<<
>>

Реологическая характеристика черноземов парных разрезов

Основной задачей этого раздела явилось изучение структуры черноземов парных объектов на уровне межчастичного и межмик- роагрегатного взаимодействия. Характеристика фазового состояния структурообразования дана на основе определения кумулятивной характеристики микроструктуры почв - ее пластической прочности.

Пластическая прочность (Рт) определяется как предел прочности структуры почвы, не зависящий от величины действующей нагрузки. Стандартный метод определения пластической прочности состоит из серии испытаний, в которых наблюдается изменение напряжения сдвига (Р), возникающего в испытуемой дисперсии как реакция на внешнюю нагрузку, от времени, при данной нагрузке до получения постоянных значений предела прочности. Испытания проводились на коническом пластометре Ребиндера, на искусственно приготовленных образцах, при влажности границы текучести (Абрукова, 1977).

Полученные нами данные, характеризующие прочность структуры черноземов в единственном физическом состоянии, не дают и не могут дать представление об их физико-механических свойствах вообще. Поэтому мы сочли необходимым обратиться к работе Л.П. Абруковой (1971), в которой дана полная реологическая характеристика типичного мощного чернозема Стрелецкой степи. Мы надеемся, что совмещение общей и частной характеристики почв одного генетического типа позволит глубже рассмотреть актуальное качество структуры черноземов, находящихся в условиях интенсивного агрогенного воздействия.

Как показали исследования Л.П. Абруковой, для суспензий типичного мощного чернозема является характерным очень быстрый процесс структурообразования в узком диапазоне изменения концентрации по твердой фазе. В горизонте А1 (0-10 см) преобладают прочно сцементированные микроагрегаты, которые при увлажнении и деформации проявляют дилатантные свойства (т.е. при увеличении нагрузки до некоторых пределов наблюдается увеличение прочности изучаемой суспензии.

Это происходит потому, что механическая прочность водопрочных микроагрегатов значительно выше прочности структурных связей между ними, последние легко разрушаются и реологическое поведение суспензии из таких микроагрегатов аналогично поведению суспензии из несвязных грубодисперсных частиц).

При влажности границы текучести горизонт А1 (0-10 см) типичного мощного чернозема характеризуется состоянием тиксостабиль- ности, преобладают прочные коагуляционно-кристаллизационные связи. В горизонте В1 (80-90 см) преобладают коагуляционнотиксотропные структурные связи довольно высокой прочности, но по сравнению с горизонтом А1 (0-10 см) внутриагрегатные связи менее прочны и быстрее разрушаются. В горизонте С (150-160 см) присутствие карбонатов делает образец тиксостабильным. Тиксотропные свойства этот горизонт проявляет только при влажности границы текучести.

По генетическим горизонтам вниз по профилю прочность коагуляционных структурных связей (при влажности границы текучести) уменьшается. Высокая прочность структурных связей между почвенными частицами в верхнем слое гумусового горизонта является единственным фактором, препятствующим эрозионным размывам (Абрукова, 1977).

Полученные результаты определения пластической прочности для профилей черноземов парных объектов из Воронежской и Пензенской областей приведены на рисунках 4.17 и 4.18. Все черноземы в качестве материнской породы имеют тяжелый суглинок (в Каменной степи - глину) и различаются по гранулометрии гумусового горизонта. Черноземы одинакового гранулометрического состава на одинаковой материнской породе составляют пары по уровню или качеству агрогенного воздействия: минимум - максимум (залежь - пашня, лес - пашня, и выгон (пастбище) - пашня).

Все определения проводились в 4-5 кратной повторности.

В ряду исследованных почв относительным региональным контролем является разрез № 5-92 (залежь в Каменной Степи). В этом разрезе прочность структурных связей при влажности границы текучести изменяется так же, как было обнаружено ранее (Абрукова, 1971) для чернозема Стрелецкой степи, т.е.

уменьшается по генетическим горизонтам вниз по профилю.

