Методы исследования почвы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Насыпные и монолитные лизиметры

2. Агрохимические или почвенно-агрохимические лизиметры

3. Агрохимические лизиметры-воронки

4. Ячеистые или секционные лизиметры

5. Гидрологические лизиметры

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Лизиметрический метод - это способ исследования свойств почвы, фильтрующегося в ней почвенного раствора и жизнедеятельности растений в полевых условиях.

Впервые лизиметрический метод исследований применил английский химик Джон Дальтон (1746-1844) при изучении распределения атмосферных осадков и их влияния на грунтовые воды. В России первые лизиметры были сооружены и использованы для изучения количества и химического состава фильтрующегося в почве вод В.Р. Вильямсон (1900), А.В. Ключаровым (1900) и П.Ф. Бараковым (1903).

Слово «лизиметр» в переводе с греческого (lysos) означает «растворение, освобождение». Само устройство, с помощью которого определяют количество профильтровавшейся через слой почвы воды и растворенных в ней питательных веществ, называют лизиметром.

Лизиметрический метод имеет широкое применение в агрохимических, почвенных, мелиоративных, гидрологических и других исследованиях. Это объясняется его преимуществами, позволяющими проводить исследования в природных, близких к производственным, условиям. Недостатком лизиметрического метода является то, что получение почвенных растворов возможно только в условиях промывного водного режима при влажности почв выше наименьшей влагоемкости.

Особенно широко в агрохимии лизиметрические исследования используются при изучении потерь питательных веществ, вымывающихся при инфильтрации в связи с применением удобрений.

Результаты сопоставления содержания, поступления питательных веществ в почву и выноса их урожаем служат основой для составления баланса питательных веществ в почве, необходимой для построения обоснованной системы применения удобрений.

Б. А. Голубев, писал, что лизиметр -- это прибор, с помощью которого при наличии различных приспособлений, возможно, изучать процесс просачивания воды и растворенных в ней питательных веществ через определенный слой почвы, породы или грунта в условиях их увлажнения естественными атмосферными осадками.

1. Насыпные и монолитные лизиметры

Очень важной, но до конца нерешенной проблемой, является вопрос о том, какой почвой (нарушенного или ненарушенного сложения) заправлять лизиметры. Вопрос настолько важен, что большинство исследователей выделяют данное различие как отдельную градацию в заполнении лизиметрических установок почвой:

· - монолитные лизиметры (с почвой ненарушенного сложения);

· - насыпные лизиметры (с почвой нарушенного сложения).

Из практики использования лизиметров в нашей стране и за рубежом известно, что предпочтение отдается монолитам, хотя насыпные лизиметры очень широко используются в агрохимических и гидрологических экспериментах. Насыпные лизиметры всегда изолированы, т.е. имеют вертикальные границы - стенки. Часто они представляют собой сосуды/емкости с воронкообразным дном или дном, имеющим уклон в сторону отверстия для стока гравитационной влаги, засыпанным сильнопористым инертным материалом, поверх которого помещается почвенный материал. Форма и размеры таких сосудов может изменяться в широких пределах.

Многие ученые указывают на разницу в фильтрационных характеристиках насыпных почв и монолитов, хотя значения и причины этих несовпадений разными учеными трактуются различно. Кроме того, в лизиметрах, заряженных почвой нарушенного сложения, суммарное испарение значительно может быть меньше, чем в испарителях и лизиметрах с монолитной почвой. Различие может достигать 30%.

Многие ученые наблюдали обратную картину - снижение величины стока в насыпных вариантах лизиметрических почв, связанное с тем, что насыпные почвы в лизиметрах требуют некоторого времени для усадки и стабилизации свойств почвенного профиля: плотности, агрегатного состава, порозности, влагопроводности и др.

Вероятно, увеличение или снижение величины инфильтрации в почвах с нарушенным сложением связано с несколькими разнонаправленными явлениями:

o наличием или отсутствием растительного покрова;

o особенностями поступления влаги на поверхность лизиметров - количество и интенсивность осадков или полива. Например, при выпадении осадков ливневого характера величина стока, как правило, выше в монолитах, т.к. они имеют пути быстрой миграции влаги;

o особенностями свойств почвенного материала, его агрегатного состояния, способностью к трещинообразованию;

o скоростью стабилизации почвенных свойств, зависящей, в том числе и от времени начала эксперимента.

