Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Литературный обзор
1.1. Потенциал почвенной влаги и его составляющие. 5
1.2. Составляющие полного потенциала воды в почве . 6
1.3. Гранулометрический состав и потенциал влаги в почве 14
1.4. Обменные основания и потенциал влаги в почве. 19
1.5. Засоление почвы и потенциал влаги в почве 22
ГЛАВА II. Методо исследования
2.1. Методика определения гранулометрического состава 28
2.2. Методы изучения потенциала почвенной влаги . 30
2.3. Использование изотерм десорбции паров воды для определения полной удельной поверхности по БЭТ
и внешней удельной поверхности по Фарреру 35
2.4. Расчетный метод определения среднего интервала кривой водоудерживаемости почв 37
2.5. Определение структурно-функциональных физических свойств 38
ГЛАВА III. Объекты исследования 40
3.1. Характеристика объектов исследования 44
3.2. Водно-физические свойства почв и смесей 49
ГЛАВА ІV. Влияние засоления на гвдрофизические свойства почвы 58
4.1. Энергетическое состояние воды в диапазоне низких влажностей 58
4.1.1. Влияние степени засоления на энергетическое состояние воды в почве 59
4.1.2. Влияние типа засоления на изотермы десорбции паров воды в каолин-кварцевых смесях 69
4.1.3. Совместное влияние степени дисперсности, степени и типа засоления на изотермы десорбции паров в каолин-кварцевых смесях 71
4.1.4. Влияние засоления на водоудерживащуго способность лугово-сазовой орошаемой почвы в сорбционной области 74
4.2. Особенности расчета удельной поверхности по изотерме десорбции паров воды в засоленных почвах 83
4.2.1. Кривые водоудерживаемости почв в зависимости от засоления и гранулометрического состава 86
4.2.2. Определение форм воды по кривым водоудержи ваемости каолин-кварцевых смесей и лугово-
сазовых почв различного засоления 101
Выводы 104
Список использованной литературы
- Составляющие полного потенциала воды в почве
- Методы изучения потенциала почвенной влаги
- Водно-физические свойства почв и смесей
- Влияние типа засоления на изотермы десорбции паров воды в каолин-кварцевых смесях
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена большой ролью гидрофизических свойств почвы в проектировании мелиоративных мероприятий.
В последнее время показано, что основные гидрофизические и структурно-механические свойства почвы тесно связаны с зависимостью потенциала воды от влажности почвы. Это обстоятельство дает возможность определения гидрофизических и структурно-механических свойств почв по кривой, характеризующей зависимость потенциала от влажности почвы. (В современной терминологии -кривая водоудерживания почв.)
Содержание доступной для растений влаги в почве зависит от капиллярно-сорбционных сил и осмотического давления почвенного раствора.
Однако до настоящего времени остается недостаточно изученным вопрос о влиянии состава и содержания растворенных солей на характер кривой водоудерживаемости почвы, в то время как в почвах аридных областей часто содержатся их довольно значительные количества.
Цель настоящей работы состояла в том, чтобы изучить влияние состава и концентрации растворенных солей на характер зависимости потенциала воды от влажности почвы и в попытке применить методику расчета основных агрофизических и почвенно-мелио-ративных показателей по кривым водоудерживаемости для засоленных почв.
Исходя из поставленных целей, основные задачи исследования были:
1. Изучить влияние состава и концентрации растворенных солей на характер кривой водоудерживаемости почв различного гранулометрического состава как на образцах естественных почв, так и физических моделях, составленных из фракций элементарных почвенных частиц.
2. Установить возможность определения по кривой водоудерживаемости почв, содержащих растворенные соли, гидрофизических и структурно-механических свойств почв.
3. Установить возможность формализации зависимости потенциала воды от влажности засоленных почв.
Новизна работы состоит в том, что впервые установлен характер и степень влияния состава и концентрации растворенных солей на зависимость потенциала воды от влажности почвы и на гидрофизические и структурно-механические свойства почв различного гранулометрического состава.
Практическая ценность работы состоит в применении методики определения гидрофизических и структурно-механических свойств по кривой водоудерживаемости для условий засоленных почв, что очень важно для совершенствования проектно-изыскательских мелиоративных работ в аридных областях.
Автор настоящей работы выражает глубокую благодарность научному руководителю, доктору биологических наук, профессору А.Д.Воронину и кандидату биологических наук, старшему научному сотруднику П.Н.Березину за большую помощь в работе.
