Морозов
А.Н.
Чистякова Л.И.
(Объединение
"Водпроект")
Хамзин
С.С.
Хамзина Т.И.
(Институт "Узмелиоводхоз")
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ
ПРЕОБЛАДАЮЩИХ ПОТОКОВ ВОДЫ В ПОЧВАХ ДЖИЗАКСКОЙ СТЕПИ
Представления о преобладающих
потоках влаги в почвах по некапиллярным порам сформировались давно
[1]. Прямые визуальные [2] и инструментальные наблюдения [3, 4] свидетельствуют
о том, что влага при поливах или атмосферных осадках, интенсивность
которых превосходит впитывающую способность почвы, движется двумя
основными путями - по некапиллярным порам и трещинам (преобладающие,
не связанные с почвой потоки) и по капиллярным порам в виде потоков,
связанных сорбционно-капиллярными силами.
Почвы Узбекистана в этом
отношении исследованы мало. Кроме песчаных и легкосуглинистых, остальные
типы почв дают усадку и сильно растрескиваются при иссушении после
поливов или дождей. Кроме того, для них характерна естественная некапиллярная
пористость, образованная корнями растений и обитающими в почвах живыми
организмами. Эти свойства определяют существенные особенности влаго-
и солепереноса в зоне аэрации, особенно в корнеобитаемом слое почв.
При промывках засолённых почв это приводит к уменьшению эффективности
их опреснения, а после внесения легко растворимых удобрений и последующих
поливов - к быстрому выносу удобрений из биологически активного слоя
почвы и загрязнению грунтовых вод.
В Узбекистане особый интерес
представляет изучение этого явления в засолённых и подверженных засолению
почвах. Для прогнозирования в таких почвах процессов влаго-солепереноса
необходимо знать ряд параметров, позволяющих правильно откалибровать
имитационные модели, адекватно отражающие природные процессы.
Моделирование необходимо для понимания природы движения воды в ненасыщенной
зоне почв и подстилающих их грунтах для решения ряда проблем, связанных
с общим управлением и оценкой влияния преобладающих потоков на окружающую
среду. Кроме того, моделирование позволяет прогнозировать эти процессы
и эффективно оценивать альтернативные технологии поливов и промывок.
Чтобы правильно оценить риск загрязнений почвы и грунтовой воды, уменьшить
его или предотвратить, важно моделировать процессы движения воды через
почву с достаточной точностью.
Для углубленного изучения
процесса передвижения влаги и солей в почвах нами в рамках первого
года исследований по проекту № 436 программы INTAS Food-2000 была
выбрана среднесуглинистая почва на лёссовидных суглинках как достаточно
представительная для почв Узбекистана, поскольку почвы с такими или
близкими свойствами занимают около половины площади всех орошаемых
земель республики [5, 6].
Цель исследований - характеристика
типичной почвы Узбекистана по вариабельности впитывания влаги с поверхности
и движению её в почве в виде преобладающих потоков.
Задачей описываемого в
данной статье эксперимента было изучение формирования потоков влаги
и солей и распределения их по площади на различных глубинах с помощью
микролизиметров.
Преобладающие потоки влаги
в почве изучали с помощью микролизиметров установленных на глубине
подпахотного горизонта (35 см) и в горизонте (70 см.) c целью выявления
неравномерности потоков из-за наличия трещин, крупных пор и ходов
землероев.
Методика экспериментов
достаточно проста: в боковой стенке почвенного монолита были сделаны
две ниши (верхняя, "потолочная" стенка ниш, - на глубине
35 и 70 см, соответственно) в которые устанавливались микролизиметры.
Глубина закладки ниш была выбрана из следующих соображений: микролизиметры,
на глубине 35 см должны были характеризовать потоки влаги, сформировавшиеся
в почвенном слое нарушенной структуры, а микролизиметры, на глубине
70 - потоки ниже корнеобитаемого слоя.
Микролизиметры представляют
собой набор стеклянных стаканов диаметром 5 см, помещенных в специальные
поддоны и покрытых сверху полиэтиленовой сеткой для предотвращения
оплывания почвы при размокании. После установки микролизиметров в
ниши стаканы были прочно прижаты к верхней поверхности почвы.
Схема установки микролизиметров показана на рис. 1; расстановка стаканов
в поддоне микролизиметров - на рис. 2.
Поверхность почвы
Рис. 1. Схема установки
микролизиметров (вид со стороны боковой стенки почвенного монолита).
