CC BY
15Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(15), 2014 г., [27-37] УДК 631.459.22 М. С. Зверьков
Российский государственный аграрный университет - Московская сельскохозяйственная академия имени К. А. Тимирязева, Москва, Российская Федерация
МАССА И ДАЛЬНОСТЬ РАЗБРЫЗГИВАНИЯ ПОЧВЫ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ КАПЕЛЬНОЙ ЭРОЗИИ
Целью исследований является изучение последствий динамического воздействия капель искусственного дождя на почву. В статье приведены результаты эксперимента по изучению закономерностей суммарной массы разбрызганной почвы от максимального расстояния разлета частиц. Наиболее подвержена эрозии фракция < 0,25 мм. Это справедливо и для величины расстояния разлета, и для массы разбрызганных частиц. Определена масса разбрызганной почвы от воздействия капель 1,73 и 2,73 мм, падавших с высоты 1,0-2,5 м. От удара капли размером 2,73 мм на этих образцах разлетаются частицы общей массой 0,056±0,004 г. Но даже небольшая капля диаметром 1,73 оказывает влияние на процесс капельной эрозии почвы: общая масса разбрызганных частиц составляет 0,043±0,003 г для фракции < 0,25 мм и 0,016±0,004 г для контрольного образца при падении капли с высоты 2,5 м. В эксперименте также исследованы образцы почв из орошаемых хозяйств Коломенского района Московской области и опытного участка в Шацком районе Рязанской области. Установлено, что более устойчивы к капельной эрозии образцы почв из хозяйств и опытного участка. Это объясняется влиянием их ор-ганоминерального состава на процесс капельной эрозии. Полученная связь массы разбрызганных частиц и расстояния разлета может быть использована для изучения и расчета капельной эрозии. Результаты исследования капельной эрозии могут быть также использованы хозяйствами при проектировании противоэрозионных мероприятий.
Ключевые слова: деградация почвы, капельная эрозия, почва, капля, удар капли, масса, расстояние разлета, частицы почвы.
M. S. Zverkov
Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K. A. Timiryazev, Moscow, Russian Federation
SOIL SPLASH WEIGHT AND DISTANCE IN THE EXPERIMENT OF RAINDROP EROSION
The aim of the research is to study the consequences of dynamic impact of the drops of artificial rain on soil. The results of experimental research of total soil splash weight and the maximum splash distance are given. The fraction < 0.25 mm is the most erodibility. It is equally for the total soil splash weight and the maximum splash distance. The weight of soil detached were measured for 1.73 and 2.73-mm diameter drops falling from the height of 1.0-2.5 m. Soil splash weight is 0.056±0.004 g for 2.73-mm diameter drop. But even a small drop of 1.73-mm diameter has an impact on erosion process: total soil splash weight was 0.043±0.003 g for fraction < 0.25 mm and 0.016±0.004 g for a control soil sample when drops were falling from the height of 2.5 m. The soil samples of irrigated lands of the Kolomna municipal district in the Moscow region and experimental plot of the Shatsk municipal district of the Ryazan region were studied too. It is established that more sustainable to erosion were soil samples from farms and experimental plots. It can be explained by the im-
pact of their organic and mineral composition on the process of raindrop erosion. The obtained relation of the soil splash weight and splash distance can be used for study and calculation of raindrop erosion. The research results can be used by farms for design of erosion-preventive measures, as well.
Keywords: soil degradation, raindrop erosion, soil, drop, raindrop impact, weight, splash distance, soil particles.
Капельная эрозия обусловлена динамическим воздействием капель искусственного дождя на почву. У падающих капель увеличивается энергия и, следовательно, сила удара, вследствие которой разрушаются структурные агрегаты почвы. В момент удара раздробленные почвенные частицы разбрызгиваются, и происходит кольматация, приводящая к возникновению почвенной корки. Наступает следующая стадия эрозии - поверхностным стоком.
Этот вид деградации начали обстоятельно изучать в начале XX века. Проделанный литературный обзор отечественного и зарубежного опыта исследования этого процесса свидетельствует о многообразии форм и степени проявления капельной эрозии. В этой связи актуальной становится задача изучения этого явления, поскольку последствия эрозии отражаются на всей совокупности свойств почвы, которые определяют цели и возможности ее использования в различных отраслях народного хозяйства.
