Влияние водопроницаемости биологически активного слоя чернозема выщелоченного на развитие водной эрозии

Первую фазу можно подразделить на две стадии. Первая стадия - чистое впитывание, когда вода попадает на почву, не достигшую полевой влагоемкости, и передвигается в ней под действием всасывающих сил поверхности частиц почво-грунтов и капиллярных менисков. Действие силы тяжести не значительно. Во второй стадии преобладает просачивание. На этой стадии абсорбирующая способность почвы уменьшается до минимума, а преобладает пленочное, капиллярное и гравитационное передвижение воды. Переход ко второй стадии происходит быстрее в тех почвах и грунтах, которые обладают большей некапиллярной скважностью. По некапиллярным порам вода передвигается под действием силы тяжести действие молекулярных сил в некапиллярных порах ничтожно. Таким образом, задерживание воды в почве обусловливается ее капиллярной скважностью, а фильтрация находится в зависимости от некапиллярных промежутков в почве. И, наконец, в фазе фильтрации вода передвигается через исследуемый почвенный горизонт под действием силы тяжести.

При характеристике водопроницаемости почвы помимо скорости впитывания и скорости фильтрации, дается, и суммарная величина впитывания за определенный промежуток времени - слой воды (в миллиметрах). Скорости впитывания и фильтрации даются, как правило, в миллиметрах в минуту.

Н.А. Качинским (1965) предложена градация почв по водопроницаемости. Если почва пропускает за 1 час более 1000 мм воды при напоре 5 см и температуре 10С, водопроницаемость считается провальной, от 1000 до 500 мм - излишне высокой, от 500 до 100 - наилучшей, от 100 до 70 мм - хорошей, от 70 до 30 мм - удовлетворительной, менее 30 мм - неудовлетворительной.

Наиболее широко применяемым в работах почвоведов является определение водопроницаемости почв с помощью рам (квадратов), погруженных в почву на глубину 5-10 см. Площадь квадратов колеблется в различных пределах (до 1 м?) и определяется, как правило, количеством воды, которое можно доставить к месту опыта. Для предотвращения растекания воды в стороны употребляются защитные рамы, площадь которых больше площади внутренних рам. С их помощью создается защитный экран переувлажненной почвы вокруг почвенного монолита, ограниченного внутренней рамой, по которой идет расчет водопроницаемости почвы. Во внутренней и внешней раме поддерживается постоянный уровень воды в 2-5 см. Опыты проводятся в нескольких повторностях. Для определения потерь, на впитывание воды в почву при расчетах максимальных ливневых расходов на малых водосборах, применяется двухрядное ограждение из колец. Недостатком этих способов определения водопроницаемости почвы является невозможность поддерживать постоянный уровень воды. При понижении уровня вода вновь подливается и измеряется объем залитой воды.

Существует и более совершенный способ определения водопроницаемости почвы, заключающийся в автоматическом поддерживании постоянного уровня воды при помощи сосудов Мариотта или других приспособлений. Все эти приборы имеют те или иные недостатки: малая глубина погружения прибора в почву, вследствие чего возможно боковое растекание воды, малая площадь внутреннего цилиндра, а также малый объем сосуда, из которого подается вода.

В настоящее время для определения водопроницаемости почвы широко применяется инфильтрометр Нестерова. Инфильтрометр ПВН состоит из двух цилиндрических колец высотой 150 см. Диаметр внутреннего кольца равен 226 мм, внешний - 450 мм, таким образом, площадь, ограниченная внутренним кольцом равна 400 см2, внешним - 1600 см2. Кольца забиваются в почву на глубину 8-10 см. Как во внутреннем, так и во внешнем кольцах во время опыта над поверхностью почвы с помощью сосудов Мариотта поддерживается постоянный уровень воды высотой 5 см. Слой впитывающейся воды в почву определяется по величине падения уровня воды в сосуде, установленном над внутренним кольцом. Цена одного деления на водомерном стекле сосуда равна 0,1 л, что в пересчете на слой почвы во внутреннем кольце составляет 2,5 мм.

И.С. Шпак применял инфильтрометр с цилиндрическими кольцами значительно большей высоты, которые забивались на глубину до 50 см. Инструментальная ошибка инфильтрометра складывается из ошибки определения величины падения уровня, которая соответствует объему впитавшейся за определенное время в почву воды, и ошибки времени. Возможная ошибка отсчета по водомерному стеклу равна половине наименьшего деления, что составляет 0,05 л. Так как наименьший интервал времени при установившейся величине инфильтрации равен 10 мин, а точность отсчета по секундомеру 0,2 сек, то относительная ошибка времени мала, и ею можно пренебречь. Таким образом, абсолютная инструментальная погрешность результатов исследований по инфильтрометру не превышает ±0,125 мм/мин. Наблюдения желательно проводить при одинаковом температурном режиме воды, воздуха и почвы, чтобы влияние этого фактора на точность измерения инфильтрации была незначительным.

