<<
>>

Дифференциальная порозность типичных черноземов

Изменение почвенной структуры отражается на характеристике порового пространства: количество и размер пор, соотношение структурной и текстурной порозности. Удержание и распределение воды в почве, передвижение влаги с питательными веществами к поверхности корневой системы растений существенным образом определяется как общей порозностью, так и распределением пор по размерам (Судницин, 1979).

Корневые волоски и корешки растений, как правило, активно распространяются лишь в порах, диаметром крупнее 0,01 мм и 0,1 мм соответственно. Динамическое соотношение активных капиллярных пор и пор аэрации является основной характеристикой водно-воздушного режима почв. Wichtmann (1978) установил зависимость между дифферинциальной порозностью и плодородием почвы. По его мнению, пористость при pF 2,5-4,2 может служить показателем водопроницаемости и азотного питания почв.

Ряд исследователей (Соколовский, 1936; Польский, 1949) связывают функции пор с их размерами. Поэтому динамика количественного распределения пор по размерам - одна из основных структурных характеристик почвы.

Представление о строении порового пространства, так называемом «спектре пор», получается из кривых водоудерживания и известной зависимости между капиллярным давлением (Р), величиной поверхностного натяжения воду й радиусом кривизны (R) мениска в капилляре, которая выражается формулой Жюренна.

Как следует из рис. 4.23, для всех исследуемых черноземов характерно уменьшение процентного содержания пор с уменьшением диаметра выходных отверстий. Однако, для каждого объекта это распределение имеет свои особенности. В почвах естественных

Рисунок 4.23. Дифференциальная пористость типичных чернозёмов.

ценозов и нижних горизонтах пахотных черноземов максимум приходится на поры, которые дренируются при разрежении 10-30 кПа.

В пахотных и подпахотных черноземах произошло значительное уменьшение пор размером 10-60 мкм и увеличением пор меньше 3 мкм. Особенно сильные изменения произошли в структуре порового пространства пахотных горизонтов. Так, в пахотном горизонте под 40-летним паром содержание пор размером 10-60 мкм составило 15 %, тогда как для чернозема заповедной степи этот показатель колеблется от 20 до 39 %.

Таким образом, наши экспериментальные данные подтверждают выводы В.В. Медведева (1969), что в процессе сельскохозяйственного использования поровое пространство с распределением бимодального типа постепенно трансформируется в модальный тип, характеризуя снижение агрономической ценности сложения почвы.

Совместная оценка зависимости порозности по данным плотности, определенной макрометодами в поле, структурной и текстурной порозностью, дает объем трещиноватости в целом (Jong et.al, . Иначе говоря, эти зависимости позволяют рассматривать процесс увеличения трещиноватости при уменьшении влажности (Zeibel, 1971).

П.Н. Березин с соавторами (1985) дополнили это положение зависимостью изменения влажности от давления (кривая водоудер- живаемости), что дало возможность одновременно оценить объем влаги, внутриагрегатную порозность и объем трещин. Совместное изображение влажности, общей и текстурной порозности от давления почвенной влаги предложено называть диаграммой структуры порового пространства (Березин и др., 1985).

Для оценки комплекса физических свойств почв мы воспользовались расчетно-экспериментальным методом. Для этих целей были определены базовые структурно-агрегатные характеристики (Е, До , WCT , Wj - см. Табл. 4.3). С использованием этих данных рассчитаны коэффициенты свободной усадки (К), кривая водоудер- живаемости и зависимости Д[, Ф, от влажности и давления с шагом влажности в 2 %.

На основании полученных результатов построены диаграммы структуры порового пространства (рис. 4.24). Как видно из диаграмм, ход усадки в больших объемах почвы отличается от хода усадки изолированного агрегата, что выражается в отставании в большом объеме от плавной кривой усадки отдельного агрегата.

Рисунок 4.24. Диаграммы структуры порового пространства типичных черноземов

При одном и том же давлении влаги объемы, занимаемые водой, порозность агрегатов, занятая воздухом, и объем трещин соответствующего порядка значительно различаются под естественными и культурными ценозами. В агроценозах наблюдается увеличение содержания прочносвязанной воды, повышение набухаемости почв, что ведет к уменьшению содержания продуктивной влаги, резкому уменьшению пор аэрации, увеличению трещиноватости, особенно первого порядка (т.е. увеличению глыбистости) - при общем уплотнении почвы. Поэтому нельзя изучать изменение плотности этих почв при их обработке, если сравнения производятся при различной влажности.

Следует отметить высокую межагрегатную трещиноватость, свойственную пахотным горизонтам агроценозов. В подпахотных слоях почва уплотнена, и удельный объем межагрегатной трещиноватости в целом снижается, однако последняя представлена не большим количеством микротрещин, а отдельными редкими и крупными трещинами. Этот тип дифференциальной порозности - межагрегатная трещиноватость - легко ликвидируется при агрономических обработках. Поэтому в подпахотных слоях типичных черноземов значительного ухудшения структуры не наблюдается.

