ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет» Биолого-почвенный факультет А. А. Козлова УЧЕБНАЯ ПРАКТИКА ПО ФИЗИКЕ ПОЧВ Учебно-методическое пособие 1 УДК 631.43(076.5) ББК 40.3я73 К59 Печатается по решению учебно-методического совета биологопочвенного факультета Иркутского государственного университета Рецензенты: д-р биол. наук, проф. В. И. Убугунова; канд. биол. наук, доц. Н. В. Вашукевич К59 Козлова А. А. Учебная практика по физике почв : учеб.-метод. пособие / А. А. Козлова. – Иркутск : Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2009. – 81 с. Приводится описание основных методов определения физических свойств почв, которые широко используются и в учебном процессе и на производстве. Предназначено для закрепления теоретических знаний и приобретения навыков по определению физических свойств почв студентами специальности «Почвоведения» в течение учебной практики, проходящей в лабораторных и полевых условиях. Библиогр. 21 назв. Ил. 9. Табл. 20. Прил. 7. © Козлова А. А., 2009 2 © ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет», 2009 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ..........................................................................................5 Раздел I. Условия почвообразования территории исследования (окрестности г. Иркутска) .................................7 1. Рельеф, геология и почвообразующие породы ....................7 2. Климат ......................................................................................9 3. Растительность ........................................................................10 4. Почвы и почвенный покров ...................................................11 Раздел II. Методы исследования физических свойств почв 12 1. Влажность почвы и ее измерение...........................................12 1.1.Термостатно-весовой метод определения естественной влажности почвы ......................................12 1.2. Графическое изображение динамики изменений влажности почвы .............................................................14 2. Плотность почвы и методы ее определения .........................17 2.1. Плотность сложения почвы .........................................17 2.1.1. Буровой метод (метод врезания кольца) определения плотности сложения почвы ................18 2.2. Плотность твердой фазы почвы ..................................21 2.2.1. Определение плотность твердой фазы пикнометрическим методом .....................................21 3. Порозность почвы и расчетные методы ее определения ....23 3.1. Общая порозность почвы ............................................23 3.2. Порозность аэрации .....................................................24 4. Водопроницаемость почвы и методы ее определения ........26 4.1. Определение водопроницаемости почвы 3 методом рам ................................................................. 33 4.2. Выполнение определения в ходе учебной практики. 36 4 5. Определение предельной Полевой влагоемкости почвы .....42 5.1. Определение предельной полевой влагоемкости в экспедиционных условиях .......................................43 5.2. Вычисление послойных запасов влаги при ППВ ......45 5.3. Расчет поливных норм и поливных норм нарастающим итогом ...................................................45 5.4. Зарисовка контура смачивания ....................................47 6. Исследование водных свойств почвы при проведении вегетационных опытов ...........................................................48 6.1. Полная влагоемкость почвы ........................................49 6.2. Капиллярная влагоемкость почвы ..............................50 6.3. Предельная полевая (наименьшая) влагоемкость почвы .............................................................................51 6.4. Определение недоступной растению влаги в почве .52 6.4.1. Максимальная гигроскопичность почвы (по Митчерлиху) ........................................................52 6.4.2. Определение влажности завядания методом проростков по Долгову ..............................................54 6.4.3. Определение влажности завядания вегетационным методом с хорошо развитыми растениями ..............56 6.4.4. Определение недоступной растениям воды в почве без завядания растений. Метод Соколова и Федоровского .........................................................57 6.5. Вычисление запасов доступной растениям воды в вегетационном опыте...........................................................59 7. Определение температуры почвы .........................................60 Заключение ....................................................................................62 Терминологический словарь физических свойств почв........63 Рекомендуемая литература .........................................................68 Приложения ...................................................................................70 5 ВВЕДЕНИЕ Учебная полевая практика проходит в летний период (июнь, июль) и является завершающим этапом теоретической части курса «Физика почв». Знание физических свойств и физических процессов, протекающих в почве, дает представление о направленности почвообразовательного процесса, условиях для роста и развития растений. Наиболее тесный контакт физика почв имеет с земледелием и мелиорацией, задачей которых является временное или коренное улучшение, главным образом, физических свойств почвы для практических целей. Поэтому за период прохождения практики студенты 3-го курса биолого-почвенного факультета специальности «Почвоведение» должны закрепить теоретические знания и приобрести навыки по определению водно-физических свойств почв в лабораторных и полевых условиях. Местом проведения практики служит территория рекреационных зон г. Иркутска: побережье Иркутского водохранилища (зона Ершовского залива), долина реки Иркута (рядом с м/р «Синюшина Гора», вблизи с остановкой автотранспорта «Угольная»), газоны, расположенные около корпуса биолого-почвенного факультета ИГУ. Изучение физических свойств почвы проводится в три этапа: 1. Подготовительный. 2. Полевой. 3. Лабораторно-камеральный. Подготовительный период В подготовительный период руководитель практики проводит инструктаж по технике безопасности и принимает экзамен. Студенты делятся на бригады, назначаются бригадиры. Каждая бригада в подготовительный период подбирает литературный материал по физико-географической характеристике района, где будет проходить практика; урожайности сельскохозяйственных культур; применяемой агротехнике и т. д. Одновременно ведется укомплектование полевого снаряжения и упаковка лабораторного оборудования. Полевой период Для изучения физических свойств в полевых условиях применяется метод «ключей». На карте выделяют основные генетические 6 почвенные разности, характерные для района исследования, а также их варианты по гранулометрическому составу, солонцеватости, эродированности. На типичных для данного района рельефе и почве выявляют опытную площадку – «ключ», размером 10×10 м и закладывают один или два разреза (2–3 м глубиной). Разрез ориентируется по компасу с юга на север. Передняя стенка должна быть шириной 1 м. Ее рекомендуется делать обращенной на север. Так, стенка будет медленнее просыхать, и изменение освещенности не будет мешать при описании. В полевых дневниках описывается морфологическое строение почвы: состояние увлажнения, цвет, гранулометрический состав, структура, сложение, включения и новообразования. Делается зарисовка почвенного профиля, и характеризуются: местоположение, рельеф, угодье, растительность. Из середины каждого генетического горизонта почвы в опорном разрезе следует отобрать образцы массой около килограмма (нарушенного сложения) для проведения лабораторных анализов. Одновременно отбираются пробы на естественную влажность и ненарушенного сложения. Исследования физических свойств почвы проводят по генетическим горизонтам до глубины залегания грунтовых вод или верховодки. При глубоком их залегании следует охарактеризовать материнскую и подстилающую породы, так как от них почва унаследовала ряд свойств, которые нужно учитывать при решении мелиоративных задач. Лабораторно-камеральный период После проведения полевых опытов следует приступать к высушиванию проб, расчетам, составлению таблиц, графиков, написанию отчета. В первую очередь производится высушивание почвенных проб в бюксах, отобранных для определения естественной влажности и влажности, соответствующей ППВ. Далее производятся расчеты запасов воды в миллиметрах водного столба или м3/га. Для вычисления запасов влаги в метровом слое или иной толще дробные послойные запасы суммируются. Проводится обработка материалов полевого опыта по водопроницаемости. 7 Раздел I УСЛОВИЯ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ ТЕРРИТОРИИ ИССЛЕДОВАНИЯ (окрестности г. Иркутска) 1. РЕЛЬЕФ, ГЕОЛОГИЯ И ПОЧВООБРАЗУЮЩИЕ ПОРОДЫ По физико-географическому районированию территория г. Иркутска относится к Южно-Сибирской горной области, верхнеприангарской болотно-остепненно-подтаежной провинции с лиственничными и сосновыми лесами на приподнятых равнинах и плато и осиново-березовыми травяными лесами на пологих склонах (Физико-географическое районирование, 1968). В геоморфологическом отношении рассматриваемая территория представляет предгорную равнину с высотой плоских поверхностей междуречий 550–650 м, слабо расчлененную неглубокими долинами. На дне долин рек минимальные отметки падают до 400–420 м. Таким образом, относительные высоты достигают 120–150 м, средняя крутизна склонов 8°. Склоны здесь преимущественно пологие (2–7°), изрезанные заболоченными долинами (падями) с постоянными или временными водотоками. Террасы и склоны речных долин характеризуются трещинно-полигональным и бугристо-западинным микрорельефом, обусловленным мерзлотными дислокациями, определяющих формирование комплексного почвенного покрова и неоднородность почв по агропроизводственным показателям (Кузьмин, 1988). Предгорная равнина (котловина) с островами степей рассматривается как нижняя ступень вертикальной поясности. В формировании различии почвенного покрова ведущую роль играют биоклиматические факторы. В котловинно-горных провинциях господствует вертикальная поясность. С нею и с влиянием экспозиционного фактора связаны основные закономерности в почвенном покрове. В геологическом строении междуречья участвуют породы 8 среднеюрского возраста, представленные песчаниками, конгломератами, алевритами, содержащими месторождения углей, каолиновых глин, стекольных песков. Подстилающими породами являются юрские песчаники. Продукты их выветривания составляют основу почвообразующих пород в виде элювия и делювия, мощность которых на вершинах междуречий составляет 50–100 см, а в нижних частях склонов и в днищах падей превышает 2–3 м. Гранулометрический состав покровных отложений на вершинах междуречий преимущественно среднесуглинистый, а в падях – обычно тяжелее, встречаются даже глины. Неглубоко залегающие коренные породы служат водоупором, что определяет формирование почвенно-грунтовых вод, питающих временные или постоянные водотоки. Для нижних частей склонов и днищ падей характерно чередование, аллювиальных и делювиальных наносов различного механического состава (Атлас Иркутской области, 1962). В образовании почв и ландшафта в целом важную роль играют физические свойства пород. Суглинисто-глинистые породы обусловливают более благоприятный для развития растительности водный и пищевой режимы почв. На суглинках формируются леса с высокой биологической продуктивностью. Процессы преобразования минеральной толщи этих пород проявляются интенсивно и мощно. Большая внутренняя поверхность почвенной массы способствует тесному взаимодействию почвенных растворов с минеральной частью. На песках благодаря высокой водопроницаемости, слабой водоудерживающей способности и бедности элементами питания развиваются олиго- и мезотрофные сосняки при незначительном участии трав и кустарников. Низкая удельная поверхность и невысокая дисперсность определяют крайне малую емкость поглощения и при незначительном поступлении органических остатков способствуют слабому накоплению в почвах гумуса. Благодаря специфике водно-физических свойств песков почвообразование на них менее зависимо от географических условий по сравнению с почвообразованием на суглинисто-глинистых породах. Особенности миграции влаги в крупнопористой системе нивелируют в известной степени режим ее влажности в различных термических условиях. 9 2. КЛИМАТ На климат г. Иркутска и его окрестностей оказывает большое влияние особенности строения рельефа и географическое положение территории. Климат резкоконтинентальный, с малоснежной холодной зимой и жарким летом. Морозы зимой смягчаются влиянием не замерзающей здесь р. Ангары кроме того Иркутск и зимой часто посещают циклоны. Среднегодовая температура воздуха – 1,1 оС. Средняя температура июля, как самого теплого месяца составляет +20,6 оС, а самого холодного – января –20,9 оС. абсолютный max температуры за период существования Иркутской метеорологической станции достигал +36 о С, абсолютный min температуры равнялся –50,3 оС. Продолжительность вегетационного периода 185 дней. Заморозки весной наблюдаются в 3 декаде мая и до начала июня, а осенью заморозки возобновляются в последнюю декаду августа, однако даже в начале сентября они не бывают сильными. Температура почвы в июле месяце на глубине 20 см достигает о 18 С. Зимой и в начале весны под снежным покровом почвенный слой теплее воздуха, а на глубине 1,5 м его средняя температура положительная в течении всего года. Высота снежного покрова достигает 40 см в первой половине мая почвы оттаивают на глубину 40 см почва полностью оттаивает в мае. Среднегодовое количество осадков в Иркутске 420 мм, число дней с осадками – 108. Наибольшее их количество приходится на июль (82 мм) и август (80 мм), наименьшее на февраль (8 мм). В целом, территория исследования расположена в зоне умеренного увлажнения с коэффициентом увлажнения 0,8–1,0. Преобладание испарения над осадками в целом препятствует оподзоливанию почв в активной поверхностной эрозии склонов. Однако неравномерность выпадения осадков по годам (в отдельные годы до 700 мм), а также в течение года приводит к усилению выщелачивания почв и развитию поверхностной эрозии в августе – сентябре (Снытко и др., 1979). В целом, неравномерные условия атмосферного увлажнения и специфика термического режима приводят к резкому недостатку влаги в мае – июне – самом ответственном периоде вегетации растений. В июле и августе, наоборот, преобладает дождливая погода. 10 3. РАСТИТЕЛЬНОСТЬ Изменение климатических условий в связи с широтой и высотой местности обусловливает изменение в растительном покрове. По геоботаническому районированию Иркутск относится к Ольхонско-Приангарскому сосново-лесостепному округу и к Ольхонско-Кудинскому подокругу. Согласно карте «Растительность зеленой зоны г. Иркутска по состоянию в 1970 г.» (Сизых, 1990), растительность окрестностей представлена березовыми с сосной, осиной разнотравными лесами (III тип), являющимися производными сообществами на месте коренных лесов. Они занимают существенную часть всей лесопокрытой площади зеленой зоны, в основном в районах интенсивной сельскохозяйственной деятельности – окраины полей, пастбищ, по долинам рек, ручьев. Возраст лесообразующей породы от 25 до 60 лет. По характеру структуры подроста этих лесов, где, в основном, присутствует лесообразующая порода с небольшим количеством коренной породы (сосны), можно предположить, что в настоящий момент происходит формирование устойчивопроизводных лесов. В подросте здесь преобладают ольха, рододендрон, таволга, шиповник. Из травянистых растений доминирующее положение занимает папоротник-орляк, особенно на буграх, что связано с периодическими проходящими здесь пожарами. В западинах возрастает количество осоки стоповидной и пырея, что говорит об изменении условий увлажненности по сравнению с буграми. Широко распространены также вейник, чина, клевер, герань, подмаренник. Выборочная рубка хвойных пород и увеличение пахотных угодий способствовали замене хвойных лесов травяными, мелколиственными и сокращению лесистости территории. По характеру растительности можно выделить лесные и лесостепные районы (лесистость в округе в среднем не выше 40, а часто менее 30 %). Первые расположены в Присаянье и на междуречье Ида – Куда и Ангара–Ушаковка – Куяда. На остальной территории распространена своеобразная сосново-березовая лесостепь – безлесные участки, приуроченные к южным склонам и террасам рек, чередуются здесь с участками леса на водоразделах и северных склонах. Название «лесостепь» условное, так как распределение растительности четко связано с элементами макрорельефа. К со11 временному облику территории более всего подходит название «лесополье». Территория больше других освоена, лесистость не превышает 40 %, а часто составляет менее 30 %. 