Особенности изучения физических свойств черноземов обыкновенных карбонатных Ростовской области

Введение

 Результаты изучения физических свойств почв, процессов и режимов нашли отражение в большом количестве отечественных и зарубежных научных изданий: статьях, монографиях, учебниках, научно- и учебно-методических руководствах. Однако есть малоизученный раздел почвоведения и физики почв, в частности, связанный с исследованием характера взаимодействия между твердыми и жидкими фазами почв, которые выражаются в объемных изменениях как следствие динамики влажности почв.

При изучении физических свойств практически не обращается внимание на изменение соотношений фаз – твердой, жидкой и газовой, а ведь их соотношение меняется во времени, что неизбежно должно учитываться не только на этапе формулирования выводов по результатам проведенных исследований, но и изначально влиять на выбор методов исследований. Так, почва, влажность которой лежит в интервале от 0 % (абсолютно-сухое состояние) до максимальной гигроскопической, представляет собой преимущественно двухфазную систему «твердая – газовая». В то же время в диапазоне влажности, соответствующей полной влагоемкости (или полной водовместимости), почва представляет собой также двухфазную систему, но уже с преобладанием твердой и жидкой частей. С формальной точки зрения и в первом и во втором случае системы двухфазные, но принципиально отличающиеся по физическим параметрам.

При этом в интервале влажности от максимальной молекулярной влагоемкости до наименьшей влагоемкости почвы представляют собой трехфазную систему «твердая–жидкая–газовая». Именно в ней и происходят основные объемные изменения, которые описываются не только процессами усадки и набухания. Однако при изучении физических свойств следует, наряду с процессами набухания и усадки, принимать во внимание изменения таких параметров, как плотность, общая и дифференциальная пористость, степень трещиноватости, консистенция, пластичность, липкость и другие. Необходимо учитывать также ряд расчетных величин, например, запасы вещества (влаги, гумуса, макро- и микроэлементов), показатели объемной и относительной влажности почв и др.

Цель исследования – выявить особенности изучения физических свойств набухающих почв на примере черноземов обыкновенных карбонатных Ростовской области.

Объект исследования

Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный слабогумусированный легкоглинистый крупнопылевато-иловатый на желто-бурых лессовидных тяжелых суглинках (Ботанический сад, Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия).

Методы исследования

Для изучения физических свойств черноземов обыкновенных карбонатных Ботанического сада ЮФУ нами определены следующие показатели:

– гранулометрический состав;

– плотность твердой фазы;

– плотность почвы нарушенного и ненарушенного сложения;

– пористость почвы – общая (?);

– усадка почвы – пределы влажности, соответствующие влажности усадки (W_у) и влажности набухания (W_нв), объемная усадка (V_у) и линейная усадка (L_у);

– водно-физические свойства [1, 2].

Результаты исследований и их обсуждение

Общие физические свойства чернозема обыкновенного карбонатного 

Результаты изучения общих физических свойств исследуемой почвы представлены в таблицах 1–2.

Полученные данные показали, что чернозем обыкновенный карбонатный, согласно классификации Н.А. Качинского [3], относится к разновидности крупнопылевато-иловатых легких глин. Почвенный профиль практически не дифференцирован по гранулометрическому составу. Максимальное содержание физической глины отмечается в гор. А_пах – 62,3 %, а минимальное – в гор. ВС/С, где ее количество уменьшается до 58,9 % (таблица 1).

Таблица 1 – Гранулометрический состав чернозема обыкновенного карбонатного среднемощного

(Ботанический сад ЮФУ, г. Ростов-на-Дону, Россия)

Для исследуемой почвы характерно незначительное количество фракции крупного и среднего песка (1–0,25 мм), содержание которой составляет около 1 %. Почва характеризуется невысоким содержанием фракции мелкого песка в интервале от 5,2 % – 6,8 % в гор. ВС и С до 10,4 % – 11,6 % в верхних гор. А_пах и А₁, соответственно.

Характерной особенностью исследуемого чернозема обыкновенного карбонатного является высокое содержание фракции крупной пыли (0,05-0,01 мм), содержание которой колеблется от 25,2 % – 26 % в гор. В₁ до 33,75 % – 34 % в гор. ВС/С, что позволяет диагностировать почвообразующую породу как лессовидную.