Текстурная порозность прежде всего ответственна за формирование внутренней природы структуры порового пространства и поэтому, в конечном счете, ответственна за водно-воздушный режим черноземов. Так, уменьшение текстурной порозности (Д; ) при увеличении поверхностной энергии на орошаемом поле и в 40-летнем пару способствует возрастанию усадки-набухания. Пониженная фильтрационная способность на этих угодьях, по-видимому, обусловлена резким уменьшением межагрегатной порозности в верхних слоях пахотных горизонтов за счет увеличения их набухания (Sunkel, 1964).

Для того, чтобы проследить водно-воздушный режим типичных черноземов, мы использовали многолетние данные А.Ф.

Большакова (1961) по водному режиму почв степи, леса и 40-летнего пара. Динамика влажности орошаемого и неорошаемого полей была получена в результате совместных работ с лабораторией агрофизики ВНИИЗиЗПЭ.

Из полученных диаграмм структуры порового пространства и естественной динамики влажности исследуемых почв следует, что величина динамики плотности и порозности почв в течение вегетационного периода является основным показателем стабильности порового пространства черноземов, находящихся в различных условиях использования.

Агрогенное воздействие существенно изменяет организацию структуры порового пространства, которой становится свойственна высокая динамичность в соответствии с динамикой влажности, в то время как на почвах естественных угодий она проявляется в меньшей мере. Удельная величина поверхностного заряда (Qs) обычно выражается в системе СИ в размерности моль/кг, что в значительной мере облегчает вычисление потенциальной энергии взаимодействия твердой фазы и порового раствора по формуле: Е = QSRT, где: RT - пе- ресчетный коэффициент (Березин и др., 1983).

Согласно исследованиям П.Н. Березина с соавторами (1987), величина поверхностной энергии больше 100-110 дж/моль означает повышенную набухаемость и усадочность почвы, повышает трещиноватость и глыбистость структуры. Для горизонта В1 солонца поверхностная энергия составляет 140-160 дж/моль, а в предкавказских слитых черноземах - 160-220 дж/моль.

По нашим исследованиям типичные черноземы степи и леса с хорошо выраженной зернистой структурой характеризуются величинами энергии порядка 55-60 дж/моль. При вовлечении целинных черноземов в сельскохозяйственное использование наблюдается существенное увеличение поверхностной энергии почвы пахотных горизонтов. Следует отметить, что ее величина в некоторой степени отражает характер сельскохозяйственного использования (табл. 4.3).

Так, поверхностная энергия пахотного горизонта неорошаемого поля возросла до 70 дж/моль. Бессменное 40-летнее парование увеличило Е до 70-77 дж/моль.

Семилетнее орошение дождеванием также способствовало возрастанию поверхностной энергии верхних слоев пахотного горизонта до 88 дж/моль.

Оптимальное сложение почвы во многих исследованиях, как правило, устанавливается по исходной плотности, без учета происходящих деформаций в течение года и, особенно, в процессе формирования урожая. Для изучения этих деформаций используются разовые определения плотности почвы буровым методом, поскольку проведение режимных наблюдений весьма трудоемко.

В энергетическом подходе к оценке структурного состояния почвы центральное место занимает понятие об удельной пористости агрегатов (Д, м3/кг). Она очень близка по своей сути к часто применяемой за рубежом категории текстурной пористости (Fies, Stengel, 1981). Хотя такое понятие и является абстракцией, оно дало возможность П.Н. Березину с соавторами (1983) привлечь основные термодинамические законы для исследования взаимосвязи твердой фазы с почвенной влагой и воздухом.

Термодинамический анализ системы твердая фаза почвы - вода - воздух позволили вывести уравнение для равновесного состояния текстурного агрегата.

При уменьшении влажности происходит увеличение всасывающего давления. Однако, следует отметить, что для большинства поч1 происходит не только увеличение давления влаги, но и уменьшение текстурной пористости, что будет приводить к усадке почвы. Таким образом, изменение текстурной порозности является центральным звеном в оценке порового пространства, включая водно-воздушные свойства почв.

Для более детальной характеристики усадки почв, по всей видимости, следует изучить изменение удельного объема небольших агрегатов - текстурной порозности. Усадка мелких агрегатов - это изменение текстурной (агрегатной) порозности (Stengel, 1979; Gessier, . Усадка крупных агрегатов (почвы в целом) - изменение структурной межагрегатной порозности. Под трещиноватостью понимается разница между порозностью почвы (структурной) и порозно- стью агрегатов (текстурной) в данный момент влажности.

Расчеты усадки почв при изменении влажности проводили в объемных единицах в системе СИ (Березин и др., 1983) Отнесение объема пор к весу сухой почвы позволяет вести расчет удельной порозности не от предельно набухающей почвы, а от неизменного в процессе усадки веса твердой фазы (Gessier, 1980; De Jong, 1983).

Для того, чтобы оценить трещиноватость при различной влажности, а следовательно, характеризовать водно-воздушный режим, необходимо знать зависимость порозности почвы и отдельно порозности агрегатов от влажности.