4. ПОЧВЫ И ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ Согласно «Почвенно-географическому районированию СССР» (1962), район исследования относится к равнинной ВосточноПрисаянской лесостепной, относимой к Центральной лесостепной и степной области. По почвенно-географическому районированию Иркутской области, разработанному В. А. Кузьминым (1980), рассматриваемая территория расположена в пределах Среднесибирской равнинно-плоскогорной провинции на территории округа Иркутско-Черемховской равнины и южной части Предбайкальской впадины с серыми лесными, дерново-подзолистыми, дерновыми лесными, дерново-карбонатными и черноземными почвами. Округ рассматривается В. А. Кузьминым (1980) в качестве нижней ступени вертикальной поясности котловинного типа. Для данного округа, где почвенный покров изучен лучше, выделены районы, характеризующиеся однотипной структурой почвенного покрова. Территория исследования относится к району серых лесных почв бассейна верховий рек Ангары и Куды протягивается неширокими полосами по речным долинам и находится на стыке районов с дерново-подзолистыми почвами, с одной стороны, и дерново-карбонатными почвами и черноземами – с другой. В долинах рек развит комплекс аккумулятивных террас, из которых верхние и частично средние, сложенные песками, залесены. Широко распространены серые лесные почвы. На нижних частях склонов они сменяются выщелоченными черноземами, а на днищах сухих ложбин – лугово-черноземными почвами. 12 Раздел II МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ 1. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ Влажность почвы является одним из основных факторов плодородия. Регулирование режима влажности применительно к различным почвам для получения наивысших урожаев служит основой разработки рациональной агротехники. Поэтому, определение влажности почвы является наиболее распространенным почвенным анализом. Самым распространенным и надежным способом измерения влажности почвы является термостатно-весовой метод. 1.1. Термостатно-весовой метод определения естественной влажности почвы Массовая влажность или весовая естественная влажность (W) – это отношение массы воды к массе абсолютно сухой почвы, т. е. к массе твердой фазы почвы и рассчитывается по формуле (% от веса): б– в W (% от веса) = –––––– ·100 % в– а где а – масса бюкса, г; б – масса бюкса с сырой почвой, г; в – масса бюкса с абсолютно сухой почвой, г; (б – в) – масса воды, г; (в – а) – масса сухой почвы, г. Ход анализа Отбор проб на влажность можно производить во время закладки опорного разреза по теневой его стороне с учетом генетических горизонтов через каждые 10 см, а в гумусовом слое – через 5 см, т. е. по глубинам 0–5; 5–10; 10–20; 20–30 см и т. д. в пронумерованные бюксы с заранее известной массой (табл. 1). Отбор проб на естественную влажность можно проводить также буром любой конструкции. Пробы на влажность следует отбирать сразу после вскрытия очередного слоя, чтобы избежать потерь влаги. Бюксы с почвой 30-40 г быстро закрывают, ставят в ящики, 13 защищая от солнца, затем взвешивают на технических весах. В лабораторно-камеральный период практики они высушиваются в сушильном шкафу при температуре 105–110 °С в течение шести часов. Обычно после однократной сушки в течение этого времени почва приобретает постоянный вес. Однако следует убедиться, повторно просушив ее при той же температуре еще в течение двух часов. Пример вычисления приведен в Приложении 1. Таблица 1 Форма рабочего журнала при определении массовой (весовой) естественной влажности почвы Горизонт Номер Масса Масса Масса Масса Масса Весовая Средняя и глубина, бюкса бюкса, бюкса бюкса воды сухой влажность W почвы, см г + сырая + сухая почвы, почвы, почвы (W), % от веса % от веса почва, почва, г г г г а б в б–в в–а Объемная влажность почвы (θ) % от объема По данным массовой влажности (W) можно рассчитать следующие величины: коэффициент пересчета массы влажной почвы в сухую, объемную влажность, относительную влажность, запасы влаги в конкретном слое почвы. Коэффициент пересчета массы влажной почвы в сухую: 100 К = ––––––––––. 100 + W Для перевода весового процента влаги в объемные проценты следует предварительно определить плотность сложения почвы (ρb) по тем же горизонтам. Умножив весовой процент влажности на плотность сложения почвы, получим влажность в процентах к ее объему или объемную влажность. Объемная влажность (θ) – отношение объема жидкой фазы к общему объему почвы и связана с массовой влажностью следующим соотношением: θ (% от объема) = Wпочвы (% от веса) . ρb где ρb – плотность почвы в г/см3. Относительная влажность (Wотн.) – отношение массовой влажности к предельной полевой влагоемкости (ППВ): 14 W Wотн. = ––––––––– · 100. ППВ Относительная влажность характеризует степень насыщенности почвы водой. В отчете дать оценку состояния увлажнения почвы по массовой и относительной влажности, изменения влажности с глубиной по профилю почвы, объяснить причины этого. Запасы влаги (3В) в конкретном слое почвы: а) Расчет запасов воды в сантиметрах водного столба (слоя) проводят по формуле: Wρbh ЗВ (см) = –––––––, 100 где ЗВ – запасы влаги, см, h – мощность слоя, см; ρb – плотность почвы, г/см3, W – влажность весовая, %. б) Для перевода в миллиметры водного столба (слоя): ЗВ см водного столба (слоя) умножают на 10: ЗВ (мм) = ЗВ при W (см вод. ст.) · 10. в) Пересчет в кубометры (м3/га) или тонны делается путем умножения величины влажности, выраженной в миллиметрах, на коэффициент 10, так как слой воды в 1 мм на одном гектаре составляет 10 м3: ЗВ при W (м3/га) = ЗВ (мм вод. ст.) · 10, или ЗВ (м3/га) = W (% от веса) · ρbh. Общий запас воды (в м3/га и в мм вод. ст.) следует рассчитать для каждого 10-сантиметрового слоя, для каждого генетического горизонта и по слоям 0–50; 50–100; 0–100; 100–200 см и т. д. Для вычисления запасов влаги в метровой или иной толще дробные послойные запасы суммируются. 1.2. Графическое изображение изменений влажности почвы динамики Результаты многочисленных определений влажности, которыми сопровождается большинство агрохимических опытов, часто приводят в виде громоздких и трудночитаемых таблиц. Графиче15 ское изображение того же материала в виде хроноизоплет наглядно и более компактно. Этот метод позволяет сразу оценить особенности изменения влажности в почвенно-грунтовой толще любой мощности и за любой, даже очень продолжительный, период. На этом же графике сопряженно может быть показано выпадение осадков, изменение температуры воздуха, изменение уровня грунтовых вод (рис. 1), а также увеличение надземной массы растений и т. д. Рис. 1. Хроноизоплеты влажности почвы, % от веса почвы (данные А. А. Роде и Агрофизического института, 1969): А—дерново-подзолистая почва; Б — южный чернозем. 16 – диапазоны влаги При небольшом числе сроков наблюдений данные об изменении влажности можно изобразить в виде профилей влажности (рис. 2). По оси ординат на графике откладывают глубину от поверхности, а по оси абсцисс – влажность. Каждый срок наблюдения изображается отдельной линией, по уклону линии можно судить о величине градиента влажности. Полезно нанести на этом же графике основные почвенные константы – величину полной и предельной полевой (наименьшей) влагоемкости и влажности завядания. Рис. 2. Профили влажности дерновоподзолистой почвы (Роде, 1969): 1 – июнь; 2 – июль; 3 – август; 4 – сентябрь; 5 – октябрь; 6 – ноябрь Профили наглядно выявляют закономерные изменения влажности во времени, однако не отражают дробного многократного увлажнения почвы осадками. Рассматривая поочередно линии графика, можно получить представление о том, как высокая по всему 17 профилю влажность в первый срок наблюдения снижалась с поверхности и в августе упала ниже влажности завядания в пахотном слое. В более поздние, 5 и 6, сроки происходило увеличение влажности во всей толще почвы, начиная с поверхности. 18 2. ПЛОТНОСТЬ ПОЧВЫ И МЕТОДЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ Плотность почвы – одно из основных, фундаментальных свойств почвы. Без знания этой величины невозможны расчеты и количественная оценка почв. Плотность почвы подразумевает два понятия: плотности сложения и плотности твердой фазы. Данные по плотности и порозности почвенных слоев и горизонтов обязательно сопровождают полную характеристику почвенного профиля. 2.1. Плотность сложения почвы Плотность сложения ρb или dv (синонимы: объемная плотность, объемная масса, объемный вес, удельный вес скелета почвы) – это масса абсолютно сухой почвы в единице объема почвы со всеми свойственными естественной почве пустотами или, другими словами – это масса единицы объема почвы в ее естественном, ненарушенном состоянии. Это одна из важнейших физических характеристик, ее значения сказываются на всем комплексе физических условий в почве, на водном и воздушных режимах. Плотность необходима для решения ряда практических задач: вычисления порозности, запасов воды, питательных веществ, гумуса, микроэлементов, норм полива для орошения и т. д. По плотности сложения верхних горизонтов судят об окультуренности почвы. Сильно уплотненная почва оказывает большое сопротивление развитию корневой системы растений и требует дополнительных затрат на преодоление сопротивления при обработке. В переувлажненной уплотненной почве создаются неблагоприятные условия для растений вследствие занятости почти всего объема пор водой и недостатка пор аэрации. Плотная почва плохо или совсем не фильтрует воду. Поступающая на почву вода не проникает в почву, а стекает по поверхности, вызывая процессы эрозии. В настоящее время для определения плотности сложения почвы различными авторами предложен ряд методов (Качинский, 1965; Рыжов, 1951; Модина, Долгов, Польский, 1966; Чаповский, 1958; Воронин 1988). Наиболее распространенными являются буровой и фиксажный методы. Буровой основан на взятии образца почвы с помощью врезания кольца. Фиксажный – на применении фиксирующих веществ, с помощью которых вырезанные кусочки 19 почвы в естественном состоянии фиксируются, а затем объем образцов определяется гидростатическим взвешиванием. 2.1.1. Буровой метод (метод врезания кольца) определения плотности сложения почвы Ход анализа Для определения плотности сложения этим методом употребляют металлические кольца различной высоты и емкости. Чаще всего применяются кольца высотой 10 см и емкостью 1000 см. Кольцо вгоняется в почву без нарушения ее строения, затем вынимается, сверху и снизу срезается ножом и взвешивается. Целесообразнее всего определение плотности сложения проводить одновременно с определением влажности следующим образом. Пробу влажной почвы, заключенную в кольцо, сразу после того, как она отобрана из разреза, перенести (очень аккуратно и быстро) над бумагой в металлический бюкс и взвесить с точностью до 0,01 г (табл. 2). В лабораторно-камеральный период практики производится просушивание почвы при 105 °С до постоянного веса. Зная массу бюкса с высушенной почвой и массу пустого бюкса, находят массу абсолютно – или воздушно-сухой почвы. Затем, разделив массу сухой почвы на ее объем (объем кольца), получают плотность сложения почвы (см. прил. 1). Таблица 2 Форма рабочего журнала при одновременном определении плотности сложения почвы и ее естественной влажности Горизонт Но- Масса Масса Масса Масса Масса Влаж- Объем Плот- Средняя и мер бюк- бюкса + бюкса + воды в сухой ность кольца, ность плот3 глубина, бюк- са, сырая сухая пробе, почвы в (W), см сложе- ность см са г почва в почва в г объеме % от ния поч-сложения объеме объеме кольца, веса вы, г/см3 кольца, г кольца, г г ρb г/см3 а б в б–в в–а . Расчет определения плотности сложения (ρb) ведут по формуле: в–а ρb = ––––––––––. V кольца Объем кольца рассчитывается, как объем цилиндра по формуле: 20 V кольца = 2πr · h, где r – радиус кольца, h – высота кольца, обозначения: а, б, в, б – в, в – а – указаны в таблице 2. Качественная оценка плотности сложения дается по градации Н. А. Качинского (1965). Для песчаных пахотных почв характерны величины плотности 1,3–1,5 г/см3. В дерновом горизонте садовых и лесных песчаных почв плотность может уменьшаться до величины 1,2–1,3 г/см3. Плотность естественной почвы никогда не может превышать 2 г/см3, а вот минимальные значения минеральных почв редко бывают ниже 0,8 г/см3, хотя плотность торфяных почв, торфов может снижаться и до 0, 1 г/см3 (табл. 3). Таблица 3 Оценка плотности почвы естественного сложения Плотность почвы, Оценка г/см3 Менее 1 Почва вспушена или богата органическим веществом Типичные величины культурной и свежевспаханной 1,0–1,2 пашни 1,3–1,4 Пашня сильно уплотнена Типичные величины для подпахотных горизонтов 1,4–1,6 почв 1,6–1,8 Сильно уплотненные иллювиальные горизонты В табл. 4, составленной с использованием данных из книг А. Д. Воронина (1986), Д. Л. Роуэлла (1998), указаны типичные значения плотности. Таблица 4 Типичные значения плотности различных почв Почвенные объекты Пахотные горизонты минеральных почв: суглинистые песчаные Горизонты В и С Высокогумусные горизонты луговых, лесных почв Плотность твер- Плот- Плотность Пороздой фазы почвы, ность агрегатов, ность почпочвы, ρb вы, ρs ρа 3 см3/см3 г/см 2,60–2,65 2,50–2,70 2,65–2,75 0,8–1,4 1,4–1,7 1,5–1,8 1,2–1,8 – 1,4–1,9 0,69–0,46 0,46–0,35 0,43–0,32 2,40–2,50 0,8–1,2 1,1–1,7 0,67–0,50 21 Торф (верховой) 1,35–1,45 0,1–0,3 – 0,93–0,79 Приведенные величины – это возможный характерный диапазон встречающихся значений. Однако для нормального функционирования почв существует некоторый оптимальный диапазон, находящийся внутри указанных крайних значений. Важно отметить, что оптимальные диапазоны плотности пахотного слоя различаются для песчаных и суглинистых почв. Рекомендуется использовать следующие пределы оптимальных диапазонов плотности для различных почв (табл. 5). Таблица 5 Оптимальные диапазоны плотности (по А. Г. Бондареву, 1985) Гранулометрический состав (текстура) почвы Глинистые и суглинистые Легкосуглинистые Супесчаные Песчаные Оптимальный диапазон плотности, г/см3 1,00–1,30 1,10–1,40 1,20–1,45 1,25–1,60 Естественен вопрос: почему же отличаются оптимальные диапазоны для легких (супесчаных и песчаных) и тяжелых (глинистых и суглинистых) почв? Почему растения чувствуют себя лучше в песчаных почвах, когда эти почвы уплотнены вплоть до величин 1,6 г/см3? Ответ необходимо искать в механизмах и процессах, которые определяют плотность почвы, а это процессы обеспеченности растений водой и воздухом. Если песчаная почва будет рыхлой, с плотностью менее 1,25 г/см3, то такая почва не способна удерживать влагу, и растения практически всегда будут страдать от недостатка влаги, а вот более плотная песчаная почва удерживает большее количество влаги. Однако если плотность в песчаных почвах превысит 1,6 г/см3, упаковка частиц станет столь плотной, что растения не будут способны развивать корни, да и воздухопроницаемость таких почв будет низкой. В суглинистых почвах определяющими также будут процессы водо- и воздухообеспеченности растений: при плотности менее 1,0 г/см3 растения будут страдать от недостатка влаги и питательных веществ, они будут легко вымываться и не задерживаться в такой «распушенной» почве. В пахотном слое почвы с плотностью более 1,3 г/см3 вода будет излишне долго задерживаться, снижая количество воздуха, необходимого для нор22 мального функционирования корней растений. Как видно из этого анализа, такое физическое свойство, как плотность почвы определяет урожай растений не только как характеристика плотности упаковки частиц и проницаемости для корней, а, прежде всего, тем, что формирует оптимальные водный, воздушный и питательный режимы растений. В этом особенность рассмотрения физических, а точнее – агрофизических свойств почвы, которые проявляются, прежде всего, в создании условий для протекания биологических процессов в почвах и растениях (обеспеченности растений водой, воздухом, питательными веществами). Поэтому, говоря об оптимальной плотности и порозности почвы, следует иметь в виду, что влияет в конечном итоге не сама порозность почв, а недостаток/избыток влаги или воздуха в порах почвы. 