CC BY
13
Ukrainian Journal of Ecology
Ukrainian Journal of Ecology, 2018, 8(1), 619-627 doi: 10.15421/2018_257
ORIGINAL ARTICLE UDC 631.618:633.2.031
Management of functional properties of recultozem models with placement primary stratigraphy
K.P. Maslikova
Dnipro State Agrarian and Economic University Sergey YefremovStr. 25, Dnipro, 49600, Ukraine, e-mail: mkaterina@ukr.net Sumbitted: 12.01.2018. Accepted: 22.02.2108
The article examines the hypothesis that the structure of the soil-like body in zero-point of its existence directs the dynamics and trajectory of soil formation. To test the hypothesis at the Dnepropetrovsk State Agricultural and Environmental University science satiation the field experiment was laid out lizymetres, each contain a constructive combination of rock or chornozem-like mass. It is shown that the design of the soil-like body in zero-point of its existence controls the dynamics and trajectory of soil formation. Philip equation was modified to more suitable simulate the infiltration process in tehnozems which allows to accurately describe the water absorption process at the infiltration and filtration stages. The nature of the underlying rocks located at a certain depth impacts significantly on the process of soil formation within the whole soil profile. Underlying rock layer regulates the processes of the tehnozems contact with the environment, as well as determining the intensity profile migration of moisture and dissolved salts. The presence of water resistant biogenic origin aggregates smoothes the varying density clay soils resulting from swelling and shrinkage processes that can maintain stable structure of the pore space. As a result, the soil after reclamation phase gets such features as reduced infiltration rate, but increased level of filtration. Optimal values of sorptivity and filtering corresponds closely with relevant properties of soil that can be investigated using indicators of the soil mechanical impedance. Uniformity preparation and impermeable aggregate structure determines the optimal functional modes of the tehnozemes.
Key words: reclamation; infiltration; technozems models; soil forming; Philippe equitation; sorptivity
Управлшня функцюнальними властивостями моделей TexH03eMiB за допомогою первинноТ стратиграфп насипок
К.П. Маслпкова
Днiпровський державний аграрно-економiчний унверситет Вул. С. Ефремова 25, м. Днiпро 49600, Украна, e-mail: mkaterina@ukr.net
У статт розглянуто ппотезу, що конструщя фунтопод^ного тта у нуль-момент свого кнування визначае динамку та траектор^ фунтотворного процесу. Для nepeBip^ ппотези на стацiонарi Днтропетровського державного аграрно-еколопчного уыверситету у 90-т роки минулого вку закладений польовий експеримент з лiзиметрами, кожний з яких умщуе певну конструктивну комбЫа^ю прських порщ або чорноземоподiбноí маси. Показано, що конструщя фунтопод^ного тта у нуль-момент свого кнування визначае динамку та траектор^ фунтотворного процесу. Для моделювання процесу водовбирання техноземiв бтьш придатним е модифковане рiвняння Фтта, яке дозволяе точно описати процес вбирання води як на етап Ыфтьтраци, так i на етап фтьтраци. Характер пщстилаючо' породи техноземiв, яка знаходиться на певнм глибиы, значно впливае на переб^ процеав фунтоутворення у межах усього фунтового профтю. Пщстилаюча порода регулюе процеси контакту техноземiв з навколишым середовищем, так як визначае Ытенсивнкть профтьно' мiграцií вологи та розчинених солей. Наявнкть водоспйких агрегалв бюгенного походження згладжуе вар^вання щтьносп глинистих фунлв, як виникають внаслщок процеав набухання та усадки, що дозволяе пщтримувати на стабтьному рiвнi структуру 'х порового простору. Як наслщок, фунти пкля ф^омелюративно!' фтозмЫи набувають таких особливостей, як зменшений рiвень Ыфтьтраци, але збтьшений рiвень фтьтраци. Оптимальн значення показниюв сорптивносп та фiльтрацií тiсно кореспондують з профтьними
властивостями фунлв, як можна дослiдити за допомогою показниюв твердостi. Однорiднiсть складення та водотривка агрегатна структура визначають оптимальнi функцiональнi режими техноземiв.
Ключов! слова: рекультивацiя; iнфiльтрацiя; моделi техноземiв; фунтоутворення; рiвняння Фiлiпа; сортивнiсть
Вступ
Грунт - перехiдна ланка 3i свiту живо''' природи у свГт неживо''', з бiосфери в геосферу (Karpachevsky, 1983). Механiзми зв'язкiв фунту з Ышими компонентами бiогеоценозу i його головна ознака - родючГсть - визначаються мiграцieю i перетворенням речовин i енергй', якi вщбуваються в фунтовм товщi пiд впливом внесення та винесення бюгенних i абiогенних речовин (Kharytonov et al., 2018). Матерiально-енергетичний метаболiзм наземних бiогеоценозiв у чималому ступенi залежить вщ фiзичного стану косно' частини фунту (Karpachevsky, 2005). Грунт e найбГльш консервативним компонентом бiогеоценозу (Anderson et al., 1998). Його буферы властивосп сприяють збереженню даного типу бюгеоценозу, регуляцГ'' теплового i водного режимiв у бiогеоценозах, нейтралiзацií токсичних речовин, що утворюються в бiогеоценозах пГд час його життя (Heuvelink, Webster, 2001; Rode, 1984).