При иссушении агрегатов пахотного горизонта от состояния предельного насыщения наблюдается уменьшение объема порового пространства пропорционально уменьшению количества воды - прямолинейный участок графика (при изменении влажности от 40 до 23-10'5 м3/кг, Д изменяется от 42 до 25 -10'5 м3/кг). Это соответствует процессу нормальной усадки (рис. 4.24).

Дальнейшее иссушение ведет к более медленному изменению Д , чем W„ . Далее этот процесс идет до достижения Д = 23*1 О*5 м3/кг (предел усадки). Последующее иссушение не приводит к уменьшению порозности агрегатов. Следует отметить, что кривые хода усадки единичных агрегатов для всех исследуемых почв угодий носят экспоненциальный характер.

Для всего интервала влажностей наибольшая текстурная пороз- ность характерна для почвы степи. Для агроценозов она убывает в следующей последовательности: неорошаемое поле, орошаемое поле, 40-летний пар. Следует отметить, что составленный ряд не совпадает с расположением этих участков по общей порозности почвы. Это указывает на существенное различие исследуемых угодий по межагрегатной порозности.

Орошение типичных черноземов в течение 7 лет привело к уменьшению агрегатной порозности, однако это наблюдается только в верхнем 0-5 см слое пахотного горизонта. Для этого слоя также увеличивается коэффициент усадки до 0.024, что является одним из характерных признаков развития процессов, аналогичных слитоге- незу (Березин и др., 1985). Однако нижние пахотные слои (5-10 см и 20-25 см) сохранили достаточно высокую текстурную порозность 23- 25 • 10'5 м3/кг. Поэтому говорить об ухудшении структуры при орошении дождеванием не следует, поскольку изменения для всего пахотного горизонта незначительны.

По-видимому, изменение верхнего 0-5 см слоя связано со спецификой орошения дождеванием, которому свойственно: механическое разрушение структуры за счет воздействия капель и быстрого увлажнения, в результате чего происходит «разрывающее» воздействие защемленного воздуха, а также сказываются явления временного анаэробиозиса (Ландина, 1986).

Систематическая вспашка парующего чернозема в течение сорока лет также явилась причиной значительного уменьшения текстурной порозности (21-10-5 м3/кг) и увеличению поверхностной энергии твердой фазы, что привело к значительным проявлениям процессов усадки-набухания.

* * *

Таким образом, проведенное сравнение парных разрезов черноземов на «реперных» объектах В.В. Докучаева в ЦЧО показало сильное агрогенное уплотнение и частичную дезагрегацию верхних горизонтов пахотных черноземов. Разница в плотности сложения пахотных и контрольных вариантов может достигать 0.2-0.3 г см 3 и проявляться вплоть до глубины 50-60 см. Содержание зернистой фракции падает в 2-3 раза, глыбистой - может возрастать на порядок. Коэф-

фициент структурности пахотных горизонтов в 2-3 раза ниже их аналогов в контрольных объектах. При интенсивном использовании может в четыре раза падать содержание водопрочных агрегатов.

Анализ реологических характеристик черноземов выявил три стадии агрогенной деградации их микроструктуры при увеличении нагрузки: (1) увеличение прочности структурных связей за счет сближения почвенных частиц при уплотнении; (2) уменьшение их прочности при разрушении фазовых контактов от чрезмерного сближения частиц; (3) обесструктуривание с преобладанием несвязных частиц и коагуляционных структурных связей. Преобладание в пахотных горизонтах второй стадии деградации резко снижает противо- эрозионную устойчивость черноземов.

Проведенный анализ профильного распределения дисперсности глинистой фракции в агрогенном ряду черноземов показал ее уменьшение в пахотных горизонтах и вертикальное перераспределение глинистых частиц на глубину 40-60 сантиметров. Возрастание агрогенной нагрузки сопровождается снижением значений фактора дисперсности и противоэрозионной стойкости черноземов. Даже незначительное агрогенное увеличение их удельной поверхности в этих условиях порождает опасность повышенной усадки-набухания.

Значительное уменьшение общей влагоемкости черноземов агроценозов приводит, при сохранении высоких значений влажности завядания, к существенному снижению запасов продуктивной влаги. Агрогенное разрушение крупных иерархических педов и замещение их вторичными агрегатами с менее развитым поровым пространством сопровождается снижением агрегатной и межагрегатной пороз- ности пахотных и подпахотных горизонтов. Резко падает водопроницаемость. Существенно сокращается диапазон благоприятной для обработки влажности. Неграмотное орошение резко активизирует процессы агрофизической деградации черноземов.

<< | >>
Источник: Щербаков А.П., Васенёв И.И. (ред.). Агроэкологическое состояние чернозёмов ЦЧО. 1996

Еще по теме Дифференциальная порозность типичных черноземов:

  1. 4.4. Физическая характеристика типичных черноземов с разной степенью агрогенной нагрузки
  2. Структурно-функциональные свойства типичных черноземов с разной степенью агрогенной нагрузки
  3. Дифференциальная порозность типичных черноземов