С помощью инфильтрометра ПВН, как и при определении водопроницаемости почвы, методом заливаемых колец, определяется максимальное количество воды, которое данная почва способна впитывать и профильтровать через себя в определенное время. Водопроницаемость почвы, Г.П. Сурмач (1976) называет «максимальной», в отличие от «реальной», учитываемой при наличии дождя и стока.

Установленная с помощью инфильтрометра величина водопроницаемости почвы, как правило, больше, чем водопроницаемость, определяемая с помощью дождевания. При сплошном затоплении поверхности земли вода просачивается в почву под действием гидростатического напора и почти полностью заполняет капиллярные и некапиллярные поры, которые в этом случае работают всем сечением. При дождевании же, когда интенсивность дождя не превышает скорости впитывания, вода в почву поступает под действием силы тяжести, а также капиллярных и молекулярных сил. Увлажнение почвы при дождевании сельскохозяйственных полей должно проходить без образования луж и поверхностного стока (то есть без гидростатического напора). Поэтому метод заливаемых колец при определении водопроницаемости почвы и соответствующем расчете интенсивности дождя совершенно неприемлем.

На основании сопоставлении показаний инфильтрометра ПВН с данными, полученными при дождевании, пришли к выводу, что интенсивность впитывания (инфильтрации) по ПВН значительно выше, чем по дождевальной установке. Объясняется это тем, что интенсивность впитывания воды в почву просто равна интенсивности дождевания. Величины же фильтрации по данным дождевальной установки в основном довольно не плохо совпадают с величиной фильтрации, полученной с помощью ПВН, несмотря на то, что величина последней, может быть завышена.

Таким образом, в тех случаях, когда необходимо получить лишь сравнительные характеристики инфильтрационной способности различных почв на разных угодьях, а не определение величины «реальной» водопроницаемости, применение инфильтрометра ПВН весьма целесообразно. Важным обстоятельством является и то, что работа с инфильтрометром чрезвычайно проста и не требует громоздкого оборудования.

Водопроницаемость почв в основном зависит от механического состава, оструктуренности, а также от плотности и влажности верхнего горизонта почвы.

Водопроницаемость почв теснейшим образом связана с механическим составом, который определяет размер почвенных пор, что в свою очередь влияет на скорость просачивания воды через почву. Почвы, сложенные крупнозернистыми породами обладают широкими порами, по которым вода передвигается под влиянием силы тяжести. Почвы, сложенные из мелкозема, обладают меньшей водопроницаемостью, так как в таких почвах некапиллярных пор мало, в основном это капиллярные поры, движение воды, по которым из верхних слоев почвы в нижние происходит под действием капиллярных сил. Водопроницаемость бесструктурных почв полностью зависит от механического состава.

Однако прямая связь между свойствами механических элементов, слагающих почвы, и водопроницаемостью отмечена лишь для почв легкого механического состава (песок, супесь) и для тяжелых, но полностью оструктуренных почв. Водопроницаемость же почв, обладающих хорошей структурой, определяется не механическим составом, а почти полностью их структурно-агрегатным состоянием.

Почвы с тяжелым механическим составом, но хорошо оструктуренные, могут обладать гораздо лучшей водопроницаемостью, чем почвы более легкого механического состава, но плохо оструктуренные. Об этом свидетельствуют данные, приведенные в таблице 1.

Таблица 1- Водопроницаемость различных типов почв

Содержание физической глины и ила в поверхностном горизонте (0-10 см), приведенных почв, растет от дерново-подзолистой почвы к краснозему, водопроницаемость же почв резко возрастает в том же направлении, что связанно с хорошей оструктуренностью чернозема приазовского и особенно краснозема.

На водопроницаемость существенное влияние оказывает оструктуренность почвы, которая в свою очередь зависит от минералогического состава и химических свойств почвы.

Первичные почвенные частицы, слипаясь или склеиваясь органическими и минеральными почвенными клеями в комочки или агрегаты различных размеров, образуют почвенную структуру.

«Способность почвы образовывать из механических элементов агрегаты носит название структурообразующей способности почв, а совокупность получающихся в этом процессе агрегатов различной величины, формы, прочности, водопрочности и пористости, характерных для данной почвы и отдельных ее горизонтов, составляет структуру почвы».

Структурная почва слагается из зерен и комков размером от 1 до 10 мм.

