WWW.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 || 13 |

«Е.В. Шеин КУРС ФИЗИКИ ПОЧВ Рекомендовано УМО по классическому университетскому образованию в качестве учебника для ...»

-- [ Страница 12 ] --

Критическое значение Рpen для суглинков составляет около 3 МПа.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Деформации сжатия/растяжения и сдвига определяются (1) со отношением сил притяженияотталкивания, проявлением «ближнего» или «дальнего» максимума притяжения;

(2) типом межчастичных контактов (кристаллизационный, коагуляцион ный, смешанного типа) и (3) формой частиц.

2. Деформация сжатия/растяжения характеризуется «компресси онной кривой» зависимостью «коэффициент пористости»

«нормальное давление». Вид компрессионной кривой опреде ляется гранулометрическим и минералогическим составами, структурой, содержанием органического вещества, влажнос тью почвы. Характеристическими параметрами компрессион ной кривой являются: «структурная прочностью» (Рстр) или рав ная ей величина «предкомпрессионного давления», используемая при характеристике уплотнения почв: Pprecom (Pprecom= Рстр), а также индекс уплотнения (Сс) или коэффициент уплотнения (), показывающие изменение порового пространства почвы на единицу изменения давления [1/Па, 1/атм и проч.].

3. Деформации сдвига развиваются в почве под действием танге циальных (боковых) давлений и характеризуются сопротивлени ем сдвига. Эта величина определяется сцеплением, углом внут реннего трения и приложимой нормальной нагрузкой (уравнение Кулона). Сцепление и угол внутреннего трения в почвах зависят прежде всего от гранулометрического состава, содержания кор ней, структуры почвы, исходной плотности и влажности.

4. Уплотнение почв одна из важнейших глобальных проблем.

Ее решение возможно на основе экспериментально предложен ных критических (запрещающих) значений давлений техники на почву и почвенных условий (прежде всего гранулометричес кого состава и влажности). Прогноз почвенного и подпочвен ного уплотнения возможен на основе расчета распространения в почве напряжений и применения педотрансферных функций для такого рода расчетов.

5. Сопротивление пенетрации почвы сопротивление почвы вне дрению в нее зонда цилиндрической или конусообразной фор мы небольшого диаметра (Рpen, кПа или другие единицы дав ления). Повышенное сопротивление пенетрации указывает на переуплотненность почвы. Критическое значение Рpen состав Изменение агрофизических свойств почв под воздействием антропогенных факторов. Научные труды Почвенного института им. В.В.Докучаева. М., 1990.

Физико-механическая механика природных дисперсных систем. /Под ред.

Е.Д. Щукина и др. М.: Изд-во Моск.ун-та. 1985, 266 с.

H o r n R. Compressibility of arable land. “Catena Supplement”, 1988. V.11. P.53-71.

American Society for Testing and Materials. 1979. Standart test methods for moisture density relation of soils and soil-aggregate mixtures. Using5.5 lb rammer and 12 in drop. In 1979 Annual Book of ASTM Standarts. Part 19:201-207.

НАБУХАНИЕ И УСАДКА ПОЧВ.

ЛИПКОСТЬ ПОЧВ

Набухание это увеличение объема почвы в процессе уве личения влажности. Это явление свойственно в основном тяжелым почвам. При набухании увеличивается не только объем почвы в це лом, но и ее отдельных фрагментов, агрегатов, что может приводить к возникновению различных деформаций. К набухающим, как прави ло, относят почвы и грунты, относительное изменение объема кото рых превышает 4%. При таком определении большинство тяжело суглинистых и глинистых почв можно отнести к набухающим. Поэтому набухание это явление, свойственное практически всем почвенным объектам.

Основная причина набухания возникновение расклинивающе го давления в пленках воды, окружающих почвенные частицы. С этим явлением мы уже сталкивались при изучении давления почвенной влаги. Оно вызывает понижение энергии почвенной влаги по сравне нию с чистой водой и формирует, наряду с менисковым, капиллярно сорбционное давление почвенной влаги. Кроме того, расклиниваю щее давление обусловливает отталкивание частиц друг от друга, визуально проявляющееся в увеличении объема почвенного образца, в набухании. Расклинивающее давление, как указывалось, имеет три основные составляющие: (1) молекулярная, связанная с взаимодей ствием молекул типа ван-дер-Ваальса;

(2) ионно-электростатичес кая, или осмотическая, вызываемая взаимодействием обменных ионов двух частиц и (3) структурная, связанная с пластическими, особыми структурными свойствами воды в тонких пленках. Первая и третья составляющие проявляются при низких влажностях, и они имеют под чиненное значение. В почвах же заметное набухание происходит в диапазоне влажности выше максимальной гигроскопической. В этом случае набухание можно рассматривать как явление, имеющее в ос

386 Ч. XVII. НАБУХАНИЕ И УСАДКА ПОЧВ. ЛИПКОСТЬ ПОЧВ

новном осмотическую природу. Вполне понятно, что чем больше емкость катионного обмена, чем выше насыщенность ППК гидро фильными ионами, чем сильнее выражена гидрофильность поверхно сти почвенных частиц, тем больше должно быть и набухание. Дей ствительно, по способности глинистых вторичных минералов к набуханию они выстраиваются в ряд, аналогичный емкости поглоще ния: монтмориллонитовые гидрослюдистыекаолинитовые. А при близких величинах емкости поглощения набухание уменьшается в ряду убывания у обменных катионов величины их радиуса, увеличе ния валентности ионов и снижения гидрофильности:

Li+Na+NH4+K+Mg2+Ca2+Al3+Fe3+. Это общая закономерность, свойственная всем дисперсным природным объектам, различаю щимся по гидрофильности. И другая сторона осмотического харак тера набухания чем выше концентрация растворимых солей в окружающем растворе, тем меньше проявляются осмотические характеристики ионов в ППК, тем меньше набухание. Поэтому набу хание глинистых почв с высокой емкостью обмена может быть и незначительным, если поровый раствор имеет высокую минерали зацию. Так, глинистые солонцы при повышенном содержании иона Na в ППК и при низкой минерализации почвенных растворов набуха ют весьма заметно. А вот солончаки даже при глинистом составе и наличии Na+ в ППК могут вовсе не набухать вследствие высокого содержания легкорастворимых солей.

Кроме того, надо учитывать и силы, противодействующие рас клинивающему давлению структурные связи между частицами, удерживающие частицы друг с другом. Если эти структурные связи коагуляционного типа и обусловленные дальнодействующими сила ми, набухание будет проявляться весьма заметно. Если же в почве представлены контакты кристаллизационного типа, да и силы этих контактов велики (близкого действия), набухание зарегистрировать трудно, почва относится к ненабухающим.

Различают 2 типа набухания по внутренней природе: 1) внутри кристаллическое и 2) междоменное. При внутрикристаллическом вода входит в межпакетное пространство кристаллической решетки минералов. Здесь очень важно отметить, что этот тип набухания не регистрируется макроскопически. Его практически нельзя за метить визуально. А вот междоменное (2-й тип) регистрируется визуально и измеряется различными приборами. Этот тип набухания получил свое название благодаря активно разрабатывавшейся до менной теории строения дисперсных тел, когда основной структур ной единицей было предложено рассматривать некоторый домен, «область, участок», достаточно однородный, проявляющий себя как единое целое. Вот и получалось, что сам домен, состоящий из крис таллов, макроскопически не набухает, а между доменами внедряет ся вода, они отдаляются друг от друга. Явление становится замет ным, почва набухает. Понятие домена близко к понятию ППК.

Итак, набухание как регистрируемое увеличение объема почвы при ее увлажнении зависит от:

– дисперсности: чем выше содержание илистых частиц, тем боль ше набухание;

– минералогического состава (от емкости катионного обмена) и состава обменных катионов;

анионы также изменяют набухание:

в ряду I – Br– NO3– Cl – CH3COO– SO42– анионы до Cl– усилива ют набухание по сравнению с набуханием в чистой воде;

– содержания и свойств органического вещества почв;

– наличия структурных связей и их вида;

– минерализации внутрипорового раствора;

– внешних сил и исходной плотности почвы.

Параметры набухания Основными параметрами набухания являются абсолютное (из менение объема образца, V) и относительное набухание как отно шение абсолютного набухания к исходному объему образца (V/V0).

Эти параметры аналогичны традиционным, применяемым при оцен ке почвенных деформаций. Вспомним (см. часть XV), деформации почвы оцениваются в виде процента (доли) изменения линейных или объемных характеристик почвы:

где l и l0, V и V0 измененная и начальная длина (высота), объем почвенного образца. Эти оценки не носят абсолютного характера, а являются динамическими и зависят от влажности почвенного об разца. А вот для сравнения почвенных объектов используют такие характеристические параметры, как степень набухания, влажность предельного набухания, давление набухания.

