CC BY
42
УДК 631. 6: 436
зависимость удельной электропроводимости почвы от температуры
© 2010 г. Ч.Г. Гюлалыев
Институт географии Национальной академии наук Азербайджана, пр. Г. Джавида, 31, г. Баку, Азербайджан, Az 1043, gia@azeurotel.com
Geography Institute of Azerbaijan National Academy of Sciencе, Javid 31 Аvе, Baku, Azerbaijan, Az 1043, gia@azeurotel.com
С помощью экспериментальных исследований представлены результаты удельной электропроводимости почвы от ее температуры для различных почв Кура-Араксинской низменности Азербайджанской Республики. Показано, что важную роль температурной зависимости электропроводимости почвы играет механизм теплового расширения воды в капиллярах переменного сечения.
Ключевые слова: почва, влага, удельная электропроводимость, температура, электролит, частота.
With the help of experimental studies shows the results of the specific conductivity of soil on its temperature for different soils of the Kura-Araks lowland of the Azerbaijan Republic. It is shown that the important role of the temperature dependence of electrical conductivity of the soil is the mechanism of thermal expansion of water in the capillaries of variable section.
Keywords: soil, moisture, electrical conductivity, temperature, electrolyte, frequency.
Расширение объема агрометеорологических работ требует контроля и автоматического регулирования влагосодержания почвы с использованием экспресс-методов, наиболее перспективные из которых основаны на измерении удельной электропроводимости поч-
вы [1-5]. Однако эти методы до сих пор не нашли широкого применения из-за отсутствия комплексного экспериментального изучения удельной электропроводимости почвы на высоких частотах. В связи с этим нами исследовано влияние температуры на удельную
электропроводимость почвы при различных влажно-стях %) (от воздушно-сухого состояния до предельно-полевой влагоемкости) и частотах электрического поля (от 0,4 до 10 МГц) сероземно-луговой, поименно-луговой почв при объемном весе 1,3 -1,4 г/см3. Температурные характеристики снимались в диапазоне температур от 5 до 40 °С.
Объекты и методы
Опыты были проведены с типичными среднесуг-линистыми сероземно-луговыми и пойменно-луго-выми почвами Кура-Араксинской низменности [6, 7], которая сложена современными отложениями, являющимися продуктами рек и временных водоемов. Годовая норма лучистой энергии Солнца, падающая на 1 см2 поверхности в пределах Кура-Араксинской низменности, в среднем равна 120-145 ккал, 22 % из них отражается поверхностью Земли, 37 % расходуется на излучение и только около 41 % непосредственно участвует в основных процессах, протекающих в подстилающей поверхности.
Почвообразующими породами в первом случае были аллювиальные отражения Куры и Аракса, во втором -современный карбонатный слоистый аллювий Куры. Содержание гумуса в исследованных почвах невысокое, изменяется в пределах 1,2-2,7 %. Почвенные образцы, взятые в разных тестовых участках, заметно отличаются по физико-химическому составу (табл. 1).
Экспериментальная часть
Экспериментальные исследования выполнялись с использованием измерителя полных проводимостей (по активной составляющей - от 0,01 до 1000 м-См, по реактивной - от ±0,5 до ±500 пФ, на частотах - до 10 МГц) моста переменного тока типа Л2-7 в диапазоне частот 0,4-10 МГц. Температурные измерения проводились с помощью измерительного конденсатора специальной конструкции с термостатирующим устройством. Термостатирование образца проводилось с помощью ультратермостата УТ-15, поддерживающего температуру жидкости с точностью ±0,5 °С. Установка УТ-15 имеет встроенные нагнетающий и всасывающий насосы, которые подают термостати-рующую жидкость по соединительным шлангам к исследуемому объекту [7].
Результаты и их обсуждение
Общие свойства для всех исследуемых почв рассмотрены на примере пойменно-луговой и сероземно-луговой почв. На рисунке представлены температур-но-влажностные характеристики удельной электро-
Физико-химиче
проводимости, снятые при температуре 5 - 40 °С. Объемный вес для сероземно-луговой 1,3 г/см3, а пойменно-луговой - 1,4 г/см3. Температурным характеристикам соответствуют влажности (в порядке сверху вниз на рисунке: 1, 2, 3, 4 соответственно 24, 16, 8, 4 %) и частоты (в порядке: сверху вниз 1, 2, 3, 4 соответственно 10, 6, 2 и 0,4 МГц). Как видно, с ростом температуры удельная электропроводимость возрастает.
3 1
о -10" см-м"
о ■ 10"3 см-м"1
Т, ° С
Зависимость электропроводимости почвы от температуры: а - пойменно-луговая почва 1, 2, 4 (глубина 0 - 22 см), 3 (глубина 41 - 52 см), б - сероземно-луговая: 1 - 10 МГц, 2 - 0,4 МГц, влажность 16 %
Во влажной почве, как и в электролите, повышение температуры должно способствовать росту ее удельной электропроводимости. При этом влияние температуры на удельную электропроводимость (с) сказывается сильнее при высоких частотах, большом влагосодержании и повышенной дисперсности почв. Удельная электропроводимость в области температур от 5 до 40 °С линейно возрастает с повышением температуры почвы и частоты электрического поля при фиксированном объемном весе (р = 1,3 - 1,4 г/см3).
