Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о движении воды в почве и условиях, его определяющих 5
1.1. Движение воды в условиях стационарной фильтрации 5
1.2. Преимущественные пути фильтрации влаги 11
1.2.1. Почвенная структура 11
1.2.2. Преимущественный поток растворенных веществ 13
1.2.3. Изменение фильтрации в связи с пространственной вариабельностью физических свойств почв . 21
1.3. О Владимирском ополье 24
Глава 2. Объекты и методы исследования 30
2.1. Характеристика объекта исследования 30
2.2. Основные методы исследования 37
2.2.1. Полевые методы 37
2.2.2. Лабораторные методы 39
Глава 3. Количественная оценка качественных представлений о преимущественных путях фильтрации воды .43
Выводы 90
Список опубликованных работ 92
Список литературы 93
Приложение 100
- Преимущественные пути фильтрации влаги
- Преимущественный поток растворенных веществ
- Изменение фильтрации в связи с пространственной вариабельностью физических свойств почв
- Количественная оценка качественных представлений о преимущественных путях фильтрации воды
Введение к работе
Углубление познания механизмов формирования и функционирования почв характерно для всех разделов современного почвоведения. При этом происходит неизбежный переход к рассмотрению процессов на различных уровнях организации почв. Глубокое познание причин и следствий физических изменений в почвах - необходимое условие разработки обоснованных приемов управления плодородием почв.
Опыт показывает, что адекватные модели в почвоведении появляются, когда исследуемые явления, процессы или свойства глубоко поняты и изучены экспериментально [Дмитриев и др., 1986].
Вопросы, связанные с методами исследования пространственной изменчивости физических свойств и движения воды в насыщенной почве, до сих пор являются во многих аспектах неразработанными.
В последнее время уделяется большое внимание формированию так называемых преимущественных путей движения влаги. Образование их связывают с неравномерностью движения (в песчаных почвах), со слоистостью. Значительно меньше изучены вопросы образования преимущественных путей фильтрации влаги, связанных с неоднородностью пространственного распределения физических свойств. Основоположником такого рода работ был Е.А.Дмитриев. Однако, и в этих работах приведены качественные результаты по преимущественным путям миграции, обусловленным в основном генетическими особенностями почв. Количественная взаимосвязь формирования преимущественных путей фильтрации и пространственного распределения физических свойств в масштабе почвенного индивидуума не была изучена.
В связи с этим, решение этой проблемы весьма актуально и требует качественного и количественного анализа формирования преимущественных путей фильтрации воды в условиях Владимирского ополья.
Этому и посвящена данная работа, которая проводилась на кафедре физики и мелиорации почв МГУ под руководством профессора, доктора биологических наук Евгения Викторовича Шеина.
Научная новизна работы состоит в том, что было показано, что в масштабе почвенного индивидуума фильтрационное движение влаги происходит лишь по части порового пространства, специфическими путями. Формирование этих путей связано с пространственной неоднородностью плотности в горизонтальном и вертикальном направлениях: преимущественные пути фильтрации приурочены к зонам с категориями плотностями, которые наименее извилисты и имеют наименьшие межслойные перепады по вертикали и занимают наибольшую площадь в горизонтальном направлении.
Практическая ценность работы заключается в том, что предложена методика количественной интерпретации качественных представлений о движении воды в условиях стационарной фильтрации.
Полевые материалы были получены в результате экспедиций кафедры физики и мелиорации почв 1998-2000 годов на серых лесных почвах Владимирского ополья на территории Владимирского НИИСХ.
Лабораторные исследования проводились в лабораториях кафедры физики и мелиорации почв МГУ по окончании полевого периода.
Автор выражает глубочайшую благодарность всему коллективу кафедры, в особенности научному сотруднику к. б. н. А.В.Дембовецкому за оказанную помощь при выполнении работы.
Преимущественные пути фильтрации влаги
Почвенная структура и преимущественный поток считаются тесно связанными, но количественное выражение этой связи остается проблематичным. Структура почвы важна во многих почвенных процессах, особенно в хорошо структурированных почвах. Структура поверхности почвы и стабильность агрегатов является важными фактором в эрозионном контроле, в котором структурное разрушение может вызвать уменьшение просачивания, ограничение водного перераспределения, повышение наземного потока и последующую повышенную эрозию [Cresswell et al., 1992]. Подпочвенная структура важна для аэрации и корневого роста. Хорошо развитая почвенная структура способствует росту растения, аэрации, кислородному потреблению и уменьшению теплопроводности и окислительного потенциала [Horn et al., 1994], который весьма полезен для увеличения корневого роста. Структура также определяет преимущественный водный поток и поток растворенных веществ. Быстрая инфильтрация через структурные трещины и ходы червей широко описаны [Ehlers, 1975; Bouma, 1981; Beven и Germann, 1982]. Поверхностная структура почвы мешает образованию корки и последующему снижению фильтрации [Dexter, 1988]. Структура также важна при транспорте растворенного вещества, где поток через макропоры может быстро переместить растворенные вещества в более глубокие слои в противовес слабо проводящим почвам [Bouma, 1981; Beven и Germann, 1982].