В глинистых почвах давление набухания изменяется в сред нем от 1.0 до 15 атм. Противодействующими давлению набухания будут прочность структурных связей и давление внешней нагрузки.

При отсутствии внешней нагрузки слитые почвы могут развивать весьма высокое давление набухания, разрушая фундаменты, ломая

388 Ч. XVII. НАБУХАНИЕ И УСАДКА ПОЧВ. ЛИПКОСТЬ ПОЧВ

Относительное набухание отношение абсолютного набу хания (V) к исходному объему образца (V0): V/V0.

Степень набухания это изменение объема или высоты об разца по отношению к исходному:

где Hv, Hh степень набухания по объему и по высоте [% к исходному], vн, vк начальные и конечные объемы;

hн, hк – начальные и конечные высоты образца.

Влажность предельного набухания влажность почвенного образца, при которой прекращается поглощение воды образцом почвы. Регистрируется при достижении почвой конечного объе ма или конечной высоты при исследовании набухания.

Давление набухания давление, которое развивается в про цессе набухания.

металлические трубопроводы. Происходит это на небольших глуби нах в почве. На глубинах ниже 5080 см такого не происходит: сказы вается давление вышележащих слоев, причем тем большее, чем выше их влажность. (Заметим, что при объемной влажности около 2535% давление вышележащих слоев на глубине 50 см может составлять в среднем 0.91 атм, а на глубине 80 см 1.31.4 атм, вполне достаточ но, чтобы противостоять давлению набухания в тяжелосуглинистых почвах.) Характеристическими кривыми набухания являются динамика набухания зависимость абсолютного или относительного объема образца от времени, а также кривая набухания зависимость дефор мации набухания от влажности.

Пример динамики набухания приведен на рис.XVII.1 для глинис той растертой, песчаной и глинистой ненарушенного сложения почв.

На кривых выделяются следующие характерные моменты: (1) состо яние равновесия, которое достигается через некоторое, разное для раз личных почв время. В этот момент в почвенном образце достигается влажность предельного набухания;

(2) изменение высоты или объема образца как разница начальной и конечной высот (объемов). Характе ризует степень набухания в момент достижения предельного набуха ния;

(3) для почв с разрушенной структурой, бесструктурных (напри мер, песчаных) в начальный момент выражено отрицательное набухание: уменьшение объема при увлажнении (рис. XVII.1).

Рис.XVII.1. Динамика изменения объема образца в процессе набухания для глинистой растертой, песчаной и глинистой агрегированной почвы В этот момент образуются пленка воды, капиллярные мениски, «стягивающие» отдельные почвенные частицы. И лишь при наличии капиллярной влаги, заметном проявлении расклинивающего давления будет проявляться регистрируемое (междоменное) набухание.

Отметим и особенности кривых динамики набухания для раз личных объектов. Наименьшим набуханием обладают песчаные по чвы у них малая емкость катионного обмена, практически нет ми нералов с набухающей решеткой. Наибольшее набухание характерно для растертых тяжелосуглинистых почв, вследствие того что у них высокая емкость обмена, межчастичные прочные кристаллизацион ные связи разрушены при растирании. Структурированные, хорошо агрегированные почвы проявляют меньшее набухание по двум при чинам. Во-первых, сохранились связи, препятствующие набуханию в виде кристаллизационных связей, прежде всего в самих почвенных агрегатах. Кроме того, агрегаты, набухая, увеличиваются в объеме, но это увеличение происходит за счет межагрегатного пространства.

И в целом объем ненарушенного образца увеличивается слабо, иног да незаметно. Поэтому для характеристики основных явлений, обус ловливающих набухание почв, нужно более строго определять набу хание отдельных почвенных агрегатов. Чем оно выше у агрегатов, тем почва будет более трещиноватой в сухом состоянии и бесструк турной, заплывающей во влажном. Эти почвы называются слиты

390 Ч. XVII. НАБУХАНИЕ И УСАДКА ПОЧВ. ЛИПКОСТЬ ПОЧВ

ми, вертисолями. Для этих почв характерен глинистый грануломет рический состав (60% физической глины), доминирующее содержа ние смектитов в глинистой фракции, наличие гидрофильного органи ческого вещества. А вот содержание обменного Na+ может быть невысоким, и назвать эти почвы осолонцованными нельзя. Главными факторами высокой набухаемости этих почв являются грануломет рический, минералогический составы, состав органического веще ства. Для этих почв характерны чрезвычайно высокие степени набу хания, влажность предельного набухания и давление набухания все основные параметры набухания, которые могут оказать существен ное влияние не только на экологию регионов, где распространены эти почвы, но и на ход исторического развития (см. «К вопросу о»).

Остановимся подробнее на определении этих параметров.

Очень важна для характеристики почвы кривая набухания зависимость деформации набухании от влажности почвы. В этом оп ределении очень важно словосочетание «деформации набухания». Оно диктует нам использование определенных размерностей для оценки этой кривой. Раз мы относим набухание к деформациям, значит оно будет характеризоваться либо коэффициентом порозности (е, объем пор/объем твердой фазы), либо удельным объемом пор (Ф, объем пор/масса твердой фазы). Вспомним, что эти величины связаны плот ностью твердой фазы почвы s: е = Ф s.

В осях «e – W» эта кривая будет выглядеть следующим обра зом (рис.XVII.2).

Рис.XVII.2. Кривая набухания зависимость изменения коэффициента порозности от влажности На этой кривой (рис. XVII.2) выделяется величина влажности, выше которой набухание уже не происходит. Эта величина носит на звание влажности предельного набухания Wпред.набух. Влажность пре дельного набухания также важная характеристика, указывающая на способность почвы увеличивать свой объем при увеличении влаж ности: чем она выше, тем более набухающей является почва.

Вся человеческая жизнь проходит на почве. Войны тоже. И нередко почва благодаря своим свойствам решала исход сражений. Во время Второй мировой войны военные действия происходили в том числе и в Африке, в основном в Северной Африке, в Тунисе, Алжире. В Северной Африке, как известно, широко распространены слитые почвы (вертисоли), отдельными участками разбросанные по всей ее территории. И вот исторический факт.

Конец октября ноябрь 1942 года. Итало-немецкие фашистские войска рас положились около ровной, сухой и твердой глинистой равнины перед брос ком на армию союзников, возглавляемую британским фельдмаршалом Мон тгомери. Тяжелые немецкие танки, самоходные орудия, артиллерия все было готово к бою. Но. пошел всего лишь дождь. Обычный дождь. И твердая глинистая равнина превратилась в непроходимое болото. Вертисоли силь нонабухающие почвы, не выдерживающие во влажном состоянии механичес ких нагрузок, имеющие высокую пластичность, текучесть, оказались со вершенно непроходимыми для военной техники. Маневры фашистских частей были невозможны. Время для них было потеряно. Британский фельдмаршал воспользовался этим, и под Эль-Аламейном итало-немецкие войска были раз биты. Как видим, почва сыграла в этом не последнюю роль.

Если заглянуть в еще более далекое прошлое, во времена Крестовых походов, совершенных также в районы, где распространены сильнонабухаю щие, а в сухом состоянии твердые с крупными трещинами слитые почвы, то и в те войны почва сыграла значительную роль. Битва между крестоносцами и сарацинами под предводительством Салаха эд-Дина ибн Айюба, известного европейцам как Саладдин, происходила в июле в предгорьях Нижней Гали леи. Войска крестоносцев в полной боевой амуниции были вынуждены дви гаться по выжженной солнцем глинистой пустыне с крупными трещинами.

Вокруг них кружили сарацины, легковооруженные, на легких лошадях. Боль шие трещины в слитой почве служили ловушками для коней крестоносцев, лошади оступались, их копыта застревали в трещинах, тяжесть всадников не позволяла им быстро выбраться из этих природных ловушек. Рыцари стано вились легкой добычей для кривых сабель сарацинов. Исход сражения, как и всей исторической кампании, был предрешен. И не последнюю роль в этом сражении сыграла почва с ее уникальными «военно-стратегическими» свой ствами. Хотя почва убежден! самое мирное природное создание на Земле.

392 Ч. XVII. НАБУХАНИЕ И УСАДКА ПОЧВ. ЛИПКОСТЬ ПОЧВ

2. Усадка почв и почвенных агрегатов Свойство почв и почвенных педов уменьшать свой объем при иссушении называется усадкой. Следуя такому определению, мож но считать, что усадка это процесс, противоположный набуханию.

