. Средние значения абсолютного гистерезиса ДW (г воды/г почвы) в исследуемых почвах
Почва, горизонт, глубина, см Д^ г/г Область низких значений влажности (рЕ 6,4-4,5 ) Д^ г/г Область средних значений влажности (рЕ 4,5-3) Д^ г/г Область высоких значений влажности (рЕ 3-1)
Чернозем типичный
А(0-52) 0013 0 038 0 078
АВ (52-80) 0 012 0 062 0 097
ВСа (80-140) 0,013 0,045 0,076
ВССа (140-147) 0.014 0,042 0,053
Солодь луговая
Е(5-29) 0 005 0 007 0 057
Bg (29-56) 0,013 0,023 0,062
BCg (56-94) 0,013 0,043 0,058
ВССа (94-124) 0 012 0 047 0 077
Солонец лугово-черноземный
АЕ (0-14) 0,016 0,046 0,083
В№ (14-60) 0,018 0,047 0,072
ВСа (60-80) 0,018 0,062 0,102
ВС (80-108) 0,018 0,044 0,086
Шваров А.П., Кубарева А.В. Водоудерживающая способность и физические свойства почв.
Таблица 3. Степень проявления гистерезиса интегральной энергии водоудерживания (ДЕ, джоуль/кг почвы )
в различных областях влажности исследуемых почв
Почва, горизонт, глубина, см Область низкой влажности (адсорбированной влаги) Область средних значений влажности (пленочной влаги) Область высоких значений влажности (капиллярной влаги)
Чернозем типичный
А(0-52) 1277 9 0 2
АВ (52-80) 1421 24 0 5
ВСа (80-140) 1269 7 1,0
ВССа (140-147) 1188 17 0.3
Солодь луговая
Е (5-29) 701 7 0 5
Bg (29-56) 1928 15 1,2
BCg (56-94) 1550 8 0,4
ВССа (94-124) 1424 7 03
Солонец лугово-черноземный
АЕ (0-14) 2276 4 0,5
ВЫа (14-60) 3182 1 0,9
ВСа (60-80) 2010 1 0,5
ВС (80-108) 1915 8 0,4
Таблица 4. Влажность почвы при гидрологических константах (ВРК-влажность разрывов капиллярной связи, НВ - наименьшая влагоемкость), рассчитанных по кривым ОГХ на циклах иссушения(«исс») и увлажнения («увл»)
Почва, горизонт, глубина, см ВРК НВ
увл исс увл исс
Чернозем А(0-52) 0,26 0,28 0,30 0,37
Солодь Е (5-29) 0,16 0,20 0,19 0,24
Солонец АЕ (0-14) 0,21 0,25 0,29 0,35
работе тензиометров, то при иссушении почв до нижнего предела влажности (значение ВРК) необходимо учитывать содержание влаги на цикле иссушения.
В данном случае, для исследуемого чернозема это значение влажности равно 0,28 г/г (28 %). При поливе цикл иссушения сменяется увлажнением. Влажность почвы соответствующая давлению влаги при НВ на цикле увлажнения равная 0,30 г/г (30 %) будет явно занижена. Поэтому для определения верхнего предела влажности (НВ) необходимо внести поправки в калибровку режима орошения. Полив дол-
жен довести влажность чернозема до 0,37 г/г (37 %) (табл. 4). Проведенные исследования показали, что водоудерживающая способность почв степной зоны имеет гистерезисный характер во всем диапазоне влажностей. Основным фактором, определяющим степень проявления капиллярно-сорбционного гистерезиса является дисперсность; гистерезис также связан с процессами набухания-усадки. Интегральная энергия водоудерживания наиболее полно отражает влияние состава и свойств почв на степень проявления капиллярно-сорбционного гистерезиса.
16.02.2015
Список литературы:
1. Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. Дис. д.б.н. М., 1981
2. Глобус А.М. Психрометрический метод измерения гистерезиса основной гидрофизической характеристики незасоленных почв.: - Почвоведение. 1982. №3. С.108 - 111.
3. Глобус А.М. Экспериментальная гидрофизика почв. Л., Гидрометеоиздат. 1969. 355 с.
4. Голованов Е.Э., Лытов М.Н. Оперативный контроль работы дождевальной техники при производстве поливов. Материалы юбилейной международной научно-практической конференции «Комплексные мелиорации - средство повышения продуктивности сельскохозяйственных земель». Москва. 26-27 ноября 2014. С. 24-29
5. Зубкова Т.А., Манучаров А.С., Черноморченко Н.И., Шваров А.П., Костарев И.А. Гидросорбционный гистерезис в почвах, минералах и породах.: - Почвоведение. 2005. № 92. С.1122 - 1129.
6. Сапожников П.М. Удельная поверхность почвы, ее изменение при почвообразовательных процессах и связь с физическими свойствами. Дис. к.б.н. М., 1982
7. Судницын И.И., Шваров А.П., Коренева Е.А. Зависимость влажности почв от полного давления почвенной влаги. Грунтоз-навство, Том 10. №1-2 (14). 2009. С 38-43.
8. Судницын И.И., Шваров А.П., Коренева Е.А. Интегральная энергия гидратации почв. Естественные и технические науки. 2011. №1. С. 85-87.
9. Шваров А.П. Степень проявления гистерезиса зависимости капиллярно-сорбционного потенциала воды от влажности . : -Почвоведение. 1982. № 3. С.123 - 126.
10. Шваров А.П., Коренева Е.А. Явление гистерезиса зависимости капиллярно-сорбционного потенциала воды от влажности почвы.: Почвоведение. 2008. № 10. C. 1179 - 1187
11. Чайлдс Э. Физические основы гидрологии почв. Л., Гидрометеоиздат. 1973. 427 с.
12. Collis-George N. Hysteresis in moisture content-suction relationships in soil. Proc. Nate. Acad. Sci. India. 24 A. Р. 80-85.
13. Poulovassilis A. The hysteresis of pore water in presence of non-independent water elements.: - Scol. Stud. 1973. V.4. P.161 -179.
14. Poulovassilis A., Tzimas E. The hysteresis in the relationship between hydraulic conductivity and soil water content.: - Soil Sci. 1975. 120. №5. P. 327-331.
15. Varallyay G.. Soil moisture potential and a new apparatus for the determination of moisture potential curves in the low suction range, 0-1 atmosphere. - Agrokem, 1973a. V.22. P. 190.
Сведения об авторах:
Шваров Александр Петрович, доцент кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения
Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, шифр специальности 06.01.03, «агрофизика», кандидат биологических наук, e-mail: [email protected]
Кубарева Аполлинария Вячеславовна, аспирантка кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, шифр специальности 06.01.03, «агрофизика», e-mail: [email protected]
119991, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, 8(495)9393620
