Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о структуре порового пространства 6
1.1. Физическая деградация и поровое пространство 17
1.2. Методы анализа порового пространства 26
Глава 2. Объекты и методы 32
2.1. Природные условия района исследований 32
2.2. Характеристика объектов исследований 34
2.3. Методы исследований 39
Глава 3. Структура порового пространства исследованных почв 45
3.1. Фотографический метод определения текстурной пористости 45
3.2. Применение метода анализа мезоизображения для характеристики почвенной трещиноватости . 50
3.3. Диаграммы структуры порового пространства 60
3.4. Параметры порового пространства и характеристики поверхности твёрдой фазы исследованных почв . 66
3.5. Профильные распределения различных категорий пористости при полевой влажности. 71
3.6. Физическое состояние и степень деградированности пахотных горизонтов исследованных почв 74
Выводы 78
Список использованной литературы 80
Приложение 88
- Методы анализа порового пространства
- Применение метода анализа мезоизображения для характеристики почвенной трещиноватости
- Параметры порового пространства и характеристики поверхности твёрдой фазы исследованных почв
- Физическое состояние и степень деградированности пахотных горизонтов исследованных почв
Введение к работе
В условиях многообразного варьирования природных и антропогенных факторов внешнего воздействия, функции почвы в значительной мере определяются её физическими свойствами, и особое значение имеют характеристики порового пространства. Изучение порового пространства способствовало накоплению данных о взаимосвязи различных категорий пористости с почвенными свойствами, о геометрическом строении почвенных пор, о структуре порового пространства различных типов почв. Но современное состояние большинства пахотных почв территории России, актуальные проявления и потенциальная опасность деградационных явлений, делают необходимыми количественную оценку взаимосвязи параметров порового пространства и физического состояния почвы, динамический подход к оценке структуры порового пространства. Особенно остро проблема ухудшения физического состояния стоит для почв, наиболее распространённых на территории подзон южной тайги и лесостепи, на которых сосредоточена основная масса сельскохозяйственного производства России - дерново-подзолистых и серых лесных.
В связи с этим целью настоящей работы явилось изучение структуры порового пространства дерново-подзолистых и серых лесных почв.
На первом этапе работ была поставлена задача определения основных параметров и характеристик порового пространства.
Поровое пространства почвы неоднородно по размерам и функциям, в нём можно выделить несколько категорий, имеющих свои размеры и функциональные особенности, поэтому определение параметров, характеризующих эти категории, может быть связано с методическими трудностями. Поэтому задачей следующего этапа работы являлся выбор алгоритма и апробация методики проведения анализа мезоизображения для получения количественных характеристик двух таких категорий: текстурной (агрегатной) пористости и трещиноватости.
Наличие информации о различных категориях порового пространства и их зависимости от внешних воздействий, в частности от изменения влажности, позволяет охарактеризовать структуру порового пространства во всей её полноте. Следующей задачей стала детальная характеристика структуры порового пространства с помощью диаграмм структуры порового пространства.
Необходимость получения информации о профильном изменении порового пространства при изменении влажности определила ещё одну задачу: изучение динамики изменения порового пространства по профилю в зависимости от влажности.
Изменение структуры порового пространства под влиянием негативных факторов антропогенного воздействия на почву отрицательно сказывается не только на урожаях, но и на способности почвы обеспечивать необходимые условия для существования и развития почвенной биоты. Это, в свою очередь, является одним из признаков ухудшения физического состояния и деградации почв. Оценка физического состояния, актуальной и потенциальной физической деградированное исследованных почв стала заключительным этапом данной работы.
Проведённые исследования позволили детально изучить структуру порового пространства дерново-подзолистых и серых лесных почв. Были выявлены специфические особенности распределения различных категорий пористости по профилю и их динамика в зависимости от влажности. Разработаны и опробованы методики анализа фотоизображения для получения характеристик текстурной пористости и трещиноватости, а также программа расчёта структуры порового пространства.
Объектами исследования были выбраны дерново-подзолистые и серые лесные почвы, наиболее типичные для подзоны южной тайги. Малая изученность порового пространства этих почв, наряду с наличием обширной информации об их генезисе, химических и физических свойствах, позволила использовать их в качестве объектов исследования.
Внутри типов, объекты различаются на родовом и видовом уровне, заметны различия их химических и физических свойств, что отразилось на строении порового пространства.