В принципе это правильно. Только следует учитывать, что эти два процесса не бывают абсолютно равны друг другу ни по динамикам, ни по промежуточным стадиям. Они характеризуются гистерезисом.

Поэтому о полной идентичности, обратимости этих процессов гово рить не следует. Можно считать, что это две стороны одного и того же процесса изменения объема почвы при изменении влажности, но не симметричные.

Набухание увеличение объема почвы в целом или отдельных структурных элементов при увлажнении. Вызывается поглоще нием влаги минеральными и органическими коллоидами.

Усадка уменьшение объема почвы при высыхании. Сопро вождается образованием трещин и сильным уплотнением по чвы в межтрещинном пространстве.

Кривые набухания и усадки зависимости коэффициента по ристости или удельных объемов почвы и ее составляющих (агрегатов, педов) от влажности, характеризуются гистерезисом.

Процесс деформации усадки также характеризуется кривой усадки, зависимостью изменения объема почвенного образца или ко эффициента пористости почвы от влажности (рис.XVII.3 а, б). На этой кривой можно выделить несколько стадий, или этапов.

На кривых усадки (рис. XVII.3) выделяют четыре этапа.

Стадия структурной усадки. Незначительная по проявлению, по объему усадки. Изменение объема порового пространства ( V) к изменению влажности ( W) невелико, V/W 1.Вода выходит из крупных капилляров, а структура почвы, объем ее порового про странства изменяются мало. Заканчивается этап при влажности, соответствующей влажности структурной усадки (Wстр.).

Стадия нормальной усадки. Пропорциональное изменению влажности изменение порового объема, V/ W 1. Характерна для широкого диапазона влажности примерно от влажности предела те кучести до влажности предела пластичности.

Стадия остаточной усадки. Соответствует началу появле ния непосредственных контактов частиц друг с другом. Изменение объема порового пространства заметно снижается V/ W1.

Рис. XVII.3. Кривая усадки: изменение относительного объема (а), коэффициента пористости (е) и удельного объема пор (Ф, см3/г) почвы (б) от влажности с соответствующими этапами. Пунктирные прямые характеризуют нормальную усадку, когда V/ W = Удаляется в основном пленочная, рыхлосвязанная вода. Заканчивает ся эта стадия при влажности предела усадки (Wпр.). Эта влажность близка к влажности максимальной адсорбционной влагоемкости (МАВ).

394 Ч. XVII. НАБУХАНИЕ И УСАДКА ПОЧВ. ЛИПКОСТЬ ПОЧВ

Предельная усадка: V/W 0.5.Вода удаляется из междо менного пространства, адсорбированная вода полимолекулярной ад сорбции.

Иногда выделяют последнюю стадию – «сухое» набухание, – характеризующуюся небольшим увеличением объема за счет прекращения «сдавливающего» частицы действия пленок воды.

Остается лишь сильно адсорбированная вода, не создающая межчастичных водных перемычек.

Для приведенного на рис.XVII.3 примера степень усадки (аналог степени набухания) составила 19%, влажность предела усадки Wпр – около 5%.

Изменение объема почвы или почвенного образца наиболее ин тенсивно происходит на стадии нормальной усадки. И для этого эта па, этапа линейной усадки, наиболее важно определить усадку. Она будет характеризовать почвенный объект по стадии (нормальной) линейной усадки. Для этого крупные почвенные фрагменты (комки, педы) объемом 50200 см3 увлажняют при капиллярно-сорбцион ном давлении влаги около 330 см водн.ст., что соответствует, по мнению большинства зарубежных исследователей, величине наи меньшей влагоемкости (НВ). Определяют плотность при этом зна чении влажности ( b_330) и после высушивания этого образца ( b_сух). По этим данным о плотности почвенного фрагмента рас считывают индекс линейной усадки. В большинстве руководств он обозначается как COLESTD (Coefficient Of Linear Extensibility):

COLESTD

По этому индексу, в зависимости от удельной поверхности и гранулометрического состава, все почвы разделяются по усадке и соответственно набуханию (табл. XVII.1).

Классификация почв по усадке (набуханию) на основании COLESTD (по Dasog et al, 1988, цит. по McKenzie et al., 2002)

COLESTD

Так, например, если в результате экспериментов величины b_сух и b_330 составили 1.65 и 1.4 г/см3, то COLESTD достигает 5.6, а по чва относится к средненабухающим (или среднеусаживающимся).

Наиболее часто кривые усадки выражают в виде зависимости коэффициента пористости (е) или удельного объема пор почвы (Ф, см3/г) от влажности (рис. XVII.3, б). Если изучают усадку от дельных почвенных агрегатов, то кривая усадки агрегатов пред ставляется в виде зависимости от влажности удельных объемов пор агрегатов (D, см3/г).

Для почвоведов особенно важно знать, как проявляется усад ка для основных структурных компонентов почвы, для почвы в це лом и для почвенных агрегатов. Действительно, ведь разница объе мов пор почвы в целом и пор агрегатов это межагрегатное поровое пространство. А при больших размерах агрегатов это трещины.

Значение трещин в физических процессах переноса огромно. Эти процессы специфичны для почвы там практически всегда пред ставлены агрегатная и межагрегатная (или трещинная) порозность.

Специфическая форма трещинной почвенной сети это отдельная интересная и во многом не разгаданная проблема (см. «К вопросу о»: «О трещинах»).

Соответственно чем выше объем пор агрегатов во всем диа пазоне влажностей, с учетом усадки самих агрегатов, тем выше физические условия для развития растений, тем больше объемы для сохранения веществ, жизни микроорганизмов и др. Если же при уменьшении влажности наблюдается прирост в основном межагре гатного (трещинного) пространства, то это уже неблагоприятные почвенные физические условия.

Лучше всего эти процессы изменения объемов структурных основных единиц почвы представить на так называемых «диаграм мах структурного состояния» почв. В них по оси абсцисс отложено давление влаги в единицах pF, а по оси ординат удельные объемы порового пространства (объем пор/масса почвы): удельный объем пор почвы (Ф = 1/ b – 1/ s, см3/г), удельный объем пор агрегатов (D = 1/ a– 1/ s, см3/г) и удельный объем пор почвы, занятый воз духом, т.е. влажность (W, см3/г, что для воды совпадает с размер ностью г/г). Разница кривых удельных объемов почвы и агрегатов (Ф–D) это межагрегатное, или трещинное (Т, см3/г), пространство в почве.

На приведенных диаграммах (рис. XVII.4) порового простран ства ненабухающей и набухающей почв последняя (рис. XVII.4, б)

396 Ч. XVII. НАБУХАНИЕ И УСАДКА ПОЧВ. ЛИПКОСТЬ ПОЧВ

имеет заметно более выраженное «проводящее поровое» простран ство в виде трещинного пространства (Т=Ф–D). Оно также зависит от величины pF, но оно значительно больше во всем диапазоне со стояний почвенной влаги. Почва практически при любой увлажнен ности имеет трещины, а в сухом состоянии, при больших pF весь ма крупные по объему трещины. Такие трещины можно легко визуально заметить в тяжелых глинистых почвах. Внутриагрегат ный воздух имеет весьма малое значение во всем диапазоне давле ний влаги (рF). Такая почва не предоставляет оптимальных физи ческих условий для проявления почвой биологических функций. А вот вещества и поступившая на поверхность вода в ней будут «про скакивать» до больших глубин по этим самым трещинам. Это так же может быть неблагоприятно в нижние слои, а затем в грунто вые воды могут попасть агрохимикаты, в том числе и ксенобиотики.

Впрочем, в ряде случаев трещины предохраняют от эрозии, так как осадки не стекают быстро по поверхности, а заполняют трещины, увлажняя нижележащие слои характерная особенность набухаю щих, глинистых почв.

Напротив, в ненабухающей почве (рис. XVII.4 а) в наибольшей степени выражено не проводящее, а сохраняющее поровое простран ство: «быстрые» потоки по межагрегатному поровому пространству будут значительно меньше, чем в набухающих почвах. Впрочем, известно, что ненабухающих почв в природе практически не суще ствует. Даже песчаные почвы с плохо развитой агрегатной струк турой проявляют свойства набухания и усадки. Для большинства суглинистых и глинистых почв это явление выражено весьма за метно, поэтому для них характерны быстрые потоки по межагре гатному пространству с последующим перераспределением влаги и веществ по внутриагрегатному пространству.