С поверхности контрольный профиль имеет самую высокую пластическую прочность из всех обследованных профилей черноземов среднего и тяжелого гранулометрического состава. Высокая прочность образцов супесчаного гранулометрического состава объясняется скорей дилатантностью, чем качеством структурных связей.

Разрез № 6-92 характеризует пашню на черноземе, аналогичном контрольному. В этом разрезе слой 0-11 см имеет незначительно более высокую прочность структуры чем слой 11-20 см. Разделение пахотного горизонта по пластической прочности наблюдалось нами так же в разрезах №№ 10-92 и 12-92.

Вероятно, это явление свидетельствует о факте сезонного упрочнения структурных связей в поверхностном корнеобитаемом слое за счет интенсификации физических и биологических процессов. Увеличение пластической прочности в нижней части супесчаного пахотного горизонта (разрез № 10-92) свидетельствует о большем проявлении дилатантных качеств и, следовательно, уменьшении связности структурных элементов почвы.

В подпахотных горизонтах всех пахотных почв (кроме разреза № 10-92) наблюдаются высокие значения пределов прочности. По- видимому, это связано с уплотняющим действием сельскохозяйственной техники. В разрезе № 6-92 в слое почвы (30-40 см) наблюдается самое высокое значение пластической прочности, затем


Рисунок 4.18. Пластическая прочность (кг/см)

парных разрезов черноземов.

прочность структурных связей постепенно уменьшается до горизонта В1 (84-103 см) и снова увеличивается в горизонте ВС (103-130 см).

Распределение значений пластической прочности по профилю пахотного чернозема (разрез № 6-92) отличается от контрольного разреза (№ 5-92).

В первом случае максимальное значение предела прочности соответствуют подпахотному горизонту, во втором - поверхностному слою гумусового горизонта. Прочность структур, развитых в пахотном горизонте, ниже, чем в соответствующем слое гумусового горизонта контрольного профиля.

Наименьшая прочность структурных связей на контроле определена в горизонте ВС (109-130 см). В этом же горизонте под пашней прочность структурных связей близка к максимальной. Высокие величины пластической прочности в горизонте ВС наблюдаются во всех пахотных почвах, кроме разреза № 10-92 (супесчаного чернозема).

Распределение значений пластической прочности в пахотных суглинистых черноземах (разрезы №№ 4-92 и 12-92) отличаются от описанного для разреза № 6-92 лишь в деталях. Разрез № 4-92 характеризуется монотонным увеличением пластической прочности вниз по профилю. В разрезе № 12-92 это увеличение не монотонно, минимум прочности соответствует нижней части пахотного горизонта, максимум - нижней части горизонта А1.

В целом по профилю пахотного типичного чернозема наблюдается увеличение прочности структурных связей в горизонтах AI и ВС и уменьшение в пахотном горизонте. В тяжелосуглинистых черноземах наблюдается значимое повышение пластической прочности в подпахотном слое.

Наиболее глубокое изменение структурного состояния произошло при освоении супесчаных черноземов, где в верхней части профиля (до глубины 40 см) крупные фракции гранул оказались исключенными из структурных процессов, обеспечивая ярко выраженную дилатансию (рис. 4.19.А). Если сравнить кривые, характеризующие деформационное поведение паст, приготовленных из поверхностных слоев разрезов №№ 10-92 и 11-92, разница очевидна (рис. 4.19).

В эксперименте с пахотной почвой, после достижения минимальной величины пластической прочности структура насыпного образца оказывается полностью разрушенной, и наблюдается дила- тансия в чистом виде - псевдоупрочнение ограниченной в объеме дисперсии под нагрузкой.

Рисунок 4.19. Зависимость предела прочности (Pm) от глубины погружения конуса (h)

а)              разрез 10-92 гор АР (0-11), Pm=0.34, W=16.2%

б)              разрез 11-92 гор А1 (0-10), Рт=0.46, W=33.4%

В поверхностном слое гумусового горизонта А1 (0-10 см) чернозема супесчаного под лесной растительностью наличие грубодисперсных частиц в пасте проявляется только в большом разбросе значений (НСР = 0.12 кг/см2). Очень высокое значение пластической прочности (0.47 кг/см2) в этом слое и отсутствие дилатансии (рис. 4,19.Б) можно объяснить только прочными структурными связями между всеми почвенными частицами. При этом особую роль играет влажность определения - граница текучести, при которой почва еще не содержит несвязанной, гравитационной воды, способствующей расслоению суспензии.