Составляющие полного потенциала воды в почве
В тех случаях, когда механическим давлением окружающей поверхности пренебречь нельзя, например в набухающих почвах, под понятием ішпиллярно-сорбционннй (или матричный) следует иметь в виду сумму V и V і рассматривая его как результат влияния твердой части почвы (почвенной матршщ) на почвенную воду in situ, как результат капиллярно-сорбционного удерживания воды в почве вследствие искривленных поверхностей раздела жидкой части почвы с газовой в зависимости от геометрии твердой части, измененной под влиянием механического давления окружающей поверхности.
А.Д.Воронин (1974) отметил, что зависимость потенциала воды от влажности почвы % (w) тесно связана с минералогическим и-химическим составом почвы с ее удельной поверхностью гранулометрическим, макроагрегатным и агрегатным составом, т.е. со всеми уровнями структурной организации твердой части почвы (Воронин, 1979).
Характеризующая эту зависимость кривая является своеобразной репликой, отражающей особенности состава и строения почвенного горизонта или слоя. Чайльдс (Childs, 1940) назвал ее характеристической кривой почвенной влаги и обратил внимание на широ кие возможности ее применения для исследования физических свойств почв.
A.M.Глобус (1969) назвал ее основной гидрофизической характеристикой почвы, однако, работавшая перед X Международным конгрессом почвоведов, проходившем в Москве в 1974 г., комиссия терминологии в физике почв отметила неопределенность и неточность этих терминов и предложила заменить их на более строгий и отвечающий физическому смыслу этой зависимости термин кривая ВОДоудерживаемости ПОЧВЫ (Bolt, Peck, Paats, Rode, Vachaud, Vo-ronin, 1976).
В отличие от рассмотренных ранее попыток использовать большую информационную емкость кривых водоудерживаемости для определения важнейших агрофизических характеристик почв на основе только энергетической концепции (Скофилд (Schofield) 1935,1938; Рассел (Russel) 1940; Ричарде, Уивер (Richards, Weaver) 1944; С.И.Долгов, 1948; Судо (Sudo) 1962; А.А.Роде, 1965; Конке (Kohnke) 1968), не учитывающей того, что области перехода категорий воды, из одной в другую и связанные с ними гидрофизические, механические и реологические свойства почв являются функциями структуры почв, в развитой А.Д.Ворониным (1980) структурно-энергетической концепции убедительно показано, что эти области перехода тесно связаны со структурой почвы и закономерно смещаются на кривых водоудерживающей способности почв в зависимости от таких структурных составляющих как гранулометрический и микроагрегатный состав.
Гранулометрический состав и потенциал влаги в почве Н.А.Качинский (1965) отметил, что при бонитировке почв принимаются во внимание все их свойства: химические, физико-хими ческие, физические, физико-механические, но особенно большое значение при этом имеет и их гранулометрический состав, так как он,в значительной мере предопределяет прежде всего физические и физико-механические свойства почвы, а косвенно, и все остальные свойства.
Однако ясно, что обеспеченность растений влагой определяется не только величиной запаса воды в почве, но также ее подвижностью и доступностью для растений; эти важные свойства почвенной влаги зависят от гранулометрического состава почвы и от создающихся в ней физических условий (плотности, влажности, температуры, структурного состояния).
Почва представляет собой трехфазную систему, состоящую из твердой, жидкой и газообразной фаз. На границе раздела вода -твердая фаза действует адсорбционный потенциал, величина которого является- функцией толщины водной пленки, адсорбированной на поверхности почвенных частиц. Следовательно, величина адсорбционного потенциала будет определять качество адсорбируемой поверхности (Воронин, 1959; Orchiston, 1953,1954,1959; Роде, 1965).
Согласно второму закону термодинамики, свободная поверхностная энергия будет стремиться к уменьшению. Чем выше дисперсность системы, тем в большей степени в ней выражено стремление уменьшить свободную поверхностную энергию; стремление этих систем уменьшить свою поверхность порождает два существенных свойства: 1) поглощение газовж паров свободными поверхностями твердых частиц, а также молекул и ионов из растворов; 2) стремление частиц к слипанию.
Методы изучения потенциала почвенной влаги
В почвоведении и грунтоведении необходимо выделять основные и функциональные свойства почв (Охотин, 1937). К основным свойствам он относил гранулометрический и минералогический состав.
Гранулометрический состав определяли по поглощению рентгеновских лучей с ультразвуковой подготовкой почвы в 0,5$ растворе пирофосфата натрия. Для этой цеж использовался прибор "Сиди-граф 5000" фирмы "Micromezitics" с автоматической записью результатов в виде интегральной кривой на полулогарифмическом бланке.