Хотя почвенная структура важна во многих почвенных процессах, ее трудно определить точно. Soil Survey Staff [1993, p. 157] определяет почвенную структуру как "агрегацию первичных частиц почвы в сложные частицы, или группы сложных частиц, внутренние связи в которых выше, чем между этими частицами и группами частиц". Nielsen et al. [1986, 975] определяли структурные почвы как "почвы, которые содержат сравнительно большую и более или менее непрерывную пустоту, как, например, межагрегатные поры, межпедон-ные пустоты, ходы земляных червей и сусликов, трещины высыхания в глинистых почвах, разрушившиеся корневые каналы и другие типы макропор". Другие определения структуры почвы: [Soil Science Society America (SSSA), 1997, p. 99] - "комбинация или размещение первичных частиц на вторичных образованиях или педах", [Horn et al., 1994, p. 208] - "размещение единичных минеральных частиц и органических веществ на больших образованиях, известных как агрегаты и соответствующие межагрегатные системы пор", и [Dexter, 1988, р. 199] - "пространственный гетерогенезис различных компонентов или свойств почв при различных масштабах".
Еще более трудно подойти к количественной оценке структуры почвы. Многие исследователи, следующие примеру Ehlers [1975], использовали красящие метки для качественного описания структуры почвы [Omoti и Wild, 1979 Seyfried и Rao, 1987, van Stiphout et al., 1987 Van Ommen et al., 1989 Ghodrati и Jury, 1990 Flury et al., 1994]. Стабильность агрегатов используется как мера структуры почвы, но обычно ограничиваются только поверхностными слоями [Kemper и Rosenau, 1986]. Морфологические методы описывают вторичные структурные образования на основе размера, формы и сорта [SSSA, 1997]. Основная гидрофизическая характеристика (ОГХ) является количественной мерой структуры почвы, и первая производная водоудерживающеи кривой может быть интерпретирована как кривая распределения пор по размеру [Воронин, 1986]. Это особенно верно при использовании мультимодальных водоудержи-вающих кривых для интерпретации распределения разнородных по размеру пор [Durner, 1994].
Существует значительное количество теорий о том, как структура развивается на поверхности почвы [Tisdall и Oades, 1982, Dexter, 1988], но только несколько концептуальных моделей для предсказания развития и распределения структуры почвы ниже поверхности почвы [White, 1966]. Обработка исследований подтвердила влияние биологической активности, особенно земляных червей, на развитие расширенных сетей макропор, достигающих глубины 2 м [Ehlers, 1975, Andreini и Steenhuis, 1990, Trojan и Linden, 1994]. Horn et al. [1994] наблюдали, как ранние этапы структурного развития управлялись физико-химическими процессами, в то время как на последующих этапах биотурбация играла самую большую роль. White [1966] изучал формирование педов в под почве коричневых моллисолей в Южной Дакоте. Формирование подпочвенной структуры вызывалось, главным образом, явлением усадки-набухания. Размер педов возрастал с глубиной и увеличением содержания глины, которое обусловливало возрастание сопротивления сдвигу [White, 1966]. Van de Graaff [1978] обнаружил, что степень высушивания воздействует на размер педов, при этом большие педы формируются под воздействием циклов медленного увлажнения и иссушения.
Southard и Buol [1988а] разработали концептуальную модель для формирования структуры в почвах береговой равнины Северной Каролины, которая связана с положением в ландшафте. На ранних этапах, когда береговая равнина была на уровне моря, почвы оставались насыщенными водой круглый год, и происходило небольшое структурное развитие. По мере поднятия почвы выше уровня моря появлялись нисходящие потоки воды и устанавливались постоянные уровни грунтовых вод в почвах возвышенностей. В этих почвах вдоль "сухого края" уровень грунтовых вод существовал нерегулярно, и большие почвенные педы развивались вследствие медленного увлажнения и иссушения. По мере продолжающегося снижения уреза эти почвы становились лучше дренированными, и уровни грунтовых вод оставались неизменными на более короткие периоды времени. В результате, циклы увлажнения и иссушения стали более быстрыми, и ускорялось минеральное выветривание, вымывание глины и биотурбация. Это привело к разрушению больших педов на меньшие структурные образования, т.е. к большей структурности. Очевидно, что на сегодняшний день не существует универсального метода количественной оценки структуры почв. Используемые в настоящее время подходы обычно отвечают целям каждого конкретного исследования.