У бюгеоценологи фунт розглядають як частину перетвореного бютою внутрГшнього середовища (Kunah, 2016). ДослГдження просторово-часово' варiабельностi властивостей фунлв дозволило обфунтувати концепцiю фунтових екоморф як складово' бiогеоценотичного покриву (Zhukov, Zadorozhnaya, 2016). ГрунтовГ екоморфи, як i ГншГ бiогеоценотичнi екоморфи, демонструють закономiрну динамiку в градieнтi умов вологостГ та троФностГ едафотопГв (Zhukov, Shatalin, 2016). Гетерогеннi фунтовГ умови формуються в результатi малого бюлопчного кругоо6Ггу i визначаються життeдiяльнiстю ключових видГв, що створюють все рiзноманiття середовища проживання (Zverkovskyi et al., 2017). Особливосп фунту як середовища кнування створюють еколопчний простГр для фунтових тварин (Zhukov et al., 2016). РодючГсть фунлв тГсно пов'язана з и морфолопчними характеристиками, такими, як колГр фунту, структурнГсть, потужнГсть гумусового шару, щГльнГсть складання (Yakovenko, 2008). Грунт e ieрархiчною багаторiвневою системою, кожен рiвень яко' маe свою елементарну структуру (Fridland, 1972)
У техноземах у процес фунтоутворення пГсля початку 'х конструювання вiдбуваeться поступове формування морфолопчних структур, якГ у подальшому перетворяться на генетичн горизонти, гомологГчнГ генетичним горизонтам природних фунлв (Zadorozhna et al., 2012). Формування морфолопчноУ оргаИзацп фунтоподГбних тГл призводить до надбання ними функцюнальних властивостей, якГ наближають Ух до природних фунлв (Zabaluev, 1999). Цей тренд особливо важливий у контекст сГльськогосподарсько''' рекультивацГ'', яка маe своeю цГллю вГдновлення використання земель у агропромисловому виробництвГ (Bekarevich, 1971). Можна очГкувати, що пГд впливом загальних фунтотворних факторГв через певний час штучно створенГ фунтоподГбы тГла набудуть властивостей i будови, подГбних до природних фунлв. Але невГдомою залишаeться траeкторiя процесу та його тривалГсть у часГ. ВарГабельнГсть властивостей техноземГв у просторГ та час може бути оцГнена за рядом Ыформацмно цГнним показникГв (Zhukov et al., 2016). У якосп ппотези може бути розглянуте положення, що конструщя фунтоподГбного тГла у нуль-момент свого Гснування визначаe динамГку та траeкторiю фунтотворного процесу. Важливим аспектом експерименту e пошук критерив, за якими можна виконати оцГнювання функцГональних властивостей створених конструкцГй залежно вГд 'х оргаИзацп.
Матерiали та методи
Для перевГрки гГпотези на стацюнарГ Д-Мпропетровського державного аграрно-екологГчного унГверситету у 90-тГ роки минулого вГку закладений польовий експеримент з лГзиметрами, кожний з яких умiщуe певну конструктивну комбГнацГю гГрських порГд або чорноземоподГбно'' маси (рис. 1) (Zabaluev, 1999).
Рис. 1. Експериментальн лiзiметри для визначення оптимально!' стратиграфи техноземлв на бiоекологiчному стацiонарi Днiпропетровського державного аграрно-еколопчного унiверситету (м. Покров, Днтропетровська обл., УкраУна)
КонструкцГ'' моделей техноземiв дозволяють дослiдити рiзнi варiанти комбЫацм фунлв (рис. 2). Передусiм, це
Ukrainian Journal of Ecology, 8(1), 2018
мономоделi - гумусований матерiал, лесоподiбнi суглинки, червоно-бурi глини та суглинки. Застосування гумусованого матерiалу е досить природним, так як вЫ за визначенням е найбiльш родючим та придатним для стьськогосподарського використання. Певною мiрою такий варiант можна розглядати як контроль. Але, формування потужного шару чорноземовидноУ маси не виршуе уах проблем рекультивацп земель. Пiд час технолопчних дiй властивостi чорноземноУ маси суттево змЫюються, тому таку масу неможна вважати тотожною генетичним горизонтам природного фунту або агроземiв. Найважлившим трендом е дегумiфiкацiя такоУ маси. ^м того, штучно створенi шари не володiють конструктивною мiцнiстю. Цей аспект суттево впливае та переб^ фiзичних, хiмiчних та бiологiчних процеав у техногенному фунл. Тому динамка мономоделей з гумусованим матерiалом потребуе свого дослщження. Також об'ем такого матерiалу е обмеженим.
Виникае потреба формувати техноземи з прських порщ, як не фiтотоксичнi та волод^ть властивiстю родючостi (Bekarevich, 1971). У цьому напрямку мономоделi з прських порщ також слiд розглядати як базовк У якостi мономоделi можна розглядати технолопчну сумiш гiрських порщ, в якiй вiдсутня горизонтна стратифка^я. Власно кажучи, такi категорп, як «аро-зелеы глини», «лесоподiбнi суглинки» або «червоно-бурi глини» е також технолопчними сумiшами з вiзуальним переважанням компоненти, на основi якоУ така сумш називаеться. Бiльш складнi моделi пщкреслюють iдею про можливiсть впливати на властивосп техноземiв за допомогою комбЫаци рiзних компонентiв. Це варiанти педоземiв (для Ух утворення застосовуеться гумусований матерiал з генетичних горизонтiв чорноземних фунлв порушених при гiрських розробках) на основi рiзних гiрських порщ - лесоподiбнi суглинки, сiро-зеленi глини, червоно-бурi глини та суглинки. У таких моделях важливим аспектом вар^вання е товщина гумусованого шару. Природно, що гумусований матерiал завжди розмщаеться на деннiй поверхнi техноземiв.