Диссертационная работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета Почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. По материалам исследований опубликована 1 статья и 6 тезисов. Основные положения диссертации были доложены и обсуждались на Докучаевских молодёжных чтениях (Санкт-Петербург, 1999, 2001), на конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов" (2000, 2001, 2003).
Основные направления работы были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (2003г).
Диссертация рассмотрена и рекомендована к защите на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ.
Методы анализа порового пространства
Согласно современным представлениям для полной характеристики структуры порового пространства необходимы три группы признаков: морфометрические (размеры, форма, количественное соотношение имеющихся пор), энергетические (характер, природа и динамика структурных связей) и геометрические (пространственное расположение различных групп пористости). Изучение почвенной структуры ведётся на различных иерархических уровнях, на них в анализ вовлекаются и разные уровни организации почвенного профиля.
На макроуровне исследуется структура почвенных горизонтов, морфонов, наличие крупных трещин. Поровое пространства на этом уровне изучается визуальными и визуально-оптическими методами, методами анализа газового состава, а также с помощью модельных экспериментов по фильтрации. Этому уровню соответствуют макропоры и трещины диаметром или шириной более 0,1мм.
Форма и ориентация пор как элементов микростроения исследуются макро и микроморфологическими методами. Среди методов количественной оценки различных категорий пористости в особую группу можно выделить визуальные и визуально-оптические методы анализа мезо и макроизображения. В отличии от микроморфологических и микроморфометрических методов, область применения которых ограничена порами, размеры которых менее 0,1 мм (внутирагрегатные мезо и микропоры) применимость визуальных макрометодов лежит в области макропористости и трещиноватости, то есть наиболее крупных категорий порового пространства. В этом диапазоне анализируется не соотношение и ориентация элементов пористости относительно почвенных частиц и агрегатов, а линейные размеры, количество и расположение анализируемых единиц, как правило на почвенном зачищенном срезе. Также как в микроморфологических исследованиях, выделяется 3 формы визуального макроанализа: одномерный - признак измеряется линейно - ID (118, 119), двухмерный - замер происходит на плоскости шлифа, аншлифа или зачишенного среза - 2D (102, ИЗ, 121, 120) и трёхмерный - в этом случае объектом является почвенный блок тех или иных размеров, измерение параметров пористости происходит на всех плоскостях блока или идёт сканирования объёма - 3D (113, 116). Moreau (113) предлагает анализировать прямоугольные почвенные блоки размером 6x6x2 см методами анализа изображения с помощью сканирующей камеры, то есть использовать 3D-анализ. Предлагается оценивать вертикальную и горизонтальную составляющую поровой сети блока и моделировать его внутреннюю структуру, экстрополируя данные плоскости на объём. Трёхмерный анализ почвенного объекта также проводится с помощью метода рентгеновской компьютерной томографии, что позволяет получить не только строение внешних пор блока, но и внутреннюю структуру образца. Группа визуальных макрометодов является весьма быстро развивающейся. Широкое распространение получили такие анализы в Соединённых штатах Америки и в Австралии; для визуальной оценки используются оптические и электронные приборы, а для получения информации с изображения - сканирующие устройства и компьютерные программы.
Задача нахождения объёма макропористости, включающей в себя трещиноватость и стабильную структурную пористость решается также с помощью газовой проницаемости. Как известно, из-за набухания почвенной массы при увлажнении, трещины уменьшаются, и через некоторое время, закрываются совсем, что не позволяет оценить их реальный объём с помощью водопроницаемости. Метод газовой проницаемости позволяет определить объём макропор в ненарушенном образце почвы по объёму газа, прошедшего через монолит в единицу времени.
