УСТОЙЧИВОСТЬ К МЕХАНИЧЕСКОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ И ВОДОПРОЧНОСТЬ ПОЧВЕННЫХ АГРЕГАТОВ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УСТОЙЧИВОСТЬ К МЕХАНИЧЕСКОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ И ВОДОПРОЧНОСТЬ

ПОЧВЕННЫХ АГРЕГАТОВ 1В.М.Гончаров, 2Шерматов Тохиржон

Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, Москва

^Независимый студент ФерГУ https://doi.org/10.5281/zenodo.10935360

Аннотация. Физические свойства почвы формируют ее водно-воздушный и питательный режимы и зачастую становятся лимитирующим фактором плодородия. Немаловажную роль в этом принадлежит структуре почвы, ее агрегатному состоянию. При этом важно учитывать устойчивость почвенных агрегатов к механическому воздействию и разрушающему действию воды. В данной работе представлены результаты исследования механической устойчивости агрегатов почв различного гранулометрического состава и содержания органического углерода при различной влажности

Ключевые слова: устойчивость, водопрочность, агрегат, структура почвы.

Структура почвы в значительной мере определяет ее плодородие и противоэрозионную стойкость, поэтому необходимо иметь информацию об устойчивости почвенных агрегатов в различных условиях. Устойчивость, или стабильность почвенных агрегатов - это способность сохранять пространственное распределение твердой фазы почвы и порового пространства при действии внешних сил [1]. Ее традиционно разделяют на водоустойчивость и механическую устойчивость. Под водоустойчивостью агрегатов понимается сопротивление агрегатов разрушающему действию воды: расклинивающее действие воды, а также давление защемление почвенного воздуха. Механическая устойчивость или прочность почвенных агрегатов - это сопротивление разрушению под влиянием механических напряжений, когда частицы начинают перемещаться относительно друг друга под воздействием внешней силы, и выражается в параметре сопротивления сдвигу (Теории и методы физики почв, 2007). В естественных условиях в почве разделить эти силы зачастую затруднительно.

В значительной степени устойчивость структуры почвы, ее способность к агрегированию определяется гранулометрическим составом, а именно содержанием физической глины (диаметр менее 0,01 мм). Частицы малого имеют большую удельную поверхность, сорбирующую органическое вещество, а также большую площадь контактов, а при малых влажностях между ними создаются капиллярные мениски, обеспечивающие притяжение друг к другу. Устойчивость структурных связей прямо влияет и наличие органического вещества, «склеивающего» элементарные почвенные частицы. Существуют общепринятые методы определения водоустойчивости, такие как «мокрое» просеивание по Саввинову, учет распавшихся агрегатов в стоячей воде по Андрианову, определение устойчивости агрегатов действию капель воды по Виленскому и др. [2] Для определения механической устойчивости определяют сопротивление сдвигу с помощью пластмоетра Ребиндера, позволяющего работать с агрегатами различной влажности.

Количественная характеристика устойчивости почвенной структуры, наряду с анализом их физических свойств, могут дать информацию о природе структурообразования и минимизации ущерба при сельскохозяйственном использовании.

Цель данной работы стало изучение устойчивости к механическому воздействию и разрушающему действию воды агрегатов различных типов почв, отличающихся по гранулометрическому составу и содержанию органического вещества.

При определении устойчивости применяют различные методы, часть из которых направлена на механическую составляющую, другие фокусируются на действии воды, некоторые же совмещают обе. Разнообразие применяемых методов затрудняет сравнение результатов, так как они могут быть получены в совершенно разных единицах измерения [3]. С практической точки зрения методы должны быть производительными и малозатратными с точки зрения ресурсов. Наиболее широко используемым методом определения водоустойчивости является мокрое просеивание с последующим определением содержания водопрочных агрегатов в каждой фракции [2,4]. Другой метод -определение водопрочности агрегатов в стоячей воде (метод Андрианова) [2] в отличие от предыдущего исключает механическое воздействие, производимое при рассеивании. Именно этот метод использован в данной работе в качестве общепринятого.

Чтобы оценить механическую устойчивость агрегатов применяется метод определения предельного напряжения сдвига на пластометре Ребиндера [5], преимуществом которого является количественная оценка, выраженная в кг/см2. Анализ может проводиться в широком интервале значений влажности, позволяя оценить устойчивость в изменяющихся условиях окружающей среды.