2.2. Плотность твердой фазы почвы Плотность твердой фазы почвы ρs или d – это отношение массы твердой фазы почвы (минеральные, органические и другие твердофазные частицы) к ее объему, т. е. – это масса твердых компонентов почвы в единице объема без учета пор (синонимы: удельный вес твердой фазы, собственно плотность). Плотность твердой фазы определяется пикнометрически, в двух повторностях. Этот анализ проводят в стационарных условиях в лаборатории. Пикнометр – это стеклянный мерный сосуд с узким горлышком, емкостью 50, 100 мл. 2.2.1. Определение плотности твердой фазы пикнометрическим методом Ход анализа 1. Воздушно-сухую почву просеивают через сито в 1 мм и берут на технических весах навеску 10 грамм. 2. Чистый пикнометр заполняют дистиллированной водой, комнатной температуры. Вытирают снаружи фильтровальной бумагой и, держа его за горлышко (чтобы не нагревать рукой), ставят на технические весы и взвешивают с точностью до сотых грамма. 3. Отливают из пикнометра больше половины объема воды и через сухую воронку высыпают навеску почвы. Приставшие к стенкам воронки и горлышку колбы частички почвы из промывал23 ки смывают водой в пикнометр, примерно до половины сосуда. 4. Подготовленный подобным образом пикнометр ставят на плитку и кипятят 30 мин. Отсчет времени берут с момента закипания, следя за тем, чтобы не шло разбрызгивание, если начинает разбрызгиваться, убавить температуру. 5. После кипячения пикнометр охлаждают до комнатной температуры, доливают водой до метки, обтирают досуха фильтровальной бумагой и взвешивают на технических весах с точностью до сотых. 6. Расчет определения плотности твердой фазы (ρs) ведут по формуле В ρs = –––––––––– . А+В–С Пример расчета приведен в Приложении 3. Результаты анализа заносят в таблицу 6. Таблица 6 Форма рабочего журнала при определении плотности твердой фазы почвы Глубина горизонта, см Повторности НавесМасса Масса пикка пикнонометра с почвы, метра водой и почг с водой, г вой, г В А С Плотность твердой фазы, ρs Средняя плотность твердой фазы 1 2 Величина плотности твердой фазы почвы зависит от плотности компонентов почвы. Железистые скопления имеют значения 3,50– 3,70; слюда 2,70–3,10; кварц 2,60–2,80; ортоклаз 2,54–2,57; гумус 1,20–1,40. С. В. Астапов и С. И. Долгов (1959) для ориентировочных расчетов предлагают следующие значения плотности почвенных частиц: супесчаные почвы – 2,70; легкие суглинки – 2,65; средние суглинки – 2,60; тяжелые суглинки и глина – 2,55; поверхностный слой черноземных и сильно гумусированных почв – 2,40. Они предлагают для более грубых расчетов значения плотности твердой фазы почвенных частиц в среднем принимать 2,65. Конкретные 24 значения на основании их исследований колеблются для различных почв следующим образом: обогащенные железом иллювиальные горизонты подзолистых почв – 2,70–2,80 и более; обычные суглинистые, содержащие менее 10 % гумуса – 2,60–2,70; поверхностные гумусированные горизонты – 2,40–2,50; сильно разложившиеся уплотненные слои торфяных почв – 2,00–2,40; слабо разложившиеся торфяные слои – 1,50–2,00. В основном величины плотности твердой фазы почвы используются для вычисления пористости почв. 3. ПОРОЗНОСТЬ ПОЧВЫ И РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ 3.1. Общая порозность почвы Общая порозность почвы (синонимы: порозность, пористость, скважность) (ε) – это объем почвенных пор в почвенном образце по отношению к объему всего образца ( %; см3/см3): ε ( %) = (1 – Vs) · 100, где 1 – общий объем почвы; Vs – объем твердой фазы. Поскольку величина Vs может быть определена как отношение плотности сложения почвы к плотности твердой фазы то по величинам ρb и ρs также можно вычислить общую порозность: ρb ε (%) = (1 – –––––) · 100 ρs ρs – ρb или ε (%) = ––––––– · 100. ρs В целом, порозность – это суммарный объем пустот, различных по форме, размерам, направлению. Общая порозность показывает, какую долю в общем объеме почвы составляет объем пор. Общая пористость в почвах раздельночастичных (пески, супеси) складывается из промежутков между гранулометрическими элементами, в почвах тяжелого гранулометрического состава, оструктуренных – из пор между агрегатами и внутри их. Порозность имеет большое значение при агрономической характеристике почв, так как ею обусловливаются важнейшие свойства и процессы, протекающие в почве. С ней связана водопроницаемость, водоудерживающая и водоподъемная способности поч25 вы, воздухоемкость и воздухообмен внутри почвенной толщи и с атмосферой. Оптимальные условия для жизнедеятельности растений и биологических процессов создаются при определенных соотношениях в почве воды и воздуха. С. И. Долгов и С. В. Астапов (1959) предлагают следующие классификационные особенности почв по порозности. Для верхних гумусированных слоев целинных почв: лесные почвы под дубравами – 60–70 %; верхние горизонты целинных и луговых почв – 50– 60 %. В зависимости от содержания органического вещества слабогумусированные поверхностные слои бурых пустынно-степных почв и сероземов имеют пористость 55–45 %, неосушенные торфяные почвы – 90–95 %, осушенные – 80–90 %, уплотненный торфяник – 75–80 %. Более глубокие слои почвы, в том числе и подпахотные – 47– 50 %, уплотненные подпахотные горизонты – 44–45 %. В иллювиальных горизонтах пористость снижается до 40 %, в оглеенных слоях иногда падает до 30 % и ниже. Если говорить о порозности почвы, которая является прямой функцией от плотности почвы, то и для этой величины предложен ряд критериев и диапазонов оптимальности. Н. А. Качинский (1985) предложил выделять следующие диапазоны порозности почвы. Порозность почв % почва вспушена >70 отличная (культурный пахотный слой) 65–55 удовлетворительная для пахотного слоя 55–50 неудовлетворительная для пахотного слоя 50–40 чрезмерно низкая 40–25 3.2. Порозность аэрации На подход к оценке порового пространства как специфического объема для влаги и воздуха впервые обратили внимание российские исследователи: физик почв Н. А. Качинский и один из основоположников агрофизики А. Г. Дояренко. 26 Взаимосвязь порозности аэрации (синонимы: воздухоносная порозность, воздухосодержание) и общей порозности почвы осуществляется через объемную влажность почвы: εair = ε – θ. Имея данные по влажности почвы в весовых процентах (W), плотности сложения (ρb), плотности твердой фазы (ρs), можно подсчитать содержание воздуха (аэрацию) εair ( %) (см. прил. 4 и табл. 7): а) Поры аэрации при естественной влажности: ρb εairW (%) = (1 – ––––) . 100 – W . ρb, или (1) ρs εairW ρs – ρb (%) = ––––––– . 100 – W . ρb, или ρs (2) εairW (%) = ε – W . ρb, или εair = ε – θ W (3) б) Поры аэрации при ППВ: εair ППВ (%) = ε – ППВ . ρb, или εair = ε – θ ППВ Таблица 7 Форма рабочего журнала при определении некоторых показателей водно-физических свойств Глубина, см ρs θW θ ППВ ρb 3 (%) от объг/см (%) от объема ема ε (%) εairW (%) εair ППВ (%) Приведенные формулы (1)–(3) означают, что при одной и той же порозности почвы воздуха больше там, где ниже влажность. Потому нередко говорят, что вода и воздух в почве антагонисты: с увеличением влажности снижается воздухосодержание (при избытке влаги это плохо – приводит к анаэробным процессам, к вымоканию растений, смене почвенной биоты). Как правило, используют величину 10%-ного воздухосодержания как критическую, когда заметно снижается урожай. Напротив, заметное уменьшение влажно27 сти ведет к засухе. Если поры, занятые воздухом, составляют менее 20–25 % от общей пористости, то аэрация неудовлетворительная. Полученные результаты следует изобразить графически (рис. 3) в виде соотношений между водой, воздухом и твердой фазой почвы. График строится следующим образом. Общий объем почвы представить в виде квадрата или прямоугольника. В определенном масштабе отложить на оси ординат глубину до 100 см и отметить горизонты; по оси абсцисс – проценты общего объема почвы – 100 %. Сначала по глубинам отложить пористость общую. Оставшийся объем площади составит объем твердой части почвы. Затем пористость общую подразделить на объем пор, занятых водой и воздухом (рис. 3). Рис. 3. Соотношение между водой, воздухом и твердой фазой в южном черноземе (Морозова, 1982) 4. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ПОЧВЫ И МЕТОДЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ Под водопроницаемостью почв и грунтов понимают способность их впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. Процесс этот складывается из 1) поглощения воды почвой, 2) прохождения ее от слоя к слою в ненасыщенной почве и 3) фильтрации воды сквозь толщу почвы. Впитывание воды почвой, еще не насыщенной до состояния влагоемкости, в первой и второй фазах происходит под влиянием сорбционных и менисковых сил, а также градиента напора. Под фильтрацией понимают прохождение воды сквозь водонасыщенные слои почвы, под влиянием градиента напора. Впитывание вы28 ражают коэффициентом впитывания, фильтрацию почв – коэффициентом фильтрации. В природных условиях разделить процесс водопроницаемости на отдельные фазы почти невозможно. Когда поверхностные горизонты, получившие воду в первую очередь, уже насытились и начинают ее фильтровать, нижележащие горизонты начинают только впитывать воду. Фильтрацию в чистом виде в природе можно наблюдать в дне водоемов, рек, каналов, а также в случаях подачи воды на почву в больших количествах, когда промачивают все слои почвы до грунтовой воды. В агрономической практике чаще имеют дело с процессом впитывания, так как воду подают в небольшом количестве. Раздельное изучение процессов впитывания и фильтрации в полевых условиях можно проводить лизиметрическим методом, в лаборатории – на монолитах и образцах нарушенного сложения. Концом впитывания и началом фильтрации считают момент появления первой капли фильтрата в нижней части фильтрующей колонны. Различные свойства отдельных горизонтов сильно изменяют водопроницаемость почвы. Величина и характер ее в сильной степени зависят от порозности почвы и грунта – от величины и формы пор, что, в свою очередь, связано с гранулометрическим составом и структурой. В почвах и грунтах легкого гранулометрического состава, песчаных и супесчаных, а также бесструктурных – она зависит лишь от сложения механических элементов; в почвах структурных водопроницаемость обусловлена размером агрегатов, их положением друг относительно друга и, главным образом, их водопрочностью. Наличие в почве капиллярных и некапиллярных пор обусловливает неоднородное движение воды ламинарного и турбулентного характера. При ламинарном движении вода проходит через почву равномерно, промачивая ее на одинаковую глубину. Ламинарное передвижение воды характерно для почв и грунтов гомогенного сложения. Турбулентная водопроницаемость объясняется неоднородным сложением почв и грунтов, наличием некапиллярных промежутков: трещин, ходов землероев и т. п. При турбулентной водопроницаемости промачивание почвы происходит неоднородно, на разную глубину, поливная вода в таких случаях расходуется нерационально. 29 Передвижение воды в почвах и грунтах сверху вниз обусловлено разностью напоров. Вода увеличивает скорость движения с увеличением разности напоров и уменьшением длины фильтрационного пути. С последним связано сопротивление, испытываемое водой при движении. Зависимость скорости фильтрации от величины напора была выявлена Дарси в 1856 г., он же выразил ее математически формулой, получившей название «закона» Дарси. Дарси установил, что расход воды на фильтрацию в единицу времени прямо пропорционален разности напоров на определяемой длине колонны и площади поперечного сечения потока и обратно пропорционален длине пути фильтрации Закон Дарси гласит: поток влаги (qw) в насыщенной почве пропорционален коэффициенту фильтрации (Кф) и градиенту гидравлического напора: ∆h = qw Кф ––––– , (4) l где Кф – коэффициент фильтрации, а отношение: ∆h/l называется гидравлическим градиентом, т. е. отношением гидравлического напора ∆h к длине колонки l. Рассмотрим явление водопроницаемости и фильтрации на примере, изображенном на рис. 4. Рис. 4. Схема движения влаги сквозь колонку почвы, насыщенную влагой 30 На рисунке 4 видно, что почвенная колонка, имеющая длину и площадь поперечного сечения S, проводит воду с некоторой скоростью, характеризуемой потоком влаги qw. Этот поток равен количеству воды Q, прошедшему через сечение почвы S в единицу времени t: Q см3 qw = –––––– = ––––––––– = см/сут . S·t см2 · сут Он будет иметь размерность см/сут, т. е. длина/время, так как величина Q имеет размерность объема, см3; S – площади, см2; их отношение – размерность длины, см; t – интервал времени наблюдения (сут, ч, мин). Эта размерность потока влаги физически представляет столб воды, выраженный в сантиметрах (или мм, или м) водного слоя, который проходит через почву за единицу времени, поэтому все потоки воды в почве представляются величиной слоя воды в единицу времени. Дарси, измеряя расход воды, высоту перепада воды в подающем и приемном сосудах (h1 – h2 = ∆h), впервые заметил, что при фильтрации воды соблюдается соотношение (4), а также см. рис. 5: ∆h = qw Кф –––––– l Фактически гидравлический градиент – это потеря напора воды на единицу длины фильтрующей колонки. Коэффициент фильтрации (Кф) – это способность почвы проводить насыщенный поток влаги под действием градиента гидравлического давления: Очень важно отметить, что Кф имеет ту же размерность, что и поток влаги, т. е. см/сут, мм/мин, мин/ч и т. д., но лишь в том случае, если гидравлический градиент является величиной безразмерной, т. е. когда и перепад, и длина колонки выражены в одних и тех размерностях длины. Важно, что коэффициент фильтрации равен потоку влаги при единичном градиенте, поэтому нередко Кф называют скоростью фильтрации на единицу градиента. Кроме того (что тоже очень важно!), Кф является постоянной и характеристичной для данного почвенного объекта величиной. Он относится к 31 фундаментальным, базовым почвенным свойствам. Обычно фильтрация воды в почве происходит в вертикальном направлении, с поверхности почвы в глубинные слои (рис. 5). Нередко так проводят и определение коэффициента фильтрации, используя вертикально расположенный почвенный монолит, на поверхности которого постоянно поддерживают определенный слой воды, а регистрируют количество вытекающей воды во времени с нижней границы фильтрующего монолита. Рис. 5. Линейная (плановая) фильтрация воды в вертикально расположенном почвенном монолите На рисунке 5 этот монолит имеет длину l, а слой воды на его поверхности равен h1. В такой постановке опыта гидравлический градиент будет равен (h1 + l)/l, а поток воды: h1 + l = qw Кф –––––––. l В этом случае градиент не равен единице, хотя отличается от нее не намного, что допустимо для экспериментальных определений. Кроме того, отметим, что в такой постановке эксперимента линии тока воды расположены параллельно друг другу. Представленный случай – один из многочисленных, это безнапорная линейная установившаяся ламинарная фильтрация. Чему же равен в данном эксперименте Кф: h1 + l l Q = –––––––––- = Кф qw / qw –––––, так как qw = –––––– , то l h1 + l S.t Q l Кф = ––––– ––––––– . 