Моделирование водного потока также требует учёта особенностей порового пространства и, в частности, роли различных категорий пористости в формировании фронта влаги в почве при моментной или постепенной подаче воды. Большинство современных моделей учитывает важнейшую роль макропористости и трещиноватости в этих процессах и изменение проводящей способности различных групп порового пространства при поддерживании напора с течением времени из-за процесса набухания (28, 85, 112). Для предварительной оценки макропористости при моделировании водного потока, предложен метод, заключающийся в следующем: ненарушенный образец 5x4 см капиллярно подпитывается, а потом полностью насыщается водой. Затем под образцом создается разряжение в 3 см водного столба и ведуться измерения количество вытекшей воды. По формуле Журена, рассчитывается радиус пор менее 1 мм. Следует учитывать, что на величину макропористости, определённую в лаборатории, в полевых условиях влияет боковой сток и извилистость порового пространства. (85)
Для оценки параметров наиболее крупной категории порового пространства -трещиноватости и макропористости на фотоизображении используются как статические, так и динамические параметры. В зарубежных странах особую популярность имеют методы моделирования порового пространства как элемента фрактальной геометрии. С помощью изменяющейся величины фрактальной размерности исследователями сделана попытка смоделировать многоуровневую почвенную структуру (115, 117). Этот метод используется и в микроморфологии (Bodziony et al., 1993, Terribile et al., 1995). Используются также методы динамического программирования (матрицы и массивы данных) (107).
Применение метода анализа мезоизображения для характеристики почвенной трещиноватости
В алгоритм расчёта диаграммы структуры порового пространства включен расчёт удельного объёма трещин. В задачи исследования входило количественное описание параметров образования и развития трещин. Для решения этой задачи предложено определение основных параметров трещиноватости методом анализа фотографических изображений растрескивающихся площадок. Это прямой метод, позволяющий анализировать объект непосредственно.
Изучение трещин происходило на площадках, заложенных в различных горизонтах дерново-подзолистой почвы под многолетними травами.
Площадки размером Імхім были заложены в горизонтах Апах (на глубинах 3 и 10см), Е (25см), В (60см). Они были зачищены и залиты водой (на момент начала наблюдений трещин на площадках небыло). После этого с интервалом 12 часов проводились фотографирования специально выделенных фотографических площадок размерами 20x1 Зсм с одновременным определением влажности термостатно-весовым методом. Далее фотографии были оцифрованы, и использованы для компьютерного анализа изображения с помощью программы CrackWide. Программа позволяет рассчитать общую площадь, размеры и встречаемость объектов заданного цвета на снимке, отклассифицировать эти объекты и вывести результат в виде файла Microsoft Excel.
Характеристики, которые наиболее чётко описывают образование и развитие трещин на исследованных площадках это: удельный объём трещин, встречаемость - количество трещин, пересекающих прямую на единице её длины, ширина трещин, их глубина или мощность растрескивающегося слоя. Для изучения закономерностей формирования трещин в данной работе использовались следующие характеристики: общая площадь, занятая трещинами на снимке, частота встречаемости (частота пересечений трещинами сетки 40x30) и ширина трещин. Исследование роста и развития трещин проводилось в зависимости от изменения фактора, непосредственно влияющего на эти процессы - влажности. Очень важными являются влажности массового появления трещин различного порядка, динамические параметры, ранее не определявшиеся. Зависимость величин площади и встречаемости трещин на заданной общей площади от влажности - определяющего фактора трещинообразования для всех площадок, представлены на рисунке 8. Следует отметить что, как правило, происходит растрескивание не всей почвенной толщи, а слоя определённой толщины.
На площадке Апах Зсм кривые зависимости площади и встречаемости трещин от влажности очень пологие, можно чётко выделить лишь одну ступень, приходящуюся на влажность образования первой трещины. Такая пологость кривых связана с большим количеством корней на площадке, которая находилась сразу под подстилкой. Корни не только предохраняют поверхность от быстрого испарения и делают процесс иссушения близким к равновесному, но и маскируют трещины, делая их неразличимыми для распознающего устройства на фотоматериалах.
На площадке Апах 10см обозначенные кривые имеют две чётко различимые ступени, приходящиеся на влажность 0,30 (начало образования трещин) и 0,22. Это влажности образования трещин различных порядков. Площадка Е, также как и Апах Зсм, характеризуется одноступенчатыми кривыми. Площадка В, наоборот, характеризуется большим числом встречаемости, наибольшей среди всех площадок общей площадью трещин в воздушно-сухом состоянии и хорошо выраженной двухступенчатостью кривых. При малых влажностях происходит небольшое уменьшение площади, занимаемой трещинами, по сравнению с площадью трещин при более высоких влажностях. Это обусловлено полным выделением межтрещинных фрагментов и их взаимной переукладкой.
