CC BY
6UJ
шши
СОЗДАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО
НАХОЖДЕНИЮ И РАСЧЕТУ ЗНАЧЕНИЙ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ФРАКЦИЙ ПОЧВЫ ПО ЗАДАННЫМ ВЛАЖНОСТЯМ
Человечкова Анна Владимировна
старший преподаватель кафедры общей физики, Курганский государственный университет, город Курган
Основная гидрофизическая характеристика (ОГХ) почв является одной из наиболее информативных, широко используемых функций как в научных почвенно-физических исследованиях, так и в практических задачах. С целью уменьшения объема работ при описании состояния воды в почве, а также сокращения времени их экспериментального проведения все чаще осуществляются попытки найти связи ОГХ с почвенными гидрологическими, физико-механическими константами, а также с традиционными, широко используемыми свойствами (гранулометрический, агрегатный составы, содержание органического вещества, плотность и др.).
Ключевые слова: почвенная влага, термодинамический потенциал, основная гидрофизическая характеристика, влажность, поровое пространство почвы, давление влаги, плотность, пористость.
CREATION OF SOFTWARE FOR SOLVING PROBLEMS OF FINDING AND CALCULATING VALUES OF THE GRANULOMETRIC FRACTIONS OF THE COMPONENTS OF THE SOIL AT THE SPECIFIED MOISTURE
Chelovechkova Anna Vladimirovna
senior lecturer in General physics, Kurgan State University, Kurgan town
Basic hydrophysical characteristics (BHC) of soils are the most informative, widely used function both in scientific soil-physical researches, and in practical tasks. The efforts to find connections of BHC with soil hydrological,
physical and mechanical constants and also with traditional, widely used features (granulometric, aggregate structure, organic matter content, density and others) are often used in the purpose to decrease quantity of work during description of water condition in soil and also cutting time of their experimental handling.
Key words: soil moisture, thermodynamic potential, main hydrophysical characteristic, moisture content, pore space of soil, pressure, moisture, density, porosity.
Введение
В настоящее время большое внимание уделяется научно обоснованному развитию экологически благоприятной окружающей среды. В отношении почвенного покрова -это создание специальных парков, озеленение территорий, проектирование и создание почвенных конструкций для газонов, спортивных площадок. Для научно обоснованного создания почвенных конструкций необходимо знать водно-физические свойства материала, законы передвижения влаги, закономерности формирования почвенных слоев.
Основная гидрофизическая характеристика (ОГХ) почв является одной из наиболее информативных, широко используемых функций как в научных почвенно-физических исследованиях, так и в практических задачах. В последние десятилетия гидрофизика почв характеризуется развитием количественных методов исследования свойств почвенной влаги. Основой этих методов является термодинамический подход описания состояния воды в почве. Этому посвящены работы А.Д. Воронина, А.М. Глобуса, Н.А. Муромцева, А.А. Роде, И.И. Судницина, L.A. Richardsa, Ш.К.. Gardnera и многих других. С целью уменьшения объема экспериментальных работ все чаще используется связь ОГХ с почвенными гидрологическими, физико-механическими константами, а также с традиционными, широко используемыми свойствами (гранулометрический, агрегатный составы, содержание органического вещества, плотность и др.). Такая задача актуальна при исследовании больших территорий с разными почвами [2].
Цель и методика исследований
Целью исследования стало построение и изучение ОГХ выщелоченных чернозёмов Зауралья инструментальным и расчетным методами, использование полученных кривых водоудерживающей способности для характеристики физико-механических свойств выщелоченных черноземов Зауралья на примере овощного сортоиспытательного участка Курганской государственной сельскохозяйственной академии имени Т.С. Мальцева, а так же разработка программного обеспечения для упрощения проведения расчетов и построения основной гидрофизической характеристики почв, которая наглядно позволяет наблюдать и моделировать протекание изучаемых процессов.
Территория исследуемого овощного сортоучастка Курганской государственной сельскохозяйственной академии имени Т.С. Мальцева расположена в пределах Кетовского района Курганской области.
Курганская область расположена на юго-западной окраине Западно-Сибирской низменности, в бассейне реки Тобол, перерезывающей ее территорию почти посередине, занимает удобное географическое положение и входит в состав Уральского экономического района. Это хорошо освоенная в сельскохозяйственном отношении территория, обладающая богатыми природными ресурсами. Область расположена в черноземной полосе лесостепной зоны Зауралья, отличающейся пестротой природных условий, в том числе и почв как функции природных и антропогенных факторов почвообразования.