Результаты исследования выявили слабую дифференциацию по профилю (приблизительно 10 %) фракции средней (0,01-0,005 мм) и мелкой (0,005-0,001 мм) пыли. Содержание частиц средней пыли закономерно уменьшается вниз по профилю, начиная от 14,59 % в гор. А_пах и заканчивая 5,53 % в гор. ВС/С. Содержание же мелкой пыли имеет максимум в горизонте А₁,составляя 14,14 % и минимум в горизонте В₂ –  7,88 %.

Весьма равномерной в распределении частиц по профилю является фракция ила (<0,001 мм), содержание которой достигает 39,4 % в верхней части профиля с тенденцией к незначительному увеличению в гор. ВС/С до 44,51 %_, что довольно характерно для данной почвы.

Плотность твердой фазы изменяется в узком диапазоне: от 2,55 г/см³ (гор. А_пах) до 2,64–2,65 г/см³ (гор. В₂ – ВС/С), что также является характерным явлением для исследуемой почвы и не противоречит литературным данным. Профильное распределение характеризуется постепенным увеличением плотности элементарных почвенных частиц с глубиной, что связано с уменьшением содержания гумуса и, соответственно, изменением соотношения между органической и минеральной частями почвы вниз по профилю.

Плотность гор. А_пах чернозема обыкновенного составляет 1,20 г/см³ и постепенно увеличивается вниз по профилю до 1,34 г/см³ на глубине 105 см, что позволяет оценить почву как уплотненную. Величина плотности гор. А_пах обусловлена тем, что исследуемый участок Ботанического сада ЮФУ в настоящее время не обрабатывается. Исследуемый параметр рассматривается нами как равновесная плотность, являющаяся результатом усадки почвы в многолетнем цикле.

Кроме того, нами определена объемная усадка почвенных образцов ненарушенного сложения, величина которой изменяется в интервале от 9,32 % в гор. А_пах и уменьшается до 3,02 % в гор. ВС/С.

На основании полученных данных произведен расчет общей пористости исследуемой почвы (табл. 2). Так, чернозем обыкновенный характеризуется высокой общей пористостью, на долю которой приходится до 50 % и более от всего объема почвы. Максимальным объемом характеризуется поровое пространство верхних горизонтов почвы. Если в гор. А_пах суммарный объем пустот составляет 52,9 %, то далее вниз по профилю их объем постепенно уменьшается до 49,2 % в гор. ВС/С, что говорит об умеренно уплотненном характере профиля в целом.

Таблица 2 – Общие физические свойства чернозема обыкновенного карбонатного среднемощного

(Ботанический сад ЮФУ, г. Ростов-на-Дону, Россия)

Водно-физические свойства чернозема обыкновенного карбонатного 

Результаты изучения почвенно-гидрологических констант исследуемого чернозема обыкновенного карбонатного представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Водно-физические свойства чернозема обыкновенного карбонатного среднемощного

(Ботанический сад ЮФУ, г. Ростов-на-Дону, Россия)

Аналитическими методами определены влажность почвы полевая, гигроскопическая, максимальная гигроскопическая, а также расчетными методами определены пределы влажности, соответствующие содержанию рыхлосвязанной (пленочной) влаги, максимальной молекулярной влагоемкости, наименьшей (капиллярной) влагоемкости и полной влагоемкости почвы.

Все горизонты исследованной почвы характеризуются содержанием гигроскопической влаги (W_гв) в диапазоне от 4,2 % (горизонт А_пах) с постепенным уменьшением вниз по профилю до 3,7 % (горизонт ВС/С), что является среднестатистическими значениями данного показателя для черноземов обыкновенных карбонатных.

Аналогичные закономерности прослеживаются вниз по профилю и для максимальной гигроскопической влажности (W_мгв), величина которой в горизонте А_пах равна 9,8 % и постепенно уменьшается до 7,9 % – 8,3 % в нижних горизонтах, на что существенное влияние оказывает гранулометрический состав и содержание гумуса в исследуемой почве.

Рыхлосвязанная вода изменяется в диапазоне от 4,9 % в верхнем гор. А_пах, и до 3,9 % в нижнем гор. ВС/С. Максимальная молекулярная влагоемкость уменьшается от 14,7 % до 11,8 % вниз по профилю. Обе водно-физические характеристики имеют схожее распределение показателей по профилю, аналогичное для гигроскопической и максимальной гигроскопической категорий влаги. Это связано с тем, что на образование этих показателей влаги действуют одни и те же силы адсорбции.