В начале опытов в почве нарушено строение межагрегатного порового пространства. По опытам с насыпными образцами известно, что количество профильтровавшейся воды в почвах нарушенного строения меньше, чем в монолитах. Действительно, чтобы начался процесс фильтрации в насыпных почвах, необходимо их насыщение до значений выше величины наименьшей влагоемкости. В почвах с естественным сложением сквозной перенос влаги может начаться при меньших значениях влажности, как по устоявшимся путям преимущественного движения влаги, так и по характерным макропорам и трещинам. Необходимо заметить, что одной из целей распашек пахотного горизонта является сохранение влаги и питательных веществ и заключается в разрушении путей быстрого тока воды. Поэтому для восстановления структуры порового пространства требуется некоторое время. В дерново-подзолистых почвах больших лизиметров МГУ равновесный с метеорологическими условиями сток сложился на 10-11-й годы многолетнего эксперимента, когда насыпные почвенные горизонты приобрели основные черты сложения, свойственные новым условиям.

Таким образом, можно утверждать, что через некоторое время после начала лизиметрического эксперимента с почвами нарушенного строения происходит стабилизация почвенных свойств, формирование устойчивого строения влагопроводящего порового пространства. Длительность периода зависит от размеров лизиметрических установок и свойств почв, однако, даже в случае больших лизиметров, размерами 8-12 м³, заполненных среднесуглинистыми почвами, это период составляет около 10 лет, что позволяет по истечении этого срока считать их приближенными к почвам естественного сложения. Тем ни менее у лизиметрических установок с насыпной почвой имеются и несомненные преимущества. Во-первых, при постановке эксперимента исследователь избегает погрешностей, связанных с особенностями индивидуального образца почвы. Во-вторых, практически невозможно заполнить лизиметры большого размера единым монолитом, а значит, все варианты с большими лизиметрами могут быть заполнены только почвами нарушенного строения. В-третьих, никакой монолит нельзя считать абсолютно представительным для даже небольшого массива почв того же вида, не говоря уже о подтипе или типе, поскольку латеральная и вертикальная неоднородность очень велика по агрофизическим показателям даже на небольшой площадке. В-четвертых, в лизиметрических почвах, созданных последовательным заполнением лизиметра почвенными горизонтами, границы между ними выраженные и ровные, что позволяет при использовании различного рода гидрофизического оборудования (тензиометры, влагомеры, термодатчики) иметь отчетливое представление о генетическом горизонте, в котором проводятся те или иные измерения.

2. Агрохимические или почвенно-агрохимические лизиметры

Агрохимические или почвенно-агрохимические лизиметры являются преобладающим типом. Как правило, они имеют прямоугольную или круглую форму в сечении, мощность почвы не превышает 1 м, испаряющая поверхность имеет значительную площадь - не менее 1 м², сбор фильтрата производится в специальные водоприемники.

Агрохимические лизиметры могут быть стационарно установлены в армированные траншеи или на специальные лизиметрические станции и иметь коридор или галерею, где в специальных водоприемниках ведется учет и сбор лизиметрических вод (лизиметрические установки Баракова, Вельбеля, Вильямса, Качинского и др.). В случае стационарных инженерных сооружений, необходимо при монтаже лизиметров учитывать «розу ветров», направляя ряд в их сторону. Это позволяет снизить разницу в распределении снежного покрова. В некоторых случаях для сбора фильтрационной влаги сооружается не коридор, а подземная шахта, куда выводятся фильтрационные трубки от лизиметров, расположенных вокруг шахты или колодца.

К агрохимическому типу лизиметров относятся переносные лизиметры, периодически извлекаемые из почвенной толщи для забора фильтрата и взвешивания почвы - Ключарева, Рыкачева, Роде.

Лизиметр Рыкачева, предложенный еще в 1896 г, состоял из трех ящиков. Верхние два площадью 25x40 см устанавливались друг на друга, первый заполнялся почвой, а второй служил для сбора фильтрационной влаги. Третий ящик являлся направляющим, в него вставлялись первые два, он имел большие размеры и был постоянно углублен в почву.