Преимущественный поток растворенных веществ
Почвенная влага служит активным агентом переноса всех растворенных и взвешенных в ней веществ. С передвижением влаги связаны миграция в профиле почвы гербицидов и элементов питания растений, эффективность промывок засоленных почв и судьбы самой влаги (например, при поливах), в силу чего вопросы: где, куда и как передвигается влага, интересовали и продолжают интересовать исследователей [Дмитриев Е.А. с соавт., 1985]. Проблема эта важна и в связи с развитием математических моделей, в которых движение влаги описывается с помощью модифицированного закона Дарси (уравнение Ричардса). Однако в настоящее время только такого рода описание движения влаги уже не удовлетворяет исследователей. Появилось большое количество работ, в которых отмечаются специфические особенности передвижения влаги в почве (не-дарсианское течение). В последнее время особое внимание исследователей уделяется специфическим, присущим в основном почвенным объектам, особенностям передвижения влаги. Все эти специфические процессы переноса влаги в почве можно весьма условно разделить на 4 характерные группы гидрологических почвенных явлений: 1) формирование отдельных "водных каналов", линий преимущественного потока, "пальчатых структур" (англ. —preferential flow, fingers); 2) движение по макропорам; 3) быстрый перенос по "проводящим" зонам порового пространства (макропорам, трещинам) с последующим обменом с "застойными" зонами; 4) неравномерность переноса влаги, связанная с пространственной вариабельностью почвенных свойств.
Формирование "водных каналов" отмечали, как правило, в слоистых почвах. Начиная с 70-х годов 20 в. отмечалось, что, хотя и существует перенос воды сплошным фронтом, особенно в процессе просачивания воды из тонкотекстурного верхнего слоя в грубо-текстурный нижележащий, более предпочтительным является перенос воды путем ее концентрации в определенных точках и просачивание в глубокие слои в форме пальца или языка. Важность этого положения в практическом смысле состоит в том, что существующие законы, касающиеся продвижения воды вниз по профилю сплошным фронтом, не соблюдаются. И существует вероятность попадания промышленных отходов и других загрязняющих веществ в грунтовые воды без предварительной очистки [Glass etal., 1988,1989].
Hill и Parlange [1972] опубликовали данные о нестабильности потока при переходе из слоя тонко-текстурного материала в нижележащий слой более грубого материала (с большими порами). В их экспериментах, вода по "пальчатым структурам" перемещалась с постоянной скоростью. Области вокруг этих "пальцев" были окружены цилиндром частично увлажненной почвы. Общий поток через систему определялся количеством таких "пальцев" на единицу общей площади поверхности, т. е. являлся долей объема почвы, занятой пальцами. Raats [1973] утверждал, что слоистость профиля не является необходимой предпосылкой для нестабильности увлажнения. Он основал свой анализ на модели Green и Ampt и предложил гипотезу, по которой стабильность зависит от изменения скорости и потока с расстоянием L: случайное изменение в первоначальных условиях движения потока приведет к росту стабильности, если и увеличивается с Z, и будет исчезать, если и уменьшается с L. Следствием этой гипотезы стало изучение различных комплектов условий, вызывающих нестабильность, включая просачивание воды до грунтовых вод со сжатием воздуха впереди движущегося потока и просачивание в почву, в которой начальная влажность увеличивается с глубиной.
Проблема нестабильности фронта увлажнения была впоследствии переоценена Philip [1975]. Он использовал ту же модель Green и Ampt (дельта-функция), как сделал Raats, но предлагал другой критерий устойчивости, утверждая, что "физический атрибут системы, который является фундаментальным в вопросе стабильности - градиент давления влаги за пределами фронта увлажнения. Когда этот градиент помогает потоку, поток является стабильным; когда этот градиент противостоит ему, поток нестабильный" [цит. по Hillel, 1998, р. 412]. Пертурбации фронта увлажнения характеризуются с точки зрения длины волны. Второй критерий нестабильности - то, что эта характеристика пертурбации будет больше, чем критическая величина, с: с = 2-w(2ipgG)I/2 где 7_ поверхностное натяжение воздух-вода, р плотность воды, g - гравитационное ускорения, и G - градиент давления фронта увлажнения. Parlange и Hill [1976] расширили свои более ранние работы по стабильности фронта увлажнения, рассмотрев скорость движения фронта увлажнения в связи с его кривизной, а также влияние растекания на формирование искривленного фронта увлажнения. Этот анализ подтвердил их более ранний вывод, по которому "пальцы" имеют тенденцию удлиняться, если фронтальная скорость меньше, чем насыщенная проводимость почвенной толщи. Parlange и НІН предположили, что увеличение начальной влажности подпочвы должно способствовать увеличению ширины развивающегося "пальца". Их теоретический подход явился предпосылкой серии лабораторных экспериментов Glass et al [1987, 1989].