Для исследований были взяты агрегаты 3-5 мм пахотных горизонтов дерново-подзолистой (Московская область), серой лесной почв (Владимирская область) и чернозема типичного (Курская область). Почвы различаются по гранулометрическому составу и содержанию гумуса, что позволило проследить их влияние на структурное состояние. Анализ гранулометрического состава проводился методом лазерной дифракции (лазерный дифрактометр «Ма81еге12ег 3000Е»), а содержание общего углерода - методом сухого сжигания (анализатор АН-7529М).

Результаты исследования гранулометрического состава агрегатов представленные в таблице 1, показали, что, хотя преобладающей фракцией во всех исследуемых почвах является крупная пыль, наблюдаются и отличия, вследствие которых следует ожидать уменьшение их механической прочности в ряду чернозем-серая лесная почва-дерново-подзолистая почва.

Чернозем и серая лесная почва классифицированы как тяжелосуглинистые мелкопылевато-крупнопылеватые, но в черноземе суммарно содержание тонких фракций на 6% больше, чем в серой лесной почве - содержание физической глины в черноземе -53,0%, в серой лесной почве - 46.9%. Ее содержание в дерново-подзолистой почве 34.7%, почва среднесуглинистая песчано-крупнопылеватая, и здесь наблюдается повышенное содержание песчаных фракций (около 25%) и наличие гравия.

Таблица 1. Гранулометрический состав агрегатов исследуемых почв %.

Диаметр фракции, мм

Почва Ил 0,001- 0,005- 0,01- 0,05- 0,25- 0,5- 1-3

0,005 0,01 0,05 0,25 0,5 1,0

дерново-подзолистая 1.7 19.6 13.4 35.8 14.4 4.9 5.3 4.8

серая лесная 3.6 27.9 15.4 44.2 8.3 0.3 0.2 0.0

чернозем типичный 4.1 33.5 15.4 39.3 7.2 0.6 0.0 0.0

По содержанию общего углерода, определенного методом сухого сжигания, исследованные почвы закономерно расположились в ряду в дерново-подзолистая почва -серая лесная почва - чернозем с показателями : (%)1,92, 2,80 и 3.74, соответственно.

Определение механической устойчивости воздушно-сухих агрегатов проводилось на пластометре Ребиндера с последующим расчетом предельного напряжения сдвига [5]:

Р = К^

т ^2

где Pm - предельное напряжение сдвига, кг/см2, Ка - коэффициент, зависящий от величины угла конуса (при угле конуса 30 ° для пластичных тел Ка = 1.108, для упруго-хрупких тел Ка = 4.4), F - действующая сила на конус, кг, h - глубина погружения конуса, см.

При расчете предельного напряжения сдвига для воздушно сухих агрегатов применялся коэффициент К а для упруго-хрупких тел, для увлажненных агрегатов -коэффициент Ка для пластичных тел. Измерение проводилось в 10-кратной повторности.

Для агрегатов дерново-подзолистой почвы предельное напряжение сдвига составило 6.46 кг/см2, серой лесной почвы - 12.51 кг/см2 и для чернозема типичного - 20,76 кг/см2. Гигроскопическая влажность агрегатов также различалась, соответствуя гранулометрическому составу, и расположилась в ряду по степени его утяжеления - 1,98%, 2,44, 3,63.

Однако, для практических задач более существенной является информация об устойчивости почвенной структуры в естественных условиях, т.е. в диапазоне полевой влажности, когда накладывается фактор устойчивости к действию воды. В наших лабораторных исследованиях различная степень увлажнения создавалась последовательным понижением давления влаги в предварительно насыщенных агрегатах (полная влагоемкость, давление влаги 0 см) до -5 см, -30 см и -70 см водного столба . Для установления равновесного давления образцы выдерживались 24 часа на каждом из этапов разряжения. В процессе понижения давления влаги влажность агрегатов уменьшается -опустошается часть пор, диаметр которых соответствует приложенному разрежению. Измерение влажности агрегатов на каждом из этапов позволило построить зависимость водоудерживающей способности от давления влаги - основную гидрофизическую характеристику - ОГХ (рис.1). Кривые ОГХ принято представлять, как зависимость давления влаги от влажности, однако в естественных условиях изначально создается давление влаги (особенности порового пространства, степени связности влаги с твердой фазой и т.п.), в соответствии с которым уже формируется водный подток/отток. Поэтому зависимость ОГХ представлена, как зависимость массовой влажности W от давления почвенной влаги р.