Для определения наименьшей (капиллярной) влагоемкости W_нв и полной влагоемкости W_пв данного показателя, мы использовали расчетно-аналитический способ, разработанный И.В. Морозовым.

Принцип способа основан на взаимосвязи между гидрологическими константами и физико-механическими свойствами почвы. Поскольку физико-механические свойства почвы (пределы пластичности, усадка, набухание и др.) проявляются в некотором интервале влажности, задача сводится к установлению с использованием известных аналитических методов пределов влажности, соответствующих гидрологическим константам, в диапазоне которых проявляются набухание–усадка и пластические свойства почвы.

Для определения наименьшей влагоемкости (W_нв) нами приняты следующие допущения:

1. Образцы исследуемой почвы нарушенного сложения довели до влажности, соответствующей полному насыщению капиллярной влагой (W_нв). Данную величину влажности принимаем численно равной влажности набухания (W_н) и/или верхнему пределу пластичности:

W_нв = W_н = W_l

2. Объемные изменения фиксировали как результат усадки почвенного образца. Исходный объем почвы определили при влажности на пределе набухания, конечный – после прекращения процесса усадки при влажности почвы на пределе усадки W_у.

Объемная усадка V_у почвенных образцов нарушенного сложения равна количеству испарившейся в процессе усадки влаги, выраженному в объемных процентах, согласно следующей формуле:

V_у = ((V_ц V_п )*100) / V_ц                 (1)

где V_ц – объем цилиндра, V_п – объем почвы.

3. Для пересчета количества влаги испарившейся в процессе усадки, выраженного в объемных процентах, в массовые проценты, была использована величина «приведенной» плотности, предложенная И.В. Морозовым. Приведенная плотность определяется как отношение массы сухой почвы (в нашем случае нарушенного сложения) к объему почвы на пределе набухания.

ρ_прив = m_s / V_набух               (2)

Данная категория плотности используется во всех расчетно-аналитических действиях.

4. В нашей работе расчет W_нв вели от влажности, соответствующей пределу усадки W_у, т.е. данный параметр количественно определяется как сумма величины, соответствующей максимальной молекулярной влагоемкости, и количества испарившейся влаги, которое принимается нами численно равной V_у и выраженной в массовых процентах.

I. Алгоритм расчета наименьшей влагоемкости (W_нв) :

Дано: Почва – (ρ_b) – 1,37 г/см³; максимальная гигроскопическая влажность (W_мгв) – 14,7 %; полевая влажность – 20,06 %, объемная усадка V_у – 28,8 %.

Шаг 1. Перевод результатов объемной усадки V_у из объемных процентов в массовые. Получаемое значение численно соответствует количеству испарившейся влаги W_i, выраженное в массовых процентах:

W_i = V_у : ρ_b                    (3)

W_i = 28,8 : 1,37 = 21,02 %.

Шаг 2. Рассчитываем наименьшую влагоемкость (W_нв )_:

W_нв = W_{ммв +} W_i.                  (4)

где, W_нв – наименьшая влагоемкость, выраженная в массовых процентах; W_ммв – максимальная молекулярная влагоемкость; W_i –количество испарившейся влаги, выраженное в массовых процентах.

W_нв = 14,7 + 21,02 = 35,72 %.

II. Проверка полученных данных обратным способом расчета:

Шаг 1. Перевод результатов W_ммг, выраженных в массовых процентов, в объемные:

W_{ммг (}об. %) = W_{ммг *} ρ_b        (5)

W_{ммг (}об. %) = 14,7 _* 1,37 = 20,02 %.

Шаг 2. Определяем влажность почвенного образца на момент начала эксперимента, выраженную в объемных процентах:

W_v = W_ммв + W_i

W_v = 20,02 + 28,80 = 48,92 % ₍об. %).

Шаг 3. Переводим полученное значение влажности из объемных процентов в массовые:

W_нв = W_v : ρ_b                        (6)

W_нв = 48,92 : 1,37 =35,72 %.

Оба расчета подтверждают полученные нами значения.