Параметры порового пространства и характеристики поверхности твёрдой фазы исследованных почв
Структурно-энергетические характеристики: параметры порового пространства и характеристики поверхности твёрдой фазы, в совокупности характеризуют каждый горизонт исследованных почв. Эти характеристики представлены в таблице 3.4.1. Но наиболее интересным и показательным является распределение этих величин по профилю, представленное на рисунке 12. Структурно-энергетические характеристики определяют реагирование почвы на характер водообеспеченности и технологии воздействия, что проявляется в виде динамики моментных характеристик (влажности, удельного объёма текстурного порового пространства и т.д.). В распределении полученных величин наблюдаются определённые закономерности. Целесообразно сначала рассмотреть изменение характеристик поверхности твёрдой фазы по профилю исследованных почв. Эти характеристики несут в себе информацию о характере межфазных взаимодействий в объекте и об опасности физической деградации и слитизации.
Для дерново-подзолистых почв характерно понижение количества прочносвязанной воды (Wa) в подпахотном и подзолистом горизонтах с последующим увеличением в нижележащих горизонтах. Эти изменения хорошо соотносятся с данными о гранулометрическом составе дерново-подзолистых почв и практически не различаются для почв разных вариантов использования. Изменение толщины адсорбционного монослоя, наблюдающееся вниз по профилю исследованной почвы, также может быть объяснено выносом некоторых компонентов из горизонтов АЕ, Е и ЕВ, и связанным с этим уменьшением удельной поверхности. В этих горизонтах наблюдается значительное снижение значений Wa (25-29 10" м /кг) по сравнению с пахотным и иллювиальными горизонтами (46-61 10" м /кг).
Для всех серых лесных почв значений Wa повышаются в подпахотном горизонте, причём для серой лесной глубокооглееннои это повышение наиболее заметно (от 4,5 до 7,6 10" м /кг). В целом кривые профильных изменений количества прочносвязанной воды имеют характерную форму для каждого исследованного типа почв, что объясняется достаточно чёткой связью между количеством прочносвязаной воды, гранулометрическим составом и удельной поверхностью частиц. Стоит отметить, что для чернозёма типичного количество прочносвязанной воды мало меняется по профилю.
Поверхностная энергия твёрдой фазы (Е) в дерново-подзолистых почвах несколько снижается в горизонте Е и ЕВ и незначительно повышается в нижележащих горизонтах, в общих чертах кривая повторяет изменение количества прочносвязанной воды. В серой лесной оподзоленной и остаточно-карбонатной почвах величины поверхностной энергии практически однородны по всему профилю. Для серой лесной глубокооглееннои почвы характерно резкое повышение значений Е в оглеенном горизонте Bg до 105,8 Дж/кг, что может быть связано с процессами оглеения.
Параметры порового пространства: предел усадки по текстурной пористости (Dnp.), пористость агрегата в набухшем состоянии, стабильная структурная пористость АФ, коэффициент свободной усадки агрегата Ка дают возможность оценить текущее состояние порового пространства почв.
Интересно изменение предела усадки (Dnp) по текстурной пористости вниз по профилю. Для всех исследованных почв с признакми оподзаливания в профиле характерно понижение значений параметра в подпахотном горизонте с некоторым последующим повышением в горизонте В. Для серой лесной глубокооглеенной почвы также характерно довольно резкое понижение значений параметра в подпахотном горизонте, что связано с общим утяжелением гранулометрического состава. Повышение величин предела усадки в подпахотном горизонте серой лесной остаточно-карбонатной почвы указывает на отностительное ухудшение физического состояния пахотного горизонта этой почвы.
Профили изменения величин стабильной структурной пористости (АФ) можно чётко разделить по типовому признаку - они различны для дерново-подзолистых и для серых лесных почв. В дерново-подзолистых почвах происходит резкое снижение величин параметра по профилю начиная с подпахотного горизонта, в серых лесных почвах профильные кривые выровнены, изменение параметра по профилю менее заметно. Относительное снижение величины стабильной структурной пористости в пахотном горизонте серой лесной оподзоленной почвы указывает на уплотнённость верхнего горизонта.
Коэффициент агрегатной усадки (Ка) неоднозначно изменяется по профилю. Дерново-подзолистые почвы характеризуются S-образными кривыми со снижением величины К в подпахотном и увеличением её в нижележащих горизонтах. Профили серых лесных почв более выровнены по зачению параметра, в отличии от дерново-подзолистых почв, характеризующихся резкими сменами К при переходе от горизонта к горизонту. Показательна кривая серой лесной глубокооглеенной почвы, на которой наблюдается резкий рост величины параметра с глубиной. Это может быть связано с изменениями гранулометрического состава и оглеением.