Також iнтерес викликають бiльш склады моделi (трьох- або бiльше компоненты), або з вертикальним повторенням шарiв у двохкомпонентних моделей та Ух комбЫа^ею (регулярне повторення двохкомпонентноУ модел^ яке розмiщаеться на третому типу прськоУ породи). Трьохкомпонентi моделi - це як правило таю, в яких е цть створити водотривкий або водовмiщуючий шар (так зван водоакумулятивн моделi) (Zabaluev, 1999). Також вар^ванню пiдлягають такi аспекти, як походження прських порщ. Вони можуть бути взятi безпосередньо з борту кар'ера або пкля впливу фтомелюративноУ сiвозмiни.
Рис. 2. Стратиграфiя моделей техноземiв (1 -57). Умовнiпозначки ^ - чорноземовидна гумусована маса; GGCc - аро-
зеленi глини з борта кар'еру; GGCph - аро-зелеы глини з фiтомелiорaтивноУ авозмЫи; LLL+RBC - технiчнa сумiш лесоподiбних суглинкiв (50 %) та червоно-бурих глин (50 %); LLLc - лесоподiбний суглинок з борта кар'еру; LLLph -лесоподiбний суглинок з ф^омелюративноУ сiвозмiни; Ps - пкок; RBCc - червоно-бура глина з борта кар'еру; RBCph -червоно-бура глина з ф^омелюративноУ сiвозмiни; RBLph - червоно-бурий суглинок з фтомелюративноУ сiвозмiни.
Дослщження динамки вбирання води з поверхн фунту е високоЫформативним iHCTpyMeHTOM оцЫювання властивостей Грунтового тiла без його порушення. Оптимальнi характеристики швидкостi ЫфтьтрацП' повиннi супроводжуватися стiйкiстю сприятливих показниюв у часi, що вiддзеркалюеться коефiцiентом водопроникностi. Цей показник, який перевищуе 1,5 не гарантуе вiд запливання поверхн Грунту та наступного утворення юрки нав^ь пiсля нетривалоУ ЫтенсивноУ зливи (Medvedev et al., 2011). Одержав динамiчнi кривi поряд iз високою диференцiальною здатнiстю е також еколопчно релевантними, тобто вiдображають властивосп Грунту як середовища iснування живих органiзмiв. Важливими аспектами параметрiв вбирання води е абсолюты показники ЫфтьтрацП' та фтьтраци, а також коефiцiент згасання водопроникностi Грунту.
Для моделювання швидкостi вбирання води ми застосували рiвняння Фiлiпа (Philip, 1957):
Q= Sp • t1/'2 + Ap • t,
де Q - кумулятивна кiлькiсть вбирноУ води (см/годину); t - час, години; Sp - коефiцiент пропорцмносп, який характеризуе поглинальну здатнiсть Грунту, або сорптивнкть, мае розмiрнiсть см/-Угодина, Ap - коефiцiент пропорцiйностi, який вказуе на фтьтрацмну здатнiсть Грунту, мае розмiрнiсть см/-Угодина. У рiвняннi Фiлiпа перша складова вiддзеркалюе перший етап процесу фтьтраци води Грунтом - всмоктування, а друга складова - безпосередньо фтьтрацю коли перша складова наближаеться до нуля. Моделювання виконано в програмi Statistica 7.0 в модулi User-Specified Regression за методом найменших квадралв, метод оцЫювання - Гауса-Ньютона.
Результати та обговорення
Диферен^альна здатнiсть кривих вбирання води проявляеться у тому, що спостер^аються значн вiдмiнностi мiж рухом вологи в Грунт у дослiджуваних об'ектах залежно вщ Ух будови. Важливим аспектом е порiвняння техноземiв рiзноï конструкци з природними Грунтами. Встановлено, що для чорноземiв звичайних характерними рисами процесу водопроникносп е монотонна динамка швидкосп вбирання води та межа, що чггко розрiзняеться мiж фазою iнфiльтрацiï i фiльтрацiï. Переход у фазу фiльтрацiï вiдбуваеться за перший час експерименту. Також слщ вiдзначити значну варiабельнiсть показникiв ЫфтьтрацП' як природних, так i техногенних Грунлв у горизонтальному напрямку (Maslikova et al., 2016).
Для дослщжуваних моделей техноземiв швидкiсть водопроникностi характеризуеться значним вар^ванням вiдносно монотонного тренду, який полягае у зменшен швидкосп вбирання води з часом та досягненн певного стацiонарного стану. Таю вщхилення вiд загального тренду проявляють себе у виглядi спалахiв пщвищеноУ швидкостi водопроникностi, що спостерiгаються через регулярн iнтервали часу, якi специфiчнi для кожного типу конструкци технозему (Maslikova et al., 2016). Вiрогiдно, що шар води, який проникае вглиб Грунту, зус^чае значн порожнини, завдяки яким вщбуваються вказан спалахи пщвищеноУ водопроникностi.
