Методика и результаты исследования предпочтительных потоков влаги в черноземе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методика и результаты исследования предпочтительных потоков влаги в черноземе

А.М. Зейлигер

Н.Б. Хитров

С.В. Затинацкий

Исследование закономерностей переноса воды в почве необходимо для эффективного управления водным режимом почв, прогноза миграции различных веществ в почвах, естественных и антропогенно преобразованных геосистемах. Эти вопросы особенно актуальны для орошаемых территорий, на которые человеком искусственно подается дополнительная вода, а также в почвы вносят удобрения, средства защиты растений, мелиоранты и прочие вещества, которые, помимо своего прямого назначения, могут создавать угрозу загрязнения окружающей среды.

В последнее время обращают внимание на то, что вода в почве часто передвигается не фронтально, а в виде сосредоточенных предпочтительных потоков (preferential flow). почва вода чернозем

Цель - описать методику проведения эксперимента и представить некоторые результаты, отражающие наличие предпочтительных потоков влаги в черноземе.

Объектом исследования послужил чернозем обыкновенный мощный карбонатный пахотный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках. По новой классификации почв России (2004 г.) исследованная почва является агрочерноземом миграционно-сегре-гационным мощным среднегумусированным карбонатным среднепахотным тяжелосуглинистым.

Экспериментальная площадка расположена в 2 км к северо-западу от пос. Рассвет Аксайского района Ростовской области (приблизительно в 20 км к северу от г. Ростов-на-Дону). В геоморфологическом отношении исследуемый участок находится на восточной окраине Приазовской наклонной равнины.

Методика проведения эксперимента включала подготовку площадок, проведение нескольких тактов полива, измерение влажности и давления влаги во время и после полива, сбор лизиметрического стока с помощью ячеистых лизиметров, отбор образцов почвы для последующих лабораторных исследований.

Подготовка площадки основного монолита. Монолит 2х 2 м ненарушенной почвы изолировали со всех сторон полиэтиленовой пленкой до глубины 1,5 м для предотвращения бокового растекания воды. Поверхность монолита выровняли (относительные превышения не более 1-2 см, контроль - с помощью нивелира). Сверху монолит был армирован досками.

Для дифференциального учета инфильтрации воды поверхность монолита была разделена перегородками на 8 секций равной площади (0,5 м 2). По центру каждой из четырех центральных секций квадратной формы была установлена обсадная труба (2 м) для зондового датчика TDR. В двух из этих секций дополнительно установлено по 6 тензиометров, имеющих автоматическую запись результатов измерения давления влаги. Глубина установки тензиометров от 7 до 120 см.

Проведение эксперимента на основном монолите. Проведено два такта орошения (200 и 86 мм). Полив инфильтрации проводился небольшими порциями, создавая слой воды около 1 см. Подача воды осуществлялась ведрами на специальные площадки - рассекатели, препятствующие образованию водороин. В каждой секции учитывали количество поданной воды отдельно, ограничивая только суммарный объем воды, поданный на монолит и соответствующий норме орошения. Этим приемом достигалась имитация перетекания воды по поверхности почвы от мест с относительно более низкой инфильтрацией к местам с относительно более высокой инфильтрацией воды в почву. После впитывания воды поверхность монолита закрывали пленкой для предотвращения испарения и в течение 2 суток определяли влажность и давление влаги. По истечении 2 суток осуществили 2-й такт полива инфильтрации.

Влажность определяли послойно до глубины 1,5…2 м с помощью влагомера TDR Trime-FM с зондовым датчиком. Для контроля калибровки датчика два раза отбирали образцы на влажность бурением монолита после впитывания воды в почву. В каждый срок бурили параллельно по 2 скважины возле двух обсадных труб для TDR на расстоянии около 0,35 м от трубы за пределами рабочей области датчика TDR.

Разборка монолита. На четвертые сутки после второго такта орошения возле каждой обсадной трубы TDR послойно через 10 см определяли плотность и влажность почвы (2-3 повторения). Взяты микромонолиты для определения гидрофизических характеристик в лабораторных условиях.