Материалы и методы
Масса разбрызганной почвы определялась в эксперименте моделирования капельной эрозии почв на установке, показанной на рисунке 1. Сосуд Мариотта позволяет обеспечить постоянную скорость истечения капель, несмотря на понижение уровня воды. Для образования капель использовались медицинские иглы (инъекторы) с внутренними диаметрами 0,060 (34 G) и 0,410 (22 G) мм, в результате были получены капли диаметром dd 1,73 и 2,73 мм соответственно с высотой падения h 1,0, 1,5, 2,0 и 2,5 м каждая. Эрозии подвергались образцы модельных почвогрунтов (минеральные дисперсные грунты) с содержанием гумуса 0 %, по гранулометрическому составу супеси и легкие суглинки. Исследовались образ-
цы следующего фракционного состава: 3,0-1,0 мм; 1,0-0,5 мм; 0,5-0,25 мм; < 0,25 мм. Контроль - образец, состоящий из смеси равных долей анализируемых фракций. Для исключения влияния химического состава капель использовалась дистиллированная вода, подготовленная по ГОСТ 6709-72. Образцы увлажнялись до уровня НВ (наименьшей влагоемкости), т. к. в предыдущих исследованиях автором установлено, что в этом состоянии почва наиболее подвержена капельной эрозии [1]. В качестве параметра, характеризующего интенсивность капельной эрозии, в нашем опыте принята масса т разбрызганных почвенных частиц, которая регистрировалась от одиночного воздействия капли на почву. Почвенный образец помещался в кювету. Повторность опыта пятикратная.
1
2 7
1 - штатив; 2 - трубка; 3 - сосуд Мариотта; 4 - вентиль; 5 - инъектор;
6 - защитный кожух; 7 - капля; 8 - почвенный образец; 9 - стакан-собиратель
Рисунок 1 - Схема лабораторной установки
Также исследовались образцы почв из орошаемых хозяйств Коломенского района Московской области и опытного участка, расположенного в Шацком районе Рязанской области. Это аллювиальная агротемногу-мусовая глееватая супесчаная почва (PU-AUg-Cg~~-Cca) фермерского хозяйства «ИП глава КФХ Бабунов Ю. А.», аллювиальная агрогумусовая (дерновая) легкосуглинистая почва (P-AY-C~~) ЗАО «Акатьевский» и глинисто-иллювиальный агрочернозем (Ри-Аи-В1) опытного участка. На-
именование горизонтов давалось по методике Почвенного института имени В. В. Докучаева [2]. Точечные пробы отбирались в трехкратной повтор-ности в трех местах по периферии орошаемых участков из агротемногуму-сового (PU) и агрогумусового (P) горизонтов по ГОСТ 28168-89 с глубины 5-10 см. Исследования на установке, показанной на рисунке 1, проводились в пятикратной повторности.
В хозяйствах реализована технология орошения дождеванием картофеля сорта «ред скарлетт». В «ИП глава КФХ Бабунов Ю. А.» для этих целей используют машины фронтального действия T-L (производства США), в ЗАО «Акатьевский» - ДДА-100МА. На опытном участке использован среднеструйный импульсный дождевальный аппарат RACO 4260-55/701C.
Масса разбрызганной почвы определялась с помощью специальных стаканов-собирателей. В разных модификациях этот способ применяли W. D. Ellison [3], Г. К. Горчичко [4], R. P. C. Morgan [5], Низар Хасан Зар-да [6], M. Parlak и A. O. Parlak [7]. Д. А. Маштаков в своих исследованиях для определения массы разбрызганной почвы применял метод, предложенный Г. И. Швебсом [8]. Для этого он использовал предварительно взвешенные обеззоленные бумажные фильтры размером 15*15 см. Эти фильтры вносились в зону дождя на 10 с, а затем высушивались и взвешивались вместе с попавшими на них частицами почвы [9].
Сопоставляя результаты этих ученых, автором в данной работе количество разбрызганной почвы определено следующим образом. После однократного удара капли происходит разлет частиц. Из стакана-собирателя удаляется кювета, и с помощью промывалки с дистиллированной водой разбрызганные частицы переносятся на предварительно высушенный до постоянной массы и взвешенный обеззоленный фильтр. Фильтр высушивается, по разности определяется масса частиц почвы.