32 St (h1 + l) 33 Классифицируют коэффициент фильтрации обычно следующим образом (табл. 8). Приведенные в табл. 8 градации коэффициента фильтрации – ориентировочные, в основном применимы для суглинистых почв. Песчаные почвы имеют обычно очень высокий коэффициент фильтрации, > 550 см/сут. И при высоких значениях Кф (40–100 см/сут), по этой классификации (табл. 8), следует говорить о невысоких для песчаных почв коэффициентах фильтрации. Таблица 8 Классификационные градации коэффициента фильтрации почв (по Ф. Р. Зайдельману, 1985) Класс Кф I II III IV V VI VII Наименование Исключительно низкий (водоупор) Очень низкий (для почвенных горизонтов – водоупорный) Низкий Средний Высокий Очень высокий Исключительно высокий Кф (см/сут) <1 1–6 6–15 15–40 40–100 100–250 >250 В связи с этим ниже приведена добавочная таблица для различных по гранулометрическому составу почвенных объектов (табл. 9). Таблица 9 Диапазоны средних значений коэффициента фильтрации для различных по гранулометрическому составу почв Почвенные объекты Песчаные почвы Суглинистые Глины Диапазон Кф, см/сут 300–800 20–100 1–50 И в этом случае следует сделать несколько уточняющих дополнений. Во-первых, даже глинистая почва может иметь коэффициент фильтрации более 60 см/сут, так как она может быть хорошо оструктуренной, и эта структура – водоустойчивой. Например, такие величины встречаются в черноземах на глинах, на карбонатных материнских породах, в ферраллитных почвах. Или напротив, песчаные почвы могут иметь очень низкий Кф, до нескольких десятков 34 или даже единиц см/сут. Это случается тогда, когда песчаные почвы слоисты, имеют прослойки более плотного (ожелезненного) песка или отличающиеся по гранулометрическому составу. В самом общем случае следует считать, что если почвенный горизонт имеет коэффициент фильтрации <6 см/сут, то этот почвенный горизонт можно рассматривать как водоупорный, практически непроницаемый для воды вне зависимости от его гранулометрического состава и других свойств. Формула Дарси выведена на основании лабораторных исследований фильтрации воды в трубках с однородным песком, поэтому приложима к условиям ламинарного движения воды в однородных песках при диаметре частиц от 0,5 до 2 мм, а также к условиям установившейся фильтрации (дно водоемов, каналов и т. п.). Однако и в почвенной практике ее широко применяют для вычисления коэффициентов впитывания и фильтрации. Водопроницаемость почв в сильной степени зависит от температуры воды, так как с ее изменением изменяется вязкость воды, с чем связана и подвижность. Принято водопроницаемость приводить к одной температуре, а в величину коэффициента фильтрации вносят поправку на температуру, приводя ее к 10 °С по формуле Хазена: Kt К10 = ––––––––––––, 0,7 + 0,03Т оС где К10 – коэффициент фильтрации при температуре 10 °С; Kt – коэффициент фильтрации при данной температуре; 0,7 и 0,03 – эмпирические коэффициенты; Т оС – температура воды, используемой для определения водопроницаемости. Водопроницаемость чаще всего выражают в миллиметрах водного столба за единицу времени. Это удобно потому, что осадки и испарение выражают в миллиметрах. Водопроницаемость выражают также в сантиметрах, литрах или кубометрах в единицу времени: секунды, минуты, часы, сутки. Водопроницаемость – одно из важнейших водно-физических свойств почвы. С нею связано использование атмосферных осадков и поливной воды; при хорошей водопроницаемости осадки, а также поливная вода почти полностью проникают в почву, создавая запа35 сы влаги и, наоборот, при плохой водопроницаемости вода стекает по поверхности, вызывая эрозию. Однако хорошая водопроницаемость может быть вредным явлением при гидротехнических работах, например, при сооружении плотин, дамб, каналов, тогда ее снижают до минимума. Вот почему изучению водопроницаемости, ее величины, характера и способов изменения уделяют большое внимание при исследованиях почв и грунтов. Вследствие комплексного характера водопроницаемости, изучение ее в почвах естественного сложения, особенно в целях ирригации, нужно проводить с тщательным контролем. Водопроницаемость изменяется по профилю почвы, поэтому ее следует изучать для отдельных генетических горизонтов. Особо важно знать водопроницаемость тех горизонтов, которые выходят на поверхность на дне и стенках ирригационной сети (каналов, дрен). Методы определения водопроницаемости почв и грунтов можно подразделять на полевые и лабораторные. Водопроницаемость, в основном, следует изучать в природных условиях. Лабораторные же исследования должны дополнять и углублять, полевые, но не заменять их. При выборе метода необходимо исходить из поставленной цели, а также характера исследования (экспедиционный или стационарный). Для полевых определений водопроницаемости почв наиболее известны: 1) метод заливаемых площадей, 2) метод трубок, 3) лизиметрический. Метод заливаемых площадей. К категории этих методов относят: а) метод рам и б) метод полива опытных делянок. Метод заливаемых квадратов (рам) дает количественную характеристику водопроницаемости почвы, он наиболее распространен, хотя весьма трудоемкий. Его применяют для определения водопроницаемости с поверхности почвы. 4.1. Определение водопроницаемости почвы методом рам Рамы, имеющие различную величину и форму (круглую, квадратную, прямоугольную), врезают в почву, в них заливают воду и производят учет интенсивности впитывания ее в почву при постоянном или переменном напоре за определенные интервалы време36 ни. Подача воды и поддержание определенного уровня ее осуществляют вручную (мерным сосудом) или автоматически с использованием водорегулирующих приспособлений, основанных на принципе сосудов Мариотта (прибор ТСХА, Князюка, Клычникова, Каминского и др.) или типа поплавков (Блинов). Для определения водопроницаемости в практике чаще употребляют металлические или деревянные квадратные рамы. В каждом варианте определения необходимы две рамы: большая – внешняя, площадью 50×50 см, и малая – внутренняя площадью 25×25 см. Внутренняя рама – учетная; наружная – защитная, ограничивающая растекание воды в почве из внутренней рамы (рис. 6). Рис. 6. Определение водопроницаемости почвы методом квадратов: 1, 2, 3 – контроль (повторности) Высота стенок каждой рамы – 20 см, в нижней части их затачивают клином, чтобы легче можно было врезать квадрат в почву. Для металлических рам используют полосовое железо толщиной 2,5–3 мм. Углы квадратов в верхней части скрепляют угольниками из того же материала, с наружной и внутренней стороны квадраты окрашивают масляной краской. У деревянных квадратов нижнюю клинообразную часть их и верхний борт обивают нержавеющей жестью или оцинкованным железом. Углы деревянных квадратов снаружи тоже скрепляют угольниками из полосового железа, а внутри промазывают замазкой. Чтобы квадрат не впитывал воду, его несколько раз окрашивают масляной краской. Определение водопроницаемости проводят с двойным или тройным контролем (см. рис. 6). Расстояние между контрольными квадратами – 50 см. Квадраты устанавливают на типичной площад37 ке почвы, недалеко от основного почвенного разреза. Необходимо, однако, учитывать, что разрез может играть роль дрены и близкое расположение к нему отрицательно повлияет на результаты водопроницаемости. Площадь, где должна быть определена водопроницаемость, нужно предохранять от утаптывания и засорения. Сначала устанавливают внешний, большой квадрат, затем внутренний. Установку квадратов производят следующим образом. Квадрат ставят на определенную для него площадку почвы, с внутренней стороны ножом намечают его границы. По намеченной границе прорезают узкую щель глубиной 8–10 см с расширением ее кнаружи. В заготовленную щель вставляют квадрат клинообразной его стороной и сначала вручную, а затем деревянным молотком плотно вгоняют его в щель на всю ее глубину. Устанавливая металлические квадраты, кладут по диагонали доску и по ней ударяют молотком, чтобы не деформировать углов квадрата и не разбить деревянного молотка о металл. С внутренней стороны квадрата узкой полосой (1–2 см) почву придавливают к его стенке деревянной доской или рукояткой ножа. С наружной стороны вокруг этого квадрата хорошо утрамбовывают почву. Внутренний квадрат при установке центрируют по внешнему. Так же сначала прорезается щель, в которую его плотно вгоняют, по внутренней и внешней стенке квадрата почву придавливают полосой в 1–2 см. В каждом квадрате устанавливают водомерную линейку, по которой отмечают уровень воды для поддержания постоянного напора ее на поверхности почвы. В этом методе напор воды должен быть равен 5 см. Внутрь квадратов помещают термометры для учета температуры воды. Наполнение водой контрольных квадратов производят поочередно. Учетный и защитный квадраты заливают одновременно. Сначала воду подают ведрами, предварительно вымеренными, и льют на фанерные вкладыши или травяные подушечки, пока уровень ее не достигнет высоты пяти сантиметров в обоих квадратах. С этого момента начинают учет воды, которую все время подливают в квадраты уже мерными цилиндрами для поддержания постоянного уровня. Учет воды ведут по внутреннему квадрату, но и во внешнем квадрате воду поддерживают на постоянном уровне (5 см). 38 4.2. Выполнение определения в ходе учебной практике Каждая студенческая бригада на характерном ключевом участке врезает (на расстоянии 1,5–2,0 м друг от друга) рамы на глубину 15–20 см. При этом следует избегать перекосов. Заглубление рам проводят ударами с двух концов по доске, положенной поверх рамы. Зазоры, образовавшиеся между рамами и почвой, тщательно утрамбовываются, вокруг рамы делается плотный земляной защитный валик или врезается подобная рама, но большего размера. Рамы могут быть круглыми или квадратными. Внутри рамы вбивается колышек с уступом так, чтобы уступ возвышался над выровненной поверхностью почвы на 5 см. Такой же колышек вбивается между защитным валиком и рамой. Уступ на колышке является верхней границей для слоя воды, постоянно поддерживаемого при опыте. Для защиты поверхности почвы от размыва при вливании воды в квадрат кладется охапка сена или соломы, то же самое делается между защитным валиком и квадратом. В одно из ведер точно отмеряется количество воды для образования во внутренней учетной раме слоя воды высотой 5 см. Во второе ведро наливается такое количество воды, которое может образовать в защитном слое тоже 5 см. Два студента одновременно заливают воду в учетный и защитный квадраты. В то же время включается секундомер и начинается отсчет времени опыта – постоянного поддерживания пятисантиметрового водного столба. При этом во внутреннем квадрате ведется строгий учет воды в следующие интервалы времени: 2 мин, 3 мин, 5 мин, 5 мин, 5 мин, 10 мин, 10 мин, 10 мин, 10 мин, 60 мин, 120 мин, 180 мин, 240 мин, 300 мин. Если вода впитывается медленно, то отсчет можно делать через более длинный промежуток времени, но раму при этом следует укрывать, чтобы исключить испарение воды. Измерение впитываемой воды нужно проводить в течение 3–4 часов, а при низкой водопроницаемости – иногда от 12 до 24 часов. Полевая запись ведется по следующему образцу: 1) состав бригады; 2) дата проведения опыта; 3) площадь и форма врезанной рамы (S), см2; 39 4) глубина вреза рамы (l), см; 5) объем первоначально прилитой воды (см3) – (например: 3500) 6) слой воды над почвой (h) – 5 см; 7) температура воды (Т °С). В строке «Прилито воды» (табл. 10) на время начала опыта записывается объем воды, влитой для создания в раме слоя высотой 5 см. В расчет скорости фильтрации он не входит, а учитывается лишь тогда, когда суммируют общее количество влитой воды на площадку, перед тем как продолжить промачивание для определения предельной полевой влагоемкости (ППВ). Таблица 10 Форма рабочего журнала при учете впитываемой воды Объем, t Прилито воды, Q1…Qn, см3 Начало 9 ч 10 мин 9 ч 12 мин Q1 3500 555 Время 9 ч 15 9 ч 20 мин мин Q2 Q3 560 549 9 ч 25 мин Q3 9 ч 30 мин Q4 9 ч 40 мин Q5 530 400 368 В других графах в последующие сроки записываются те количества воды, которые влиты (и впитались) за истекшие интервалы времени (т. е. за 2 минуты – от 9 час 10 мин до 9 час 12 мин; за следующие 3 минуты – от 9 час 12 мин до 9 час 15 мин и т. д.). Весь процесс поступления воды в почву условно делят на впитывание и фильтрацию. Впитывание воды почвой происходит в течение первых 1,5 – 2 часов опыта, пока основная масса пор не заполнится водой. Считается, что после этого процесс переходит в стадию фильтрации воды через насыщенную ею почву, причем скорость поступления воды в почву приобретает более или менее постоянное значение и мало изменяется. При камеральной обработке результатов опыта в первую очередь подсчитывается скорость впитывания воды в почву (мм/мин) за первые 2 минуты от начала опыта, затем – в интервале от 2 до 5 минут, от 5 до 10, от 10 до 15, от 15 до 25, от 25 до 30 минут и т. д. от начала опыта. Учет подливаемой воды во внутреннюю раму ведется строго одним студентом. Когда по предварительным подсчетам устанавливается, что в равные промежутки времени впитывает40 ся равное количество воды, опыт можно прекратить. В камерально-лабораторный период практики производят расчет результатов опыта и заносят в таблицу 11 (см. прил. 7). Суммарное количество впитавшейся воды в мм подсчитывается так: (Q1 + Q2 + ... + Qn) · 10 Q = –––––––––––––––––––––, S где Q1 … Qn – количество прилитой воды за интервалы наблюдений, см3; S – площадь рамы, см2, 10 – пересчет в мм. Таблица 11 Результаты определения водопроницаемости Время от начала опыта 9 ч 9.1 9.1 9.2 9.2 9.3 9.4 10.1 Все- 11.1 12.1 10 мин 2 5 0 5 0 0 0 го за 0 0 (9.10) 1-й час Время от начала опыта, 2 5 10 15 20 30 60 90 120 мин Интервалы времени, мин 2 3 5 5 5 10 30 30 30 (tn) Количество прилитой воды, см3 (Q1…Qn) Суммарное количество впитавшейся воды в мм (Q) Поток влаги (скорость впитывания воды) мм/мин (qw) Коэффициент впитывания (фильтрации), мм/мин (Кф) Коэффициент впитывания (фильтрации), мм/мин (К10) Всего за 2-й час Почвенный монолит, проводит воду с некоторой скоростью – скоростью впитывания (фильтрации) воды, характеризуемой потоком влаги qw: (Q1 . . . Qn) . 10 qw = ––––––––––––– = мм/мин , S . tn где Q1 . . . Qn – это количество прилитой воды за интервал наблюдений tn в мин, см3 S – площадь рамы, см2, 10 – пересчет см в мм. 41 Коэффициент впитывания (а для конца опыта – коэффициент фильтрации) равен: 10 · Qn l Кф = ––––––––– · ––––––– , tn· S (h + l) где Qn – количество прилитой воды см3 в интервал времени – tn (мин); S – площадь рамы (см2); 10 – пересчет см в мм; l – глубина вреза рамы, см; h – слой воды равный 5 см. Данные, полученные при различной температуре воды, должны быть сравнимыми, поэтому принято приводить коэффициент водопроницаемости к единой температуре 10 оС, вводя поправочный температурный коэффициент Хазена 0,7 + 0,03 Т оС: Кф К10 = ––––––––––––– , 0,7 + 0,03 Т оС где Кф – коэффициент фильтрации при данной температуре; Т оС – температура воды в интервале наблюдений; 0,7 и 0,03 – эмпирические коэффициенты. Сначала рассчитывают Кф и К10 мм/мин для каждого интервала. Это означает, что в каждую минуту данного срока в почву прошло какое-то количество воды. Затем нужно рассчитать, сколько в среднем поглощается воды почвой в каждую минуту часа наблюдений. Например, чтобы рассчитать среднее значение К10 для первого часа, следует сложить К мм/мин каждого 10-минутного интервала и разделить на 6; для второго часа сложить и поделить на два и т. д. Суммарная водопроницаемость за данный час наблюдений рассчитывается умножением среднего значения К10 мм/мин этого часа на 60. Величины водопроницаемости – средние из определений – оформляют в таблицу (образец формы записи результатов определения водопроницаемости дан в табл. 12) и графически в виде кривых; по оси ординат откладывают водопроницаемость почвы – K10 по оси абсцисс – время наблюдения – t (рис. 7). 