Чувствительность супесчаных почв к антропогенному воздействию может определяться тем, что вовлеченность крупных частиц в процессы структуроообразования в большинстве случаев бывает неполной (Воронин, 1986). Вероятнее всего, в легких почвах при участии органических веществ и влаги между частицами всех размеров возникают клеевые (адгезионные) швы, которые могут как упрочняться, старея при отсутствии механического воздействия, так и разрушаться при его наличии. Эти швы можно представить как самые хрупкие конденсационные связи - легко разрушающиеся и плохо, или даже совсем, невосстановимые.

Рассмотрение пар выгон - пашня (разрезы №№ 1-92 - 4-92 и №№ 13-92 - 12-92) показывает, что на пастбищах так же имеет место глубокая деградация структуры почвы. Понижение прочности структурных связей наблюдается до глубины 35-40 см, а ниже происходит их упрочнение.

На верхнюю часть профиля тяжелосуглинистого типичного чернозема пахота и выпас скота повлияли примерно одинаково. Структура гумусового горизонта среднесуглинистого чернозема оказалась более чувствительной к пастбищному режиму - уменьшение прочности структуры гумусового горизонта (слой 0-40 см) разреза № 1-92 составляет 0.03-0.06 кг/см2 (13-27%) от прочности пахотного горизонта АР (0-20 см) разреза № 4-92.

Как уже было отмечено, непосредственно под разупрочненным слоем залегает слой с повышенной прочностью, но, в отличие от аналогичных пахотных почв, пластическая прочность в этом слое максимальна для данного профиля. Прочность структурных связей в горизонте ВС (глубина около 100 см) ниже, чем в соответствующих горизонтах пахотных почв и выше, чем в контрольном разрезе.

В качестве заключения к изложенному материалу можно предложить примерную схему агрогенной деградации микростроения

первая стадия - увеличение прочности структурных связей за счет сближения почвенных частиц при уплотнении почвы, вторая стадия - уменьшение их прочности при разрушении фазовых контактов при чрезмерном сближении, третья стадия - обесструктуривание, преобладание несвязанных частиц и коагуляционных структурных связей.

Первая стадия наблюдается нами в подпахотных горизонтах разрезов №№ 6-92 и 12-92, в горизонтах максимального уплотнения пастбищных почв, горизонтах ВС всех используемых почв (кроме разреза № 10-92).

Вторая стадия деградации отмечается в пахотных горизонтах, в разуплотненном поверхностном слое пастбищных почв, возможно в подпахотном слое (26-40 см) разреза № 4-92 и в слое 40-130 см разреза № 10-92. Разупрочнение достаточно глубоких горизонтов черноземов на пастбище происходит как реакция структуры почвы на избыточное уплотнение. Разупрочнение пахотного горизонта можно представить следствием его регулярного дробления почвообразующей техникой.

Третья стадия деградации характеризует состояние слоя 0-40 см разреза № 10-92 и, возможно, слоя 20-40 см разреза № 1-92. В первом случае показательна ярко выраженная дилатантность образцов, во втором - очень низкое значение пластической прочности приготовленной пасты.

Все проанализированные горизонты используемых в сельском хозяйстве почв отличаются по своим физико-механическим характеристикам от аналогичных горизонтов контрольного разреза. Особенно неблагоприятным является понижение прочности структурных связей с поверхности гумусового горизонта, которое может привести к смыву всего разупрочненного слоя почвы. 

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

Еще по теме Реологическая характеристика черноземов парных разрезов:

  1. Реологическая характеристика черноземов парных разрезов
  2. Дифференциальная порозность типичных черноземов