Порожнини у т^ техноземiв формуються унаслiдок малоУ спйкосп агрегатiв до змочування та значного рiвня усадки при висиханнi. За своею природою ц спалахи бтьшою мiрою вiдповiдають процесу iнфiльтрацiï. Таким чином, нав^ь у стабiльнiй фазi водопроникностi для спостережуваних техноземiв характерне сполучення процеав фiльтрацiï та Ыфтьтраци. Лише у моделях з техычною сумiшшю яка складаеться з чорнозему, пкку та лесоподiбних суглинкiв з борту кар'еру процес фтьтраци проходить без явних спалахiв та пшв у швидкосп. Вiрогiдно, ця техычна сумiш мае бiльш щiльний склад i не мае значних шпар. Перехщ вщ фази iнфiльтрацiï до фази фтьтраци для техноземiв мае нечтеу межу та значно розтягнутий у час.
Таким чином, конструщя Грунтоподiбного тiла у нуль-момент свого кнування визначае динамiку та траектор^ Грунтотворного процесу. Дослiдження динамiки вбирання води з поверхн Грунту е високоЫформативним iнструментом оцiнювання властивостей Грунтового тта без його порушення. Одержав динамiчнi кривi поряд iз високою диференцмною здатнiстю е також еколопчно релевантними, тобто вщображають властивостi Грунту як середовища кнування живих органiзмiв.
Диференцiйна здатнiсть кривих вбирання води проявляеться у тому, що спостер^аються значн вiдмiнностi мiж рухом вологи в Грунт у дослiджуваних об'ектах залежно вщ Ух будови. Для чорноземiв звичайних характерними рисами процесу водопроникносп е монотонна динамка швидкосп вбирання води та межа, що чтео розрiзняеться мiж фазою Ыфтьтраци та фiльтрацiï. Перехiд у фазу фтьтраци вщбуваеться за перший час експерименту.
Проведем дослiдження показали, що техноземи як штучн утворення мають принциповi вiдмiнностi вiд природних Грунлв, для яких розроблена модель Фтта. Техноземи е пористими, але неоднорщними утвореннями. Процес фiльтрацiï не е ламЫарним, перiоди плавного вбирання води припиняються спалахами провального водовбирання. Для моделювання такого процесу кращi результати показала дещо бтьш складна модель:
Q = Sp • t1/2 +Ар • t + В,
де В - константа.
Порiвняння класичноУ моделi Фiлiпа та модифкованого варiанту вказуе, що додавання у модель константи значно покращуе точнкть моделi (рис. 3).
Умовн/'позначки А - модель 39; В - модель 34
Традицмна модель не точно описуе процес вбирання води як на eTani Ыфтьтраци, так i на eTani фтьтраци. ОцЫка сорптивност за моделлю Фтта значно менша (приклад А), ыж для модифiковaного вaрiaнту. Також для прикладу А модель Фтта дае завищену оцЫку швидкостi фтьтраци у стацюнарнм фaзi процесу. Коeфiцiент пропорцiйностi, який вказуе на швидюсть фiльтрaцiï в модифiковaному вaрiaнтi може приймати вщ'емы значення, що дещо супeрeчiть трaдицiйним уявленням про процес вбирання води, але повнктю моделюе процеси, якi саме вiдбувaються у техноземах. Мова може йти про «вщ'емну фтьтрацю» - бiльш тривале затухання швидкосп фiльтрaцiï. У природних Грунтах стацюнарна фаза вбирання води спостер^аеться вже протягом перших годин експерименту. В техноземах зменшення швидкосп фтьтраци вщбуваеться майже постiйно.
Очевидно, набухання тeхнозeмiв при контaктi з вологою значно зменшуе об'ем порового простору, по якому вщбуваеться мiгрaцiя вологи. Цим ефектом можна пояснити те, що модeлi з вщ'емним коeфiцiентом фiльтрaцiï у деяких випадках можуть краще описати динaмiку вбирання вологи. У приклaдi В ми бачимо також переваги модифкованого вaрiaнту як на початкових етапах вбирання, так i у стацюнарнм фaзi цього процесу.
У модeлi Фтта константа дорiвнюе нулю. Для деяких моделей тeхнозeмiв ця константа також статистично вiрогiдно не вдазняеться вщ нуля (табл. 1).