Для изучения зависимостей между дальностью разлета частиц и мас-
сой использованы уравнения регрессии, полученные в результате исследований процесса разбрызгивания от однократного воздействия капли на 4000 образцах воздушно-сухого состояния и при уровнях влажности 0,4 НВ, 0,7 НВ, НВ, полной влагоемкости (ПВ) [1]. Выражения имеют следующий вид: 5 = - 4,8 + ехр(- 0,08 + 0,55 h + 0,64 dd + 0,88 W), R2 = 0,93±0,05; (1) 5 = - 5,23 + ехр(- 0,13 + 0,5 h + 0,62 dd + 0,87 W), R2 = 0,97±0,02, (2)
где 5 - расстояние разлета частиц, см; h - высота падения капель, м; dd - диаметр капель, мм;
W - влажность образца, в долях НВ. Выражение (1) соответствует разлету частиц супеси, (2) - суглинку. Величина W изменяется от 0 до НВ.
Изучение проводилось по стандартным методикам лабораторных и полевых опытов, математической обработки полученных результатов. Математический анализ выполнен в программном комплексе <^а^йса 10.0». Принятый уровень значимости составляет р < 0,05. Анализ результатов
Общее число исследованных образцов составило 440. Для выявления связи между исследуемыми величинами проведен корреляционный анализ.
Коэффициенты корреляции г между массой т разбрызганных частиц и величинами h и dd для контрольного образца, фракции < 0,25 мм и образцов почв из хозяйств и опытного участка лежат в пределах 0,45-0,88, причем все значения менее 0,6 относятся к диаметрам капель dd. Максимальный коэффициент корреляции между dd и т составляет 0,7 для контрольного образца супеси, минимальный 0,45 - для фракции < 0,25 мм супеси. Кроме того, статистической значимости между dd и т не выявлено (уровень значимости р > 0,05) ни в одном из образцов. Вероятно, это свя-
зано с исследованием всего двух размеров капель.
Стоит отметить, что сокращение числа вариантов диаметров капель обосновано в более ранних исследованиях автора, в которых установлен минимальный и максимальный диаметр [1, 10].
Установлено достоверное влияние высоты падения капли на массу разбрызганных частиц (р < 0,05). Наиболее существенно это проявляется в статистической характеристике образцов фракции < 0,25 мм супеси и суглинка (р = 0,004 и р = 0,012 соответственно). Эти результаты подтверждают предварительные исследования. Корреляционная связь тесная, прямая (г = 0,68-0,88). Полученные значения статистики позволяют говорить о наличии зависимости между массой т разбрызганных частиц и высотой падения капли h.
На рисунке 2 приведены распределения значений массы разбрызганных частиц в зависимости от высоты падения капли для образцов супеси.
т, г 0,035-
0,030-
0,025-
0,020-
0,015-
0,010-
0,005
0,000
т, г 0,060,050,040,03" 0,020,01"
° 3
14
□ 5
—1-1-1-1-1-1 0,000 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 к, м 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 к, м
а б
а - супесь, контрольный образец; б - супесь, фракция < 0,25 мм;
1 - для капли dd = 1,73 мм; 2 - для капли dd = 2,73 мм; 3 - среднее значение; 4 - доверительный интервал; 5 - ошибка среднего
Рисунок 2 - Зависимость массы разбрызганной почвы от высоты падения капель
Как видно из приведенных данных, наиболее подвержена разрушению и, как следствие, разлету фракция < 0,25 мм. Причем от удара капли размером 2,73 мм на этих образцах разлетаются частицы общей массой 0,056±0,004 г. При тех же условиях, но на контрольных образцах, т = 0,033±0,005 г. Но и капля размером 1,73 мм может также разбрызгать сопоставимое количество почвенных частиц: 0,043±0,003 г для фракции < 0,25 мм и 0,016±0,004 г для контрольного образца при падении с высоты 2,5 м.
Исследования образцов суглинка также показали, что наиболее подвержена капельной эрозии фракция < 0,25 мм. Для этих образцов масса разбрызганных частиц составила 0,037±0,003 г и 0,026±0,002 г при падении с высоты 2,5 м капель диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно. На контрольных образцах значения т были несколько ниже и составляли 0,025±0,003 г и 0,013±0,002 г при падении с высоты 2,5 м капель диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно.