42 Всего за 4 часа наблюдений (в мм/час) Всего мм/ч В среднем 30 30 3-й час 4-й час Всего мм/ч 10 10 10 10 10 10 Часы В среднем Почва, угодье Всего за 2-й час мм/ч № разреза минуты Минуты В среднем для 2-го часа Интервалы наблюдений В среднем для 1-го часа К10 мм/мин Всего за 1-й ч К10 х 60 мм/ч Таблица 12 Водопроницаемость почвы К10 в различные интервалы отсчетов при Т = 10 оС Светлокаштановая 1 солонцеватая сугли- 3,42 1,27 0,88 0,48 0,26 0,33 1,11 66,6 0,310,67 0,49 29,4 0,32 19,2 0,27 16,2 131,4 нистая почва, целина K10 – мм/ч при Т = 10 оС, h = 5 см t – часы наблюдений Рис. 7. Метод изображения цаемости почвы данных по водопрони- Затем дается качественная оценка почвы от водопроницаемости на основании шкалы, предлагаемой С. В. Астаповым и С. И. Долговым (табл. 13). 43 Таблица 13 Оценка почвы от водопроницаемости Коэффициент впитывания, мм/мин Качественная оценка водопроницаемости свыше 2,0 2,0–0,5 0,5–0,1 0,1–0,02 0,02–0,005 0,005–0,001 Менее 0,001 Очень высокая Высокая Повышенная Средняя Пониженная Низкая Очень низкая Для оценки водопроницаемости почв тяжелого гранулометрического состава в агрономических и мелиоративных целях можно пользоваться шкалой Н. А. Качинского (при напоре воды h = 5 см, Т = 10 °С) (табл. 14). Таблица 14 Оценка водопроницаемости почвы (по Н. А. Качинскому) напор воды (Н) = 5 см при температуре 10 °С Водопроницаемость, мм водного столба в первый час наблюдения (напор воды Н = 5 см при температуре воды 10 °С) свыше 1000 1000–500 500–100 выровненная по всей поверхности 100–70 70–30 <30 Оценка водопроницаемости почвы провальная излишне высокая наилучшая хорошая удовлетворительная неудовлетворительная Для высокопроницаемых почв можно использовать градации Астапова и Кременецкого: 1. Почвы слабой водопроницаемости, когда за первый час впитывается столб воды до 50 мм. 2. Почвы средней водопроницаемости, когда за первый час впитывается от 50 до 150 мм. 3. Почвы высокой водопроницаемости, когда за первый час впитывается более 150 мм воды. При работе методом заливаемых квадратов, после определения водопроницаемости учитывают характер растекания воды в почве, 44 производя зарисовку и обмер контура смоченности, а также определяют предельную полевую влагоемкость (ППВ). Для этого по окончании определения водопроницаемости квадраты снимают, смоченная площадка укрывается от испарения (сначала клеенкой, затем сеном или соломой, слоем около 20 см). Необходимое оборудование: 1. Металлические рамы размером: 50×50 см – 3 шт. 25×25 см – 3 шт. 2. Ведра емкостью 8–10 л – 3 шт. 3. Мерные кружки емкостью: 1000 см3 – 3 шт. 500 см3 – 3 шт. 4. Мерный цилиндр –1 шт. 5. Лопата – 1 шт. 6. Нож – 1 шт. 7. Рейки для установления и поддержания напора воды – 1 шт. 8. Сантиметр – 1 шт. 9. Часы – 1 шт. 10.Термометр водяной – 1 шт. 11.Сушильные стаканы для проб почвы на определение влажности 12.Технические весы 13.Сушильный шкаф 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАГОЕМКОСТИ ПОЧВЫ ПРЕДЕЛЬНОЙ ПОЛЕВОЙ Влагоемкость – это способность почвы удерживать определенное количество влаги после избыточного ее увлажнения при свободном оттоке гравитационной воды. До настоящего времени среди ведущих исследователей почвенной влаги не укоренилось единого термина, характеризующего состояние влагоемкости почвы. Так, Н. А. Качинский (1970) употребляет термин общая влагоемкость; А. А. Роде (1969) и Е. В. Шеин (2005) – наименьшая влагоемкость; С. Н. Рыжов (1951) и А. П. Розов – предельная полевая 45 влагоемкость; С. В. Астапов и С. И. Долгов (1959) – полевая влагоемкость. В том случае, когда все поры и промежутки заполнены водой, что имеет место в болотных почвах и на рисовых полях, количество влаги соответствует полной влагоемкости. Правильнее это назвать водовместимостью почвы. А разность между полной влагоемкостью (водовместимостью) и предельной полевой влагоемкостью называется водоотдачей. Под предельной полевой влагоемкостью почвы (ППВ) обычно понимают количество влаги, удерживаемое в почве адсорбционными и капиллярными силами после избыточного ее увлажнения при свободном оттоке гравитационной воды. Величина водоудерживающей силы зависит от гранулометрического, химического и минералогического состава, а также от порозности и сложения почвы. Выражается влагоемкость в массовых или объемных процентах, в миллиметрах водного столба. 5.1. Определение предельной полевой влагоемкости в экспедиционных условиях В экспедиционных условиях влагоемкость определяют после определения водопроницаемости почвы методом заливных площадей (метод рам). По окончании определения водопроницаемости рамы несколько раз наполняют водой до верха (без учета), чтобы промочить почву на большую глубину. Когда вся вода впитается в почву, рамы осторожно снимают. Смоченные площадки защищают от испарения, а также от промачивания в случае дождя. Сначала закрывают пленкой, затем травой, слоем соломы около 20 см, выдерживают до оттока гравитационной воды и установления капиллярного равновесия в промоченной толще. Чем тяжелее почва, тем больший срок требуется для этого. В практике приняты следующие интервалы: для почв песчаных и супесчаных – 12 ч, суглинистых – 24 ч, тяжелосуглинистых и глинистых – 48 ч. Пробы для определения ППВ берутся из средней части малой рамы с помощью бура из скважины по слоям 0 – 5 см, 5 – 10 см, глубже – каждые 10 см до глубины ниже границы промачивания на 30 см. Отбор проб можно сделать буром или путем заложения раз46 резов. Пробы берут не менее трех раз. Погружение бура должно быть без нажима, чтобы не происходило отжатие воды из почвы. Полевая запись аналогична записи при определении полевой влажности. Взятые в поле пробы сырой почвы в лаборатории взвешиваются, высушиваются в сушильном шкафу при температуре 105 °С в течение не менее 10–12 часов с повторной сушкой два часа. Рассчитывается влажность, которая соответствует предельно полевой влагоемкости (табл. 15) (см. прил. 2). Таблица 15 Форма рабочего журнала при определении весовой влажности почвы при ППВ Гори- Но- Масса зонт и мер бюкса, глубина, бюкг, см са а Масса бюкса + сырая почва, г б Масса Мас- Мас- Весовая Сред- Объемная бюкса са са влажность няя влажность + сухая сухой воды, почвы ППВ почвы при почва, г почг при ППВ, почвы, ППВ, % вы, г % от веса % от от объема веса в в–а б–в ППВ является важной гидрологической константой и используется при расчетах относительной влажности почвы, запасов продуктивной влаги, норм полива, объема пор аэрации, послойных, суммарных запасов влаги и рациональной поливной нормы (см. прил. 5). Весовая влажность почвы при ППВ, % от веса: б–в % ППВ от веса = ––––––– · 100 , в–а где а – масса бюкса, г; б – масса бюкса с сырой почвой, г; в – масса бюкса с абсолютно сухой почвой, г; б – в – масса воды, г; в – а – масса сухой почвы, г Объемная влажность почвы при ППВ, % от объема: % ППВ от объема = % ППВ от веса . ρb , где ρb – плотность почвы, г/см3 . 47 5.2. Вычисление послойных запасов влаги при ППВ После определения влагоемкости почвы в лабораторнокамеральный период практики представляется возможность произвести вычисление, послойных запасов влаги при ППВ, мм вод. ст. или м3/га. Запасы влаги (3В) при ППВ в конкретном слое почвы: а) Расчет в см вод. ст. (слоя) проводят по формуле: ППВ (% от веса) · ρb h ЗВ при ППВ (см) = –––––––––––––––––––– , 100 где ЗВ при ППВ – запасы влаги, см; h – мощность слоя, см; ρb – плотность почвы, г/см3, ППВ – влажность при ППВ, % от веса. б) Для перевода в миллиметры водного столба (слоя): ЗВ см вод. ст. (слоя) умножают на 10: ЗВ при ППВ (мм) = ЗВ при ППВ (см вод. ст. · 10). в) Пересчет в кубометры (м3/га) или тонны делается путем умножения величины влажности, выраженной в миллиметрах, на коэффициент 10, так как слой воды в 1 мм на 1 га составляет 10 м3: ЗВ при ППВ (м3/га) = ЗВ при ППВ (мм вод. ст.) · 10, или ЗВ при ППВ (м3/га) = ППВ (% от веса) · ρb h. 5.3. Расчет поливных норм нарастающим итогом норм и поливных По С. Н. Рыжову (1951), Н. И. Карнаухову (1977), для расчета поливных норм необходимо знать предельную полевую влагоемкость, выраженную в объемных процентах, и глубину промачивания почвы. Полив следует проводить при влажности 70 % от предельной полевой влагоемкости, т. е. поливная норма будет составлять 30 % ППВ. Таким образом, чтобы получить поливную норму, нужно величину ППВ, выраженную в виде запасов влаги при ППВ (м3/га) умножить на 0,3: 48 Расчет поливной нормы: ППВ (м3/га) · 0,3. Результаты подсчетов заносятся в таблицу 16. Таблица 16 Послойные, суммарные запасы влаги и рациональная поливная норма Глубина, Запасы влаги Запасы влаги Послойная поливсм ЗВ при W ЗВ при ППВ ная норма (0,3 от ППВ), м3/га мм м3/га мм м3/га Поливная норма нарастающим итогом, м3/га Следующий этап работы – это расчет поливных норм нарастающим итогом по профилю почвы на требуемую глубину. Это достигается суммированием послойных предыдущих поливных норм с каждой последующей. Примерные величины ППВ для верхнего метрового слоя некоторых степных среднегумусированных почв предлагают С. В. Астапов и С. И. Долгов (1959) (табл. 17). Таблица 17 Примерные величины ППВ для верхнего метрового слоя некоторых степных среднегумусированных почв (по С. В. Астапову и С. И. Долгову, 1959) Разновидность почвы по гранулометрическому составу Супесчаная Легкосуглинистая Среднесуглинистая Тяжелосуглинистая Мощность слоя, см ППВ, объемных % 0–25 25–50 50–75 75–100 0–25 25–50 50–75 75–100 0–25 25–50 50–75 75–100 0–25 25–50 50–75 25±2 22±3 18±2 17±2 27±3 2б±3 25±2 24±2 31±3 29±2 28±2 27±2 40±3 Зб±3 35±2 49 75–100 34±2 Известно, что наилучшим состоянием почвы является такое, когда на долю почвенного воздуха приходится 20 %, а на долю пор, занятых водой – 40 % от общей пористости: Когда в почве содержится, от 20 до 15 % воздуха, условия для развития растений являются удовлетворительными, от 15 до 8 – неудовлетворительными; ниже 8 – совершенно неудовлетворительными. Качественную оценку предельной полевой влагоемкости следует дать исходя из указанного соотношения содержания влаги и воздуха при ППВ. После определения водопроницаемости и влагоемкости почвы следует провести зарисовку контура смачивания почвы. 5.4. Зарисовка контура смачивания Через 24 часа для почв песчаных, супесчаных и легкосуглинистых, через 48 часа для почв суглинистых и глинистых (чем тяжелее, тем больший срок требуется для установления капиллярного равновесия) делают вертикальный разрез-траншею через центр площади внутренних квадратов по всем контролям опыта на глубину, на 30 см ниже видимой нижней границы смоченности. Для точного замера смоченную поверхность подразделяют на квадраты со стороной 10 см и воспроизводят контур на миллиметровой бумаге или по клеткам в рабочей тетради (рис. 8). Рис. 8. Профиль смоченности после определения водопроницаемости почвы (светло-каштановая солонцеватая тяжелосуглинистая почва), по вертикали – глубина, см Впитывание воды в почву идет не только вертикально вниз, но и в стороны за счет боковой инфильтрации в зависимости от харак50 тера уплотнения и плотности почвогрунтов. Поэтому, проведя зарисовку контура смачивания, можно дать характеристику сложения почвенного профиля. Лучше всего зарисовку контура смачивания проводить после определения водопроницаемости, однако можно и специально промочить воду. Производится следующим образом. После определения водопроницаемости или после обильного смачивания специальных борозд по диаметру круга смачивания делается вертикальный разрез на всю глубину промачивания и в стороны, не подвергающиеся промачиванию. Далее проводятся замеры контура растекания по вертикали от центра с поверхности почвы и в обе стороны. Эти промеры в масштабе наносятся на миллиметровку. Наиболее удобный масштаб 1:10, 10 см профиля равны 1 см на плане. Зарисовка профиля смачивания производится на относительно сухих почвах. Определение контуров смачивания при подаче воды по бороздам необходимо для проектирования расстояния между поливными бороздами. Это расстояние должно быть таким, чтобы контуры смачивания между двумя смежными бороздами смыкались. 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДНЫХ СВОЙСТВ ПОЧВЫ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ВЕГЕТАЦИОННЫХ ОПЫТОВ Поддержание оптимального режима влажности в вегетационных опытах требует большого внимания и знания водных свойств почвы. Хорошо развитые растения могут исчерпать запас доступной влаги в небольшом объеме почвы сосуда. Завядание растений недопустимо в опытах, так как глубоко травмирует растения и нарушает поступление питательных веществ и течение многих биохимических процессов. Не менее опасен даже временный «перелив сосудов», когда влажность превышает полную влагоемкость и недостаток воздуха в почве подавляет развитие растений. При подготовке вегетационного опыта исследуют водные свойства насыпных образцов почвы с нарушенным строением. Для расчета поливной нормы определяют одну из форм влагоемкости почвы и нижний предел доступной влаги. 51 Оптимальные для роста растений условия создаются в том случае, если влажность почвы при поливе доводится до 60–70 % величины полной влагоемкости, 70–80 % капиллярной или 100 % наименьшей влагоемкости. Влажность почвы в сосудах должна поддерживаться в пределах содержания легкоподвижной влаги, ни в коем случае не снижаясь до влажности завядания. 6.1. Полная влагоемкость почвы Полная влагоемкость (водовместимость, ПВ) – наибольшее количество воды, содержащееся в почве при полном заполнении всех пор и пустот, за исключением занятых «защемленным» и адсорбированным воздухом. Полная влагоемкость, определяемая в трубках, всегда бывает несколько меньше общей порозности, так как при погружении в воду образца почвы в нем сохраняется около 8 % защемленного воздуха. Полную влагоемкость почвы с нарушенным строением определяют в металлических цилиндрах с сетчатым дном или в стеклянных трубках, обвязанных с одного конца марлей. Диаметр трубки 5–6 см, высота 15–18 см. На сетчатое дно накладывают кружок фильтровальной бумаги и смачивают водой. После стекания излишка воды взвешивают трубку на технических весах с точностью 0,05 г (удобны весы ВЛТК–500) (а). Цилиндр наполняют на три четверти высоты просеянной через грохот почвой. Почву вносят небольшими порциями и уплотняют постукиванием трубки или осторожным уминанием, добиваясь того же уплотнения, которое принято для сосудов вегетационного опыта. Одновременно берут пробу для определения влажности исходной почвы. После наполнения почвой цилиндр взвешивают. Вес цилиндра с почвой (b) и по разности между весом цилиндра с почвой и пустого цилиндра определяют навеску исходной почвы (b – а). Зная влажность почвы, вычисляют вес абсолютно сухой почвы в цилиндре (d). Цилиндр с почвой прикрывают сверху стеклом, ставят в сосуд с водой, доводят уровень ее до уровня почвы в цилиндре и остав52 ляют на сутки. Через сутки вынимают цилиндр из воды, обтирают фильтровальной бумагой и взвешивают. Еще через сутки повторяют взвешивание (с). При получении близких данных насыщение прекращают. Влагоемкость выражают в весовых или объемных процентах. Для перевода в объемные весовые данные следует умножить на плотность сложения ρb (объемный вес). Полную влагоемкость (в % на абсолютно сухую почву) определяют по формуле: с–а–d ПВ (в % от веса) = ––––––––– · 100 . (5) d Отношение веса поглощенной воды (с – а – d) к весу сухой почвы (d) определяет полную влагоемкость в весовых процентах. Запись результатов определения (5): Вес цилиндра с увлажненной обвязкой (а). Вес цилиндра с почвой (b). Навеска исходной почвы (b – а). Навеска абсолютно сухой почвы (d). Вес трубки с почвой после насыщения (с). Вес поглощенной воды (с – а – d). 