На диаграммах видны различия в физическом состоянии набу хающих, слитых почв и ненабухающих, хорошо структурированных почв, хотя они могут быть и близки по гранулометрическому соста ву и обе относиться к глинистым. Во-первых, в набухающих почвах усадка отдельных структурных фрагментов явление весьма за метное. Поэтому разница удельных объемов почвы и агрегатов ве лика, особенно в диапазоне низких влажностей. Сами же агрегаты остаются водонасыщенными, в них не входит необходимый для жиз недеятельности корней растений и микробиоты воздух. Агрегиро ванная, слабонабухающая почва предоставляет более благоприят ные условия для жизнедеятельности корней растений и почвенной биоты: в агрегатах содержится внутриагрегатный воздух, а вот межагрегатное пространство выражено не столь значительно. В этом одно из главнейших значений агрегированной слабонабухающей по чвы благоприятное физическое состояние в широком диапазоне влажностей (давлений влаги).

Рис.XVII.4. Диаграммы порового пространства ненабухающих (а) и набухающих (б) почв Наверное, многие обращали внимание на растрескавшуюся после дождей почву. Особенно загадочно выглядят трещины, образовавшиеся в илистых осад ках, накопившихся на месте высохших луж. Все эти природные образования напоминают трещинную сеть, приведенную на фото поверхности слитой почвы (вертисоли) в Краснодарском крае во время засухи.

Однако немногие из нас задумывались над таким простым вопросом: под каким углом друг к другу расположены эти трещины? А вот проф. К.Хартге и его коллега Й.Бахманн, будучи уже всемирно известными учеными, задумались над таким, казалось бы, наивным вопросом. Они измеряли углы между двумя образовавшимися трещинами для самых различных материалов.

398 Ч. XVII. НАБУХАНИЕ И УСАДКА ПОЧВ. ЛИПКОСТЬ ПОЧВ

Оказалось, что большинство первичных, самых крупных трещин в высыхаю щих глинистых почвах расположены под углом в 90° друг к другу (см. рис.2).

Эти перпендикулярно расположенные трещины наблюдались во всех рассмот ренных материалах. Их происхождение связано с процессом усадки. Давления, возникающие при усадке материала, приводят к возникновению именно пер пендикулярно расположенных трещин. А вот более мелкие трещины, располо женные внутри первично выделенных при усадке блоков, имеют уже совсем не обязательно перпендикулярное расположение. Углы этих неперпендикулярных трещин были как больше, так и меньше 90°, хотя сумма средних для этих двух групп всегда была близка к 180°. Силы, вызывающие появление этих неперпен дикулярных трещин, имеют уже иную природу. Их появление связано с воз никновением деформаций сдвига при усадке почвенного блока. Действительно, по мере развития «усадочной» трещины верхние, более сухие слои вынуждены двигаться по подстилающим их менее сухим слоям. Возникает деформация сдви га, и образовавшийся угол между растрескивающимся материалом будет уже в большей степени определяться силами внутреннего трения. Точнее, углом внутреннего трения. Оказалось, что этот угол внутреннего трения был наи большим для монтмориллонитовых почв южных регионов при их сушке в лабо ратории. А вот для трещин, возникающих при замораживании тех же объектов, углы внутреннего трения были, как правило, значительно меньше. Так что расположение трещин всегда определяется процессами и силами соответствую щей природы, которые и приводят к закономерному виду трещинной сети.

(по Hartge K.H., J.Bachmann. Angles between cracks developped at primary shrinkage of finegrained soil material. «International Agrophysics» 2000. V. 14. N.1, 43–53).

Рис. 2. Трещины на поверхности слитой почвы Липкость способность почвы прилипать к различным предметам. Измеряется в величинах давления, т.е. силы, необходи мой для отрыва от почвы штампа известной площади (г/см2, кг/см2, Па и пр.). Из этого определения видно, что липкость зависит от по чвы, от ее фундаментальных свойств (гранулометрический, мине ралогический, агрегатный состав и проч.), более того, от ее влаж ности. Помимо этого липкость всегда определяется для конкретной поверхности: металла, если дело касается сельскохозяйственных плугов и пр., резины, если касается разработки шин. Для почвове дов особенно важна зависимость липкости от влажности. Эта зави симость представлена на рис. XVII.5. На приведенной зависимости липкости от влажности весьма характерен максимум проявления липкости, приходящейся на влажность выше ВРК, но ниже полной влагоемкости. То есть на влажность, близкую к НВ, иногда несколько выше.

Рис. XVII.5. Зависимость липкости (Л, г/см2) от влажности (W)

400 Ч. XVII. НАБУХАНИЕ И УСАДКА ПОЧВ. ЛИПКОСТЬ ПОЧВ

Это значение носит название влажности максимальной липкости (Wмакс.липк.). Механизм образования влажности максимального прили пания понятен из приведенного на рис. XVII.5 схематического изобра жения процесса прилипания влажной почвы к штампу. При влажности, близкой к ВРК, прилипание выражено слабо, так как между штампом и почвой не образуется сплошной водной прослойки. Нет и капилляр ных сил между почвой и штампом, способных вызвать значительное прилипание штампа к почве. По мере увлажнения в почве появляется капиллярная влага, способная образовывать единое водное простран ство между почвенными частицами и поверхностью штампа. Макси мального значения липкость достигает тогда, когда между почвой и штампом образуется тонкий капилляр, заполненный водой с сильно вогнутыми менисками, капиллярное притяжение достигает макси мума, а влажность соответствует величине максимальной липкости, или максимального прилипания. При дальнейшем увеличении влажно сти вогнутость мениска уменьшается, капиллярные силы притяжения между почвой и штампом ослабевают, уменьшается и липкость.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Набухание увеличение объема почвы и ее фрагментов при увеличении влажности. Вызывается расклинивающим давле нием и имеет в основном «осмотическую» природу, связан ную с емкостью обмена, насыщающим катионом, амфифиль ностью почвенного органического вещества и типом структурных связей.

2. Чем ниже валентность катиона и меньше его радиус при од ной и той же валентности, тем выше его диссоциация из ППК и выше проявление «осмотических свойств». Значение обмен ных катионов возрастает в случае минералов с подвижной кри сталлической решеткой (типа монтмориллонита).

3. Наибольшим набуханием характеризуются почвы с коагуля ционными связями, наименьшей с прочными кристаллиза ционными связями. Следствием «осмотической» природы на бухания является заметное его снижение при увеличении концентрации электролитов в поровом растворе.

4. Агрегированная, с выраженной внутриагрегатной порозностью и прочными межчастичными контактами в почвенных агрега тах (педах), почва набухает слабо;

увеличение объема агрега тов небольшое и распространяется в межагрегатное простран ство. В набухающих (усаживающихся) почвах усадка отдельных структурных фрагментов (педов) значительно выше.

Поэтому при иссушении набухающей (сильноусаживающей ся, слитой) почвы агрегаты остаются близкими к насыщению влагой, в них не входит необходимый для жизнедеятельности корней растений и микробиоты воздух. А уменьшение объе ма фрагментов реализуется в появлении трещин, которые за метно увеличиваются в объеме при иссушении. Агрегирован ная, слабонабухающая почва предоставляет более благоприятные условия для жизнедеятельности корней рас тений и почвенной биоты: в агрегатах содержится внутриаг регатный воздух, а вот межагрегатное пространство выпол няет функцию буфера увеличения объема агрегатов при увлажнении. Поэтому анализ набухания–усадки почв и почвен ных фрагментов является необходимым элементом оценки физического состояния почвы.

5. Липкость способность почвы прилипать к различным пред метам, выраженная в единицах силы, необходимой для отры ва от почвы штампа известной площади, т.е. давления (г/см 2, кг/см2, Па и пр.). Зависимость липкости от влажности имеет характерный максимум влажность максимального прили пания, приходящуюся на диапазон от ВРК до капиллярной вла гоемкости (около влажности, соответствующей наименьшей или капиллярной влагоемкости).

К у л ь ч и ц к и й Л. И., У с ь я р о в О. Г. Физико-химические основы формирования свойств глинистых пород. М., 1981.

О с и п о в В. И. Природа прочностных и деформационных свойств глинистых грунтов. М., 1979.

Г р и м Р. Минералогия и практическое использование глин. М., 1967.

Физико-химическая механика природных дисперсных систем. /Под ред.

Е.Д.Щукина и др. М.: Изд-во Моск.ун-та, 1985. 266 с.

measurements and Interpretation for Land evaluation. CSIRO. 2002. 372 p.

НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

ФИЗИКИ ПОЧВ

В современной физике почв имеется ряд проблем, над кото рыми работают многочисленные группы ученых многих стран мира.