Изменение фильтрации в связи с пространственной вариабельностью физических свойств почв
Решение большинства теоретических и прикладных проблем в почвоведении и агрохимии, как и методических аспектов этих проблем, прямо или косвенно связано с изученностью пространственной неоднородности состава и свойств почв. Представление о генезисе почв и почвообразовательных процессах, классификация и диагностика почв, картирование почв и изучение структуры почвенного покрова, разделение профиля почвы на генетические горизонты и подгоризонты - все это в той или иной мере определяется особенностями неоднородности в составе и свойствах почв. Неоднородность в составе и свойствах почв во многом определяет то, какую роль играет почва в качестве компонента искусственного и естественного биогеоценоза, определяет особенности хозяйственного использования, а также специфику и эффективность мелиоративных, агрохимических, почвоохранных и других приемов сохранения и улучшения почвы. С неоднородностью связано так называемое пестрополье. Пространственная вариация признаков определяет специфику полевого исследования почв, отбора проб и способа их последующего анализа. Не зная пространственной вариабельности нельзя корректно судить об изменчивости свойства во времени как в ходе естественной его динамики, так и под влиянием хозяйственной или непроизводственной деятельности человека.
Неоднородность почвенного покрова в пределах отдельных сельскохозяйственных угодий во многом определяется естественными причинами. Но даже простая обработка почвы, которая предположительно должна способствовать гомогенизации пахотного слоя, может быть и часто является причиной возрастания его неоднородности. Это может быть связано с варьированием глубины вспашки, а, следовательно, с неодинаковым припахиванием в разных частях поля нижележащего горизонта, свойства которого могут заметно отличаться от свойств пахотного слоя, особенно если профиль почв сильно дифференцирован. Но даже когда этого не случается, когда глубина обработки постоянна, а профиль почв слабо дифференцирован, вспашка может оказаться причиной возникновения заметной неоднородности почвенного покрова, если в момент обработки разные части поля представлены почвами, находящимися в разных состояниях физической спелости [Дмитриев, 1988]. Особенности впитывания и фильтрации влаги связаны с характером по-рового пространства почв.
При обработке почвы крупные поры, возникающие в связи с жизнедеятельностью червей, насекомых и роющих позвоночных, а также корневины разрушаются. Поэтому если под лесом и на лугу мы практически повсеместно имеем дело с инфлюкционным типом впитывания и фильтрации, то на поле с пропашной культурой увлажнение идет по инфильтрационному или близкому к нему типу, а фильтрация - по семиинфильтрационному типу. Под покровом озимой пшеницы даже за сравнительно короткий интервал времени, не превышающий года, в почве возникают биодрены, обусловливающие инфлюкцион-ный тип фильтрации [Дмитриев, 1975].
Хорошо известно, что водопроницаемость почв весьма сильно варьирует в пространстве, причем варьирование может оказаться крайне значительным даже на участке с очень однородным почвенным покровом [Дмитриев, Ману-чаров, 1968]. Чтобы выяснить причины варьирования, нужно проанализировать влияние тех факторов, которые определяют величину водопроницаемости. Поскольку влага в почву проникает по порам, очевидно, варьирование водопроницаемости должно быть прежде всего связано с неоднородностью в пористости почв. Однако самые простые опыты убеждают нас в том, что варьирование объемного веса почвы и общей порозности оказывается несравнимо меньше, чем варьирование водопроницаемости.
В этом нет ничего неожиданного, если принять во внимание, что величины общей порозности характеризуют порозность почвы количественно, а, как уже неоднократно отмечалось, водопроницаемость определяется не всеми порами, имеющимися в почве, а только наиболее крупными, преимущественно некапиллярными: трещинами, ходами насекомых и червей, ходами истлевших корней и т. д. Помимо количества крупных пор, на величину водопроницаемости влияют их непрерывность, извилистость, стабильность, устойчивость во времени.
Следовательно, если варьирование порозности и не может объяснить всего варьирования водопроницаемости по поверхности почвы или отдельного ее горизонта, то одну из причин неоднородности в водопроницаемости следует искать в неоднородности распределения по отдельным участкам почвы крупных пор или высокопористых участков почвы, непрерывных в пространстве и устойчивых во времени.