6.2. Капиллярная влагоемкость почвы Капиллярная влагоемкость показывает наибольшее количество воды, которое способна поглотить почва при капиллярном ее насыщении снизу. Величина капиллярной влагоемкости зависит от объема капилляров почвы и высоты почвенного столба при насыщении. Определение капиллярной влагоемкости можно производить в образцах с нарушенным и ненарушенным строением почвы. Образцы с ненарушенным строением берут специальным буром (например, буром Васильева емкостью 500 мл для определения объемного веса) непосредственно с полевых участков. Определение в образцах с нарушенным строением применяется при закладке вегетационных опытов. Размер цилиндров и порядок их заполнения почвой тот же, что при определении полной влагоемкости (5). 53 Цилиндры ставят на кювету с водой таким образом, чтобы почва через сетку соприкасалась с поверхностью воды. Взвешивание производят 1 раз в сутки. Постоянство веса укажет окончание насыщения. Содержание воды в почве после насыщения определяют по разности веса насыщенной и абсолютно сухой почвы и рассчитывают влагоемкость, как это описано для полной влагоемкости (5). Возможен и другой путь: почву из цилиндра переносят в чашку, перемешивают и отбирают пробу в сушильный стаканчик. Влажность насыщенной водой почвы в процентах к весу сухой почвы выражает капиллярную влагоемкость. 6.3. Предельная влагоемкость почвы полевая (наименьшая) В лабораторных условиях можно определить наименьшую влагоемкость образца насыпной почвы по С. И. Долгову (1948). Определение производят в стеклянных трубках диаметром 3 см и длиной 60–80 см. Нижний конец трубки обвязывают полотном или марлей. При подготовке почвы ее доводят до воздушно-сухого состояния и пропускают через грохот (2–3 мм), но не растирают. При заполнении трубок принимают меры против образования слоистости: засыпают почву через воронку, на носик которой надета широкая каучуковая трубка, доходящая до дна стеклянной трубки. При насыпании почва заполняет воронку и всю каучуковую трубку. При постоянном постукивании и вращении стеклянной трубки начинают медленно поднимать воронку, не отнимая нижнего конца каучуковой трубки от высыпавшейся почвы. Почва сплошным столбом, без сортировки, заполняет стеклянную трубку. Этот прием позволяет избежать образования слоистости. Однократный полив производят с расчетом, чтобы почвенный столб был промочен не до дна; нижняя сухая зона может быть небольшой. Ход промачивания отмечается раз в сутки – продвижение увлажненной зоны вниз хорошо заметно через стеклянные стенки. Для предотвращения подсыхания поверхности почвы трубку закрывают часовым стеклом. После прекращения передвижения воды (через 30–40 дней) трубку разрезают и послойно, в каждых 2–4 см, определяют влаж54 ность. Верхние 4–6 см обычно переувлажнены, в нижней части длиной 20–25 см, прилегающей к сухой почве, влажность заметно изменяется. Во всех слоях выше переходной зоны (кроме самых верхних) сохраняется постоянная влажность, которая соответствует наименьшей влагоемкости почвы. 6.4. Определение влаги в почве недоступной растению Не вся вода почвы одинаково доступна растениям: часть ее находится в связанной, малодоступной для растений форме. Для вычисления количества активной, доступной растениям воды, находящейся в данный момент в почве, определяют общее количество воды и вычитают из него воду «влажности завядания» – содержание воды малоподвижной и не обеспечивающей нормального развития и роста растений. Количество недоступной для растений воды в почве зависит, прежде всего, от состава самой почвы. В первом приближении эту величину можно рассчитать по максимальной гигроскопичности почвы. Массовые определения влажности завядания удобно проводить, применяя метод проростков на небольших объемах почвы. Но более правильным, хотя и более громоздким, является определение влажности завядания хорошо развитых растений, произрастающих на таком объеме почвы, которое обеспечивает нормальное их развитие. При таких исследованиях было установлено, что растения разных видов и разных фаз развития оставляют в почве при завядании разные количества неиспользованной воды (Федоровский, 1948). В полевых условиях во время засушливого периода также можно определить в корнеобитаемом слое почвы влагу, оставшуюся недоступной растениям. 6.4.1. Максимальная гигроскопичность почвы (по Митчерлиху) Около 10 г суглинистой или 20 г супесчаной воздушно-сухой почвы, пропущенной через сито с отверстиями 1–2 мм, насыпают в широкий низкий сушильный стаканчик с известным весом. После 55 взвешивания стаканчика с почвой его помещают с открытой крышкой в эксикатор, на дно которого налито 200–300 мл 10%-ного раствора серной кислоты для поддержания в нем относительной влажности воздуха 96 %. При такой относительной влажности воздуха удобнее насыщать почву влагой, чем при более высокой (влажность над насыщенным раствором K2SО4 по Николаеву или 3 %-ным раствором H2SО4 по Францессону равна 98 %), так как при большом содержании паров в воздухе небольшое понижение температуры легко вызывает образование росы в эксикаторе и увлажнение почвы, что затрудняет определение. Стаканчики выдерживают в эксикаторе до тех пор, пока почва перестанет прибавлять в весе. Значительно скорее насыщение идет в том случае, если в эксикаторе создать разрежение (например, водоструйным насосом). Эксикатор надо ставить в такое место лаборатории, где температура воздуха меняется менее всего, и оберегать его от нагревания и сотрясений. Первое взвешивание производят через 3–4 дня. Если насыщение происходит при разрежении, кран эксикатора соединяют с двумя промывными склянками с 10%-ной H2SО4 и, осторожно открывая кран, впускают в эксикатор воздух. После выравнивания давления с эксикатора снимают крышку, снимают стаканчики, быстро закрывают их крышками и взвешивают с точностью до 0,01 г. В эксикаторе сменяют 10%-ный раствор H2SО4. После взвешивания стаканчики снова помещают в эксикатор и через 5– дней снова взвешивают. Насыщение почвы влагой в эксикаторе и взвешивание повторяют до получения постоянного веса (при разрежении обычно не раньше, чем через 20 дней). По достижении постоянного веса стаканчики с почвой высушивают в сушильном шкафу при температуре 100–105 °С. Максимальную гигроскопичность МГ (весовые %) вычисляют по формуле: (В – С) · 100 МГ (весовые %) = –––––––––––––––. С–А где А – вес пустого стаканчика, г; В – вес стаканчика с почвой после насыщения, г; С – вес стаканчика с почвой после высушивания, г. 56 Вода в почве при влажности ее, равной максимальной гигроскопичности, совершенно недоступна для растения и не используется клетками микроорганизмов. Для расчета недоступной влаги, или влажности завядания, разные авторы предлагают умножать максимальную гигроскопичность на 1,34; 1,5 и 2,0. Однако такой расчет дает весьма приблизительную величину влажности завядания, так как при этом не учитывается все многообразие свойств растений. Определение максимальной гигроскопичности сильнозасоленных почв возможно, так как изменение веса образца почвы при насыщении не прекращается очень долго. Поглощение паров воды будет продолжаться за счет различия в упругости паров над раствором, из которого происходит насыщение, и над пленкой засоленной воды на поверхности почвенных частиц. Проводить предварительную промывку солей из образца и затем определять максимальную гигроскопичность не следует, ибо содержание недоступной для растений влаги в засоленной почве зависит также и от количества солей в почве. 6.4.2. Определение влажности методом проростков по Долгову завядания 40–60 г воздушно-сухой почвы помещают в обычный алюминиевый стаканчик для определения влажности почвы (диаметр 4 см, высота 6 см). Почву постепенно увлажняют, для чего стаканчик ставят наклонно и смачивают почву по каплям, по мере впитывания воды, чтобы вытеснить из почвы воздух и достичь полного смачивания почвы. С первым поливом вносят также питательные соли, если почва малоплодородна. После полива в каждый стаканчик сажают пять – шесть наклюнувшихся зерен ячменя или другого растения. До появления всходов все стаканчики должны быть прикрыты плотной бумагой для предотвращения испарения воды с поверхности почвы и ее подсыхания. После появления всходов растения следует держать в хорошо освещенном помещении и поливать не менее трех раз в день. В каждом стаканчике оставляют по четыре одинаковых растения. Влажность завядания определяют в то время, когда второй 57 лист по длине начинает превосходить первый настоящий лист. (Обычно это бывает через 2 недели после посева.) Поверхность почвы заливают расплавленной мастикой из парафина (2–3 части) и вазелина (1 часть). Температура мастики должна быть низка к точке ее застывания. Затем все стаканчики помещают в светлое, защищенное от прямого солнечного света помещение и оставляют там до завядания растений. В зимнее время выращивание ведут в камерах с освещением лампами дневного света. Начало завядания заметно по подвяданию верхушек нижних (первых) листьев; затем наступает явное завядание – все листья подвядают и опускаются до половины своей длины; третья фаза завядания характеризуется полным завяданием и опусканием всех листьев на всю их длину. При ежедневном осмотре утром, днем и к вечеру все стаканчики с растениями, достигшими второй фазы явного завядания, помещают под поставленный на стол стеклянный колпак или плотный деревянный ящик с влажной ватой или опилками, которые поддерживают в замкнутом пространстве высокую влажность воздуха. Если завядание растений под колпаком сохранится до следующего утра, это будет означать, что почва достигла влажности устойчивого завядания. Если же к утру растения восстановили тургор, их выставляют на несколько часов на открытое место до появления признаков завядания, а затем убирают во влажную атмосферу. Соблюдение этой техники установления влажности почвы устойчивого завядания очень важно для получения устойчивых, достаточно объективных данных. Определение влажности в почве проводят в тех же стаканчиках. Почвенный комок обычно легко извлекается из стаканчика, так как почва при иссушении уменьшает свой объем. Верхнюю часть почвенного образца в 1–2 см вместе с парафиновой корочкой и остатками семян удаляют; почвенную пробу разламывают, по возможности освобождают от корней и затем возвращают в тот же стаканчик, в котором производят сушку почвы и определение влажности. Определение влажности завядания ведут с трехкратной повторяемостью. Подобное определение недоступной влаги при помощи живых растений является более точным, чем определение, например, по 58 максимальной гигроскопичности; однако и этот метод не учитывает специфичности свойств растений на разных фазах их развития. 59 6.4.3. Определение вегетационным методом растениями влажности с хорошо завядания развитыми Как было установлено опытами, проведенными в лаборатории агрохимии Почвенного института им. В. В. Докучаева (Москва), наиболее точное определение влажности завядания может быть получено при хорошо развитых растениях с мощной корневой системой. Количество недоступной растениям влаги изменяется с возрастом растения; наибольшее иссушение почвы отмечено под растениями в фазе бутонизации и цветения. Как показали опыты с хорошо развитыми растениями, влажность завядания различных видов растений для одной и той же почвы также неодинакова. Почву набивают в сосуды емкостью около 1 л. Удобно употреблять для этих опытов железные крашеные сосуды. Как в обычных вегетационных опытах, на дно сосуда кладут 100–150 г битого стекла для обеспечения дренажа и устанавливают трубку для полива. При необходимости в почву вносят удобрения. На сосуд оставляют от 1 до 10 растений, в зависимости от вида. Поливку растений вплоть до бутонизации (или выколашивания) проводят как обычно, причем стремятся поддержать оптимальную для растений влажность. По достижении растениями стадии бутонизации или колошения сосуды подготавливают к определению влажности завядания. Поверхность почвы в сосудах заливают расплавленной при температуре около 40 °С легкоплавкой мастикой из смеси парафина (2 части) и вазелина (1 часть). Избыток мастики сливают через край при наклонении сосуда. Тонкий слой застывшей мастики должен покрывать всю поверхность почвы и плотно приставать к стенкам сосуда и стеблям растения, предотвращая испарение влаги с поверхности почвы. Можно использовать с этой целью и холодную невысыхающую замазку из смеси мела (или зубного порошка) и касторового масла. Отверстие поливной трубки закрывают ватным тампоном. После такой подготовки растения используют до возможного предела только доступную воду из почвы в сосуде. Растения должны находиться под непрестанным наблюдением. При первых признаках завядания растения немедленно переносят в темную камеру с относительной влажностью воздуха около 95 %. Такую камеру 60 можно соорудить на одной из вагонеток: каркас сбивают из деревянных брусков, стены из картона обтягивают марлей. На крыше камеры устанавливают большие кристаллизаторы с водой и спускают в них концы фитилей из ваты. Второй конец каждого фитиля соединяют с марлей камеры, которая постепенно увлажняется. Оправившиеся от временного завядания растения вынимают из камеры и выставляют на открытый воздух, где они обычно уже через 2–4 часа подвядают, после чего их снова помещают в камеру. После двух-трех перестановок растения не восстанавливают своего тургора в камере за сутки и остаются завядшими. В момент наступившего устойчивого завядания растения срезают, почву извлекают из сосудов, быстро перемешивают (причем отбрасывают крупные корни) и берут по две пробы из каждого сосуда для определения влажности высушиванием. Определение влажности завядания проводят в трехкратной повторности (три параллельных сосуда). Влажность завядания зависит от свойств почвы, свойств почвенного раствора (в первую очередь от осмотического давления его), вида и возраста растений. Величина влажности завядания для супесчаных почв колеблется около 3–5 % на сухой вес почвы, для суглинистых черноземных почв – 15–18 % и еще выше для торфяных почв. 6.4.4. Определение недоступной растениям воды в почве без завядания растений. Метод Соколова и Федоровского Описанные выше методы определения количества недоступной растению воды в почве имеют существенный недостаток: корни растений сконцентрированы в одном небольшом объеме почвы, который ими иссушается, а исчерпание доступной воды определяется по завяданию. Не только при самом завядании, но даже еще до его наступления растения испытывают недостаток воды, и жизненные процессы и свойства растений в опыте значительно изменяются (падает обводненность тканей, возрастает сосущая сила и т. д.). В отличие от этого в поле имеется разная обеспеченность слоев почвы влагой; растения не завядают, иссушив верхние горизонты почвы, так как продолжит получать воду из более глубоких слоев. 61 Более правильным методом определения максимального иссушения почвы корневой системой в вегетационном опыте будет постановка опыта, приближающего нас к условиям поля, в котором иссушение производится нормально развитыми и незавядшими растениями. Такие условия соблюдаются в методе А. В. Соколова и Д. В. Федоровского, заключающемся в следующем. Почву в сосудах разделяют на две половины: верхнюю половину отделяют от нижней горизонтальной прослойкой из гравия или крупного песка толщиной около 3 см (песок должен быть отсеян от примеси пыли). Такая прослойка изолирует верхнюю половину почвы от капиллярного поднятия воды снизу, если влажность нижней половины ниже полной влагоемкости (рис. 9). Рис. 9. Схема набивки сосудов при определении недоступной растению влаги 1 – почва; 2 – песок; 3 – гравий; 4 – замазка; 5 – трубка для полива Первоначально, после посева, полив производят по весу сверху и через трубочку снизу и влажность всей почвы доводят до оптимальной. Корни растений проникают до дна сосуда, после чего можно приступить к определению. Поверхность почвы заливают тонким слоем изолирующей мастики и с этого момента производят поливку только нижней половины почвы через трубочку. Поливную норму снижают и доводят до количества, поддерживающего влажность нижней половины почвы в 60 % от полной влагоемкости; при этом учитывают вес воды мертвого запаса в верхней половине, который прибавляют при расчете веса воды для полива. 