Проблемы эти имеют теоретические и практические аспекты, чрез вычайно важны они и для будущего развития физики почв, почвоведе ния и других смежных наук. Надо отметить, что большинство этих проблем связаны с особенностями почвы как специфического природ ного тела, и прежде всего: (1) с неоднородностью порового простран ства, наличием макропор, трещин и прочих «макропутей» для воды и веществ, что во многом связано со спецификой почвенной структу ры, ее образованием и эволюцией;

(2) с особенностями пространствен ной организации физических свойств почв на различных масштабных уровнях от отдельного агрегата до ландшафта, с особенностями по чвенных структур, пространственным варьированием свойств и про цессов в почвенном покрове;

(3) с описанием и моделированием пере носа веществ и микроорганизмов в ландшафте (трехмерный перенос), в том числе и многокомпонентного (разнообразные жидкости и газы) переноса в почвах. Такое разделение субъективно. И вполне вероятно, многие из перечисленных вопросов потеряют свою актуальность и интерес в ближайшее время. Однако надеюсь, что краткий обзор указанных проблем вызовет некоторый интерес. Остановимся коротко на этих вопросах.

1. Преимущественные потоки влаги Основные закономерности движения веществ в почве доста точно хорошо известны. Это законы Дарси для фильтрации, уравнение Ричардса для ненасыщенного потока влаги, конвективно-диффузионное уравнение переноса веществ в почве. Однако нередко (а можно сказать, и повсеместно, почти во всех почвах) отмечаются особенности движе 1. Преимущественные потоки влаги и веществ в почве ния веществ в почве. Эти особенности проявляются в том, что если вещество-метку подать на поверхность почвы вместе с впитывающей ся водой, то это вещество можно обнаружить на больших глубинах и локально в отличие от того, как это предполагают классические теории. Явление переноса веществ по отдельным водным «тяжам», ка налам получило название «преимущественных путей переноса»

(«preferential flow»). Специфический перенос веществ характеризуется несколькими моментами: (1) миграцией воды и веществ, отличающейся от идеальной, т.е. подчиняющейся рассмотренным в этой книге законам движения воды и веществ;

(2) практически моментальным в сравнении с общим внутрипочвенным передвижением веществ, прежде всего воды;

(3) заметным изменением сорбционных процессов от их полного отсут ствия при движении по макропорам и трещинам, до увеличения сорбции в случае развития преимущественных путей фильтрации;

(4) относитель ной стабильностью подобного рода почвенных каналов.

Итак, преимущественный перенос веществ это обобщенное понятие разнообразных процессов, характерной чертой которых яв ляется отличие их от «идеальных», описываемых классическими урав нениями Дарси, Фурье и др. Это явление не является недавним от крытием в физике почв. Его качественно описали Лайвес, Гилберт и Уорингтон в 1882 г. (Lawes, Gilbert, Warington, 1882), которые во вре мя исследований дренажных вод в Ротамстеде отметили различие в движении воды в хорошо структурированных почвах с ярко выра женной межагрегатной порозностью и в бесструктурных почвах.

Причины формирования премущественных путей миграции, как уже указывалось, разнообразны. Одним из необходимых условий яв ляется существование некоторого, пусть небольшого, напора влаги.

То есть преимущественные потоки влаги проявляются при малона порной фильтрации.

Оказывают влияние строение и свойства почвы. Нередко отме чается образование преимущественных путей миграции в почвах, в которых рыхлый поверхностный слой подстилается более плотным или тяжелым по гранулометрическому составу горизонтом (рис.XVIII.1а, по Хиллелу и Бэйкеру). Наблюдаются преимущественные пути мигра ции влаги в песчаных почвах, на отдельных частичках которой сфор мировалась гидрофобная пленка, при чередовании слоев различного гранулометрического состава (рис.XVIII.1, б, Рийтема с соавт.). В па хотных почвах, при формировании плужной подошвы, при заметном пространственном варьировании физических свойств также формиру ются преимущественные потоки влаги и веществ (рис. XVIII1, в).

Ч. XVIII. НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ ПОЧВ

Рис. XVIII.1. Образование преимущественных путей миграции и «пальчатых»

структур в случае фильтрации при затоплении поверхности и наличии почвенной слоистости (а) (по Хиллелу и Бэйкеру, 1988), при впитывании влаги в песчаную почву при наличии гидрофобных свойств верхнего горизонта (по Рийтема с соавт., 1993) (б) и в случае высокой пространственной вариабельности физических свойств (плотности) почвы (в) Впрочем, преимущественные пути миграции явление не обяза тельно связанное с особенностями строения песчано-глинистой почвы или с уникальностью гидрофобных пленок, покрывающих поверхность частиц. Оно, по всей видимости, всеобщее, учитывая, что в любой структурированной суглинистой почве всегда имеются возможности для выявления преимущественных путей даже в процессе стационар ной, ламинарной плановой фильтрации. Эти возможности связаны с на личием макропор, неоднородностью пространственного распределе ния фильтрующей порозности почвы, наличием «тупиковых» пор.

Преимущественные пути миграции обобщенное понятие раз нообразных специфических почвенных явлений, характеризующе еся заметным отличием движения воды и веществ от «идеально го» и связанного с формированием отдельных водных «тяжей», каналов по макропорам и трещинам, водных «пальцевидных струк тур», нестабильностью фронта увлажнения, при котором движение веществ является более быстрым, чем в основной массе почвы, заметно изменяются сорбционные процессы от их полного отсут ствия при движении по макропорам и трещинам до преимуществен ной сорбции в транспортных зонах при малонапорной фильтрации растворов. Причинами этого явления могут быть следующие:

1) формирование отдельных «водных каналов», линий преиму щественного потока, «пальчатых структур» (англ. preferential flow, fingers), связанное с неравновесностью, турбулентностью водного потока (как правило, в песчаных почвах);

2) быстрый перенос по «проводящим» зонам порового простран ства (макропорам, трещинам) с последующим обменом с «зас тойными» зонами;

3) неравномерность переноса влаги, связанная с пространствен ной вариабельностью почвенных свойств.

Необходимым условием возникновения преимущественных пу тей миграции влаги является наличие напорной (малонапорной) фильтрации.

Как отмечено, одной из причин возникновения преимуществен ных путей является пространственная неоднородность почвенных свойств еще одно уникальное почвенное свойство, над изучением которого работают многие физики почв, что послужило даже форми рованию нового раздела науки – педометрика.

Дополнительная литература Д м и т р и е в Е. А. Теоретические и методологические проблемы почвоведе ния. М.: ГЕОС, 2001. 374 с.

Ч. XVIII. НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ ПОЧВ

2. Пространственная неоднородность физических свойств и процессов Почвы – это чрезвычайно неоднородный, разнообразный объект. Оказывается, если рассмотреть почвенный покров, то свой ства почв в отдельных точках могут изменяться в весьма широких диапазонах, захватывая как благоприятные, так и крайние значения рассматриваемого признака. Например, на сельскохозяйственном поле во Владимирском ополье, оказывается, в определенный момент вре мени можно найти участки как с повышенной влажностью, так и с достаточно сухой почвой (см. рис.X.8, б). Следовательно, водный режим на этих участках будет заметно различаться. Это уникальное свойство почвы, которое является источником и поддержкой биоло гического разнообразия в природе. Почва, вследствие своей неодно родной структуры, способна предоставлять условия для различных групп организмов, бактерий и других живых существ. Причем одно временно, распределяя эти условия по пространству. С этим явлени ем мы сталкивались, когда рассматривали формирование структуры почвы. На агрегатном уровне, внутри агрегата наиболее вероятны условия для развития анаэробного ценоза, наибольшая насыщенность основаниями, а в межагрегатном пространстве аэробный ценоз, поверхность агрегатов обогащена ионами Н и Al. Явление это чрез вычайно интересно, разнообразно, важно по своим последствиям и начинает активно изучаться повсеместно. Пожалуй, наиболее оп ределенно сформулировал эти проблемы Е.А.Дмитриев, который свя зывал режимы с почвенно-покровными телами, т.е. с почвенным по кровом. Это важная проблема нашей науки в ближайшем будущем.

3. Многокомпонентный перенос в зоне аэрации В настоящей книге мы подробно разбирали движение вла ги в насыщенных и ненасыщенных почвах. Однако двигались только растворы. Нередко же может двигаться наряду с водой и газами и еще одна жидкость, не смешивающаяся с водой. Например, нефть.

Общие принципы описания такого рода системы «твердая фаза по чвы газообразная вода несмешивающаяся жидкость» таковы:

1. Объемные величины содержания воды и несмешивающейся жидкости лучше всего выражать в виде относительной величины насыщенности как доли объема порового пространства, занятого во дой и несмешивающейся жидкостью.