По оси абсцисс регистрируется эквивалентный сферический диаметр частиц (в соответствии с формулой Стокса) от 100 до 0,1 микрона, по оси ординат - плотность дисперсии от 0 до 100$. Нулевая плотность дисперсии устанавливалась по интенсивности рентгеновских лучей, проходящих через седиментационную ячейку, заполненную чистой дисперсионной жидкостью (водой).
Стопроцентную плотность дисперсии устанавливали по интенсивности рентгеновских лучей, проходящих через ячейку, равномерно промываемую перемешиваемой дисперсией 2-3$ весовой концентрации. Для определения положения кумулятивной кривой относительно осей координат графика необходимо выбрать сторонний диаметр ( старт) в пределах диапазона прибора и связанную с ним установочную скорость ( V ), определяемую на основе формулы Стокса и конструктивных данных прибора где J - плотность почвенных частиц, J - плотность жидкости, А - вязкость жидкости.
Так как при анализах постоянно приходится пользоваться формулой для определения установочной скорости, Н.П.Березиным и А.Д.Ворониным (1981) была составлена номограмма, позволяющая по температуре и плотности находить установочную скорость. Учет температуры дисперса и плотности частиц обеспечивает хорошую воспроизводимость результатов.
Прибор комплектуется ультразвуковой установкой, частотой 80 кГц, позволяющей проводить диспергацию образца.
Диспергация образца с помощью ультразвуковой установки ставит вопрос полноты диспергации и, с другой стороны, вызывает опасение разрушения механичесішх элементов. Названия смеси по гранулометрическому составу давали по классификации Н.П.Березина и А.Д.Воронина (1981) (табл. 1).
Скофилд (schofield, 1935) предложил выражать свободную энергию воды в почве через РР , где РР = Л$Ур в см водного столба. Предложенные Скофилдом и ставшие широко известными формулы для расчета рр почвенной влаги следует рассматривать лишь как частный случай, вытекающий из более общих термодинамических положений, в основе которых лежит теория фазового равновесия, позволяющая свести в единую систему все методы измерения потенциала воды в почве (Воронин, 1980).
Методы измерения потенциала воды в почве основаны на том, что при равновесии и постоянстве температуры свободные энергии ЗТиббса во всех фазах равны между собой.
Отсюда и вытекает необходимость, при достижении потенциала почвенной влаги, достижения равновесия между двумя контактирующими фазами и соблюдения постоянства температуры.
В зависимости от характера контактирующих фаз и поверхности раздела между ними методы определения потенциала воды можно выделить две группы методов:
1) методы, в которых равновесие устанавливается между двумя жидкими фазами, отличающимися друг от друга тем, что одна из них представлена почвенной водой, а другая - водой, свободной от влияния силовых полей почвы;
2) методы, в которых устанавливается равновесие между свободными энергиями воды, удерживаемой в почве, и ее паром в окружающем пространстве. Капиллярная часть кривой водоудерживания от 0 до 70 кїїа определялась методом ареометрических тензиометров (Березин, Во ронин, Шеин, 1983). Этот прибор относится к первой группе методов измерения.
В основе его работы лежит принцип гидростатического взвешивания, используемый для постоянного контроля за изменением влажности в образце почвы (принципиальная схема и один из вариантов конструкции изображены на рис. 1).
Полый керамический фильтр 1 с помещенным внутри его почвенным образцом 2 герметически соединяется с тонким градуированным трубчатым стержнем 3, на котором расположен запорно-выпускной клапан 4 и газовый манометр 5. Устройство помещают в сосуд с чистой водой 6 так, чтобы часть градуированного трубчатого стержня возвышалась над поверхностью воды, как и в пластинных прессах внутри устройства создается повышенное давление, контролируемое манометром. Это давление вызывает перетекание влаги из почвенного образца через фильтр в окружающую водную среду. При этом регистрировалось количество вытекшей воды (или динамику влажности почвы) можно по всплытию устройства, определяемому по градуированному трубчатому стержню.
Прекращение всплытия свидетельствует о достижении гидравлического равновесия. Затем в приборе создают следующий, более высокий уровень давления и снова регистрируют динамику вытекания влаги и момент установления равновесия. Операции повторяют до тех пор, пока не будет достигнут максимально возможный уровень давления. После этого берут пробу для определения конечной влажности образца почвы или грунта. Зная динамику и общее количество влаги, вытекшей из образца при каждом уровне давления и конечную влажность, рассчитывают влажность образца и моменты достижения гидравлического равновесия.