ОГХ исследованных почв

so

50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00

*— --♦

i

■чернозем

серая лесная почва

дерново-

подзолистая

почва

20

40

-p, см в. ст.

60

80

Рис.1. Зависимость водоудерживающей способности исследованных почв от

давления почвенной влаги (Р, см водн.ст).

Кривая для дерново-подзолистой почвы располагается значительно ниже кривых других почв, что свидетельствует о ее меньшей водоудерживающей способности. На начальном этапе разрежения от -5 до -3- см вид кривой горизонтальный - содержание влаги остается практически неизменным, что говорит об отсутствии крупных пор, которые должны дренироваться. В серой лесной почве влажность при этом снизилась с 40 до 30%, а в черноземе с 45 до 30%.

Но первым этапом в данной работе стало определение водоустойчивости общепринятым методом Андрианова - учет распавшихся агрегатов в стоячей воде в течение 10 минут при полном отсутствии какого-либо механического воздействия. По динамике распавшихся агрегатов был рассчитан коэффициент водопрочности, наименьшее значение которого показала структура серой лесной почвы - всего 0,45. Для чернозема типичного коэффициент почти в 2 раза выше - 0.80. Но максимальное значение показали агрегаты дерново-подзолистой почвы - их водопрочность стремится к 1.

Агрегаты разрушаются в воде под действием защемленного воздуха в поровом пространстве, а также минералогический состав глинистых минералов, определяющий неравномерность их набухания, На формирование структурных связей и, следовательно, водопрочность влияет количество и качество гумуса. Помимо органо-минеральных связей удерживать от разрушения могут и труднорастворимые соединения Бе и А1, наличием которых и объясняется высокая водопрочность дерново-подзолистых почв. Однако, эти контактные «мостики» непластичны, и, в случае динамичного воздействия воды легко разрушаются. Отметим, как следствие опесчаненного гранулометрического состава, их слабое набухание и высокую плотность и, следовательно, возможное неполное насыщение, когда и расклинивающее давление воды меньше. В некоторых работах это явление называется «ложной водопрочностью».

Следующим этапом стало определение устойчивости агрегатов с различной степенью влагонасыщения, Применялись 2 метода - на пластометре Ребиндера и методом

0

«лезвий» [6], который является модификацией метода Ребиндера. Он предложен для количественной оценки устойчивости водонасыщенных агрегатов, т.е. водоустойчивости, однако, при этом все же оказывается и механическое воздействие. Метод основан на предположении, что силы, отвечающие за механическую и водоустойчивость, имеют одну природу, и, определяя механическую устойчивость близких к насыщению агрегатов, можно также охарактеризовать и их устойчивость к водному воздействию. Предельное напряжение сдвига, определяемое с помощью метода «лезвий», авторами предложено выражать в Н/агрегат, т.к. значение константы, необходимой при расчете в классической размерности кг/см2, неизвестно.

Результаты определения механической устойчивости агрегатов с заданными значениями давления почвенной влаги на пластометре Ребиндера приведены на рисунке 2.

Зависимость предельного напряжения сдвига от давления почвенной влаги Ребиндер

0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

□ Чернозем Ребиндер

■ Серая Лесная Ребиндер

-5

-30

-70

Давление почвенной влаги, см в. ст

Рис.2. Зависимость предельного напряжения сдвига (Pm, кг/см2) от давления почвенной влаги (см водн.ст), полученная на пластометре Ребиндера.

Заметно увеличение предельного напряжения сдвига с понижением давления почвенной влаги для каждого из трех образцов. Агрегаты 3-5 мм дерново-подзолистой почвы оказались также наиболее устойчивы при всех рассмотренных давлениях почвенной влаги. Наименее же устойчивыми в данных условиях являются агрегаты серой лесной почвы. При давлении -5 см водного столба предельное напряжение сдвига Pm для дерново-подзолистой, чернозема и серой лесной почв равно соответственно 0.055 кг/см2 , 0.036 кг/см2 и 0.029 кг/см2. При разряжении -30 см водного столба Pm в том же порядке почв значения составили 0.114 кг/см2, 0.078 кг/см2 и 0.056 кг/см2. Разряжению -70 см. водного столба соответствуют значения 0.154 кг/см2, 0.109 кг/см2 и 0.082 кг/см2.