Рис. 2. Схема расстановки
стаканов в поддоне микролизиметров. Первая цифра в кружке - номер
стакана; вторая - номер сводной пробы из 9-и стаканов; третья - порядковый
номер стакана в сводной пробе; Одинаковой штриховкой окружены стаканы,
из которых объединялся фильтрат для анализов
Исследования проводились
в Джизакской степи на подгорной пролювиальной равнине со спокойным
волнистым рельефом (фермерское хозяйство "Бахром"). Исследуемые
почвы - "светлые серозёмы", орошаемые более 10 лет, малогумусные
(содержание гумуса - 1,0 - 1,5% в горизонте А), относительно незасолённые
в верхнем метровом слое. Для характеристики водно-физических свойств
почвы были предварительно определены послойно: объёмная масса почвы;
гранулометрический и микроагрегатный составы; характеристики капиллярно-сорбционного
потенциала, впитывания воды с поверхности почвы и с нижней границы
пахотного горизонта.
На рис.3 показаны результаты анализов гранулометрического и микроагрегатного
состава почвы по горизонтам.
Рис. 3. Гранулометрический
и микроагрегатный состав почвы
Характерной особенностью
гранулометрического состава почвы этого типа является преобладание
пылеватых фракций (0,01 - 0,05 мм) во всех изученных горизонтах. Параллельное
сравнение результатов микроагрегатного и гранулометрического анализов
свидетельствует о наличии во фракции размера крупной пыли микроагрегатов,
сформированных за счет более мелких фракций.
На рис. 4 приведена кривая значений объёмной массы исследуемой почвы
по её глубине, которая четко показывает характерное увеличение этой
массы с глубиной и наличие так называемой "плужной подошвы",
то есть уплотненного слоя, на границе пахотного и подпахотного горизонтов.
Рис. 4. Плотность почвы
по горизонтам, г/см3.
На рис. 5 показаны кривые
зависимости капиллярно-сорбционного потенциала от влажности (pF кривые)
для горизонтов Б (35-62 см), В (62-135 см) и Г (135-180 см). Эти данные
характеризуют почву и подстилающие её породы как достаточно однородные
и близкие по сорбционным свойствам, типичным для пылеватых лёссовидных
суглинков.
Рис. 5. Зависимость капиллярно-сорбционного
потенциала от влажности (pF = f(W)) горизонтов Б, В, Г исследуемой
почвы
Водопроницаемость исследуемой
почвы характеризуют кривые впитывания при напоре воды над поверхностью
почвы 2 см, в монолите 200х200 см, изолированном от растекания в стороны
до глубины 160 см полиэтиленовой плёнкой. На рис. 6 четко прослеживается
различный характер впитывания воды в I-й и II-й поливы, объясняющийся
возникновением в почве усадочных трещин.
Для определения неоднородности впитывания по площади были проведены
точечные измерения скорости впитывания с помощью трубок диаметром
9 см, прикопанных в поверхность подпахотного горизонта на расстоянии
10 см друг от друга по три трубки в ряд.
Из рис. 7 видно, насколько варьирует скорость впитывания из отдельных
трубок, расположенных на относительно малой площадке ненарушенного
грунта, не имеющего видимых крупных трещин и ходов землероев. В конце
опыта отклонение минимальной скорости впитывания от максимальной достигало
280%, а отклонение от средней скорости - ( 140%.
Рис. 6. Кривая впитывания
на площадке 200х200 см, изолированной от бокового растекания.
Рис. 7. Кривые скорости
впитывания по площади ненарушенного подпахотного горизонта (в обозначениях
- первая цифра - номер ряда, вторая - номер фильтрационной трубки).
Приведенные выше результаты
характеризуют свойства исследуемой почвы как достаточно типичные для
среднесуглинистых светлых сероземов на лёссовидных суглинках.
Рабочая гипотеза опыта
состояла в том, что при насыщении с поверхности почвы влага движется
двумя путями: по крупным порам (основное движение) и через почвенные
блоки, разделённые трещинами и порами. До полного насыщения слоя почвы
над микролизиметрами почвенная влага в их стаканы может попасть только
через крупные поры, поскольку в мелких порах она удерживается капиллярно-сорбционными
силами.
Сам эксперимент заключался в подаче равномерного слоя раствора солей
на поверхность почвы и дифференцированном измерении стока фильтрата
с помощью микролизиметров.