Лизиметр, разработанный Ключаревым, представляет собой металлический цилиндр диаметром 11 см и высотой 20 см, который заправлялся монолитом и устанавливался вместе с воронкой и емкостью для сбора фильтрата в почву. Лизиметр имел специальные съемные ручки для извлечения его из почвы и взвешивания.

В настоящее время с появлением новых инертных синтетических материалов появилась возможность применять их для изготовления переносных лизиметров, которые в частности, представляют собой почвенные колонки с насыпной почвой или монолитом и могут использоваться в различных лабораторных фильтрационных экспериментах.

3. Агрохимические лизиметры-воронки

Кроме собственно агрохимических лизиметров в почвоведении широкое распространение получили агрохимические лизиметры-воронки. Особенностью таких лизиметров является то, что они могут устанавливаться в почвенную толщу в соответствии с генетическими горизонтами - тогда их встраивают на границах смены горизонтов, или, если того требуют задачи исследования, на разных глубинах. Их устанавливают, как правило, одновременно, соблюдая расстояние между ними по горизонтали не менее 1 метра, во избежание попадания фильтрационного раствора в соседний лизиметр.

Наиболее известным вариантом являются воронки Эбермайера из оцинкованного железа, диаметром 50 и 25 см и высотой 5 см, которые устанавливали под исследуемый почвенный слой. Для этого выкапывается произвольной формы галерея, и на боковых стенках в нишах на разных уровнях вырезаются ниши и устанавливаются воронки, предварительно заполненные дренажной засыпкой (галькой, промытым песком, битым стеклом и др.). Влага, просочившаяся через почвенную толщу, поступала в воронку, оттуда через специальный водоток поступала в водоприемник, где и осуществлялся сбор фильтрационных вод. Пространство между воронками и внутренними стенками ниши заполняли почвой. Расстояние между отдельными воронками-лизиметрами по горизонтали должно быть не менее 70-100 см, по вертикали - определяется схемой опыта, исследуемыми генетическими горизонтами и глубинами. Галерею армируют бетоном, кирпичом, досками. Лизиметрические воронки, модифицированные в соответствии с современными задачами, применяют в настоящее время, как для проведения длительных экспериментов, так и для модельных опытов по изучению загрязнения почв, выноса питательных элементов из отдельных почвенных горизонтов.

Для установки лизиметров выкапывается траншея, как правило, с расчетом на три-четыре лизиметра. Глубина траншеи должна превышать на 0.5-1 м глубину нижнего лизиметра. В боковых стенках в траншеи при помощи ножа, стамески сооружаются узкие щелевидные ниши, соответствующие размеру лизиметров, делая небольшой уклон в сторону траншеи для стекания гравитационной влаги. Лизиметры стороной, не имеющей бортиков, вдвигают в ниши до упора, одновременно прижимая их к «потолку». Все промежутки между стенками, дном лизиметра и нишей, уплотняя, заполняют почвой из нижележащего горизонта. После установки лизиметра к водоотводу плотно присоединяют гибкие синтетические шланги (у Шиловой - стеклянные трубки), соединяя их с установленными на дне траншеи водоприемниками. В качестве водоприемника используются стеклянные бутыли, можно использовать пластиковые бутыли или канистры, из которых почвенная влага периодически откачивается при помощи насоса. Главное, герметичность всех соединений. Для этого на бутылях герметично устанавливаются пробки, в которых вставляются трубка/шланг от лизиметра и вторая трубка, нижний конец которой опускается до дна бутыли, а верхний соединяется с гибким шлангом, выходящим на поверхность почвы. Во избежание деформации гибких шлангов Е.И. Шилова рекомендует помещать их в металлические трубки.

После окончания установки лизиметров траншею аккуратно закапывают, укладывая и уплотняя вынутую почву в соответствии с генетическими горизонтами. Над поверхностью почвы остаются шланги, через них нужно прокачать воздух из бутылей, затем закрыть зажимами, обернуть изоляционной лентой и замаскировать почвой во избежание их растрескивания под действием перепадов температуры и солнечных лучей.