Использование модельных почвогрунтов позволило рассмотреть процесс разбрызгивания без учета влияния содержания питательных веществ. Однако такой процесс, связанный с разбрызгиванием частиц почвы, был характерен и для образцов почв из орошаемых хозяйств Коломенского района Московской области и опытного участка, расположенного в Шацком районе Рязанской области. Для агротемногумусового (РЦ) горизонта почвы супесчаного гранулометрического состава фермерского хозяйства «ИП глава КФХ Бабунов Ю. А.» масса разбрызганных частиц составила 0,022±0,004 г и 0,012±0,003 г при падении с высоты 2,5 м капель диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно. Для агрогумусового (Р) горизонта почвы легкого суглинистого гранулометрического состава ЗАО «Акатьев-ский» масса разбрызганных частиц составила 0,016±0,003 г и 0,008±0,002 г при падении с высоты 2,5 м капель диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно. Для агротемногумусового (РЦ горизонта почвы суглинистого
гранулометрического состава опытного участка масса разбрызганных частиц составила 0,013±0,002 г и 0,007±0,002 г при падении с высоты 2,5 м капель диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно.
Как и предполагалось, величины т для почв из хозяйств и опытного участка оказались меньше, чем массы разбрызганных частиц для аналогичных условий почвогрунтов. Однако между параметрами разлета модельных почвогрунтов и образцов почв существует тесная прямая корреляционная связь, вероятно, из-за исследования одного диапазона фракций. Коэффициенты корреляции также находятся в пределах r = 0,7-0,99. Причем также наблюдается достоверное влияние высоты падения капли на массу т (уровень значимости p = 0,001-0,04 иг = 0,7-0,88). Образцы почв более устойчивы к капельной эрозии, это объясняется влиянием их органоминерального состава на процесс капельной эрозии.
Похожие результаты получены исследователями M. A. Nearing и J. M. Bradford. Они также изучали количество разбрызганной почвы от однократного воздействия на нее капли. В их эксперименте капля диаметром 5,7 мм ударяла о почву с высоты 13 м. Особое внимание ученые удели явлению сопротивления почвы сдвигу, возникающему при ударе. В соответствии с приведенными ими данными, в условиях эксперимента максимальная масса составила 0,05 г [11].
Для выявления закономерностей между максимальным расстоянием S разлета частиц почвы и суммарной массой т разбрызганных частиц по выражениям (1) и (2) произведен расчет величины s для всех образцов. Ранее показано, что максимальное расстояние разлета частиц супеси S = 59,3±0,6 см (при h = 2,5 м, dd = 2,73 мм и W = НВ) отмечено у фракции 0,25-0 мм. У контрольных образцов при тех же условиях S = 46,4±0,4 см [1]. По выражению (1) S = 47,5 см, что является достаточно точным результатом.
В результате регрессионного анализа получены два выражения, от-
ражающие зависимость суммарной массы разбросанных частиц от их максимального разлета:
т = - 27,385 + ехр(3,31 + 0,000023 5), R2 = 0,93±0,02; (3)
т = - 16,102 + ехр(2,779 + 0,000036 5), ^ = 0,89±0,04, (4) где 5 - расстояние разлета частиц, см; т - масса разбрызганной почвы, г. Выражение (3) соответствует разлету частиц супеси, (4) - суглинку. Влажность на уровне НВ. Коэффициент детерминации R2 свидетельствует
о высокой точности подбора уравнений регрессии.
На рисунке 3 построены кривые зависимости значений массы т разбрызганных частиц от расстояния 5 разлета частиц.
0,035-1 0,0300,0250,0200,0150,0100,005 0,000
т, г
5, см
0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000
т, г
5, см
10,0
20,0 а
30,0 40,0
50,0
10,0
20,0
30,0 б
40,0
а - супесь; б - суглинок; 1 - кривая, построенная по выражению (3); 2 - контроль, dd = 2,73 мм; 3 - агротемногумусовый (Ри) горизонт; 4 - кривая, построенная
по выражению (4); 5 - агрогумусовый (Р) горизонт; 6 - агротемногумусовый (Ри)
горизонт почвы
Рисунок 3 - Кривые зависимостей массы от расстояния разлета
Как видно из рисунка 3, полученные зависимости отражают общие закономерности капельной эрозии. Однако очевидно, что для полного описания количества разбрызганной почвы необходим учет и органомине-рального состава почв. Это является предметом дальнейших исследований.
