Ліс, вітер та ґрунтоутворення

Максим НЕЦВЄТОВ

кандидат біологічних наук,

доцент Донецького національного університету

Павло ХИЖЕНКОВ

кандидат фізико-математичних наук,

доцент Донецького національного університету

Ліс, вітер та ґрунтоутворення

 Згідно з класичними уявленнями про взаємодію компонентів біогеоценозу [1], ґрунт тісно пов'язаний з усіма складовими екотопу та біоценозу, а кожний з цих компонентів містить складові частини й властивості, що взаємодіють в свою чергу між собою [2, 3]. Властивості ґрунтів Ф. Дюшофур [4] поділяє на фізичні, хімічні та біохімічні. В фізиці ґрунтів основна увага приділяється статичним характеристикам, а з динамічних впливів розглядаються лише такі періодичні процеси, як зволоження-висихання, сезонні та добові коливання температури, замерзання-відтаювання, тобто ті процеси, що характеризують «мікроклімат» ґрунтів - педоклімат [2]. У той же час, поза увагою ґрунтознавців-екологів залишаються такі важливі, на наш погляд, чинники, як низько- і наднизькочастотні механічні коливання (чи вібрації).

Низько- і наднизькочастотні механічні коливання, що поширюються в ґрунті, викликаються не тільки сейсмічними та деякими іншими геофізичними процесами, але й розгойдуванням дерев під дією вітрів. При цьому коливання будуть передаватися на ґрунт через кореневу систему, як це видно з рис. 1.

Під тиском вітру частина сили «а», що діє на стовбур, буде передаватися корінням (к1, к2, к3) у вигляді сил «б», «в» і «г». При цьому під корінням к1 і над корінням к3 буде виникати ділянка стискання, над к1 і под к3 - розтягування, навколо к2 і по боках к1 і к3 - ділянки деформацій зрушень. Оскільки сила вітру є непостійною у напрямку та величині, також непостійними будуть і сили, що діють на коріння. У підсумку ґрунт в прикореневому об'ємі буде піддано поліхроматичним за частотою механічним коливанням, до того ж з амплітудами, які постійно змінюються. З вищесказаного постає питання: чи залежить від механічних коливань (і напружень) процес механічного переміщення колоїдів у ґрунті?

Рис. 1. Сили (а, б, в, г), що діють на стовбур (С) і коріння дерева (к1, к2, к3) під тиском вітру (A).

У цьому зв'язку в цій праці розглянуто модельні дослідження впливу низькочастотних механічних коливань і фізичні властивості (переміщення колоїдів - лесіваж, та електропровідність розчинів) ґрунту.

Матеріали й методи досліджень. В експериментах з впливу вібрації на механічне перенесення колоїдів у якості моделі ґрунту використовували пінополіуретан губчатої структури з розмірами пор до 100-200 мкм та сферичні частки поліметилметакрилату діаметром від одиниць до десятків мікрометрів. Поліуретан у вигляді пробки завтовшки 10 мм розташовували в верхній частині пробірки, а частки (завжди одна й та сама кількість) акуратно розсипали по її поверхні. Пробірка в вертикальному положенні укріплялася на платформі електромеханічного перетворювача, підключеного до генератора сигналів спеціальної форми Г6-27 (рис. 2), похибка частоти в межах 2-5%. Час занурення часток у пористу пробку фіксували секундоміром. При трьох значеннях амплітуди коливань (0,6; 1,5; 3 мм) дослідження проводили на частотах 1 - 100 Гц з

Рис. 2. Схема експериментальної установки: 1 - пробірка з поліуретановою пробкою і частками; 2 - електромеханічний перетворювач; 3 - генератор

кроком 1 Гц. Для кожної частоти дослід повторювали 5 разів і результати усереднювали.

Для доведення адекватності застосовуваної моделі було проведено дослідження проникнення мікрочасток поліметилметакрилату всередину колонки природного субстрату в пробірці (діаметр 1 см, глибина 5 см). Використання даних мікрочасток обумовлено їхнім білим кольором, що робить можливим зйомку картини, що спостерігається, фотокамерою. Досліджуваний субстрат було взято з горизонту Н2 20-30 см чорнозему звичайного, макро- і мікроморфологічний опис відповідає розрізові №201 з монографії Білової, Травлєєва [2, с. 193 - 195]. Досліджений горизонт Н2 темний, дрібнозернистий, середньосуглинистий, слабо корененасичений. Експеримент було проведено при частоті механічних коливань 30 Гц і амплітуді ~1 мм, обраній таким чином, щоби не порушувалась структура ґрунту в пробірці. По мірі проходження мікрочасток всередину ґрунту дію вібрації зупиняли, а пробірку з ґрунтом фотографували.

Результати й обговорення. В результаті досліджень, проведених на моделі ґрунту, виявилося, що проникнення в її об'єм часток з поверхні складним чином залежить від частоти й амплітуди вібрації. Як видно з рис. 3, при амплітуді механічних коливань 0,6 мм у досліджуваному інтервалі частот f (від 1 до 100 Гц) частки проникають всередину субстрату тільки при f=26-32 Гц, при чому максимум ефекту припадає на 28-30 Гц (t=2-3 с). Збільшення амплітуди до 1,5 мм призводить до розширення наявної смуги ефективних частот до f=23-40 Гц з максимумом ефективності на 25-35 Гц (t=1-2 с).

Рис. 3. Залежність часу (t) занурення колоїдних часток у мікропористий субстрат від частоти (f) при різній амплітуді вібрації: -о- -- 0,6; -?- -- 1,5 мм; -х- -- 3 мм

Рис. 4. Занурення мікрочасток поліметилметакрилату в колонку ґрунтового субстрату з розрізу Н2 чорнозему звичайного

При цій же амплітуді виникає друга смуга ефективних частот - 65-70 Гц. Часова характеристика цієї смуги (10-20 с) на порядок відрізняється від попередньої. При ще більшій амплітуді коливань (3 мм) перша смуга залишається практично незмінною, друга розширюється по частоті до f?60-80 Гц, а час проникнення часток всередину зменшується вдвічі. У наднизькочастотній ділянці виникає третя смуга при f=9-10 Гц, що характеризується більшим часом занурення часток - t=20-25 с. Адекватність даної моделі підтверджується даними, одержаними на натуральному субстраті (рис. 4).

Висновки

Процес вертикального переміщення колоїдів у ґрунті індукується й пришвидшується при дії механічних коливань низьких і наднизьких частот (1 - 100 Гц). Для незмінних параметрів скелету й плазми ґрунту найбільш ефективні діапазони частот розширюються зі збільшенням амплітуди механічних коливань.

Література

1. Сукачев В.Н. Основы лесной биогеоценологии. - М.: Наука, 1964. - 564 с.

2. Белова Н.А., Травлеев А.П. Естественные леса и степные почвы. - Днепропетровск: ДДУ, 1999. - 348 с.

3. Зонн С.В. Почва как компонент лесного биоценоза // Основы лесной биогеоценологии. - М.: Наука, 1964. - С. 372-457.

4. Дюшофур Ф. Основы почвоведения. - М.: Прогресс, 1970. - 591 с.