Таблиця 1. Кодифка^я моделей тeхнозeмiв та параметри рiвняння Фiлiппa (нaпiвжирним покaзaнi коeфiцiенти вiрогiднi для р < 0,05)_
№ Коди моделей Параметри рiвняння Фттпа
Верхнм шар Пщстилаючий шар Походження S A B
1 CH CH C 207.44±77.06 52.86±33.81 43.60±40.28
2 CH CH C 539.61±149.62 75.66±61.33 -120.20±83.76
3 CH CH C 465.09±92.87 106.32±31.50 -147.11±63.71
4 CH LLL C 746.42±96.46 6.53±33.41 -160.95±64.36
5 CH RBC C 287.05±45.21 69.68±15.66 -60.93±30.18
6 CH GGC C 366.62±133.48 233.30±46.13 -50.76±89.36
7 GGC GGC C 1044.83±54.20 -152.89±16.46 -164.21±41.61
8 GGC GGC C 1096.32±38.06 -130.29±13.93 -191.13±23.95
9 GGC GGC C 1070.58±46.13 -141.59±15.19 -177.67±32.78
№ Коди моделей Параметри р1вняння Фт1ппа
Верхнм шар П1дстилаючий шар Походження S A B
10 RBC RBC C 753.81±119.60 178.96±43.60 -139.48±75.55
11 RBC RBC C 30.27±4.66 0.66±0.07 -364.85±73.31
12 RBC RBC C 1272.36±98.86 9.68±35.84 -327.95±62.94
13 LLL RBC C 422.04±29.61 0.78±11.28 -169.76±17.71
14 LLL LLL C 487.11±45.14 68.82±15.02 -102.36±31.09
15 LLL LLL C 657.95±68.83 34.81±25.61 -190.68±42.24
16 LLL LLL C 939.41±99.74 -39.03±37.12 -231.03±61.20
17 CH PS Ph 198.02±70.08 285.36±27.28 -72.27±41.98
18 CH PS Ph 236.82±78.44 258.07±31.44 -23.13±45.41
19 CH PS Ph 105.27±66.89 265.26±26.50 -70.72±39.17
20 CH PS Ph 52.07±81.90 373.80±33.71 42.85±45.96
21 CH PS Ph 138.06±96.09 164.88±39.17 32.87±53.91
22 RBC RBC Ph 430.40±102.96 116.77±46.12 -126.72±52.88
23 RBC RBC Ph 548.57±171.28 141.63±76.64 -129.87±88.07
24 RBC RBC Ph 564.21±191.12 62.87±85.54 -269.93±98.27
25 GGC GGC Ph 1681.36±151.94 -20.59±55.55 108.00±93.82
26 GGC GGC Ph 1427.78±70.55 -144.43±25.73 -89.26±43.77
27 GGC GGC Ph 1781.61±56.96 -131.14±20.77 -129.39±35.34
28 KBL KBL Ph 1254.28±94.84 165.69±35.70 455.28±57.54
29 KBL KBL Ph 184.21±65.54 82.82±31.77 218.99±31.01
30 LLL LLL Ph 81.69±73.48 170.01±33.45 44.18±37.71
31 LLL LLL Ph 218.03±107.61 144.25±48.97 15.85±55.23
32 LLL LLL Ph 144.66±71.86 113.02±32.91 56.34±36.64
33 CH PS Ph 351.73±56.92 13.69±30.15 743.10±24.40
34 CH PS Ph 637.60±80.35 88.46±42.29 830.13±34.79
35 CH PS Ph 856.23±44.24 3.60±16.95 82.16±26.43
36 GGC PS F 1716.95±87.25 -255.00±34.04 152.95±50.46
37 LLL PS F 793.88±90.60 -33.72±39.75 -246.83±48.03
38 LLL PS F 691.96±134.18 -82.65±58.87 -274.54±71.14
39 GGC PS F 1122.74±87.66 -179.01±38.46 -423.49±46.47
40 CH PS F 981.00±119.59 -71.00±52.47 -386.19±63.41
41 CH PS F 955.40±237.58 42.22±102.31 -375.05±128.66
42 CH PS F 969.24±238.80 45.09±102.84 -386.05±129.32
43 CH LLC+PS+GGC C 498.32±54.12 209.02±17.24 -238.78±39.46
44 CH LLC+PS+GGC C 832.41±55.60 -21.25±17.71 -341.71±40.54
45 CH LLC+PS+GGC C 513.57±30.57 47.02±9.74 -146.80±22.29
46 CH LLC+PS+GGC C 802.84±41.84 12.27±13.33 -295.01±30.51
47 CH LLC+PS+GGC C 606.49±28.60 50.18±9.11 -150.16±20.85
48 CH LLC+PS+GGC C 267.68±15.97 73.77±5.09 -95.58±11.65
49 CH LLC+PS+GGC C 945.82±63.05 -42.66±20.09 -394.48±45.97
50 CH LLC+PS+GGC C 534.39±23.65 25.48±7.53 -106.98±17.24
51 CH LLC+PS+GGC C 221.55±19.15 130.30±6.10 4.37±13.96
52 CH LLC+PS+GGC C 334.46±30.83 34.43±12.86 -15.98±17.21
53 CH LLC+PS+GGC C 333.08±22.58 11.59±9.42 14.24±12.60
54 CH LLC+PS+GGC C 356.31±36.34 54.98±15.16 -36.59±20.29
55 CH LLC+PS+GGC C 112.43±32.20 155.44±13.63 -39.93±17.62
56 CH LLC+PS+GGC C 337.78±54.87 138.58±23.23 -59.10±30.02
57 CH LLC+PS+GGC C 256.95±12.07 58.89±5.11 -93.81±6.60
CH - гумусована г"рунтова маса; GGC - аро-зелеы глини; RBC - 4epBOHO-6ypi глини; LLL - лесоп(эдбы суглинки; KBL - 4epBOHO-6ypi суглинки; PS - nicoK;
LLC+PS+GGC - послщовш шари в1дпов1дних фунтт; F - з стьськогосподарського поля; Ph - пкля ф^омелюритвноУ' с1возм1ни; C - з кар'ера
Але найчаслше константа приймае вiд'eмнi значення. Вщ'емы значення константи вказують на наявнкть певного гальмування вбирання вологи на перших етапах, або бтьш повльного процесу, ыж характерний у цтому за перiод дослiдження. Вiрогiдно, повiтрянi пробки можуть бути причиною повтьного вбирання вологи на початку процесу. Позитивне значення константи можна розглядати як показник провального вбирання води на перших етапах експерименту. Значна трщинувалсть деяких титв техноземiв сприяе такому явищу.