3. Многокомпонентный перенос в зоне аэрации и в грунтовых водах 2. Вода и несмешивающаяся жидкость передвигаются в на правлении и под действием собственного градиента давления: вода давления влаги, жидкость под действием градиента давления этой жидкости. Для жидкости и воды необходимо иметь различные ОГХ.

3. Соответствующие относительные емкости порового простран ства для газа, воды и жидкости взаимосвязаны и определяются по правилу треугольника (рис.XVIII.2, а): чем больше в почве воды, тем меньше в ней заполненного газом и несмешивающейся жидкостью пространства;

чем больше жидкости, тем меньше заполненного га зом и водой и т.д. На треугольнике такого рода характерным призна ком является наличие зоны с остаточной (неподвижной, адсорбиро ванной влагой) влажностью, которая практически всегда присутствует в естественных почвах.

4. Проводимость для каждого из компонентов в поровом про странстве будет определяться и проводимостью других компонен тов (рис.XVIII.2, б).

Зная соотношение долей воды, газовой фазы и несмешивающейся жидкости, их проводимости, можно рассчитать потоки для соответ ствующих составляющих жидких фаз почвы. Для обеих жидкостей, как известно, будет справедливо уравнение Дарси, однако с учетом плотности и вязкости жидкости где соответствующие индексы w и l относятся к воде и несмешива ющейся жидкости.

Таковы основные принципы расчета движения в многокомпонен тной системе «твердая фаза почвы вода несмешивающаяся жид кость газовая фаза». Однако на пути количественного описания ста тики и динамики этой системы чрезвычайно много проблем.

В частности, проблемы расчета состава газовой фазы, двух- и трех мерные задачи и многие другие задачи, решение которых связано с проблемами загрязнения почв и природных вод различными органи ческими токсикантами и нефтью (см. Дополнительную литературу).

Дополнительная литература Ш е с т а к о в В. М. Прикладная гидрогеология. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2001.

F e t t e r C. W. Contaminant hydrogeology. Second Edition. 1999. Prentice-Hall, Inc.,Simon&Shuster, New Jersey.

L u c k n e r L., W. M. S c h e s t a k o w Migration Processes in the Soil and Grounwater Zone. 1991. Lewis Publisher Inc., Leipzig.

Ч. XVIII. НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ ПОЧВ

Рис. XVIII.2. Треугольник соотношения долей воды, газа и несмешивающейся жидкости в поровом пространстве почвы (а) и соотношение относительных проводимостей воды и несмешивающейся жидкости (б) 4. Конструирование почв В последнее время все больше возникает потребность в определенных почвенных конструкциях, имеющих конкретное це левое назначение. Это различного рода газоны (спортивные, декора тивные и пр.), почвенные смеси для выращивания деревьев и кустар ников, конструкции для временных водоемов и пр. В различных почвенно-экологических условиях эти конструкции должны учитывать и отдаленные экологические последствия в виде, например, засоле ния, осолонцевания, уплотнения, просадочности и пр. Возникает оп тимизационная задача высокой сложности: создаваемая почвенная среда должна выполнять основные функции (служить оптимальной средой для развития растений, например), но с учетом возможных отдаленных последствий, которые могут возникнуть в связи с осо бенностями микроклимата, литологии, гидрологии и химического со става вод и пр. На данный момент такого рода задачи решаются экспертным путем. Причем следует отметить многообразие и ори гинальность многих решений, а также решений, учитывающих мест ные особенности. Примерами могут служить и развитие капельного орошения, и использование различного рода мульчи для сохранения почвенной влаги, и использование конденсированной влаги (такие при меры можно найти в данном «Курсе»). Однако возникает необходи мость создания прогнозных моделей, в полной мере учитывающих целевое назначение почвенной конструкции и особенности конкрет ных условий. Таким образом, в будущем мы должны уметь рассчи тать в почвенной конструкции необходимое оптимальное количество слоев, чередование этих слоев, их гранулометрический состав, плот ность и проч. Рассчитать так, как рассчитывают инженерные соору жения (мосты, здания и т.д.). Есть ли сейчас подходы к такого рода расчетам?

По-видимому, в основе такого рода расчетов должна лежать про гнозная модель движения влаги и веществ ведь конструкция долж на выполнять конкретную цель: задерживать влагу, пропускать ее с определенной скоростью, удерживать необходимое количество ве ществ на заданной глубине и пр.

А начать следует с того, что необходимо задать оптимальное содержание воды и воздуха в корневой зоне растений. Этот оптимум достаточно хорошо известен: воды не должно быть слишком много, чтобы растения не страдали от недостатка воздуха (ведь и корням растений нужен воздух), но и не испытывали засухи. Верхние слои должны обладать повышенным водоудерживанием, а нижние отво дить избыток воды после дождей (т.е. дренировать корнеобитаемый

Ч. XVIII. НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ ПОЧВ

слой). Это свойство, т.е. свойство высокой фильтрационной способ ности почвы, почти целиком определяется дисперсностью составля ющих почву частиц или ее гранулометрическим составом. Если мы будем знать зависимость фильтрационных и водоудерживающих свойств от гранулометрического состава, то, исходя из известного оптимума, можем решить и обратную задачу: рассчитать состав сме си для корнеобитаемого и подстилающих слоев. Иначе говоря, подо брать определенное соотношение крупного и мелкого песка, тонкой пыли и совсем мелких илистых частиц, чтобы обеспечить оптимум удерживания и проведения воды и веществ в корнеобитаемом и под стилающих слоях. Основа такого рода расчетов функции зависи мости водоудерживаемости и водопроводимости почв от грануломет рического состава, плотности, содержания и состава органического вещества т.е. известные нам педотрансферные функции.

Например, как можно рассчитать оптимальное строение почвен ного покрова для спортивного газона. Рассмотрим принципы этой почвенной конструкции, приведенные на рис.XVIII.3. Вода попадает на поверхность поля в виде атмосферных осадков или искусствен ных поливов. Часть этой воды возвращается в атмосферу в виде ис парения с поверхности почвы и транспирации с травяного покрова (слой I). Как уже говорилось, одна из задач конструкции корнеоби таемый слой (до 7–10 см) должен содержать оптимальное для рас тений количество воды. А воду сверх этого количества почвенная конструкция должна быстро «сбрасывать» в нижележащие слои (слои IV и V), а затем в дрены (на рис. XVIII.3 изображены в виде светлых кружков). Вот первое противоречие, которое нужно разрешить: долж но быть необходимое для растений количество воды в слое II, и в то же время этот слой должен быстро пропускать через себя воду при интенсивных осадках. Увеличить влагозапасы можно добавлением мелких, пылеватых и илистых частиц, а условие высокой проницае мости для воды, напротив, достигается за счет крупных частиц пес ка. Второе противоречие прочностное состояние верхнего слоя как механической подложки, с одной стороны, и наличие в нем воды и воздуха для жизни растений – с другой. Оптимизация этих свойств, включая и механическую прочность слоя I, и долговременную обес печенность растений водой и воздухом, также может быть достигну та благодаря регулированию соотношения крупных и мелких мине ральных и органических частиц.

Для решения этой задачи надо знать среднемноголетнее количе ство осадков, педотрансферные функции и математическую модель переноса влаги из слоя в слой. Задав начальное оптимальное количе Рис. XVIII.3. Пример почвенной конструкции для спортивных площадок ство воды во всем этом слоистом «почвенном пироге», рассчитывают динамику влаги в различных почвенных слоях в течение всего вегета ционного сезона. Если эта динамика влаги в указанных слоях не удов летворяет оптимальному диапазону, необходимо изменить содержание составляющих компонентов почвенной смеси в рассматриваемом слое;

соответственно изменятся и педотрансферные функции. А после этого снова произвести расчеты движения воды и воздуха в почвенной кон струкции с помощью прогнозной математической модели. Так, произ водя многочисленные поливариантные расчеты по варьированию со става почвенных слоев (гранулометрический состав, плотность, содержание органических компонентов и пр.), их мощности, находят оптимальное решение для планируемой конструкции, удовлетворяю щее целевому назначению этой конструкции.

Таким образом, с помощью физически обоснованной модели переноса влаги, педотрансферных функций можно сконструировать

Ч. XVIII. НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ ПОЧВ

искусственную почвоподобную конструкцию, т.е. подобрать состав, количество и размеры слагающих ее элементов (песок, пыль, глина и пр.), а также рассчитать толщину различных слоев этой «искусст венной почвы». Это является основным принципом. Его можно ис пользовать и в расчетах почвенной конструкции для теплиц, для де коративных растений, для озеленения пустынных ландшафтов, в том числе и образовавшихся в результате человеческой деятельности, создания разнообразных газонов и пр.