Водно-физические свойства почв и смесей
Почвообразующие породы повсеместно гипсованы. Зачастую новообразования гипса встречаются сразу под пахотным слоем. Более глубокое выщелачивание сернокислых солей наблюдается на участках, прилегающих к дренам.
В приаридной, наиболее возвышенной части орошаемой территории, уклоны достигают 0,03. По мере продвижения на северо-запад они постепенно уменьшаются и местность принимает почти горизонтальный низменный и слабо волнистый характер.
Климат. Федченская опытная станция размещена в полупустынной зоне. Однако близость ее к пустынной зоне, находящейся в 1-2-х десятках километров, обусловливает переходный характер климата.
Длина безморозного периода в пониженной части Ферганской области достигает 200-212 дней. Среднегодовая температура воздуха для равнинной части составляет около 100-200 мм, т.е. в 2-2,5 раза меньше, чем в предгорной. Причем, все осадки в равнинной части приходятся на зимнее и весеннее время, летом их выпадает незначительное количество. Наиболее засушливые месяцы -август, сентябрь.
Относительная средняя годовая влажность воздуха во всей равнинной части Ферганской области равна 60$, а за период вегетации - 50$.
Среднесуточное испарение со свободной поверхности в летние месяцы, по данным Федченской мелиоративной станции, на хлопковом поле достигает 6,3 ми. Гидрогеологические условия. В гидрогеологическом отношении территория станции представляет собой область пролювиальных равнин, занимающую пониженные участки и поверхности с тяжелыми засоленными почвами и застойными минерализованными грунтовыми водами.
Получая питание за счет подземного притока со стороны предгорий, грунтовые воды здесь почти полностью испаряются, что способствует непрерывному накоплению солей в почвах и грунтовых водах.
По многолетним данным, амплитуда колебания грунтовых вод по станции в течение года составляет 37 см (от НО до 147 см), достигая в отдельные годы 45 см. Минерализация грунтовых вод колеблется в пределах 4,5-12,5 г/л плотного остатка на землях незасоленных и слабозасоленных и до 80-90 г/л на землях неосвоенных. Это свидетельствует о благоприятных результатах систематически проводимых мелиоративных работ. Тип засоления грунтовых вод хлоридно-сульфатный. В катионной части характерно большое содержание Mg2+ по сравнению с Са . С заглублением уровня грунтовых вод минерализация их снижается.
По наблюдениям станции, 71-82$ годового баланса грунтовых вод пополняется за счет оросительных вод. В расходной части на долю испарения и транспирации приходится 67-76$ от общего расхода.
Почва опытной станции представлена лугово-сазовыми слабо-среднезасоленными разностями на полях занятых сельскохозяйственными культурами и сильнозасоленными на перелогах. Развиты они на слабо слоистых гипсованных суглинках. Тяжелый механический состав почв опытной станции и слабая микроагрегатность обусловливают малую скорость и большую высоту капиллярного поднятия влаги из грунтовых вод.
По солевому составу почвы опытной станции могут быть разделены на слабо-, средне- и сильнозасоленные. Содержание солей на незасоленных землях в метровом слое составляет 0,19$ плотного остатка, а на сильнозасоленном перелоге - 3,05$ , т.е. в 16 раз больше. В анионной части на обеих почвах содержание so." больше С1", при этом на незасоленной почве отношение so." и Сі" составляет 4,7:1, а на сильнозасоленной - 16,6:1. Тип засоления, следовательно, хлоридно-сульфатный.
В незасоленных почвах в слое 0-100 см катионы располагаются в следующий ряд в убывающем порядке: Са + Mg + Na+ , а на сильнозасоленных: Na+ Са Mg +.
Солевой режим почвогрунтов находится в связи с режимом грунтовых вод. Глубокое залегание грунтовых вод способствует ослаблению подтока воды к поверхности. Чем интенсивнее испарение их почвой и растениями, тем больше солей откладывается в корнеобитаемом слое почвы.