Результаты на основе выполненных расчетов показали (табл. 4), что влажность, соответствующая наименьшей влагоемкости (W_нв)_, изменяется от 35,7 % в гор. А_пах до 29,3 % в гор. ВС/С. В целом, для исследуемой почвы характерно постепенное уменьшение данного параметра вниз по профилю.

Таблица 4 – Результаты расчета наименьшей влагоемкости чернозема обыкновенного карбонатного

 (Ботанический сад ЮФУ, г. Ростов-на-Дону, Россия)

Полученные нами значения W_нв не противоречат литературным данным и соответствуют средним статистическим величинам, характерным для черноземов обыкновенных карбонатных [4]. В целом считаем, что полученные результаты объективно отражают общее содержание капиллярной влаги, соответствующее W_нв, а также особенности изменения данного параметра вниз по профилю.

Описываемый способ определения W_нв  по сравнению с известными полевым и лабораторным методами позволяет, с одной стороны, повысить точность и достоверность результатов определения наименьшей влагоемкости, а с другой, дает основания для разработки лабораторных методов изучения функциональных связей между твердыми и жидкими фазами почвы.

Для определения полной влагоемкости W_пв почвенных образцов нарушенного сложения нами использован расчетный метод, в основе которого лежит представление о том, что данный параметр, выраженный в объемных процентах, количественно соответствует общей пористости ?_о. Перевод из объемных процентов в массовые и дает искомую величину W_пв:

W_пв = ?_о : ρ_пр

Однако при расчете пористости ?_о не учитываются объемные изменения, вызванные увеличением влажности почвы.

I. Алгоритм расчета полной влагоемкости (W_пв):

Дано: плотность почвы ненарушенного сложения ρ_b – 1,20 г/см³; максимальная молекулярная влагоемкость W_ммв – 14,7 %; максимальная гигроскопическая влажность W_мгв – 9,8 %; полевая влажность – 20,1 %; наименьшая влагоемкость W_нв – 35,7 %; объемная усадка V_у при полевой влажности – 9,3 %.

Шаг 1. Расчет плотности на пределе усадки:

ρ_v = (ρ_b *100) / (100 – V_у)        (7)

ρ_v = (1.20_*100 / (100 – 9.3)) = 1.32 г/см³

Шаг 2. Расчет плотности на пределе набухания:

Чтобы рассчитать плотность на пределе набухания необходимо знать шаг изменения параметров. Вычисляем разницу между W₀ и W_ммв. :

20,1 – 14,7 = 5,4 %.

Далее, вычисляем разницу между плотностью сложения, при полевой влажности 20,06 % и плотностью сложения при максимальной молекулярной влагоемкости 14,7 %:

1,32 – 1,20 = 0,12 г/см³

Следовательно, на каждые 5,4 % влажности будет происходить изменение плотности на 0,12 г/см³ .

Зная значение наименьшей влагоемкости W_нв, мы можем узнать процентное содержание приращенной влаги:

W_нв- - W₀ = 35,7 – 20,1 = 15,6 %.

Делаем расчет, какое количество «шагов, равных 5,4 %» входит в процент приращенной влаги:

15,6 : 5,4 = 2,89 раза

Отсюда: 2,89 _* 0,12 = 0,36 г/см³ – величина приращения плотности от крайней точки измерений (W₀ = 20,1 %, а ρ_b= 1,20 г/см³).

Плотность на пределе набухания будет равна разнице плотности почвы ненарушенного сложения и величины приращения плотности, рассчитанной нами (табл. 5):

ρ_н = 1,20 г/см³ – 0,36 г/см³ = 0,84 г/см³

Таблица 5 – Плотность чернозема обыкновенного карбонатного (Ботанический сад ЮФУ, г. Ростов-на-Дону, Россия)

Шаг 3. Расчет общей пористости происходит по формуле:

?_{о =} ((ρ_s – ρ_н) / ρ_s) × 100 %              (8)

где ρ_s – плотность твердой фазы, ρ_н – плотность на пределе набухания.

Р₀ = ((2,55 – 0,84)/2,55) × 100 = 66,9 %.