Дальнейшие исследования автора также связаны с определением
суммарной массы разбрызганной почвы in situ. Под руководством профессора А. Е. Касьянова подготовлен рабочий макет прибора для оценки опасности капельной эрозии почв [12]. В 2014 году планируется завершить его испытания. Прибор может быть полезен хозяйствам и специалистам-мелиораторам.
Выводы
Наиболее подвержена эрозии фракция почвы < 0,25 мм. Это в равной степени справедливо и для величины расстояния разлета S, и для массы т разбрызганных частиц.
Даже небольшая по агротехническим требованиям капля диаметром 1,73 мм оказывает влияние на процесс капельной эрозии почвы. При этом масса разбрызганной почвы составила 0,043±0,003 г для фракции < 0,25 мм и 0,016±0,004 г для контрольного образца при падении капли с высоты 2,5 м.
Образцы почв из хозяйств и опытного участка более устойчивы к капельной эрозии, это объясняется влиянием их органоминерального состава на процесс капельной эрозии. Например, для опытного участка масса разбрызганных частиц составила 0,013±0,002 г и 0,007±0,002 г при падении с высоты 2,5 м капель диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно.
Полученные зависимости расстояния разлета и массы разбрызганных частиц могут быть использованы для расчета капельной эрозии, но с учетом органоминерального состава почв.
Список использованных источников
1 Зверьков, М. С. Капельная эрозия как фактор нарушения плодородия почв орошаемых агроландшафтов / М. С. Зверьков // Природообустройство. - 2013. - № 5. -С. 31-34.
2 Полевой определитель почв. - М.: Почвенный ин-т им. В. В. Докучаева, 2008. -
182 с.
3 Ellison, W. D. Two devices for measuring soil erosion / W. D. Ellison // Agricultural Engineering. - 1944. - V. 25. - P. 53-55.
4 Gorchichko, G. K. Device for determining the amount of soil splashed by raindrops / G. K. Gorchichko // Soviet Soil Science. - 1977. - V. 8. - P. 610-613.
5 Morgan, R. P. C. Field measurement of splash erosion / R. P. C. Morgan // Interna-
tional Association of Scientific Hydrology Publication. - 1981. - V. 133. - P. 372-382.
6 Низар, Х. З. Влияние дождевания мелкодисперсного орошения на свойства почвы и на развитие кукурузы: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук: 06.01.02 / Низар Хасан Зарда. - М., 1993. - 22 с.
7 Parlak, M. Measurement of splash erosion in different cover crops / M. Parlak, A. O. Parlak // Turkish Journal of Field Crops. - 2010. - V. 15(2). - P. 169-173.
8 Швебс, Г. И. Материалы к изучению эродирующего действия капель воды / Г. И. Швебс // Почвоведение. - 1968. - № 2. - С. 133-144.
9 Маштаков, Д. А. Теоретическое и экспериментальное обоснование комплексной мелиорации эродированных земель степной и сухостепной зон нижнего Поволжья: автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук: 06.01.02; 06.03.03 / Маштаков Дмитрий Анатольевич. -Волгоград: Волгоградская ГСХА, 2010. - 45 с.
10 Зверьков, М. С. Исследование капельной эрозии почв / М. С. Зверьков // Инновационные технологии и экологическая безопасность в мелиорации: сб. науч. докладов Международной научной конференции молодых ученых и специалистов. - Коломна: Радуга, 2013. - С. 65-66.
11 Nearing, M. A. Single waterdrop slash detachment and proferties of soils / M. A. Nearing, J. M. Bradford // Soil Science Society of America Journal. - 1985. -Vol. 49. - P. 547-552.
12 Касьянов, А. Е. Участок экологического контроля мелиорируемых земель / А. Е. Касьянов // Природообустройство. - 2014. - № 2. - С. 12-16.
Зверьков Михаил Сергеевич - аспирант, Российский государственный аграрный университет - Московская сельскохозяйственная академия имени К. А. Тимирязева, Москва, Российская Федерация. Контактный телефон: 8 (906) 042-73-88. E-mail: mzverkov@bk.ru
Zverkov Mikhail Sergeyevich - Postgraduate Student, Russian State Agrarian University -Moscow Agricultural Academy named after K. A. Timiryazev, Moscow, Russian Federation. Contact telephone number: 8 (906) 042-73-88. E-mail: mzverkov@bk.ru