Дополнительная литература А б р а м а ш в и л и Г. Г. Городские и спортивные газоны. М.: Московский рабочий, 1979.

СПРАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Некоторые характерные физические свойства почв различного гранулометрического состава гранулометрическому (% объемный) почвы, г/см3 (% к весу) (% к весу)** (% к весу) (% к весу) фильтрации, * В данной таблице приведены ориентировочные значения физических свойств. В реальных условиях при непосредственных определениях эти усредненные значения и пределы варьирования могут значительно отличаться в связи с содержанием органи ческого вещества, оструктуренностью, сельскохозяйственной обработкой, растительностью и многими другими факторами, су щественно изменяющими приведенные ориентировочные значения.

** ВРК определены по характерным основным гидрофизическим характеристикам (ОГХ) *** Природные пески почти всегда слоисты. Вследствие этого приведенные данные весьма ориентировочны.

Оценка переуплотнения почвы по критическим значениям сопротивления пенетрации пенетрации (MПa) * (% к весу) * Если реальная влажность почвы выше приведенной в диапазоне, к измеренному значению сопротивления пенетрации следует прибавить 0.25 МПа, а если ниже вычесть 0.25 МПа.

** L h o t s k y J., a kol.: Metodika zъrodnмnн zhutnмnэch pud. ЪVTIZ Praha, 1984;

Z r u b e c F. Metodika zъrodnenia zhutnenэch pфd. SFRI, Bratislava. 1998.

Насыщенная (коэффициент фильтрации) и ненасыщенная (коэффициент влагопроводности) влагопроводность 2.387 х 10-5 Джоуль на кв.метр, Дж/м2 Калория на кв.сантиметр (лэнгли), кал/см2 4.19 х 1.43 х 10-3 Ватт на кв.метр, Вт/м2 Калория на кв.сантиметр в минуту, кал/см2 мин 5.56 х 10-3 Миллиграмм (Н2О) Микромоль (Н2О) на кв.сантиметр в секунду, (приводятся в сокращенном варианте по В.Н..Шептухову и др.,1997*) исходной Стабильная структурная (межагрегатная, без учета трещин) пористость, 0.2 0.11–0.2 0.06–0.1 0.02–0.05 0. см3/г * Ш е п т у х о в В. Н., Р е ш е т и н а Т. В., Б е р е з и н П. Н. и др. О совершенствовании оценки процессов деградации почв.

«Почвоведение». 1997. №7. С.799805.

Оптимальные гидротермические условия для произрастания сельскохозяйственных культур появлении всходов формировании генеративных органов * М е д в е д е в В. В., Б у л ы г и н С. Ю., Л а к т и о н о в а Т. Н., Д е р е в я н к о Р. Г.. Критерии оценки пригодности земель Украины для возделывания зерновых культур. «Почвоведение». 2002. №2. С. Список обозначений основных свойств и параметров и наиболее С, Сm, Сv Теплоемкость, удельная, объемная Список обозначений Квл Коэффициент влагопроводности почвы см/сут, м/сут Sпол, Se, Si, агр, а, Порозность (пористость) почвы, см3/см3, % Список обозначений к-с,осм, гр, вн, гравитационный, внешнего В тексте могут встречаться буквенные обозначения, повторяющие приведенные в дан ной таблице, но отличающиеся по смыслу. При этом обязательно дается текстовое поясне ние.

Агрегат почвенный 6, 10, 13, 16, 19, 55, Альбедо 316, 317, 320, Аэрация почвы 296, 298, Влага почвенная адсорбированная 94, 237, гигроскопическая 24, 27, 109, 112, гравитационная 67, 106, 107, 111, 122, 208, доступная 200, 211, 217, 235, 236, 237, капиллярная 139, 237, 252, недоступная 21, 28, 95, 146, 237, пленочная 97, 99, 101, 103, 121, 127, 146, 157, 237, 252, 329, подвешенная 104, 107, прочносвязанная 92, 95, 124, свободная 92, 93, 124, 125, 129, 131, Влагоемкость почвы 156, 171, 173, 203, 285, максимальная адсорбционная 82, 95, 96, 97, 121, 268, максимальная молекулярная 99, 110, 158, наименьшая 23, 67, 74, 107, 110, 112, 160, 169, 201, 235, 74, 107, 112, 121, 125, 208, 399 Гидродинамическая дисперсия диэлькометрический 117, 119 Гистерезис 121, 161, 162, 163, 173, 204, 364, 367, Глина физическая 32, 43, 44, Гравий 31, 32, Граница липкости 400, Гранулометрический состав Грунтовые воды 103, 108, 112, 113, 122, 174, 190, 230, 231, 247, 252, 262, входа воздуха 147, 171, 224, 226, 229 184, 185, 186, 188, 191, капиллярно-сорбционное 125, транспирационное (транспирация) механическое 134, 359, 360, 363 Испаряемость 127, 129, 134, 142, 222, пневматическое полное 128, 129, 130, 131, 134, 135, 137, почвенной влаги 125, 126, 129, 133, 280, 282, предкомпрессионное 362, 369, 370, 379, 380, расклинивающее 59, 385, 389, тензиометрическое 140, Движение воды конвективное 256, ламинарное 180, 182, 183, турбулентное 52, 180, 182, Деформация остаточная 340, 343, 357, 364, пластическая 340, 343, 349, 350, 357 72, 337, 338, 339, 383, упругая 340, 343, Дилатансия 353, 356, 371, Диффузивность почвенной влаги Диффузия 199, 210, 219, 257, 258, 197, 198, 199, 217, 259, 260, 261, 262, 263, 264,265, 266, 267, 271, 272, 274, 328, Законы (Генри, Гука, Дарси, Жюрена, Лапласа, Ньютона, Стокса, Фика) 361, 362, 363, 369, См. соответствующие «Уравнения»



Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 || 13 |
 




Похожие материалы:

«Раздел 1. КОРМЛЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ И ТЕХНОЛОГИЯ КОРМОВ УДК 636.4.084 СБАЛАНСИРОВАННОСТЬ РОССЫПНЫХ КОМБИКОРМОВ ДЛЯ СВИНОМАТОК А.А. ХОЧЕНКОВ РУП Научно-практический центр НАН Беларуси по животноводству г. Жодино, Минская обл., Республика Беларусь, 222160 (Поступила в редакцию 20.12.2009) Введение. Современная комбикормовая промышленность Беларуси для кормления свиноматок выпускает как россыпные, так и гранули рованные комбикорма. Обе формы комбикормов имеют свои достоин ства и ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ АССОЦИАЦИЯ ИСПЫТАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ (АИСТ) СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Москва 2013 УДК 631.3-048.24 ББК 40.72 С 75 Под общ. ред. председателя ассоциации испытателей сельскохозяйственной техники и технологий (АИСТ) В.М. Пронина Авторы: П.И. Бурак, В.М.Пронин, В.А.Прокопенко, А.А.Медведев, Т.Б. Микая, С.Н. Киселев, М.Н.Жердев, Г.А.Жидков, В.И.Масловский, В.В.Конюхов, Л.В.Колодин, ...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУ ВПО ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОЛЖСКИЙ ГУМАНИТАРНЫЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ВОЛГУ А.С. Акишин, М.М. Подколзин, А.С. Акишин Земельные ресурсы России и Волгоградской области и формирование новой аг- ропродовольственной политики (2005—2012 годы) Учебное пособие ВОЛГОГРАДСКОЕ НАУЧНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО 2008 338.43 УДКУДК ББК 65.32-51+65.281 А39 Научный редактор д-р с.-х. наук, проф. Л.И. Сергиенко [ВГИ (филиал) ВолГУ] Рецензенты: д-р экон. наук, проф. ...»

«И.Г. Крымская Гигиена и экология человека Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту (третьего поколения) Среднее профессиональное образование И. Г. К р ы м ск ая ГИ ГИ Е Н А И ЭКОЛОГИЯ ЧЕЛО ВЕКА Учебное пособие Рекомендовано Международной Академией науки и практической организации производства в качестве учебного пособия для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования Издание 2-е, стереотипное Ростов-на-Дону Феникс 2012 УДК ...»