62 Растения, продолжая развиваться, извлекают воду своей корневой системой из обеих половин почвы, иссушают верхнюю половину почвы до той влажности, при которой вода является недоступной. Как показали опыты, влажность эта близка к влажности завядания, найденной другими методами. Влажность почвы определяют дней через десять после прекращения полива верхней части почвы; некоторой задержки определения в этом случае опасаться не приходится, так как в верхнем слое почвы не должно происходить ни потерь воды с поверхности почвы, ни притока воды снизу по капиллярам (возможен лишь приток парообразной воды снизу). Показателем правильности применения метода является равномерность иссушения верхней половины почвы в сосуде; поэтому всегда следует брать две пробы на влажность – одну из верхней и одну из нижней части иссушаемой половики почвы в сосуде. 6.5. Вычисление запасов доступной растениям воды Запасы хорошие более 40 мм Запасы удовлетворительные 40–20 мм В слое 0 – 100 см В слое 0 – 20 см Получив данные по полной влагоемкости (ПВ), предельно полевой влагоемкости (ППВ) или наименьшей влагоемкости (НВ), влаге завядания растений (ВЗ), можно рассчитать: 1) диапазон подвижной (легкодоступной) влаги – водоотдачу определяем как разность ПВ – ППВ, или ПВ – НВ. 2) диапазон активной (доступной, продуктивной) влаги (ДАВ) – разность между предельной полевой влагоемкостью и влагой завядания – (ППВ – ВЗ); 3) запас продуктивной влаги в момент работы – разность между массовой влажностью (W) и влагой завядания (ВЗ). Данные представить в общей таблице водно-физических свойств. В отчете дать оценку состояния увлажнения почвы по массовой и относительной влажности, изменения влажности с глубиной по профилю почвы, объяснить причины этого. Таблица 18 Оценка запасов продуктивной влаги Запасы очень хорошие более 160 мм Запасы хорошие 160–130 мм Запасы удовлетворительные 63 Запасы неудовлетворительные менее 20 мм 130–90 мм Запасы плохие 90–60 мм Запасы очень плохие менее 60 мм 7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЧВЫ Определение температуры почвы производят на разных глубинах и в разные сроки. В поверхностных горизонтах определение температуры производится термометрами Саввинова, в глубинных горизонтах – вытяжными термометрами. Почвенный коленчатый термометр Саввинова позволяет измерять температуру на глубине 5, 10, 15, 20 см. Термометры вкапывают в почву на указанные глубины по линии с востока на запад на расстоянии 10 см друг от друга. Резервуар термометра должен быть расположен параллельно поверхности почвы, а ствол должен выступать над поверхностью. Под ствол термометра ставят козлы из тонких палочек. После установки термометров и стабилизации температуры (не менее суток) снимаются показания и заносятся в рабочий журнал. Почвенные вытяжные термометры устанавливают по глубинам в ряд на расстоянии 50 см друг от друга на 20, 40, 60,120, 320 или 20, 40, 80, 160, 320 см, т. е. возможно варьирование глубин. Установка ведется путем бурения скважин или закладываются разрезы. В скважинах или разрезах устанавливаются обсадные трубки. Затем они засыпаются, почва вокруг термометра плотно утрамбовывается. В скважину опускаются тросы с закрепленными на их концах термометрами. Снимают показания, в зависимости от целей исследований, один раз в декаду, в течение вегетационного периода или в течение всего года. Подобные многолетние наблюдения за режимом температуры ведут на стационарах. В условиях нашей 2-недельной практики представляется возможным снять только однократные показания изменения температуры на глубине, для того чтобы студент имел представление о характере температурных условий почвенного профиля. Для примера приводится таблица (табл. 19) режима температуры ее графическое 64 изображение (рис. 10) каштановой почвы Ольхонского района Иркутской области, по данным К. В. Морозовой (1982). 65 Таблица 19 Температура каштановой почвы с мая 1979 по январь 1980 г. Температура (оС) на глубине, см Месяц Декада Май III I II III I II III I II III I II III II II Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Январь 20 9,5 8,1 15,0 16,8 17,2 18,1 18,4 16,8 14,8 15,4 15,0 14,2 6,6 0,7 -11,0 40 8,1 7,8 8,8 14,8 16,4 15,1 16,8 14,6 14,8 13,0 13,8 13,8 6,2 0 -11,0 80 2,1 3,2 5,6 7,8 12,9 11,8 12,5 12,2 11,5 11,0 11,2 11,0 5,9 1,4 -11,0 160 0 3,2 5,2 5,4 5,4 5,0 7,0 7,8 7,5 4,8 2,2 -10,7 300 -0,4 -0,2 -0,4 0,6 0,6 0,2 0,2 4,6 4,0 3,0 3,2 3,0 3,0 1,3 -2,2 Рис. 10. Изменения температуры каштановой почвы с мая 1979 г. по январь 1980 г. 66 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Поливная норма нарастающим итогом, м3/га Послойная поливная норма ППВ (%) · ρb · 0,3, м3/га Поры аэрации при W, εair W (%) = ε – W . ρb Поры аэрации при ППВ, εair ППВ r (%) = ε – ППВ . ρb Запасы влаги при W, 3 ЗВW (м /га) = W (% ) · ρb · h Запасы влаги при ППВ, ЗВППВ (м3/га) = ППВ (%) · ρb · h Порозность общая ε (%) = ρs – ρb/ 100 ρs Плотность твердой фазы, ρs Плотность сложения ρb, см3 Относительная влажность W отн., % Предельная полевая влагоемкость ППВ, % Влажность естественная W, % Глубина горизонта, см В заключительный этап лабораторно-камерального периода все результаты расчетов объединяются в сводную таблицу (табл. 20) водно-физических свойств изучаемых почв (см. прил. 6). Таблица 20 Окончательная таблица водно-физических свойств изучаемых почв В конце прохождения учебной практики каждая бригада студентов пишет отчет по плану: Введение (где, когда проходила практика; состав бригады) 1. Краткая характеристика района работы: геология, геоморфология, гидрогеология, климат, растительность, почвы. 2. Морфологическое описание исследуемой почвы с приложением зарисованного профиля (опорного разреза). 3. Водно-физические свойства почвы. 3.1. Гранулометрический состав. 3.2. Структура. 3.3. Плотность сложения почвы. 3.4. Порозность почвы в объеме: общая; объем пор, занятых водой и воздухом при насыщении почвы водой и в естественном состоянии. 3.5. Водопроницаемость (мм/мин) с поверхности. 3.6. Влагоемкость (%, м3/ га) и профиль смачивания. 3.7. Влажность почвы: абсолютная и относительная. 3.8. Диапазон активной влаги, общие запасы воды и запасы продуктивной влаги (м3/га; мм). 3.9. Температура почвы. 3.10. Выводы и рекомендации по оптимизации свойств исследуемой почвы. 67 ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ Влагоемкость – максимальное количество воды, удерживаемое и почве силами определенной природы. Влажность завядания растений (ВЗ) – это влажность почвы, при которой растения не могут брать воду из почвы и, теряя тургор, необратимо (даже при помещении в насыщенную парами воды атмосферу) завядают. Влажность разрыва капиллярной связи (ВРК) – это влажность почвы, при которой подвижность влаги в процессе снижения влажности резко уменьшается. Находится в интервале влажностей между наименьшей влагоемкостью и влажностью устойчивого завядания растений. Водоотдача – (ПВ – НВ) или (ПВ – динамическая влагоемкость) – это количественная характеристика, отражающая количество воды, вытекающее из почвенного слоя при понижении уровня грунтовых вод от верхней до нижней границы этого слоя. Если уровень грунтовых вод опустился заметно ниже рассматриваемой почвенной толщи, то для расчета водоотдачи используют разницу между ПВ и НВ. Если же уровень остался в пределах рассматриваемой толщи, то водоотдачу рассчитывают как разность между ПВ и динамической влагоемкостью, т. е. учитывают распределение влажности в капиллярной кайме грунтовых вод. Водопроницаемость почв и грунтов – это способность их впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. Водопроницаемость чаще всего выражают в миллиметрах водного столба за единицу времени. Это удобно потому, что осадки и испарение выражают в миллиметрах. Водопроницаемость выражают также в сантиметрах, литрах или кубометрах в единицу времени: секунды, минуты, часы, сутки. Водопроницаемость почв в сильной степени зависит от температуры воды, так как с ее изменением изменяется вязкость воды, с чем связана и подвижность. Принято водопроницаемость приводить к одной температуре, а в величину коэффициента фильтрации вносят поправку на температуру, приводя ее к 10 °С по формуле Хазена. 68 Процесс этот складывается из 1) поглощения воды почвой, 2) прохождения ее от слоя к слою в ненасыщенной почве и 3) фильтрации воды сквозь толщу почвы. Впитывание – это поглощение воды почвой, еще не насыщенной до состояния влагоемкости под влиянием сорбционных и менисковых сил, а также градиента напора. Впитывание выражают коэффициентом впитывания Гигроскопическая влажность (ГВ) – влажность почвы, соответствующая относительному давлению паров воды в лабораторных условиях. Соответствует влажности воздушно-сухой почвы. Гидравлический градиент это потеря напора воды на единицу длины фильтрующей колонки ∆h/l. Диапазон подвижной влаги – (ПВ-НВ) – указывает на количество воды, которое может стечь при наличии свободного стока из рассматриваемой почвенной толщи. Диапазон доступной (продуктивной) влаги – (НВ-ВЗ) – для различных почв диапазон, указывающий на количество доступной для растений влаги, может быть различным. Например, в песчаных почвах он может достигать 6–8 %, а в суглинистых – 12–17 %. Поэтому говорят, что суглинистые почвы содержат больше продуктивной влаги, чем песчаные. Тяжелосуглинистые почвы будут содержать большее количество влаги, чем средне- и легкосуглинистые. А вот в глинах, и тем более в тяжелых глинах, доступной влаги может быть меньше, чем в средне- и тяжелосуглинистых почвах. В глинах стремительно возрастает количество связанной воды, больше увеличивается ВЗ, чем растет НВ. Поэтому зависимость количества доступной влаги от классов по гранулометрическому составу имеет максимум, приходящийся на средне-, тяжелосуглинистые почвы. Диапазон легкоподвижной, легкодоступной для растений влаги – (НВ – ВРК) – это наиболее эффективная часть той продуктивной влаги, которая характеризуется диапазоном (НВ – ВЗ). Иногда этот диапазон заменяют другим – (НВ – 70 % НВ). Этот диапазон влажности в корнеобитаемом слое, чтобы избежать непродуктивных потерь влаги на стекание ее в нижележащие слои и в то же время способствовать наиболее эффективной работе фотосинтетического аппарата растений. 69 Закон Дарси – это поток влаги (qw) в насыщенной почве пропорционален коэффициенту фильтрации (Кф) и градиенту гидравлического напора. Эта размерность потока влаги физически представляет столб воды, выраженный в см (или в мм, или в м) водного слоя, который проходит через почву за единицу времени, поэтому все потоки воды в почве представляются величиной слоя воды в единицу времени Запасы влаги (3В) в конкретном слое – это балансовая форма представления данных по влажности. Используется она в основном для характеристики запасов влаги, балансовых расчетов, для выражения всех составляющих водного баланса в одних единицах. Капиллярная влагоемкость (КВ) – количество влаги в почве, удерживаемое капиллярными силами в зоне капиллярной каймы грунтовых вод (капиллярно-подпертая влага). Коэффициент фильтрации (Кф) – это способность почвы проводить насыщенный поток влаги под действием градиента гидравлического давления. Очень важно отметить, что Кф имеет ту же размерность, что и поток влаги, т. е. см/сут, мм/мин, мм/ч и т. д., но лишь в том случае, если гидравлический градиент является величиной безразмерной, т. е. когда и перепад, и длина колонки выражены в одних и тех размерностях длины. Важно, что коэффициент фильтрации равен потоку влаги при единичном градиенте, поэтому нередко Кф называют скоростью фильтрации на единицу градиента. Кроме того (что тоже очень важно!), Кф является постоянной и характеристичной для данного почвенного объекта величиной. Он относится к фундаментальным, базовым почвенным свойствам. Максимальная гигроскопическая влажность (МГ) – влажность почвы, устанавливающаяся при помещении почвы в атмосферу с относительной влажностью воздуха 98 %. Массовая влажность или весовая естественная влажность (W) – это отношение массы воды к массе абсолютно сухой почвы, т. е. к массе твердой фазы почвы и рассчитывается по формуле (% от веса) Наименьшая влагоемкость (НВ) (по А. А. Роде, 1969 и Е. В. Шеину, 2005) – это установившаяся после стекания избытка воды влажность предварительно насыщенной почвы; достигается, 70 как правило, через 2–3 дня после интенсивного дождя или полива хорошо дренируемой гомогенной почвы. Синонимы: общая влагоемкость (по Н. А. Качинскому, 1970); предельная полевая влагоемкость – ППВ (по С. Н. Рыжову (1951) и А. П. Розову); полевая влагоемкость (по С. В. Астапову и С. И. Долгову 1959). НВ – это наибольшее количество влаги, которое почва в природном залегании может удержать в неподвижном или практически неподвижном состоянии после обильного или искусственного увлажнения и стекания влаги при глубоком залегании грунтовых вод (капиллярно-подвешенная влага). Общая порозность почвы ε (синонимы: порозность, пористость, скважность) – это объем почвенных пор в почвенном образце по отношению к объему всего образца ( %; см3/см3) Объемная влажность (θ) – отношение объема жидкой фазы к общему объему почвы Относительная влажность (Wотн.) – отношение массовой влажности к предельной полевой влагоемкости (ППВ). Плотность сложения ρb или dv (синонимы: объемная плотность, объемная масса, объемный вес, удельный вес скелета почвы) – это масса абсолютно сухой почвы в единице объема почвы со всеми свойственными естественной почве пустотами или, другими словами – это масса единицы объема почвы в ее естественном, ненарушенном состоянии. Плотность твердой фазы почвыы ρs или d (синонимы: удельный вес твердой фазы, собственно плотность) – это отношение массы твердой фазы почвы (минеральные, органические и другие твердофазные частицы) к ее объему, т. е. – это масса твердых компонентов почвы в единице объема без учета пор. Поливная норма – нужно величину ППВ (НВ), выраженную в виде запасов влаги при ППВ (НВ) в м3/га умножить на 0,3, так как полив следует проводить при влажности 70 % от предельной полевой или наименьшей влагоемкости, т. е. поливная норма будет составлять 30 % ППВ (НВ). Поливная норма нарастающим итогом по профилю почвы на требуемую глубину достигается суммированием послойных предыдущих поливных норм с каждой последующей. 71 Полная влагоемкость (водовместимость, ПВ) – наибольшее количество воды, содержащееся в почве при полном заполнении всех пор и пустот, за исключением занятых «защемленным» и адсорбированным воздухом. Порозность аэрации (синонимы: воздухоносная порозность, воздухосодержание) – это объем почвенных пор, занятых воздухом, взаимосвязь с общей порозностью почвы осуществляется через объемную влажность почвы: εair = ε – θ. Почвенно-гидрологические константы – это некоторые характерные для каждой почвы значения влажности, которые используют при практических расчетах и сравнительных оценках. Большинство этих констант возникли из практических потребностей и лишь впоследствии стал ясен их физический смысл. Скорость впитывания (фильтрации) воды – характеризуется потоком влаги qw. Фильтрация – это прохождение воды сквозь водонасыщенные слои почвы, под влиянием градиента напора. Фильтрацию почв выражают коэффициентом фильтрации. 72 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Агрофизические методы исследования почв. – М. : Наука, 1966. – 257 с. 2. Агрохимические методы исследования почв. – М. : Наука, 1975. – С. 296–328 3. Астапов С. В. Методы изучения водно-физических свойств почв / С. В. Астапов, С. И. Долгов // Почвенная съемка. – М., 1959. – С. 308–311 4. Вадюнина А. Д. Методы исследования физических свойств почв и грунтов (в поле и лаборатории) / А. Д. Вадюнина, З. А. Корчагина. – М. : Высш. шк., 1961. – 345 с. 5. Вадюнина А. Д. Методы исследования физических свойств почв / А. Д. Вадюнина, 3. А. Корчагина. – М., 1986. – 416 с. 6. Воронин А. Д. Учебное руководство к полевой практике по физике почв / А. Д. Воронин. – М., 1988. – 89 с. 7. Иванюта Л. А. Полевая практика по физике почв / Л. А. Иванюта. – Иркутск : Облмашинформ, 2002. – 19 с. 8. Ивлев А. М. Физика почв : курс лекций / А. М. Ивлев, А. М. Дербенцева. – Владивосток : Изд-во Дальневост. ун-та, 2005. – 96 с. 9. Карнаухов Н. И. Мелиорация почв / Н. И. Карнаухов. – Иркутск, 1977. – С. 51–54 10. Качинский Н. А. Физика почв / Н. А. Качинский. – М., 1965. – Т. 1. – С. 155–161; М., 1970. – Т. 2. – С. 88. 