Таблица 1
ий состав почв
Название почвы Размер фракции, мм, % НСО3= Cl SO4= Са++ Mg++ Na,
<0,001 <0,01
Сероземно-луговая 16,40 50,64 0,005* 0,080 0,001 0,040 0,016 0,330 0,010 0,500 0,024 2,000 нет нет
Пойменно-луговая, 0-22 см 33,12 70,08 0,039 0,640 0,019 0,520 0,024 0,500 0,006 0,400 0,005 0,400 0,022 0,960
Пойменно-луговая, 41-52 см 37,97 77,35 0,049 0,800 0,021 0,600 0,053 1,100 0,012 0,600 0,020 1,300 0,027 1,200
*- в числителе - %, в знаменателе мгэкв.
Ниже приводятся значения температурных коэффициентов (ТКП) удельной электропроводимости пойменно-луговой почвы, которые характеризуют степень относительного изменения указанных величин при изменении температуры на 1 °С (табл. 2).
Таблица 2
Зависимость ТКа почв от влажности % ) и частоты электрического поля (£ МГц ) для пойменно-луговой почвы ( верхний горизонт) (приведены к Т = 25 °С)
Частота, МГц Влажность, %
4,1 7 16 24
ТКп-102 ТКп-102 ТКп-102 ТКП • 102
0,4 1,9 2,9 3,3 2,7
10,0 1,3 2,7 2,9 2,3
При более высоких влажностях нагревание образца вызывает более существенное тепловое расширение водяных включений, чем при низких влажностях. Это является причиной того, что увеличение температуры от 10 до 40 °С вызывает относительное увеличение удельной электропроводимости пойменно-луговой почвы при изменении ее влажности от 4,1 до 16 % примерно в 74 раза, при частоте f = 0,4 МГц и р = 1,4 г/см3.
Из таблицы видно, что с возрастанием почвенной влаги до 16 % повышается значение температурного коэффициента ТКП, а дальнейшее увеличение содержания почвенной влаги приводит к его уменьшению.
Полученные нами зависимости влияния температуры на удельную электропроводимость почвы можно объяснить тепловым движением ионов и молекул, которое при наложении электрического поля способствует увеличению проводимости системы. Возрастание температуры системы увеличивает величину диполь-ной ориентационной поляризации, уменьшает потери, определяемые тепловым движением ионов и молекул, что в свою очередь содействует росту удельной электропроводимости почвы.
Полученные зависимости можно объяснить следующим образом. Температурный коэффициент удельной электропроводимости почвы как по величине, так и по знаку согласуется с соответствующим коэффициентом для электролитов (почвенный раствор - электролит).
Температурный коэффициент удельной электропроводимости почвы оказывается на несколько порядков выше, чем у воды. В формировании удельной электропроводимости почвы исключительно важную роль играют водяные включения, расположенные между почвенными частицами, и поверхностные явления. В результате нагревания из-за значительного теплового расширения воды, содержащейся в капиллярах почвы, происходит дополнительное, без изменения влагосодержания, заполнение капилляров водой, дополнительное развитие системы водяных включений и, следовательно, расширение увлажненной поверхности. Таким образом, увеличение удельной электропроводимости с повышением температуры обусловлено главным образом тепловым расширением воды в капиллярах почвы, и этот эффект перекрывает обыч-
Поступила в редакцию_
ный механизм уменьшения удельной электропроводимости с ростом температуры свободной воды. В пользу предложенного суждения свидетельствуют опыты с водонасыщенными грунтами, где наблюдалась отрицательная температурная зависимость [2, 8].
Нами подсчитано, что изменение температуры на 1 °С вызывает при прочих равных условиях изменение роста удельной электропроводимости почвы приблизительно на 2-3 %, и при малой влажности и высокой частоте эта величина несколько уменьшается.
Аналогичные закономерности получены нами при исследовании других почвенных разностей и их генетических горизонтов, при различных влажностях и частотах.
Таким образом, комплексное исследование температурной зависимости удельной электропроводимости почвы позволяет сделать вывод, что одним из факторов, непосредственно влияющих на формирование значений удельной электропроводимости почв, является температура, поэтому ее учет необходим при исследованиях электрофизических параметров.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что комплексное исследование температурной зависимости дает основание сделать вывод, что одним из факторов, непосредственно влияющих на формирование значений диэлектрических параметров почв, является температура. Температурная нестабильность почвы может служить источником температурной погрешности в определении влажности емкостным или кон-дуктометрическим методами и поэтому должна быть учтена при проектировании и изготовлении электрических влагомеров.
Литература
1. Берлиннер М.А., Долгов Н.Н. Электрическое определение солесодержания почв, грунтов и грунтовых вод. М., 1954. 84 с.
2. Черняк Г.Я. Диэлектрические методы исследования влажности породы. М., 1964. 128 с.
3. Герайзаде А.П., Троицкий Н.Б., Гюлалыев Ч.Г. Метрологические показатели при определении влажности почв методом измерения емкости // Влагометрия сельхоз. материалов. Минск, 1987. С. 105-106.
4. Троицкий Н.Б., Герайзаде А.П., Гюлалыев Ч.Г. Связь электро- и теплофизических характеристик с удельной поверхностью почвы в аспекте многопараметрической влаго-метрии // Гидрофизические функции и влагометрия почв. Л., 1987. С. 63-65.
5. Troitsky N.B., Gerayzade A.P., Gulaliyev Ch.G. On correlation between electric and heat soil characteristics // Soviet Soil Science. 1987. Vol. 3. Р. 71-76.
6. Морфогенетические профили почв Азербайджана / под ред. Ш.Г. Гасанова. Баку, 2004. 202 с.
7. Поздняков А.И., Гюлалыев Ч.Г. Электрофизические свойства некоторых почв. М. ; Баку, 2004. 240 с.
8. О механизме релаксационных потерь в почве / M.P. Бабаев [и др.] // Докл. НАН Азербайджана. 2009. Т. 65, № 1. С. 75-82.
11 января 2010 г