Основной фон почвенного покрова представлен черноземами выщелоченными различной мощности. В южной
100
© Человечкова А. В., 2016
UB
шши
части землепользования в наиболее пониженных частях сформировались серые лесные осолоделые почвы, приуроченные к участкам давних раскорчевок лесной растительности [3].
Территория овощного сортоучастка КГСХА, как и вся территория Курганской области, расположена в условиях континентального климата. Для него характерны холодная зима, жаркое лето, неустойчивость метеорологических условий, периодически повторяющиеся засухи. В соответствии с существующим климатическим районированием данная территория относится к центральному агроклиматическому району.
Объектом исследований стал чернозем выщелоченный слабогумусированный среднемощный легкосуглинистый. Характерной особенностью черноземов Зауралья является языковатость и маломощность гумусового горизонта.
Отбор почвенных образцов проводился в летний период 2012 г. В полевых условиях были определены генетические горизонты, их мощность в результате заложения почвенного разреза. Из каждого горизонта в четырехкратной по-вторности буром Качинского были отобраны образцы на плотность до глубины 100 см с интервалом 10 см. А также дополнительно были отобраны образцы для определения основных агрономических свойств.
В результате лабораторных исследований были определены гранулометрический состав по принципу метода пипетки в варианте Качинского, основанного на зависимости, существующей между скоростями падения частиц и их размерами, плотность твердой фазы (методом пикнометров), пористость (расчетным методом), содержание гумуса (методом Тюрина в модификации Симакова) (таблица 1).
Таблица 1
Гранулометрический состав и физические свойства чернозема выщелоченного овощного сортоучастка КГСХА, 2012 г.
Горизонт Глубина, см Гранулометрический состав Плотность твердой фазы, г/см3 Плотность, г/ см3 Общая пористость, %
<0,01, % <0,001, %
А 0-10 22,64 13,42 2,63 1,11 57,8
10-20 23,31 12,48 2,59 1,33 48,7
20-30 19,91 11,19 2,63 1,39 47,1
АВ 30-40 26,98 17,80 2,63 1,13 57,0
В 40-50 34,25 21,71 2,66 1,39 47,7
50-60 26,17 20,14 2,70 1,21 55,2
60-70 30,05 12,61 2,70 1,26 53,3
70-80 31,70 22,85 2,70 1,62 40,0
ВС 80-90 13,67 11,32 2,70 1,42 47,4
90-100 23,58 11,74 2,90 1,50 48,3
Содержание физической глины (фракции <0,01) на исследуемом участке колеблется от 19,91 до 31,7%. Верхний гумусовый горизонт (слой 0-40 см) содержит в среднем 23,2% физической глины. По шкале Качинского данный слой можно оценить как легкосуглинистый. Вниз по профилю содержание фракции физической глины слегка увеличивается до 31,7%. В пахотном слое чернозема плотность твердой фазы составляет 2,62 г/см3, с незначительным увеличением в подпахотном горизонте - до 2,67 г/см3. Такая плотность твердой фазы характерна для малогумусных почв.
Плотность почвы в верхней части профиля имеет наименьшее значение - 1,11 г/см3, вследствие более высокого содержания органического вещества. При оценке плотности по Н.А. Качинскому данная величина соответствует культурной свежевспаханной пашне. Средняя плотность гумусового слоя (0-40 см) составила 1,24 г/см3, что позволяет оценить пашню как уплотненную.
В соответствии с показателями плотности профиля и плотности твердой фазы почвы находится величина общей пористости - суммарного объема всех пор в единице объема почвы. Ее уровень изменяется от 40,0 % в слое 70-80 см, до 57,8 % в слое 0-10см. Среднее значение пористости в пахотном слое 0-30 см составило 51,2 %. По шкале Н.А. Качинского, такая пористость для пахотного слоя является удовлетворительной.
По определению содержания общего гумуса установили, что исследуемый участок относится к слабогумусирован-ным почвам с содержанием гумуса в верхнем 30-сантиметровом слое 3,6 %. С увеличением глубины, содержание органического вещества уменьшается до 2% в слое 30-40см.