Положительным качеством лизиметров конструкции Шиловой, является отсутствие контакта лизиметрических вод с атмосферным воздухом и близость условий получения фильтрационных вод к природным процессам гравитационного стекания влаги. Она рекомендует проводить регулярную откачку лизиметрической влаги из водоприемников, чаще, чем раз в сезон, т.к. особенно в теплые периоды возможно значительное изменение химического состава вод в результате биохимических процессов.

К недостаткам метода она относит следующее:

1) невозможность полной откачки влаги из бутылей и неизбежное смешивание разных порций фильтрата в ходе эксперимента,

2) невозможность получения почвенных растворов при влажности почв ниже значений НВ,

3) вероятность бокового притока влаги, за счет периодически создаваемого разрежения в бутылях при откачке влаги,

4) возможность скопления подвешенной влаги на нижнем срезе почвенных слоев над лизиметрами.

лизиметр агрохимический инфильтрация удобрение

4. Ячеистые или секционные лизиметры

В Московском университете разработаны и успешно используются с ячеистые или секционные лизиметры, позволяющие исследовать неоднородность гравитационного переноса влаги почвах, возможность поступления загрязняющих и питательных веществ в грунтовые воды, оценить массоперенос, определить гидрохимические параметры движения веществ в почвах. Они по своим характеристикам ближе всего располагаются к лизиметрам агрохимического ряда, однако, принципиальным отличием является то, что в экспериментах с применением секционных лизиметров моделируется ситуация поступления на поверхность почвы загрязняющих или питательных веществ.

Лизиметры представляют собой пластиковые подносы, разделенные на сектора. Каждый сектор имеет отверстие, в которое вставлена силиконовая трубка. Под лизиметром на дне ниши устанавливается поднос с тарированными пластиковыми стаканчиками (флаконами) для сбора фильтрующейся влаги. Все сектора и стаканчики нумеруются, на дно каждого сектора необходимо положить кружок фильтровальной бумаги во избежание закупорки трубок. Почвенная влага, попадающая в сектор лизиметра, через трубку поступает в пластиковые флаконы. Фиксируется время и объемы лизиметрических вод для расчета интенсивности вертикального стока отдельно в каждом секторе. При постановке фильтрационного эксперимента с использованием веществ-меток, возможен порционный сбор влаги в сектора лизиметра для получения информации о явлениях выноса и проскока растворенных веществ по характеру возрастания концентраций.

При подготовке лизиметрических установок к работе после выбора площадки, заложения разреза и определения глубины установки лизиметра следует соблюдать следующие рекомендации и последовательность работы.

1. Подготовка площадки - зачистка, выравнивание и препарирование поверхности во избежание закупорки пор почвы.

2. Установление рам. Представляется удобным использование рам площадью не менее 600 см². Их следует осторожно врезать в почву на глубину 2-3 см с целью сохранения структуры почвенного покрова. Рекомендуется устанавливать с учетом горизонтального растекания поливной воды на расстоянии не менее 20-30 см от края разреза (траншеи). Рамы следует устанавливать на поверхность почвы до сооружения ниши для лизиметра по двум причинам: во-первых, во избежание дополнительного иссушения почвенной толщи, т.к. увеличивается испаряющая поверхность, во-вторых, во избежание обвала исследуемого профиля при дополнительном давлении во время установки рамы. Во время подготовки ниши поверхность почвы и рамы укрывается полиэтиленовой пленкой для снижения испарения, а сверху, чтобы не увеличивалась температура почвы накрывают скошенной травой или сеном.

3 . Сооружение и подготовка ниши для установки лизиметров. Ее размер должен соответствовать размеру лизиметра. Верхняя стенка (потолок) должна быть строго горизонтальна во избежание стекания влаги по наклонной плоскости и отпрепарирована, т.к. только срезание почвы приводит к смазыванию и закупорке почвенных пор.

4. Установка лизиметра к потолку ниши должна быть очень плотной. В таком случае они выполняют двойную функцию: сбор фильтрационных вод строго с площади, четко очерченной отдельным сектором лизиметра, и механическая поддержка промачиваемой почвенной толщи. Поэтому врезанный в потолок ниши лизиметр необходимо укрепить досками или фанерой для обеспечения его устойчивости.