Сорптивнiссть статистично вiрогiдно залежить вiд типу покриву, яким представлений верхнм шар технозему (F = 126,2, p < 0,001) (рис. 4). Найбтьшою сортивнктю характеризуеться технозем з сiро-зеленими глинами у верхньому a^i (1315.7±34.3 см/-Угодина). Найменшi показники сорптивностi властивi для техноземiв з верхнiм шаром з чорноземовидноУ маси (468.6±17.2 см/-Угодина) або з лесоподiбних суглинкiв (499.1±32.3 см/-Угодина). Насипний шар техноземiв з червоно-бурих глин або суглинюв характеризуеться промiжним положенням за показниками сорптивностi (572.5±39.6 та 688.4±68.6 см/Ягодина вiдповiдно). Високий рiвень сорптивностi неможна визнати як позитивну ознаку, так як вона пов'язана зi значною пористiстю аераци, що може викликати гiпераерацiю та надто високу швидюсть висихання Грунлв. У природних Грунтах у мiру збiльшення еродованностi показник сорптивностi також збтьшуеться. 1500
1300
1100
и 900
700
500
300
CH GGC RBC LLL RBL
100
< 0 -100
-200
400
200
О
0
-200
-400
Рис. 4. Параметри модифкованого рiвняння Фтта у залежностi вiд верхнього шару техноземiв
YMOBHiпозначки S, A, C, - параметри рiвняння, CH - гумусована чорноземоподiбна маса; GGC - аро-зелеы мергелистi
CH GGC RBC LLL RBL
т-1-1-1-г
_I_I_I_I_I_
CH GGC RBC LLL RBL
глини та суглинки; RBC - червоно-бурi суглинки; LLL - лесподiбнi суглинки; RBL - червоно-бурi глини У чорноземi звичайному в верхнм третий схилу сорптивнГсть становить 908.5±64.0 см/-Угодини, у бiльш еродованiй позици у середин схилу - 1441.4±74.4 см/-Угодини, а в найбiльш еродованому Грунт у нижнiй третинi - 2009±102.9 см/7години. Низька сорптивнгсть також е негативною властивктю Грунту, так як унеможливлюе швидке потрапляння води у шар фунту за умов Ытенсивного випадЫня опадiв. Такий характер випадЫня дуже характерний для степово' зони Укра'ни. I якщо вода не потрапляе у фунт, то вГдбуваеться и латеральне перемiщення, яке викликае водну ерозiю Найбiльший ризик ргзкого зниження сорптивностг техноземiв важкого мехаычного складу може виникати у результат утворення поверхнево' кгрки. Чим бГльш важкий механiчний склад та менший умгст оргаычноТ речовини - тим бГльший ризик утворення кгрки. У цьому контекст сiро-зеленi глини представляють дуже проблемний тип поверхневого насипу. За нашими результатами, аро-зелеы глини характеризуются найбГльшою сорптивнГстю, але ж цГ техноземи можуть утворювати юрку i 'х сорптивнГсть може змГнитися з точнГстю до навпаки - стати найменшою. Така контрастнГсть властивостей дуже притамана молодим техногенним фунтам. ВарГабельнГсть водних властивостей може спостерГгатися у час та у просторГ на рГзних як часових, та i просторових масштабах. КрГм того, може бути вкрай специфГчною ритмГка процесГв, яка суттева вГдмГна вГд ритмГки процесГв у природних фунтах, або у агроземах, як сформованГ на первинно природних Грунтах.
Параметр рГвняння ФГлГпа А, який характеризуе швидюсть фтьтраци у стацГонарнГй фазГ процесу, найбГльший для червоно-бурих глин (119.1±20.3 см/-Угодина). Дещо менший цей показник для техноземГв з насипним шаром з гумусованого чорноземовидного матерГалу (92.0±5.1 см/-Угодин). Дещо менша швидюсть фГльтрацГ'' для насипу з червоно-бурих суглинюв (79.1±5.1 см/-Угодин). ФГльтрацГя у лесовидних суглинках (42.1±9.6 см/-Угодин) майже точно дорГвнюе значенню цього параметру у чорноземних фунтах (43.1±20.4 см/Ягодин). Для сГро-зелених глин параметр А приймае вГд'емнГ значення, що вказуе на те, що швидюсть фтьтраци зменшуеться увесь перюд експерименту та найбГльш вГрогГдно, наближаеться до нуля. Низький вмГст органГчних речовин в аро-зелених глинах дае можливостГ утворювати водостмку структуру, тому при контакт з водою структура втрачаеться, а фунти «пливуть». Цьому явищу також сприяе засоленГсть Грунтового розчину та переважання у Грунтовому поглинальному комплекс аро-зелених глин натрГю. Таким чином, для аро-зелених глин характерний вкрай контрастний водний режим: висок показники ¡нфтьтраци як поеднуються з низькими фтьтрацмними властивостями аж до водослйкого стану. У природних Грунтах значення параметру А зменшуеться та набувае вГд'емних значень зГ збГльшенням активност ерозГйних процесГв.
ЗдатнГсть пГдтримувати високий рГвень швидкостГ фГльтрацГ' вологи у станГ повно' насиченостГ Грунту вологою - е дуже важливою функцюнальною особливГстю, яка також вказуе на стабГльнГсть протГкання у ГрунтГ ¡нших процесГв. НаявнГсть тако' властивостГ у педоземГв досить зрозумГла - вона успадковуеться вГд чорноземнГх ГрунтГв, як е донорами чорноземовидно' гумусовано' маси.