Основные физические свойства почвы (гранулометрический состав, плотность, пористость), которые были определены в работе, использовались для расчетного метода определения ОГХ. Достоинством этого метода является использование традиционной для отечественных почвоведов информации. В его основу положена концепция развитая А.Д. Ворониным [1], согласно которой каждой почвенно-гидрологической константе (ПГК) на кривой водоудерживания соответствует определенное давление влаги. Следовательно, задача восстановления ОГХ свелась к расчету почвенно-гидрологических констант из данных гранулометрического состава почвы. На обширном экспериментальном материале установлено, что значения поч-венно-гидрологических констант связаны с плотностью (р), пористостью (s) почвы и содержанием фракций гранулометрического состава (ш), регрессионными уравнениями:
£=0,805-0,183ш1+0,285ш2+0,057ш5-0,266р;
W =0,082+1,163ш-0,287ш -0,107ш+0,312s;
пт 2 3 6 '
W =0,15+0,085ш.+0,514ш,+0,142ш -0,145ш ;
нв 1 2 4 6'
W =0,053+0,941ш-0,139ш-0,031ш+0,165s;
ммв 2 3 6
W =-0,009+0,198ш.-0,059ш,+0,04ш +0,078ш
мг 1 2 4 5
NAUKI ROLNICZE
101
UJ
шши
где w2 ... w6 - фракции гранулометрического состава почвы от ила до крупного песка по классификации Н.А. Ка-чинского [5].
В представленных расчетных уравнениях не учитывается содержание органического углерода и почвенный профиль не дифференцируется по глубине. Но этот недостаток компенсируется учетом значений плотности и пористости
почвы, во многом зависящих от генетических особенностей почвенных горизонтов [5].
Результаты исследований
По формулам, представленным выше, была рассчитана соответствующая влажность для каждого давления влаги. По результатам этих данных был построен график (рисунок 1).
Рисунок 1 - Кривая водоудерживающей способности (ОГХ) выщелоченных черноземов овощного сортоучастка КГС-ХА, полученная расчетным методом, 2012г.
На оси ординат откладывается давление влаги, выраженное в логарифмических единицах (рБ), на оси абсцисс откладывается влажность почвы, выраженная в процентах (те, %).
По рисунку 1 мы видим, что в области рБ >4 влажность почвы будет составлять около 2%. Эта величина является недоступной для растений. В области рБ 2,8-4 величина влажности будет изменяться от 2 до 16%, что соответствует области пленочной влаги. В интервале рБ 2,8-2,2 влажность будет изменяться от 16 до 28%, что соответствует капиллярной области. Область насыщения почвы (28-50% влажно-
сти) соответствует интервалу рБ 0-2,2.
Для получения ОГХ инструментальным методом в области рБ от 4,4 до 6,5 (область адсорбированной прочносвя-занной и пленочной влаги) мы использовали метод десорбции паров воды над насыщенными растворами солей. А для определения основной гидрофизической характеристики в области высоких давлений, рБ до 3 (область пленочно-ка-пиллярной и капиллярной влаги) в нашей работе использовался метод, приближенный к методу тензиостатов. И по полученным результатам построили график (рисунок 2).
Рисунок 2 - Кривая водоудерживающей способности (ОГХ) выщелоченных черноземов овощного сортоучастка КГС-ХА, полученная инструментальным методом, 2012г.
Сравнивая графики, построенные по результатам проведенных исследований, можно отметить, что лабораторный и расчетный методы дают одинаковые результаты и в целом наблюдается хорошее соответствие. Но лабораторный метод построения ОГХ очень трудоемкий, длительный по времени (шесть и более недель), требует поддержания постоянных внешних условий в ходе проведения эксперимента. Расчетный метод позволяет строить кривые ОГХ
по общедоступным, хорошо изученным физическим свойствам. Поскольку определение физических свойств по общеизвестным методикам, используемых в работе, процесс не продолжительный, и очень часто физические свойства изучены и определены, то построение графика осуществляется быстрее. Разница во влажности объясняется полным насыщением образцов в инструментальном методе.