5. Фильтрация воды и раствора. В рамы подается вода или раствор, при необходимости поддерживается определенный уровень (1-5 см). Сбор фильтрационных вод производится до полного прекращения фильтрации, иногда лизиметры оставляются на ночь. Возможно вскрытие почвенной толщи над лизиметрами с целью исследования особенностей свойств почвы и переноса и сорбции веществ.

Почвенно-агрохимические лизиметры различных конструкций, основаны на принципе свободного стока гравитационной влаги. Недостатком этих лизиметрических установок является то, что не представляется возможным использовать для точных балансовых исследований (за исключением взвешиваемых лизиметров) переноса влаги и веществ. Этого недостатка лишены лизиметры для водно-балансовых исследований.

5. Гидрологические лизиметры

Гидрологические лизиметры или лизиметры для водно-балансовых исследований - лизиметры, позволяющие кроме количественного сбора инфильтрата, определять различные составляющие водного баланса почв, в частности, определять влажность почвы, уровень грунтовых вод, расход влаги на испарение, транспирацию.

Отметим, что четкое разделение на агрохимический и гидрологический типы лизиметров провести иногда сложно, т.к. они зачастую имеют сходные конструкторские характеристики, совпадающие задачи, например определение выноса питательных элементов из почвы невозможно без определения количества профильтровавшейся влаги. Именно поэтому агрохимические лизиметры Рыкачева и Ключарева, предполагающие извлечение их из почвы, можно отнести и к водобалансовым. Большинство авторов сходятся во мнении, что принципиальным отличием гидрологических лизиметров является возможность точного определения влажности почвы путем взвешивания и/или наличие постоянно действующего горизонта грунтовых вод.

Для прямого определения эвапотранспирации применяется метод гидрологических лизиметров, получивших название испарителей. Они предполагают установку почвенного монолита в почву, периодическое его извлечение и взвешивание. Недостатком множества испарителей с глухим дном, как лизиметры Ключарева, является то, что режим влажности изолированных почвенных монолитов отличается от режима влажности окружающей почвы. Т.е в засушливые периоды можно ожидать меньшую влажность в испарителе, а в дождливые - наоборот, повышенные значения. Для устранения этого недостатка Поповым В.П. была предложена система парных испарителей с сетчатым дном, позволяющим как отводить избыток почвенной влаги из монолита, так и, соприкасаясь с почвой, выравнивать влажность в соответствии с окружающим пространством.

В системе гидрометеослужбы стандартным методом исследования испарения является испарители, разработанные Государственным гидрологическим институтом, ГГИ-500-50 - для измерения испарения из почвенного слоя 0-50 см, а для зон недостаточного увлажнения ГГИ-500-100 - для слоя почвы 0-100 см.

Испарители представляют собой лизиметры цилиндрической формы, площадь испарения - 500 см², помещаемые установленные в почву цилиндры с дном большего размера. Испарители периодически извлекаются из почвы специальными лебедками и взвешиваются, измерения проводятся в теплое время года.

Урываевым также были предложены гидравлические испарители, которые в рабочем положении находятся в плавающем положении, по их вертикальному перемещению можно судить об увеличении или уменьшении влаги в почвенном монолите.

Лизиметры с имитацией грунтовых вод были предложены Коньковым. Они состоят из двух цилиндров, внутреннего с сетчатым дном заправленного почвенным монолитом и внешнего со специальной трубкой для заливки воды с целью моделирования горизонта грунтовых вод. Таким образом, можно задавать различный уровень грунтовых вод и наблюдать за ним в процессе испарения и поступления влаги на поверхность почвенного монолита.

Автоматическая система подачи и слива фильтрующейся влаги была разработана и применена А.А. Роде на основе специальной системе по принципу сосудов Мариотта.

Одними из типов лизиметрических установок являются вакуумные пробоотборники и сорбционные лизиметры (хроматографические колонки).

Почвенные тензиометры могут служить пробоотборниками почвенной влаги из различных горизонтов профиля, они разрабатывались и усовершенствовались Муромцевым Н.А. Удобство данного метода заключается в простоте выполнения эксперимента, возможности получения почвенного раствора в динамике. Хотя возникает ряд методических вопросов, связанных с длительностью вакуумирования, экспозиции и восстановления равновесия в зоне действия тензиометра и др. И.С. Кауричевым и Е.М. Ноздруновой в 1960 г. был предложен метод сорбционных лизиметров (МСЛ) или метод лизиметрических хроматографических колонок. Суть метода заключается специальных колонок с различными сорбентами для изучения масштаба миграции целого ряда веществ, в первую очередь водорастворимых органических веществ.