Количественная оценка качественных представлений о преимущественных путях фильтрации воды
В серой лесной мелко оподзоленной почве ТІ-1998 (рис. За) движение воды происходит практически вертикально. Пятна крахмального окрашивания располагаются друг под другом, уменьшаясь с глубиной по площади. Отчетливо видны так называемые "водные тяжи". Растекание по площадке небольшое, большая часть крахмального окрашивания приходится на область внутри рамы. В серой лесной почве неглубоко оподзоленной почве с BIT T2-I998 (рис. 36) также можно отметить вертикальность движения воды. Хотя крахмальное окрашивание с глубиной смещается в одну сторону за пределы рамы. В этой почве также заметно формирование одного большого водного тяжа, который, хотя и не является строго вертикальным, хорошо прослеживается. В серой лесной мелко оподзоленной почве ТЗ-1998 (рис. Зв) пути движения воды достаточно сложны. С поверхности проследить какой-то единый путь не представляется возможным. Но уже с 30 см этот путь приобретает вполне четкие очертания. Площадь сечения "тяжа" уменьшается с глубиной. В серой лесной неглубоко оподзоленной почве Т4-1998 (рис. Зг) ситуация похожая: в поверхностных слоях путь движения воды еще четко не определен, тогда как глубже (с 30 см) можно заметить начало формирования вертикальных путей фильтрации и единого «водного тяжа». В серой лесной почве Т4-1999 (рис. Зд) сохраняются те же закономерности, установленные в выше описанных почвах. Но следует отметить, что в глубинных слоях происходит довольно сильное дробление одного основного пути на несколько меньших, сохраняющих при этом вертикальность. Как уже отмечалось в главе "Объекты", в серой лесной мелко оподзоленной почве Т1-2000 (рис. Зж) вскрытие площадок проводилось не через 10 см, как во всех предыдущих, а через 2 или 4 см. Поэтому и картина передвижения воды получилась более подробная. Отметим несколько важных, по нашему мнению, моментов.
Во-первых, на глубине 2 см (то есть сразу после снятия рамы и зачищення площадки) наблюдается значительное растекание, но уже на глубине 6 см крахмальное окрашивание незначительно и в виде множества отдельных мелких пятнышек. Во-вторых, при дальнейшем продвижении в глубину происходит увеличение площади окрашивания (примерно до глубины 18 см). А затем движение воды осуществляется по тем закономерностям, которые были отмечены выше: заметная вертикальность и уменьшение площади окрашивания. В результате формируется несколько "тяжей", заканчивающихся на разной глубине. В серой лесной неглубоко оподзоленной почве ТЗ-1999 (рис, Зе) не сформировались четко выделяемые водные "тяжи". По-видимому, движение осуществлялось по макропорам или трещинам, которые не проявлялись в пространственном распределении плотности на площадках 45 и 55 см. Более того, эти зоны фильтрации заметно «ветвились», не следуя по вертикали одна под" другой. Следует отметить отсутствие относительно больших пятен. Из этих качественных представлений видно, что миграция влаги происходит весьма сложными, многообразными путями. Даже в такой достаточно равномерной по физическим свойствам почве, как серой лесной со 2-м гумусовым горизонтом, отмечается заметное разнообразие путей миграции влаги, в особенности в верхнем, пахотном слое. Кроме того, хотя в нижних слоях (глубже 25 см) формируется единая зона движения влаги, ее положение заметно отличается от зоны введения метки на поверхности. Весьма характерно, что образование такого проникновения влаги возникает на уровне плужной подошвы (20-30 см), которая служит своего рода стимулятором образования единых водных тяжей, аналогичных «пальцевым структурам» неравновесного переноса влаги. В результате исследования плотности на горизонтальных срезах по сетке с шагом 10 см были получены изоплеты плотности на каждой из площадок. То поизоплеты плотности почвы совместно со статистиками послойного распределения дают дополнительную информацию о формировании плотности почвы. При статистической обработке полученных данных мы пользовались методами непараметрической статистики, так как при оценке нормальности распределения свойств по критерию Уилка-Шапиро большая часть массивов имела анормальное распределение (таблицы 2-4). С поверхности (глубина 5 см) серой лесной мелко оподзоленной почвы ТІ-1998 (рис. 1а) отмечается наибольший по профилю размах варьирования плотности - 0,82-1,88 г/см3 с медианным значением 1,41 г/см3 на фоне очень большой пятнистости (рис. 4а).