Параметр моделГ С найближчий до нуля для чорноземоподГбно' насипки, що вказуе на те, що для моделювання вологовбирання у ньому достатньо традицмно'Г форми рГвняння ФГлГпа. Аналопчне вГрне i для природного чорноземного Грунту в верхнм частинГ схилу балки.
Позитивне значення коефГцГенту С вказуе на провальну водопроникненнГсть на перших етапах насичення Грунту водою. Така особливГсть характерна для насипки з червоно-бурих суглинюв, для яких параметр С становить 337.1±45.4 см/7годин.
Для ¡нших типГв техноземГв значення параметру С вГд'емне. Найменший показник характерний для червоно-бурих глин (-229.1±26.2 см/7годин). Для сГро-зелених глин та лесоподГбних суглинкГв параметр С знаходиться на близькому рГвнГ (-128.7±22.7 та -138.1±21.4 см/^годин вГдповГдно).
ВГд'емне значення коефГцГенту С вказуе на наявнГсть ефекту «змочування» - певного гальмування водопроникненност на перших етапах насичення Грунту вологою. Саме коефщГент С е доповненням моделГ ФГлГпа, що дозволяе бтьш точно описувати мГграцГйнГ процеси у техногенних Грунтах. Наближення цього параметру до нуля е чГтким маркером цтГсносп Грунту, як природного, так i техногенного походження. Як статистично вГрогГдно вГдмГннГ вГд нуля позитивы, або негативнГ значення цього параметру характеры для або порушених ерозГйними процесами природних ГрунтГв, або для техноземГв у фазГ 'х формування.
Процес насичення водою Грунту при попаданнГ и на поверхню вГдбуваеться зверху вниз поступово поширюючись у бГльш глибок шари, тому природа та властивостГ пГдстилаючого шару також вГдбиваеться у динамки поглинання води. СорптивнГсть статистично вГрогГдно визначаеться особливостями пГдстилаючого шару Грунту (F = 28.8, p < 0.001). НайбГльша сорптивнГсть характерна для техноземГв з аро-зеленими глинами у якост пщстилаючоТ породи (1143.8±47.2 см/7годин). Найменший цей показник характерний для таких пГдстилаючих ГрунтГв, як чорноземовидна маса (422.9±72.2 см/7годин) та пГсок (656.4±32.3 см/7годин). 1ншГ пГдстилаючГ породи займають перехГдне положення за рГвнем сорптивностГ.
НайбГльший рГвень швидкостГ фГльтрацГ' характерний для техноземГв з червоно-бурими суглинками у якосп пГдстилаючо' породи (119.1±28.1 см/7годин). ПостГйне гальмування швидкостГ фГльтрацГ'' спостерГгаеться у разГ застосування у якостГ пГдстилаючого шару сГро-зелених глин (-73.0±15.0 см/7годин). 1ншл породи подГбнГ за рГвнем швидкостГ фГльтрацГ'' у разГ 'х застосування як пГдстилаюча порода.
ДинамГку вбирання води на перших етапах процесу описуе параметр С. ВГн приймае позитивы значення для моделГ техноземГв з червоно-бурим суглинком у якостГ пГдстилаючого шару (337.1±46.0 см/7годин), що вказуе на провальне всмоктування води на початку експерименту. 1ншл типи техноземГв навпаки, демонструють вГд'емнГ значення коефГцГенту С, що обумовлене ефектом «змочування».
Висновки
Конструщя фунтопод^ного тта у нуль-момент свого кнування визначае динамiку та траектор^ Грунтотворного процесу. Основними конструктивними варiантами техноземiв е: однорiднi мономоделi та варiанти композитиних конструкцiй (двох- або бтьше компонентнi) з шарами рiзного походження та товщини. Для моделювання процесу водовбирання техноземiв бтьш придатним е модифiковане рiвняння Фтта, яке дозволяе точно описати процес вбирання води як на етап Ыфтьтраци, так i на етап фiльтрацiУ. Характер пщстилаючоУ породи техноземiв, яка знаходиться на певнiй глибиы, значно впливае на перебiг процеав Грунтоутворення у межах усього Грунтового профтю та, таким чином, визначають властивостi технозему як цiлiсного утворення. Пщстилаюча порода регулюе процеси контакту техноземiв з навколишнiм середовищем, так як визначае Ытенсивнкть профiльноУ мiграцiУ вологи та розчинених солей, а вщтак - впливае на температуру поверхневого шару та його волопсть. Важливим також е формування еколопчних умов у кореневмкному шарi техноземiв, якi зазнають впливу пiдстилаючоУ породи. Наявнкть водостiйких агрегатiв бiогенного походження згладжуе вар^вання щiльностi глинистих Грунлв, якi виникають внаслiдок процесiв набухання та усадки, що дозволяе пщтримувати на стабiльному рiвнi структуру Ух порового простору. Як наслщок, Грунти пкля фтомелюративноУ фiтозмiни набувають таких особливостей, як зменшений рiвень Ыфтьтрацп, але збiльшений рiвень фiльтрацiУ. Оптимальн значення показникiв сорптивностi та фтьтрацп тiсно кореспондують з профiльними властивостями Грунлв, якi можна дослiдити за допомогою показниюв твердостi. Однорiднiсть складення та водотривка агрегатна структура визначають оптимальн функцiональнi режими техноземiв. Наявнкть контрастних субстратiв призводить до формування водотривких границь, як порушують профтьне перемiщення води та формують iзольованi компартменти. Стратифiкованi конструкци можна розглядати лише як Ыструмент iзоляцiУ верхых шарiв Грунту вiд проникнення токсичних солей або Ыших токсикантiв пкля захоронення гiрських порiд, якi ц токсиканти вмiщують. Зона сполучення контрастних субстралв обмежуе проникнення вологи атмосферного походження у глиб Грунту i таким чином обмежують вологозапаси Грунту, як формуються у оанньо-зимовий перюд.