Таким образом, с помощью лизиметрических установок можно решить целый ряд вопросов, их используют для:

· оценки качественных и количественных показателей потока вещества, оценки поступления, миграции и аккумуляции различных веществ в почвенном профиле;

· оценки периодичности и доминирующих факторов формирования лизиметрического стока;

· проведения мониторинговых почвенно-экологических исследований и мониторинга ландшафта в целом;

· изучения эволюции физических и химических свойств в условиях многолетнего лизиметрического опыта;

· проверки, параметризации и адаптации математических моделей переноса веществ и тепла в почве;

· при исследовании специфики и масштаба антропогенного воздействия на почвы.

Важным преимуществом лизиметрического метода исследования водного режима почв является возможность проведения целого комплекса динамических наблюдений на объекте, отличающемся небольшой латеральной протяженностью и низкой пространственной неоднородностью. Кроме того, большое значение имеет то, что различные режимные данные связаны друг с другом по времени их получения, что в свою очередь позволяет оценить с максимальной точностью реальную обстановку в почвенном профиле.

Заключение

Лизиметрические опыты используют в земледелии, мелиорации, почвоведении, агрометеорологии, физиологии, агрохимии и селекции для выяснения таких вопросов, как водный баланс под различными сельскохозяйственными культурами, вымывание и перемещение питательных веществ атмосферными осадками и поливными водами, определение транспирационных коэффициентов в естественной обстановке и др.

Лизиметрический метод в агрохимии позволяет установить состав фильтрующихся вод, вести наблюдения за просачиванием атмосферных осадков, динамикой влажности почвы, определением (в природных условиях) транспирационных коэффициентов отдельных растений, изменением некоторых свойств почв под влиянием удобрений и т. д.

В настоящее время лизиметрические установки широко используются для различного рода исследований - агрохимических, гидрологических, экологических, генетических.

Список использованной литературы

Особенности формирования элементов водного режима дерново-подзолистых почв в годовой, сезонной и суточной динамике [Текст] / А. Б., Шеин Е Умарова // Вестник Московского университета. Сер. 17, Почвоведение. - 2002. - N 3. - С. . 22-29.

Формирование микроэлементного состава почв в лизиметрах стационара факультета почвоведения Московского университета [Текст] / И. О. Плеханова, Манагадзе Н. Г., Васильевская В. Д. // Почвоведение. - 2003. - N 4. - С. . 409-417.

Всероссийская научная конференция "Лизиметрические исследования в агрохимии, почвоведении и мелиорации" [Текст] / А. П. Смирнов // Агрохимия. - 2005. - N 5. - С. . 90-92

Гравитационный поток влаги и его роль в эволюции почв: прямые лизиметрические исследования [Текст] / Умарова А. Б., Иванова Т. В., Кирдяшкин П. И. // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2006. - Т. 2, N 6. - С. 102-109.

Перспективы использования лизиметров при изучении почвенных процессов [Текст] / И. И. Судницын // Почвоведение. - 2008. - N 10. - С. 1279-1280.

Исследования на ячеистых лизиметрах [Текст] / С. В. Затинацкий [и др.] // Вавиловские чтения-2007: материалы конференции, посвященной 120-й годовщине со дня рождения акад. Н. И. Вавилова, 26-30 нояб. 2007 г. / ФГОУ ВПО "Саратовский ГАУ им. Н. И. Вавилова". - Саратов: Научная книга, 2007. - Ч. 1. - С. 283-285

Шеин Е.В. // Почвоведение. 1996. №3. С.320-323.

Шеин Е.В. // Почвоведение. 1999. №1. С.49-53.

Методы полевых, вегетационных и лизиметрических исследований в агрономии: учебное пособие / Кузнецова ЕИ, Алещенко МГ, Закабунина ЕН. М.: РГАЗУ, 2010. С.75-94.

Размещено на Allbest.ru