102
NAUKI ROLNICZE
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #10, 2016
Создание алгоритма моделирования
Дальнейшая работа была посвящена моделированию. Моделирование в почвоведении - это в первую очередь формализация некоторых общих понятий, способствующих качественному и количественному анализу рассматриваемых явлений [4]. Несмотря на чрезвычайную сложность почвы как объекта моделирования последние десятилетия это направление в почвоведении активно развивается. Вопрос о создании искусственной почвы встает давно. Если сделать ее самим, то можно регулировать в ней соотношения питательных веществ и воды так, как это необходимо растениям. В этом случае можно было бы получить максимум продукции и при этом избежать трудоемкости в вопросах селекции, а так же избежать больших финансовых вложений в мелиоративные мероприятия. Мы не ставили перед собой задачу найти такие вещества, которые можно было бы использовать для создания искусственной почвы. Мы попытались овладеть процессом создания почвы известного гранулометрического состава из частиц различной механической прочности, которые образовывая различные прослойки, обладают различной способностью удерживать влагу.
Работа в лаборатории показала, что такое моделиро-
вание возможно, если известны гидрофизические характеристики различных почв, базу которых можно создать, используя предлагаемый нами метод. При этом следует отметить, что программное обеспечение создавалось без учета минерализации почв и ее тепловых свойств.
Разработанная программа предназначается для расчёта гранулометрического состава почвы из почвенно-гидроло-гических констант. Программа выполняет построение опытного и модельного графиков по входным точкам, проводит совмещение этих графиков в указываемой пользователем точке и находит ошибку по влажности Ш (%) и по давлению рБ для данной точки. Также разработанная программа решает задачу нахождения значений влажностей по заданным фракциям гранулометрического состава почвы (от ила до крупного песка) и обратную ей задачу нахождения значений фракций по заданным влажностям. Программа позволяет снизить трудоемкость и увеличить наглядность проводимых расчётов. На начальном этапе результаты представлены в виде совмещенных графиков, позволяющих проводить анализ применяемых методов исследования (рисунок 3).
По каждой из точек совмещения графиков возможно провести и проанализировать ошибки в определении используемых величин (рисунок 4).
Рисунок 3
МАиК1 ЯОЬШС7Е
103
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #10, 2016
Рисунок 4
Кроме этого имеется возможность нахождения значений влажностей по заданным фракциям гранулометрического состава почвы (от ила до крупного песка) и решение обратной задачи - нахождения значений фракций по заданным влажностям.
Выводы
Таким образом, информация, содержащаяся в ОГХ, сама по себе и в сочетании с дополнительными данными играет существенную роль в описании динамики поля влагосодер-жания почвы, осуществляющейся за счет потоков влаги. Так, при влажности почвы нашего участка начиная с 16% включительно и до 18%, можно говорить о состоянии физической спелости почвы, а, следовательно, о ее готовности к обработке. При влажности 18% начинает проявляться
липкость, которая будет оказывать отрицательное влияние на условия обработки. При влажности 28% - наблюдается проявление пластичности и при влажности 50% почва переходит в состояние текучести.
Ввиду фундаментального значения основной гидрофизической характеристики почв, эта зависимость получает все более широкое распространение в самых различных областях почвоведения и смежных дисциплинах. Но поскольку стоимость получения почвенно-гидрофизической информации, особенно с учетом пространственно-временной изменчивости, обычно велика и временные затраты построения основной гидрофизической характеристики могут достигать порядка двух месяцев, поэтому актуальной задачей является упрощение решения указанных задач.
104
МАиК1 КОЬШС2Е
ии
Библиографический список
1. Воронин, А.Д. Основы физики почв / А.Д. Воронин. М., 1986. 244с.
2. Дембовецкий, А.В. Основная гидрофизическая характеристика: связь с почвенными константами и расчет по физическим свойствам / А.В. Дембовецкий: Автореф. дисс. на соиск. уч. степени канд. биол. наук. Москва. 1998. 19 с.
3. Егоров, В.П., Кривонос, Л.А. Почвы Курганской области. - Курган: Изд-во Зауралье, 1995. - 174 с.
4. Рыжова, И.М. Математическое моделирование почвенных процессов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987.82 с.
5. Шеин, Е.В., Архангельская, Т.А., Гончаров, В.М. и др. Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв / Е.В. Шеин, Т.А. Архангельская, В.М. Гончаров и др. М.: Изд-во МГУ, 2001. 199 с.
6. Gander, R. A method of measuring capillary tension of soil moisture over a wide moisture range/ R. Gander. - SS, 1937, v. 43, p. 238-277.
NAUKI ROLNICZE
105