Кроме вышесказанного, стоит отметить, что изменения энергетических характеристик и параметров порового пространства по профилю, как правило, характеристичны для определённых почвообразовательных процессов. Так, горизонты, сформировавшиеся, в исследованных почвах, под действием биогенно-аккумулятивных процессов характеризуются средними значениями Е и Wa, высокими величинами Dnp и АФ, это связано с накоплением органики. Горизонты, сформированные под действием элювиальных процессов характеризуются понижеными энергетическими характеристиками и параметрами порового пространства, набухаемость таких горизонтов очень низкая. В горизонтах, подверженных действию иллювиально-аккумулятивных процессов высоки значения Ка, Е и Wa, величины параметров порового пространства низки, пористость аэрации мала. Оглеение характеризуется резким увеличением, по сравнению с неоглеенными горизонтами, значений Е и Wa, величина остаётся неизменной или даже уменьшается. Таким образом, так как профили исследованных почв сформированы сочетанием ЭПП, изменение структурно-энергетических характеристик порового пространства по профилю различается на типовом уровне и наряду с химическими свойствами может служить критерием при отнесении почвы к тому или иному типу.
Физическое состояние и степень деградированности пахотных горизонтов исследованных почв
Оценка степени деградированности пахотных горизонтов была включена в алгоритм программы Diapor. Для этой оценки использовалась оценочная шкала Березина (8). В качестве критериев использовались характеристики поверхности твёрдой фазы и порового пространства. Оценивалась как существующая, актуальная деградированность пахотных горизонтов, так и потенциальная опасность деградации (таблицы 3.6.1 и 3.6.2.). Результаты таковы: по критериям актуальной деградированности из всех исследованных только дерново-подзолистую почву под лесом и серую лесную глубокооглеенную можно назвать недеградированными по пахотному слою. Их состояние оптимально. Остальные почвы принадлежат к градации слабодеградированных, нуждающихся в снижении технологических нагрузок и восстановительных мероприятиях. Один из объектов сравнения - слитой чернозем, относится к градации среднедеградированных почв. На рисунке 14 представлены данные о степени деградированности пахотных горизонтов исследованных почв. По критериям потенциальной слитости (рисунок 15) все исследованные дерново-подзолистые и серые лесные почвы относятся к градации устойчивых к слитогенезу. Объект сравнения типичный чернозём можно назвать средне устойчивым к слитогенезу, а слитой чернозём является слитогенным. 1. Исследование порового пространства дерново-подзолистых и серых лесных почв, проведённое с использованием, как общепринятых физических методов, так и методов анализа изображения позволило получить наиболее полную картину структуры порового пространства.
Величины, характеризующие почвенное поровое пространство и поверхность твёрдой фазы (Dnp, Ф, Ка, Es, Wa) изученных почв имеют различия на типовом уровне. Характер изменения этих величин по профилю также различается, это подтверждается не только объектами исследования, но и объектами сравнения. Для дерново-подзолистых почв характерно более резкое падение значений Dnp и Ф с глубиной, меньшие величины Es и Wa чем для серых лесных почв. 3. Для удобства получения зависимости текстурной пористости от влажности разработан метод анализа фотоизображения.
Он позволяет дистанционно, без механического воздействия проводить измерения объёма и плотности почвенных агрегатов и фрагментов во всём диапазоне влажностей, и может быть рекомендован к использованию как экспресс-метод. Для получения информации о трещинообразовании разработан метод анализа мезоизображения. Этот метод применим к оценке площади, частоты встречаемости и ширины трещин, образующихся на поверхности почв, и позволяет установить влияние влажности на трещинообразование. Разработанные методы были адаптированы для целей характеристики порового пространства. 4. При иссушении образование трещин на поверхности почвы имеет ступенчатый характер и идёт с выделением трещин различных порядков. Распределение всех встреченных трещин по ширине удовлетворительно (с вероятностью 0,95) описывается типовой функцией (логит). Разные горизонты имеют различные параметры этого распределения, и различные зависимости изменения ширины трещин от влажности.