Содержание гумуса в луговых сазовых почвах невелико, оно колеблется в пределах 1,2-2,2$. Наиболее характерная величина гумуса 1,5-1,9$. Валовой фосфор содержится в значительном количестве в верхних горизонтах - 0,24-0,28$ и резко уменьшается в нижележащих слоях. Карбонатность описываемых почв станции высо-кая и довольно равномерная по профилю разрезов. Содержание СО2 карбонатов колеблется в пределах 6,3-9,1$. Для исследования были взяты образцы луговой сазовой почвы из разреза 1, заложенного на хлопковом поле участка М-9. Ниже приводится морфологическое описание этого разреза. Ал - 0-31 см
Влияние типа засоления на изотермы десорбции паров воды в каолин-кварцевых смесях
Величины концентрации раствора в данном случае могут считаться ориентировочными, так как не всегда можно сказать, в каком состоянии находятся соли непосредственно во влажной почве.
Из данных табл.19 и рис.15-20 видно, что содержание воды при разных потенциалах увеличивается с увеличением содержания глинных компонентов. Так, при полной влагонасыщенности в смеси А равновесная влажность составляет 27$, в смеси В - 47$, в смеси С - 56$.
С увеличением содержания СаС12 и NaCl при концентрации 25 мг-экв/100 г почвы происходит увеличение влажности насыщения и составляет 36$ при засолении NaCl и 31$ при засолении СаС12 в смеси А. В смеси В - 52$ при засолении NaCl и 48$ при засолении СаС12; а в смеси С - 60$ при засолении NaCl и 58$ при засолении СаС12.
Следует отметить, что вклад внесенных солей в водоудержи-вающрэ способность смесей уменьшается с увеличением содержания каолина, причем роль СаС12 заметно ниже, чем NaCl особенно в смеси А.
Так, разница равновесия влажности (Д vc/ ) между чистой А и засоленной NaCl составляет 9,02$ той же смеси, засоленной СаС12 - 3,4$. Для смеси В эти соотношения составляют 4,3$ для NaCl и 0,43$ для СаС12, для смеси С - 4,11$ для NaCl и 2,24$ для СаС12. Отмеченные выше закономерности различий равновесных влаж-ностей сохраняются и при меньших значениях потенциала. Обнаруженные на модельных смесях,они наблюдаются также в реальных условиях на примере лугово-сазовой почвы. При внесении в почву NaCl при концентрации 25 мг-экв/100 г почвы наблюдается заметное увеличение равновесных власностей при
В табл. 21 и 22 представлены данные, характеризующие влажности, соответствующие формам почвенной влаги, определенные по кривым водоудерживаемости каолин-кварцевых смесей и почв различного засоления. Из этих данных видно, что формы воды тесно связаны с гранулометрическим составом почв, степенью и характером их засоления.
Основные тенденции этих связей нами были уже отмечены при анализе изотерм и кривых водоудерживаемости. Эти таблицы выражают эти закономерности в более сжатом и ясном виде. Гидрологические характеристики луговых сазовых почв, определенные классическими методами близки к аналогичным характеристикам, определенным по кривым водоудерживаемости.
1. При определении гидрофизических свойств засоленных почв необходимо учитывать некоторые особенности, связанные с влиянием типа и степени засоления на характер кривой водоудерживае-мости.
2. Равновесная влажность во всем диапазоне потенциала почвенной влаги практически линейно зависит от содержания глинистых компонентов.
3. Равновесная влажность при хлоридно-кальциевом засолении почв различного гранулометрического состава во всем диапазоне потенциалов практически линейно связана со степенью засоления.
4. В случае хлоридно-натриевого засоления равновесная влажность почв при потенциалах меньше Уас, т.е. в сорбцион- ной области до начала капиллярной конденсации, практически не зависит от степени засоления.
5. При потенциалах больших Час » т е« яри наличии жидкой воды в почве, равновесная влажность также практически линейно зависит от степени хлоридно-натриевого засоления и значительно выше, чем в случае хлоридно-кальциевого засоления.
6. В связи с различным характером изотерм при различных типах засоления расчет категорий удельной поверхности по десорбции паров воды для засоленных почв не всегда правомочен. При натриевом засолении возможен расчет общей удельной поверхности. В присутствии кальция расчет категорий удельной поверхности может считаться только ориентировочным.
7. Применение ареометрических тензиометров позволяет измерять давление и влажность почвы при заданной концентрации почвенного раствора, находящегося в равновесии с аналогичным свободным раствором, отделенным от исследуемой почвы пористым фильтром. Это обеспечивает возможность определения гидрофизических свойств засоления почв по методу А.Д.Воронина.
8. Граница перехода форм воды и изменения консистенции почвы, определенные по кривой водоудерживаемости, близки или практически совпадают с аналогичными величинами, определенными классическими методами.