Результаты. Определение влажности почвы в четырех постоянных позициях (4 обсадные трубы для зондового датчика TDR) свидетельствует, что до глубины 80 см динамика влаги в разных частях почвы имеет однотипный качественный характер, отражая увеличение влажности во время полива (рис. 1-3). При этом варьирование (разница максимума и минимума) содержания влаги в одном слое в каждый момент времени составляет от 4 до 10 % (об.). Поскольку зондовый датчик TDR усредняет содержание влаги в достаточно большом объеме почвы (около 3500 см 3), следует признать, что в пределах площадки 2х 2 м нельзя игнорировать пространственное варьирование влажности почвы. На глубине более 100 см пространственное варьирование влажности увеличивается (рис. 4, 5). Это связано с неравномерным проникновением оросительной воды.

В первые минуты после начала полива сухой почвы тензиометры регистрируют более сухое состояние почвы по сравнению с содержанием влаги, определяемым влагомером (TDR) (рис. 6, 7). Это связано с тем, что зондовый датчик TDR регистрирует содержание влаги как внутри агрегатов, так и в крупных порах в достаточно большом объеме, составляющем около 3500 см 3. Зона действия керамического датчика тензиометра диаметром 20 мм и длиной 55 мм существенно меньше. Если он не пересекает крупную пору или трещину, то он регистрирует капиллярно-сорбционное давление влаги только внутри агрегатов. В результате в начальный период полива влажность почвы может быстро увеличиться за счет заполнения крупных пор. Это увеличение регистрирует TDR. А внутри многих агрегатов или фрагментов почв, не имеющих крупных пор, влажность некоторое время может оставаться достаточно низкой, что отражается незначительным изменением давления влаги, регистрируемым тензиометром. Поэтому экспериментальные точки полевых наблюдений резко смещаются вправо относительно равновесной зависимости давления влаги от влажности (основной гидрофизической характеристики).

Рис. 1. Динамика влажности (об. %) в слое 0-17 см: 1-4 - номера скважин для TDR

Рис. 2. Динамика влажности (об. %) в слое 23-40 см: 1-4 - номера скважин для TDR

Рис. 3. Динамика влажности (об. %) в слое 63-80 см: 1-4 - номера скважин для TDR

Рис. 4. Динамика влажности (об. %) в слое 103-120 см: 1-4 - номера скважин для TDR

Рис. 5. Динамика влажности (об. %) в слое 133-150 см: 1-4 - номера скважин для TDR

По прошествии некоторого времени, благодаря влагообмену между макро- и микропорами, влажность внутри агрегатов увеличивается, что приводит к изменению показаний тензиометра (снижение давления влаги). В этом случае точки полевых наблюдений приближаются к кривой, отражающей основную гидрофизическую характеристику, но на другом ее участке более высокой влажности.

В последующие периоды измерений, когда почва становится достаточно влажной, изменение потенциала влаги оказывается меньше по сравнению с изменением объемной влажности почвы. Это обусловлено тем, что при влажности почвы, приблизительно соответствующей предельной полевой влагоемкости, капиллярно-сорбционное давление, регистрируемое тензиометром, мало изменяется при заполнении макропор водой. При этом датчик TDR достаточно чувствительно регистрирует изменение общей влажности, включающей влагу в макропорах.

Такое изменение сопряженных полевых наблюдений влажности и давления влаги по сравнению с основной гидрофизической характеристикой, с нашей точки зрения, свидетельствует о наличии предпочтительных потоков влаги в исследованном черноземе.

Рис. 6. Синхронные измерения объемной влажности почвы с помощью TDR и давления почвенной влаги с помощью тензиометров. Точки соединены линиями в последовательности, соответствующей течению времени. Глубина рабочей области датчиков: для TDR - 0-17 см; для тензиометра - 11-17 см. TDR1, TDR2, TDR3, TDR4 - номера обсадных труб для зондового датчика TDR. ОГХ - основная гидрофизическая характеристика (получена в лаборатории на микромонолите почвы с глубины 0-7 см)

Рис. 7. Синхронные измерения объемной влажности почвы с помощью TDR и давления почвенной влаги с помощью тензиометров. Точки соединены линиями в последовательности, соответствующей течению времени. Глубина рабочей области датчиков: для TDR - 53-70 см; для тензиометра - 62-68 см. TDR1, TDR2, TDR3, TDR4 - номера обсадных труб для зондового датчика TDR. ОГХ - основная гидрофизическая характеристика (получена в лаборатории на микромонолите почвы с глубины 60-66 см)

Размещено на Allbest.ru