References
Anderson, A. N., McBratney, A. B., Crawford, J. W. (1998). Applications of fractals to soil studies. Advances in Agronomy, 63, 1-76. Bekarevich, N. E. (1971). Breed supraore column and their agricultural valuation. In: Bekarevich, N. E. (Ed.), About reclamation in the steppes of Ukraine. Dnepropetrovsk, Promin (in Russian).
Fridland, V. M. (1972). Structure of the soil cover. Moscow: Misl (in Russian).
Heuvelink, G. B. M., Webster, R. (2001). Modelling soil variation: past, present, and future. Geoderma, 100, 269-301. Karpachevsky, L. O. (1983). Landscape mirror. Moscow, Mysl (in Russian). Karpachevsky, L. O. (2005). Ecological soil science. Moscow, Geos (in Russian).
Kharytonov, M., Babenko, M., Velychko, O., Pardini, G. (2018). Prospects of medicinal herbs management in reclaimed minelands of Ukraine. Ukrainian Journal of Ecology, 8(1), 527-532. DOI: 10.15421/2018 245
Kunah, O.N. (2016). Functional and spatial structure of the urbotechnozem mesopedobiont community. Visnyk of Dnipropetrovsk University. Biology, ecology, 24(2), 473-483. DOI https://doi.org/10.15421/011664
Maslikova, K.P., Ladska, I.V., Zhukov, O.V. (2016). Permeability of soils in artificially created models with different stratigraphy. Biological Bulletin of Bogdan Chmelnitskiy Melitopol State Pedagogical University. 6 (3), 234-247. DOI: http://dx.doi.org/10.15421/201693 Medvedev, V. V., Laktionova, E. V., Donsova, L. V. (2011). Soil water properties of Ukraine and agricultural crops water supply. Kharkiv: Apostrof (in Russian).
Philip, J. R. (1957). The Theory of Infiltration: Sorptivity and Algebraic Infiltration Equation, Soil Science, 84, 257-264. Rode, A.A. (1984). Genesis of soils and modern soil formation processes. Moscow, Nauka (in Russian).
Yakovenko, V. M. (2008). Micromorphological diagnosis Prisamare-Dniprovske chaernozems. Soil science, 9, 3-4, 119-127 (in Ukranian). Zabaluev, V.A. (1999). Formation of agro-ecosystems reclaimed land in the steppe of Ukraine: edaphic study. Kyiv (in Russian). Zadorozhna, G. O., Kunah, O. N., Zhukov, O. V. (2012). The spatial organization of soddy-lithogenic soils on the redbrown clays. Problems of the ecology and nature protection of the technogenic region, 1(12), 226-237 (in Russian).
Zhukov, A. V., Shatalin, D.B. (2016). Hygrotope and trophotope of the steppe pridniprovie biogeoceonosis as determinants of the earthworms (Lumbricidae) communities ^-diversity. Biological Bulletin of Bogdan Chmelnitskiy Melitopol State Pedagogical University. 6 (2), 129-157 (in Russian). DOI: 10.15421/201651
Zhukov, A.V., Zadorozhnaya, G.A. 2016. Spatio-temporal dynamics of the penetration resistance of recultivated soils formed after open cast mining. Visnyk of Dnipropetrovsk University. Biology, ecology. 24(2), 324-331 (in Russian). DOI: 10.15421/011642
Zhukov, O.V (2015). Influence of usual and dual wheels on soil penetration resistance: the GIS-approach. Biological Bulletin Of Bogdan Chmelnitskiy Melitopol State Pedagogical University. 3, 73-100 (in Russian). DOI: 10.7905/bbmspu.v5i3.988
Zhukov, O.V., Kunah, O.M., Taran, V.O., Lebedinska, M. M. (2016). Spatial variability of soils electrical conductivity within arena of the river dnepr valley (territory of the natural reserve "Dniprovsko-Orilsky"). Biological Bulletin of Bogdan Chmelnitskiy Melitopol State Pedagogical University, 6 (2), 129-157 (in Ukranian). DOI: http://dx.doi.org/10.15421/201646
Zhukov, O.V., Kunah, O.N., Novikova, V.A. (2016). The functional organisation of the mesopedobionts community of sod pinewood soils on arena of the river Dnepr. Visnyk of Dnipropetrovsk University. Biology, ecology. 24(1), 26-39 (in Russian). doi:10.15421/011604 Zverkovskyi, V.M., Sytnyk, S.A., Lovynska, V.M., Kharytonov, M.M., Mykolenko, S.Yu. (2017). Remediation potential of forest-forming species in the reclamation planting. Ukrainian Journal of Ecology, 7(3), 64-72. doi: 10.15421/2017 50
Citation:
Maslikova, K.P. (2018). Management of functional properties of recultozem models with placement primary stratigraphy. Ukrainian Journal of Ecology, 8(1 ), 619-627. I work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0. License