11. Морозова K. В. Методические рекомендации к полевой практике по физике почв. – Иркутск, 1982. – 35 с. 12. Принципы организации и методы стационарного изучения почв / под ред. А. А. Родэ, Н. А. Ногиной, И. Н. Скрынниковой. – М. : Наука, 1976. – 302 с. 13. Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв : метод. руководство / под ред. Е.В. Шеина. – М. : Изд-во МГУ, 2001. – 200 с. 14. Поздняков А. И. Полевая электрофизика почв / А. И. Поздняков. – М. : МАИК «Наука / Интерпериодика», 2001. – 186 с. 16. Растворова О. Г. Физика почв / О. Г. Растворова. – Л. : ЛГУ, 1983. – 191 с. 73 17. Родэ А. А. Основы учения о почвенной влаге / А. А. Родэ. – Л., 1969. – Т. 2. – С. 159–160 18. Рыжов С. Н. Методы определения физических свойств почв / С. Н. Рыжов. – Ташкент, 1951. – С. 13–18 19. Учебное руководство к полевой практике по физике почв / под ред. А. Д. Воронина. – М. : Изд. МГУ, 1988. – 92 с. 20. Физические и водно-физические свойства почв / сост. В. А. Рожков. А. Г. Бондарев и др. – М. : Изд. Моск. гос. ун-та леса, 2002. – 74 с. 21. Шеин Е. В. Курс физики почв / Е. В. Шеин. – М. : Изд-во МГУ, 2005. – 432 с. 74 ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 Результаты определения естественной влажности (W % от веса и θ % от объема), плотности сложения почвы (ρb)* Горизонт и глубина, cм Масса Масса бюк- Масса бюкса Масса во- Масса су- Влаж- Среднее Плотность Среднее Влажбюкса, са + сырая + сухая поч- ды почвы, хой поч- ность W, значение сложения значение ность θ, г почва, г ва, г г вы, г % от веса W, % от почвы, ρb % от объρb 3 3 (а) (б) (в) (б – в) (в – а) веса г/см г/см ема 0–5 50,2 49,9 189,2 186,6 174,6 166,2 5,6 20,3 124,3 117,3 4,5 17,3 11,0 1,41 1,33 1,37 15,1 5–10 49,0 48,4 49,8 48,3 48,3 50,8 51,2 49,8 49,6 46,9 49,5 50,5 49,2 52,8 51,3 49,3 51,3 49,6 48,2 49,0 178,0 190,4 192,7 193,1 218,2 200,8 194,4 188,2 188,4 192,7 184,6 182,6 203,1 213,1 234,8 223,4 226,5 230,0 234,9 227,7 155,0 166,6 167,1 167,8 189,0 175,2 170,2 165,4 166,1 168,6 157,9 158,9 168,2 180,7 207,5 193,9 203,9 202,2 208,7 203,4 22,2 23,7 25,5 25,3 28,8 25,6 24,1 22,7 22,3 24,1 26,6 23,6 28,8 25,6 24,1 22,7 22,3 24,1 26,6 23,6 106,7 118,1 117,3 119,0 141,1 124,3 119,0 115,5 116,4 121,7 108,4 109,4 119,0 127,8 156,1 144,6 152,5 152,5 160,5 154,3 20,9 20,0 21,7 21,2 20,5 20,5 20,8 19,1 19,2 18,9 22,2 23,7 20,8 25,3 17,5 20,3 14,7 18,2 16,2 15,7 20,4 1,21 1,34 1,33 1,35 1,60 1,41 1,35 1,31 1,32 1,38 1,23 1,24 1,35 1,45 1,77 1,64 1,73 1,73 1,82 1,75 1,27 25,9 1,34 28,7 1,50 30,7 1,33 26,5 1,35 25,8 1,23 28,4 1,40 32,2 1,70 32,1 1,73 28,4 1,78 28,3 10–20 20–30 30–40 40–50 50–60 60–70 70–80 80–90 90–100 21,4 20,5 19,9 19,1 23,1 23,0 18,9 16,4 15,9 75 * Пример вычисления различных водно-физических показателей из образцов опорного разреза, заложенного на ключевом участке 20 июня 1968 г. в пос. Базой, почва – чернозем южный, по данным К. В. Морозовой (1982), расчеты произведены для глубины 40–50 см. Естественная влажность (% от веса) W: б–в 188,4 – 166,1 22,3 W = ––––– · 100 = –––––––––– · 100 = ––––– · 100 = 19,1 (% от веса). в–а 166,1 – 49,7 116,4 Коэффициент пересчета массы влажной почвы в сухую: 100 100 К = –––––– = ––––––––––– = 0,83. 100 + W 100 + 19,1 Расчет определения плотности сложения (ρb) в г/см3 ведут по формуле: в–а 116,4 ρb= ––––––– = ––––––––= 1,32 г/см3. Vкольца 88 Vкольца = 2πr · h = 2 · 3,14 · 2,5 · 5,6 = 88 см3 . Естественная влажность (% от объема) θ: θ = Wпочвы (% от веса) . ρb = 19,1 . 1,35 = 25,8 (% от объема). 76 Приложение 2 Результаты определения влажности при предельной полевой влагоемкости* Горизонт и Масса Масса бюкса + Масса бюкса глубина, бюкса, сырая почва, г + сухая почва, см г (а) (б) г (в) 0–5 5–10 10–20 20–30 30–40 40–50 50–60 60–70 70–80 80–90 90–100 49,4 44,4 45,5 49,4 44,4 45,0 48,5 43,7 44,8 49,4 44,7 44,1 49,1 44,6 44,6 45,9 44,4 44,0 46,1 44,4 45,7 44,1 44,4 44,3 44,2 44,2 44,3 44,7 183,3 180,0 179,1 200,1 177,6 185,1 196,3 192,8 191,0 208,7 205,1 194,8 197,3 188,9 194,1 184,2 187,2 185,9 203,1 193,1 194,8 187,3 210,8 212,7 193,4 215,0 201,2 213,6 155,5 152,0 151,1 170,1 151,1 157,1 164,9 162,7 162,5 171,5 176,3 167,6 171,5 163,7 168,0 157,9 160,0 158,5 171,3 162,6 159,0 156,2 175,9 179,3 159,6 183,7 172,7 185,0 Масса воды почвы, г (б – в) Масса сухой почвы, г (в – а) 27,8 27,9 27,9 29,9 26,5 28,0 31,4 30,1 28,4 32,1 28,8 27,1 25,8 25,2 26,0 26,3 27,1 27,4 31,7 30,5 35,7 31,0 34,9 33,3 33,7 31,3 28,5 28,5 106,1 107,6 106,6 120,7 106,6 112,1 116,3 118,9 117,6 127,1 131,6 123,5 122,4 119,0 123,4 112,0 115,6 114,4 125,2 116,1 113,3 112,1 131,4 135,0 115,3 139,4 128,3 140,3 ВлажСреднее знаность ППВ, чение ППВ, % от веса % от веса 26,2 26,0 26,2 24,8 24,9 25,0 27,0 25,3 24,2 25,3 21,9 21,1 21,0 21,9 21,1 23,5 24,4 24,0 25,3 25,8 31,6 27,3 26,6 24,7 29,3 22,4 22,2 20,4 Среднее значение ρb, г/см3 Влажность ППВ, % от объема 26,1 1,37 35,8 24,9 1,27 31,6 25,5 1,34 34,2 22,7 1,50 34,0 21,1 1,33 28,1 23,9 1,35 32,3 25,5 1,23 31,3 29,4 1,40 41,2 25,6 1,70 43,5 25,8 1,73 44,6 21,3 1,78 37,9 77 Весовая влажность почвы при ППВ (% от веса): б–в 184,2 – 157,9 26,3 ППВ (% от веса) = –––––– · 100 = –––––––––– · 100 = ––––– · 100 = 23,5 в–а 157,9 – 45,9 112,0 Объемная влажность почвы при ППВ (% от объема): ППВ (% от объема) = ППВ (% от веса) . ρb = 23,9 . 1,35 = 32,3. Приложение 3 Результаты определения плотности твердой фазы почвы * Глубина Повтор- Навеска Масса пикно- Масса пикнометра Плотность Средняя горизонта, ности почвы, метра с водой и почвой, г твердой фа- плотность см г с водой, г зы, твердой С фазы В А ρs 0–5 5–10 10–20 20–30 30–40 40–50 50–60 60–70 70–80 80–90 90–100 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 124,76 128,03 134,71 124,45 130,14 132,88 125,18 119,95 133,10 127,26 124,76 128,03 134,71 124,45 130,14 132,88 125,18 119,95 133,10 127,16 124,76 128,03 130,52 133,83 140,55 130,30 135,95 138, 72 131,10 125,85 139,10 133,17 130,77 134,02 140,71 130,45 136,17 138,93 131,31 126,07 139,30 133,42 130,89 134,24 Расчет определения плотности твердой фазы (ρs): В 10 ρs = –––––––––– = –––––––––––––––––––– = 2,51. А+В–С 124,76 + 10 – 130,77 78 2,35 2,38 2,40 2,41 2,39 2,40 2,45 2,44 2,50 2,49 2,51 2,49 2,50 2,50 2,51 2,53 2,58 2,58 2,63 2,61 2,65 2,64 2,37 2,40 2,40 2,44 2,50 2,50 2,50 2,52 2,58 2,62 2,64 Приложение 4 Результаты определения некоторых показателей воднофизических свойств* Глубина, см ρs ρb г/см3 0–5 5–10 10–20 20–30 30–40 40–50 50–60 60–70 70–80 80–90 90–100 2,37 2,40 2,40 2,44 2,50 2,50 2,50 2,52 2,58 2,62 2,64 1,37 1,27 1,34 1,50 1,33 1,35 1,23 1,40 1,70 1,73 1,78 θ W ( %) от Θ ППВ ( %) от объема объема 15,1 25,9 28,7 30,7 26,5 25,8 28,4 32,2 32,1 28,4 28,3 ε ( %) εair W, ( %) εair ППВ, ( %) 42,2 47,1 44,2 38,5 46,8 46,0 50,8 44,4 34,1 34,0 32,6 21,1 21,2 15,5 7,8 20,3 20,2 22,4 12,2 2,0 5,6 4,3 6,4 15,5 10,0 4,5 18,7 13,7 19,4 3,2 - 35,8 31,6 34,2 34,0 28,1 32,3 31,4 41,2 43,5 44,6 37,9 - Расчет общей порозности почвы ε ( %): ρb 1,35 . ε (%) = (1 – ––––) 100 = (1 – –––––) . 100 = 46,0 . ρs 2,50 Поры аэрации при естественной влажности: εairW (%) = ε – W . ρb, или εair = ε – θW = 46,0 – 25,8 = 20,2 Поры аэрации при ППВ: εair ППВ (%) = ε – ППВ . ρb, или εair = ε – θ 13,7. ППВ = 46,0 – 32,3 = 79 Приложение 5 Послойные, суммарные запасы влаги и рациональная поливная норма* Глубина, см 0–5 5–10 10–20 20–30 30–40 40–50 50–60 60–70 70–80 80–90 90–100 Запасы влаги ЗВ при W Запасы влаги ЗВ при ППВ мм м3/га мм м3/га 7,7 12,9 28,6 30,7 26,4 25,6 28,4 32,2 32,1 28,3 28,3 77,4 129,5 286,7 307,5 264,6 256,5 284,1 322,0 321,3 283,7 283,0 17,9 15,8 34,1 34,0 28,0 32,2 31,3 41,1 43,5 44,6 37,9 179,0 158,1 341,7 340,5 280,6 322,6 313,6 411,6 435,2 446,3 379,1 Послойная поливная норма (0,3 от ППВ), м3/га Поливная норма нарастающим итогом, м3/га 53,7 47,4 102,5 102,1 84,2 96,6 94,1 123,5 130,6 133,9 113,7 53,7 101,1 203,6 305,7 389,9 486,5 580,6 704,1 834,7 968,6 1082,3 Расчет запасов влаги (ЗВ) при естественной влажности (W) и при предельной полевой влагоемкости (ППВ): а) Расчет ЗВ (см вод. ст. или слоя) Wρbh 19,1 . 1,35 . 10 ЗВ при W = –---------- = –------------------------ = 2,58 см . 100 100 ППВρbh 23,9 . 1,35 . 10 ЗВ при ППВ = –---------- = –------------------------ = 3,22 см , 100 100 h – мощность слоя (см) для глубины 40–50 см составляет 10 см . б) Для перевода в миллиметры водного столба (слоя): ЗВ см вод. ст. (слоя) умножают на 10: ЗВ при W = ЗВ при W (см вод. ст.) · 10 = 2,58 см · 10 = 25,8 мм ЗВ при ППВ = ЗВ при ППВ (см вод. ст.) · 10 = 3,22 см · 10 = 32,2 мм . в) Пересчет запасов влаги (ЗВ) в кубометрах (м3/га) или тоннах делается путем умножения величины влажности, выраженной в 80 миллиметрах, на коэффициент 10, так как слой воды в 1 мм на 1 га составляет 10 м3: ЗВ при W (м3/га) = ЗВ (мм вод. ст.) · 10 = 25,8 · 10 = 258 (м3/га) ЗВ при ППВ (м3/га) = ЗВ при ППВ (мм вод. ст.) · 10 = 32,2 · 10 = = 322 (м3/га) г) Расчет поливной нормы: ППВ (м3/га) · 0,3 = 322 · 0,3 = 96,6 (м3/га) 81 Приложение 6 42,2 47,1 44,2 38,5 46,8 46,0 50,8 44,4 34,1 34,0 32,6 21,1 21,2 15,5 7,8 20,3 20,2 22,4 12,2 2,0 5,6 4,3 6,4 15,5 10,0 4,5 18,7 13,7 19,4 3,2 - 77,4 129,5 286,7 307,5 264,6 256,5 284,1 322,0 321,3 283,7 283,0 Поливная норма нарастающим итогом, м3/га 2,37 2,40 2,40 2,44 2,50 2,50 2,50 2,52 2,58 2,62 2,64 Послойная поливная норма ППВ (%) · ρb · 0,3, м3/га 1,37 1,27 1,34 1,50 1,33 1,35 1,23 1,40 1,70 1,73 1,78 Запасы влаги при ППВ, ЗВППВ (м3/га)=ППВ(%) · ρb h Поры аэрации при W, εair W (%) = ε – W . ρb Поры аэрации при ППВ, εair ППВ r (%) = ε – ППВ . ρ Запасы влаги при W, ЗВW (м3/га) = W (%) · ρb h 42,1 81,9 83,9 90,3 93,9 81,3 90,6 78,2 73,8 63,6 73,2 Порозность общая ε (%) = ρs – ρb/ 100 ρs 26,1 24,9 25,5 22,7 21,1 23,9 25,5 29,4 25,6 25,8 21,3 Плотность твердой фазы, ρs 11,0 20,4 21,4 20,5 19,9 19,1 23,1 23,0 18,9 16,4 15,9 Плотность сложения ρb, см3 Влажность естественная W, % от веса 0–5 5–10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-90 90-100 Предельная полевая влагоемкость ППВ, % от веса Относительная влажность от ППВ % W отн. Глубина горизонта, см Окончательная таблица водно-физических свойств изучаемых почв* 179,0 158,1 341,7 340,5 280,6 322,6 313,6 411,6 435,2 446,3 379,1 53,7 47,4 102,5 102,1 84,2 96,6 94,1 123,5 130,6 133,9 113,7 53,7 101,1 203,6 305,7 389,9 486,5 580,6 704,1 834,7 968,6 1082,3 Относительная влажность (Wотн.) – отношение массовой влажности к предельной полевой влагоемкости: W (% от веса) 19,1 Wотн. от ППВ (% ) = –––––––––––––– · 100 = ––––– · 100 = 81,3 %. ППВ (% от веса) 23,5 82 Приложение 7 Результаты определения водопроницаемости (по Морозовой, 1982) Водопроницаемость для первой точки определения Время от начала опыта 9 ч10 мин 9.12 9.15 9.20 9.25 9.30 9.40 10.10 11.10 12.10 13.10 (9.10) Время от начала 2 5 10 15 20 30 1 ч 2 ч. 3 ч. 4 ч. опыта в мин, часах Интервалы време2 3 5 5 5 10 30 60 60 60 ни, мин (tn) Количество прили2500 1500 2000 1500 1500 2500 6500 13000 8500 8000 той воды, см3 (Q1…Qn) Суммарное количество впитавшейся 10,0 16,0 24,0 30,0 36,0 46,0 72,0 124,0 158,0 190,0 воды в мм (Q) Поток влаги (скорость впитывания 5,0 2,0 1,6 1,2 1,2 1,0 0,9 0,9 0,6 0,5 воды) мм/мин (qw) Коэффициент впитывания (фильтра- 3,75 1,5 1,2 0,9 0,9 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 ции), мм/мин (Кф) Коэффициент впитывания (фильтра- 3,71 1,48 1,19 0,89 0,89 0,79 0,59 0,59 0,39 0,39 ции), мм/мин (К10) Водопроницаемость для второй точки определения Количество прили5000 6500 6500 4500 4000 8000 23000 30000 26500 26000 той воды, см3 (Q1…Qn) Суммарное количество впитавшейся 20,0 46,0 72,0 90,0 106,0 138,0 230,0 242,0 346,0 446,0 воды в мм (Q) Поток влаги (скорость впитывания 10,0 8,6 5,2 3,6 3,2 3,2 3,1 2,0 1,7 1,7 воды) мм/мин (qw) Коэффициент впитывания (фильтра- 7,5 6,5 3,9 2,7 2,4 2,4 2,3 1,5 1,3 1,2 ции), мм/мин (Кф) Коэффициент впитывания (фильтра- 7,41 6,42 3,85 2,67 2,37 2,37 2,27 1,48 1,28 1,19 ции), мм/мин (К10) 83 Водопроницаемость для третьей точки определения Количество прилитой воды, см3 4500 5000 6000 4000 3500 5000 15000 21000 2000020000 (Q1…Qn) Суммарное количество впитавшейся 18,0 20,8 44,0 60,0 74,0 94,0 154,0 238,0 318,0 398,0 воды в мм (Q) Поток влаги (скорость впитывания 9,0 6,7 4,3 3,2 2,8 2,0 2,0 1,4 1,3 1,3 воды) мм/мин (qw) Коэффициент впитывания (фильтра- 6,7 5,0 3,6 2,4 2,1 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0 ции), мм/мин (Кф) Коэффициент впитывания (фильтра- 6,62 4,94 3,56 2,37 2,07 1,48 1,48 0,99 0,99 0,99 ции), мм/мин (К10) Пример расчета для первого опыта: Площадь квадрата – 2500 м2 (S); глубина вреза рамы – 15 см (l); постоянный слой воды над поверхностью почвы 5 см (h); температура воды 10,4 ос (Т) Суммарное количество впитавшейся воды в миллиметрах (а значит, и прилитой) за 15 мин будет равно: (Q1 + Q2 + ... + Qn) . 10 (2500 +1500 +2000 +1500) . 10 Q = ––––––––––––––––––––– = –––––––––––––––––––––––– = 30,0 мм . S 2500 Поскольку обычно фильтрация воды в почве происходит в вертикальном направлении, с поверхности почвы в глубинные слои, то нередко так проводят и определение коэффициента фильтрации, используя вертикально расположенный почвенный монолит, на поверхности которого постоянно поддерживают определенный слой воды, а регистрируют количество вытекающей воды во времени с нижней границы фильтрующего монолита. Этот монолит имеет длину l, а слой воды на его поверхности равен h1. В такой постановке опыта гидравлический градиент будет равен (h1 + l)/l, а поток воды: 84 qw = h1 + l Кф · ––––––– . l Чему же равен будет в данном эксперименте с монолитом Кф: Кф = qw / h1+ l ––––––––- = l l qw ––––––––- h1 + l , так как qw = Q ––––––––. , то S t Q l Кф = –––– · –––––– . S t (h1 + l) Итак, скорость впитывания (фильтрации) воды для интервала, характеризуемая потоком влаги qw в мм/мин от 9 ч 20 мин до 9 ч 25 мин в нашем опыте будет равен: (Q1 . . . Qn) . 10 1500 . 10 qw = –––––––––––––– = –––––––––– = 1,2 мм/мин , S . tn 2500 . 5 где Qn – количество прилитой воды 1500 см3 в интервал времени – tn 5 мин; S – площадь рамы 2500 см2; 10 – пересчет см в мм; l – глубина вреза рамы 15 см; h – слой воды 5 см. Коэффициент впитывания (а для конца опыта – коэффициент фильтрации) в нашем опыте будет равен: 10 · Qn l 10 . 1500 15 . . Кф = ––––––– ––––––– = ––––––––– –––––– = 0,9 мм/мин tn · S (h + l) 5 . 2500 5+15 или l 15 . . Кф = qw ––––– = 1,2 мм/мин ––––––– = 0,9 мм/мин, (h + l) 5 + 15 где Qn – количество прилитой воды 1500 см3 в интервал времени – tn 5 мин; S – площадь рамы 2500 см2; 10 – пересчет см в мм; l – глубина вреза рамы 15 см; h – слой воды 5 см. 85 Данные, полученные при различной температуре воды, должны быть сравнимыми, поэтому принято приводить коэффициент водопроницаемости к единой температуре 10 оС, вводя поправочный температурный коэффициент Хазена 0,7 + 0,03 Т оС: Кф 0,9 К10 = ––––––––––––– = –––––––––––––– = 0,89 мм/мин, 0,7 + 0,03 Т оС 0,7 + 0,03 . 10,4 где Кф – коэффициент фильтрации при данной температуре, Т оС – температура воды в интервале наблюдений; 0,7 и 0,03 – эмпирические коэффициенты. Полученные результаты изображают графически (см. рис. 7) и дается качественная оценка водопроницаемости предлагаемой по Астапову, Долгову и Качинскому. 86 Учебное издание КОЗЛОВА Алла Афонасьевна УЧЕБНАЯ ПРАКТИКА ПО ФИЗИКЕ ПОЧВ Редактор Э. А. Невзорова Дизайн обложки: М. Г. Яскин Темплан 2009. Поз. 43. Подписано в печать 9.06.09. Формат 60×90 1/16. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 3,2. Усл. печ. л. 4,7. Тираж 50 экз. Заказ 60. Издательство Иркутского государственного университета 664003, Иркутск, бульвар Гагарина, 36 87