Шаг 4. Определяем полную влагоемкость (W_пв), как массовые проценты от общей пористости на пределе набухания:

W_пв  = ?_о : ρ_н                                             (9)

W_пв = 66,9 : 1,32 = 50,6 %

В таблице 6 представлены результаты расчета общей пористости и полной влагоемкости, полученные как общепринятыми методами, так и расчетно-аналитическим методом определения. Таким образом, в гор. А_пах величина полной влагоемкости (W_пв) составляет 50,6 %, и уменьшается вниз по профилю к гор. ВС/С, где составляет 37,4 %.

Ранее полученные нами результаты исследований подтверждают, что расчетно-аналитический метод, предложенный И.В. Морозовым, более полно отражает состояние физических свойств почв и необходим при расчете почвенно-гидрологических констант набухающих почв.

Таблица 6 – Полная влагоемкость чернозема обыкновенного карбонатного (Ботанический сад ЮФУ, г. Ростов-на-Дону, Россия)

Выводы

1. Результаты изучения физических свойств чернозема обыкновенного карбонатного Ботанического сада ЮФУ показали, что исследуемая почва характеризуется следующими показателями: плотность гор. А_пах составляет 1,20 г/см³ и постепенно увеличивается вниз по профилю до 1,34 г/см³ на глубине 105 см, что позволяет оценить почву как уплотненную; плотность твердой фазы изменяется в узком диапазоне – от 2,55 г/см³ (гор. А_пах) до 2,64–2,65 г/см³ (гор. В₂ – ВС/С).

2. Все горизонты исследованной почвы характеризуются содержанием гигроскопической влаги (W_гв) в диапазоне от 4,2 % (горизонт А_пах) с постепенным уменьшением вниз по профилю до 3,7 % (горизонт ВС/С). Максимальная гигроскопическая влажность (W_мгв) в горизонте А_пах равна 9,8 % и постепенно уменьшается до 7,9 % – 8,3 % в нижних горизонтах. Рыхлосвязанная вода (W_гв) изменяется в диапазоне от 4,9 % в верхнем гор. А_пах, и до 3,9 % в нижнем гор. ВС/С. Максимальная молекулярная влагоемкость уменьшается от 14,7 % до 11,8 % вниз по профилю. Общая пористость, рассчитанная общепринятыми методами, в гор. А_пах составляет 52,9 %, а далее вниз по профилю постепенно уменьшается до 49,2 % в гор. ВС/С.

3. Расчетно-аналитический способ, разработанный И.В. Морозовым для определения наименьшей влагоемкости и полной влагоемкости, показал, что влажность, соответствующая наименьшей влагоемкости (W_нв)_, изменяется от 35,7 % в гор. А_пах до 30,5 % в гор. ВС/С. Величина полной влагоемкости (W_пв) с учетом объемных изменений ровна в гор. А_пах равна 50,6 %, и уменьшается вниз по профилю к гор. ВС/С, где составляет 37,4 %.

Таким образом, предложенный способ определения W_нв и W_пв по сравнению с известными полевым и лабораторным методами позволяет, с одной стороны, повысить точность и достоверность результатов определения водно-физических характеристик, а с другой, дает основания для разработки лабораторных методов изучения функциональных связей между твердыми и жидкими фазами почвы.

Список литературы

1. Агрофизические методы исследования почв/ Под ред. С.И. Долгова. М.: Наука, 1966. – 260 с.
2. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. – 416 с.
3. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. М.: Изд-во стандартов, 1985. – 25 с.
4. Качинский Н.А. Физика почв. Часть I . М.: Высшая школа, 1965. – 322 с.
5. Ревут И.Б. Физика почв. Л.: "Колос", 1972. – 368 с.

Spisok literatury

1. Agrofizicheskie metody issledovaniya pochv/ Pod red. S.I. Dolgova. M.: Nauka, 1966. – 260 s.
2. Vadyunina A.F., Korchagina Z.A. Metody issledovaniya fizicheskih svojstv pochv. M.: Agropromizdat, 1986. – 416 s.
3. GOST 5180-84. Grunty. Metody laboratornogo opredeleniya fizicheskih harakteristik. M.: Izd-vo standartov, 1985. – 25 s.
4. Kachinskij N.A. Fizika pochv. CHast' I . M.: Vysshaya shkola, 1965. – 322 s.
5. Revut I.B. Fizika pochv. L.: "Kolos", 1972. – 368 s.