Причины повышенной устойчивости дерново-подзолистой почвы уже были рассмотрены выше, и в подтверждение одной - меньшее влагонасыщение - приведем зависимость устойчивости агрегатов от массовой влажности (рис.3 ).

E

o.

0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

Зависимость предельного напряжения сдвига от массовой

влажности

Чернозем Ребиндер

Серая Лесная Ребиндер

Дерново-

подзолистая

Ребиндер

15,00

25,00

35,00 W, %,

45,00

Рис.3. Зависимость предельного напряжения сдвига (Рт, кг/см2) от массовой влажности агрегатов (%), полученная на пластометре Ребиндера.

Максимальная влажность дерново-подзолистых агрегатов оказалась меньше минимальной влажности агрегатов чернозема. Экстраполируя кривые в диапазон равной влажности максимально высокие значения будуту чернозема, затем серой лесной, а минимальные - дерново-подзолистой почвы. Это соответствует распределению устойчивости для воздушно сухих агрегатов, а также согласовывается с данными по гранулометрическому составу и содержанию органического вещества.

:Описанный ранее метод «лезвий» позволяет проводить оценку механической устойчивости агрегатов с большой производительностью, однако измерение ряда из 10 агрегатов снижает его чувствительность. Усилие на весь ряд будет определяться наиболее устойчивым агрегатом, в котором из них могут быть включения твердых минералов, и тогда результаты измерений для остальных 9 сильно завышенными. Отклонение в 2 мм в диаметре исследованных агрегатов 3 -5 мм не позволяет лезвию погружаться одновременно, что также снижает чувствительность метода.

Результаты по определению прочности агрегатов методом «лезвий» представлены на рис. 4.

Зависимость предельного напряжения сдвига от давления почвенной влаги, метод "лезвий"

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

-5

-30

-70

Давление почвенной влаги, см в. ст

□ Чернозем лезвия

Серая лесная

лезвия

Дерново-

подзолистая лезвия

Рис. 4. Зависимость предельного напряжения сдвига (Pm, кг/агр) от давления почвенной влаги (см водн.ст), полученная методом «лезвий».

Зависимость также показывает увеличение прочности при уменьшении (с учетом знака) давления почвенной влаги, однако максимальные значения здесь уже в агрегатах чернозема. При экстраполяции кривых в равный диапазон содержания влаги можно проследить убывание прочности в ряду чернозем - серая лесная почва - дерново-подзолистая почва (рис.5).

0

а л I

Е

о.

Зависимость предельного напряжения сдвига от массовой влажности

0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

15

25

35

__■_1_

45

Чернозем лезвия

Серая

лесная

лезвия

Дерново-подзолиста я лезвия

W, %,

Рис.5. Зависимость предельного напряжения сдвига (Pm, кг/агр) от массовой влажности (%), полученная методом «лезвий».

Проведенные исследования показали, что:

- механическая устойчивость почвенных грегатов уменьшается с ростом влажности и снижением давления почвенной влаги;

- при близких значениях влажности механическая устойчивость агрегатов изученных типов почв неодинакова и убывает вместе с уменьшением содержание физической глины и органического вещества в ряду чернозем-серая лесная-дерново-подзолистая;

- проявляющаяся в экспериментах аномально высокая устойчивость агрегатов дерново-подзолистой почвы является следствием малого объема порового пространства, неполным его водонасыщением и, следовательно, низким содержанием влаги относительно других исследованных почв.

REFERENCES

1. Теории и методы физики почв. Коллективная монография под ред. Е.В. Шеина и Л.О. Карпачевского, 2007.. М.: «Гриф и К» 616 С.

2. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М.: Агропромнздат,., 1986, 398 С.

3. Letey, J. 1991. The study of soil structure: Science or art. Aust J. Soil Res. 29:699-707.

4. Kemper, W.D. & E.J. Koch. 1966. Aggregate stability of soils from western United States and Canada. USDA-ARS Tech. Bull. 1355. U.S. Gov. Print. Office, Washington, DC.

5. Хайдапова Д.Д. и др., 2022. Рабочая тетрадь. Практикум по физике твердой фазы почв: Учебное пособие. М.: «Буки Веди».

6. Ушкова Д.А. и др. Устойчивость агрегатов пахотных почв: экспериментальное определение и нормативная характеристика// Почвоведение. 2023. № 2. с. 203-210.