«Вы – свет мира Евангелие от Матфея, глава 5, стих 14 И, зажегши свечу, не ставят ее под сосудом, но на подсвечнике, и светит всем в доме. Евангелие от Матфея, глава 5, стих 15 Книга издана при поддержке Благотворительного фонда “Під покровом Богородиці”. Вы – свет мира Очерки жизни Владимира Леонидовича Бандурова Запорожье 2013 УДК 63(477.64)(092)Бандуров В. Л. ББК 65.9(4 Укр–4 Зап 5 Пол)32-03д В 92 Вы – свет мира. Очерки жизни Владимира Леони В 92 довича Бандурова / Н. Кузьменко, В. Манжура, ...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Министерство сельского хозяйства и продовольстия Свердловской области ФГБОУ ВПО Уральская государственная сельскохозяйственная академия XIII МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО–ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ, АСПИРАНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ МОЛОДЕЖЬ И НАУКА 2011 Участие молодых ученых в реализации Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008–2012 годы ...»

«Министерство Природных Ресурсов Федеральная служба по надзору в сфере природопользования Государственный природный заповедник Полистовский УДК Утверждаю: Директор заповедника Регистрационный № _ Яблоков М.С. Инвентарный № __2009 г. Тема: Динамика явлений и процессов в природном комплексе заповедника ЛЕТОПИСЬ ПРИРОДЫ Книга 9 2008 год Стр. Ст. научный сотрудник Черевичко А.В. Карт. Фото Диагр. 30 мая 2009 г. СОДЕРЖАНИЕ Территория заповедника 1. Пробные и учётные площади, ключевые участки, ...»

«Министерство Природных Ресурсов Федеральная служба по надзору в сфере природопользования Государственный природный заповедник Полистовский УДК Утверждаю: Директор заповедника Регистрационный № _ Яблоков М.С. Инвентарный № __2008 г. Тема: Динамика явлений и процессов в природном комплексе заповедника ЛЕТОПИСЬ ПРИРОДЫ Книга 8 2007 год Стр. 124 Ст. научный сотр. Ларионова С.Ю. Карт. Фото Диагр. 2 12 декабря 2008 г. СОДЕРЖАНИЕ Территория заповедника 1. Пробные и учётные площади, ключевые участки, ...»

«Министерство Природных Ресурсов Федеральная служба по надзору в сфере природопользования Государственный природный заповедник Полистовский УДК Утверждаю: Директор заповедника Регистрационный № _ Яблоков М.С. Инвентарный № __2008 г. Тема: Динамика явлений и процессов в природном комплексе заповедника ЛЕТОПИСЬ ПРИРОДЫ Книга 7 2006 год Стр. 111 Ст. научный сотр. Ларионова С.Ю. Карт. Фото Диагр. 6 8 февраля 2008 г. СОДЕРЖАНИЕ Территория заповедника 1. Пробные и учётные площади, ключевые участки, ...»

«Министерство Природных Ресурсов Федеральная служба по надзору в сфере природопользования Государственный природный заповедник Полистовский УДК Утверждаю _ Яблоков М.С. Регистрационный № Директор заповедника Инвентарный № _2007 г. Тема: Динамика явлений и процессов в природном комплексе заповедника ЛЕТОПИСЬ ПРИРОДЫ Книга 5 2004 год Стр. 211 Ст. научный сотр. Ларионова С.Ю. Карт. 2 Фото 1 Диагр. 25 21 ноября 2007 г. СОДЕРЖАНИЕ Территория заповедника 1. Пробные и учётные площади, ключевые участки, ...»

«Институт экономической политики имени Е.Т. Гайдара Научные труды № 142Р Н. Шагайда Оборот сельскохозяйственных земель в России: трансформация институтов и практика Москва Институт Гайдара 2010 УДК 338.43:[332.7:631.1](470+571) ББK 65.32(2Рос)-511 Ш15 Шагайда, Наталья Ивановна Оборот сельскохозяйственных земель в России: трансформация ин ститутов и практика / Шагайда Н.И. – М.: Ин-т Гайдара, 2010. – 332 с. (Научные труды / Ин-т экон. политики им. Е.Т. Гайдара; № 142Р). – ISBN 978-5-93255-295-7. ...»

«Б.В. Ерофеев ЗЕМЕЛЬНОЕ ПРАВО РОССИИ Учебник 9-е издание, переработанное Ответственный редактор — главный научный сотрудник Института государства и права РАН, доктор юридических наук, профессор Н.И. Краснов Москва Юрайт 2004 УДК 34 ББК 67.407я73 Е78 Ерофеев Борис Владимирович — доктор юридических наук, заслуженный деятель науки РФ, профессор Московской государственной юридической академии, академик Рос сийской экологической академии Ерофеев Б.В. Е78 Земельное право России: Учеб. / Отв. ред. Н.И. ...»

«АКАДЕМИЯ НАУК СССР УРАЛЬСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР Институт экологии растений и животных Н.Г. СМИРНОВ, В.Н. БОЛЬШАКОВ, А.В.БОРОДИН ПЛЕЙСТОЦЕНОВЫЕ ГРЫЗУНЫ СЕВЕРА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ Ответственный редактор доктор биологических наук Л.Н. ДОБРИНСКИЙ НАУКА 1986 УДК 569.32 + 56.11 + 599.32 ВВЕДЕНИЕ С м и р н о в Н.Г., Б о л ь ш а к о в В.Н., Б о р о д и н А.В. Плейстоценовые грызуны Севера Западной Сибири. М.: Наука, 1986. Работа о четвертичной истории грызунов Севера Западной Сибири выхо­ Книга посвящена ...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пензенская государственная сельскохозяйственная академия ВКЛАД МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ В ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ АПК РОССИИ Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 60-летию ФГБОУ ВПО Пензенская ГСХА ТОМ I Пенза 2011 Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное ...»

«Владимир Век СТРУКТУРА МАТЕРИИ В РАМКАХ КОНЦЕПЦИИ МАКРО-МИКРОБЕСКОНЕЧНОСТИ МИРА Монография Пермь, 2011 УДК 1 ББК 87.2 В 26 Рецензенты: Доктор философских наук С.Н. Некрасов, заведующий кафедрой философии Уральской государственной сельскохозяйственной академии, профессор Уральского федерального университета имени первого президента России Б.Н. Ельцина Кандидат физико-математических наук С.А. Курапов, ведущий научный сотрудник ЗАО Уральский проект Кандидат технических наук В.Р. Терровере, старший ...»

«1 Васюганское болото природные условия, структура и функционирова- ние Томск 2003 2 Российская Академия Сельскохозяйственных Наук Сибирское отделение Сибирский научно-исследовательский институт торфа Russian Academy of Agricultural Science Siberian Institute of Peat Васюганское болото природные условия, структура и функционирование Vasyugan Bog nature conditions, structure and functioning Под общей редакцией чл.корр. РАСХН Инишевой Л.И. Under the general direction of Prof. Dr. L.I. Inisheva ...»

«П. П. Власов, М. В. Орлова, Н. В. Тарасенков Краткий курс экологии Министерство науки и образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт – Петербургский государственный университет технологии и дизайна Кафедра инженерной химии и промышленной экологии П. П. Власов, М. В. Орлова, Н. В. Тарасенков Краткий курс экологии Утверждено Редакционно-издательским советом Университета в качестве учебного пособия Санкт-Петербург 2010 УДК ...»

«Институт МГУ имени Государственный фундаментальных М.В. Ломоносова биологический музей проблем биологии РАН имени К.А. Тимирязева БИОСФЕРА–ПОЧВЫ–ЧЕЛОВЕЧЕСТВО: УСТОЙЧИВОСТЬ И РАЗВИТИЕ Материалы Всероссийской научной конференции, посвященной 80-летию профессора А.Н. Тюрюканова (Москва, 14–16 марта 2011 г.) Москва – 2011 УДК 574 ББК 20.1 С 53 БИОСФЕРА–ПОЧВЫ–ЧЕЛОВЕЧЕСТВО: УСТОЙЧИВОСТЬ И РАЗВИТИЕ: Материалы Всероссийской научной конференции, посвя щенной 80-летию профессора А.Н. Тюрюканова / Отв. ...»

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК _ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ РАСТЕНИЕВОДСТВА имени Н. И. ВАВИЛОВА (ВИР) ТРУДЫ ПО ПРИКЛАДНОЙ БОТАНИКЕ, ГЕНЕТИКЕ И СЕЛЕКЦИИ том 173 Редакционная коллегия Д-р биол. наук, проф. Н. И. Дзюбенко (председатель), д-р биол. наук О. П. Митрофанова (зам. председателя), канд. с.-х. наук Н. П. Лоскутова (секретарь), д-р биол. наук С. М. Алексанян, д-р биол. наук И. Н. Анисимова, д-р биол. наук Н. Б. Брач, д-р с.-х. наук, проф. В. И. Буренин, ...»






 
© 2013 www.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.