Было проведено два полива опытной площадки, первый - нормой 125 мм
раствором CaCl2 0,002М концентрации, второй, нормой 50 мм - раствором
MgCl2 такой же концентрации. Фильтрат собирался в стаканы микролизиметров.
После проведения поливов
микролизиметры извлекались из ниш, измерялся объём фильтрата и удельная
электропроводность в каждом из стаканов.
Обеспеченность (в %) объёмов фильтрата в 48 стаканах, установленных
на глубине 35 см показана на рис. 8, на рис. 9 представлена зависимость
величины удельной электропроводности от объёма фильтрата.
Результаты опыта свидетельствуют об очень неравномерной фильтрации
воды через пахотный горизонт (рис. 7) и о хорошо выраженной тенденции
"проскока" растворов солей с преобладающими потоками (рис.
8).
Рис. 8. Кривая обеспеченности
объёмов фильтрата в стаканах микролизиметров (%)
Рис. 9. Кривая зависимости
удельной электропроводности фильтрата от его объёмов в стаканах микролизиметра.
Поскольку в некоторых
стаканах фильтрат вообще отсутствовал, а в других его было недостаточно
для проведения химического анализа, нами были составлены 6 проб, объединяющие
фильтрат из 9-и смежных стаканов (от 1.1.1 до 1.1.9 и т.д., см рис.2.).
На рис 10 показаны кривые зависимости удельной электропроводности,
содержания плотного остатка, ионов Na и Cl от объёма фильтрата в каждой
объединённой из 9-и стаканов пробе.
Рис. 10. Кривые зависимости
удельной электропроводности, содержания плотного остатка, ионов Na
и Cl от объёма фильтрата
На фотографии поверхности
почвы между I-м и II-м поливом (рис.11) очень хорошо видны усадочные
трещины достаточно большого размера (ширина 1 - 7 мм).
Рис. 11. Усадочные трещины
на поверхности почвы после первого полива
В стаканы микролизиметра,
установленного на глубине 70 см, как и следовало ожидать, попало влаги
существенно меньше, чем в установленные на глубине 35 см, и поэтому
даже удельную электропроводность удалось измерить только в объединённых
пробах из 9-и стаканов. Полученные результаты (рис. 12) свидетельствуют
о явно выраженной тенденции к увеличению концентрации солей в фильтрате
в зависимости от его объёма в стаканах.
Рис. 12. Кривая зависимости
удельной электропроводности от объёма фильтрата в объединённых пробах
микролизиметра, установленного на глубине 70 см
Полученные результаты
позволяют сделать несколько выводов научного и методического плана.
1. Несмотря на кажущуюся
однородность почвы, сложенную весьма однородными по гранулометрическому
составу лёссовидными средними суглинками и имеющую нарушенный из-за
многолетнего возделывания пахотный горизонт, наблюдается очень неоднородная
фильтрация воды в подпахотном горизонте.
2. Характер впитывания
воды при повторных заливах площадки свидетельствуют об образовании
в пахотном слое новых усадочных трещин, что подтверждают видимые нарушения
поверхности почвы.
3. В объёме монолита наблюдается
большая неравномерность и разнохарактерность потоков воды, а соли
с водой переносятся преобладающими потоками по более крупным сквозным
порам.
4. В дальнейших исследованиях
следует увеличить время проведения поливов, концентрацию солевого
раствора, а пробы из микролизиметра отбирать порциями через определённые
интервалы времени для более четкой фиксации преобладающих потоков
воды в подпочвенные горизонты.
Литература.
1. Виленский Д.Г. Агрегация
почвы, её теория и практическое применение. М.-Л.: 1945, с.111.
2. Панин П.С. Процессы солеотдачи в промываемых толщах почв. Новосибирск:
Наука,1968, 303 с.
3. Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М.: МГУ,
1984, 204 с.
4. Van Dam J.C., Huygen J., Wesseling J.G., at al. Theory of SWAP
version 2.0. DLO Winand Staring Centre, Wageningen, 1997, с. 55 -
65.
5. Атлас почвенных карт Узбекистана. Ташкент: Узгипрозем, 2001.
6. Почвенно-мелиоративное районирование Узбекистана. "Генеральная
схема развития орошаемого земледелия и водного хозяйства Республики
Узбекистан до 2015 года". Ташкент: Минсельводхоз, Объединение
"Водпроект", 2002.
28 февраля. 2004 года
Как
с нами связаться
Вернуться
на главную страницу