Структурная почва характеризуется высокими показателями общей и некапиллярной порозности, влагоемкости и водопроницаемости. Глубоко проникая в глубь почвы по крупным порам, вода рассасывается по капиллярам комков и зерен. Поверхностный сток на таких почвах, как правило, мал или отсутствует, а вследствие этого на них не развиваются эрозионные процессы.

Наиболее ценными почвенными агрегатами являются агрегаты, способные противостоять разрушающему действию воды, то есть не расплывающиеся в воде в бесформенную массу.

В настоящее время водопрочными агрегатами считаются те, которые в воздушно-сухом состоянии при быстром погружении в воду не теряют форму и не разрушаются до размеров меньших 0,25 мм. Агрегаты, капиллярно смоченные перед погружением в воду и не разрушающиеся в ней, называются условно водопрочными. Условная водопрочности одних и тех же агрегатов всегда выше истинной.

Еще в конце XIX века считалось, что в процессе структурообразования важнейшую роль играют корневые системы растений, гумус и илистые частицы почвы. Корни растений пронизывают почву во всех направлениях и раздвигают почвенные частицы, уплотняя их. Отмирая, корни и корешки способствуют накоплению в почве органического вещества, которое участвует в создании водопрочной структуры.

В настоящее время считают, что ведущую роль в явлении водопрочности структуры играет органическое вещество типа гуминовых кислот. Поглощенному Ca?+ принадлежит вторичная роль, сводящаяся к усилению образующихся водопрочных связей. Декальцирование почвы не приводит потери водопрочности структуры. Извлечение из почвы карбонатов и других соединений Ca привело лишь к снижению механической прочности агрегатов во влажном состоянии. Вымывание из почвы битумов, смол, восков и других веществ тоже существенно не сказалось на водопрочности агрегатов. Удаление же из почвы гуминовой кислоты (с помощью едкого натра) привело к полной потере ее структурности и водопрочности. Замена катиона Ca?+ катионом Na+ приводит к быстрому падению водопрочности почвенных частиц. Наиболее водопрочными являются агрегаты, связанные гуматами Fe, Ca и H.

Физико-химическая сторона явления водопрочности связана с насыщением ионов Ca в почве лишь косвенно. Кальций создает благоприятные условия для развития микроорганизмов, которые участвуют в создании гуминовых веществ в почве.

Решающую роль в процессе возникновения водопрочной микроструктуры в почве принадлежит не всему органическому веществу (гумус), а только гуминовым кислотам и солям этих кислот, которые способны склеивать частицы почвы, а под влиянием высушивания способны переходить в не растворимое состояние. В таблице 2 помещены данные о содержании гумуса и его составе в основных типах почв, в слое 0-20 см..

Таблица 2-Состав гумуса в пахотном горизонте основных типах почв

Для накопления общего гумуса и гуминовых кислот требуются одни и те же природные условия, эти два процесса идут параллельно. В направлении с севера на юг, от зоны подзолистых почв до мощных черноземов, наблюдается увеличение содержания гумуса, а также и процентного содержания гуминовых веществ, далее на юг количество гумуса и гуминовой кислоты резко уменьшается. Исключением из правил являются красноземы, у которых наблюдается довольно большое содержание гумуса и очень низкое содержание гуминовых кислот. Следует отметить, что в подзолистых почвах в слое 0-20 см сосредоточенно больше половины имеющегося в почвенном профиле гумуса, у черноземов в этом слое содержится лишь 25% всего гумуса. Отсюда становится ясным, почему черноземы обладают наиболее прочной структурой. В подзолистых же почвах и сероземах водопрочность микроструктуры выражена слабо.

Все исследованные почвы имеют примерно один и тот же механический состав (тяжелосуглинистый). Следуя от мощных черноземов в направлении с севера на юг, происходит уменьшение гумуса, запаса гуминовых кислот в почве и количестве водопрочных агрегатов. Особое положение, занимают красноземы, что связано с повышением содержания в них железа и алюминия, закрепляющие гуминовые кислоты. Таким образом, между водопрочностью почвенной структуры, количеством органического вещества и его составом существует тесная связь в широком географическом аспекте.

Д.В. Хан (1969) считает, что агрегатное состояние почвы в основном осуществляет совокупность органического вещества, глинистых минералов и поглощенных оснований. Неудовлетворительное структурное состояние подзолистой почвы обусловлено низким содержанием органического вещества, глинистых и других минералов, обладающих высокой адсорбционной способностью. Для улучшения же структурного состояния песчаной почвы требуется не только органическое вещество, но и соответствующие минералы, и поглощенные основания.

По данным того же автора, поглощенные кальций и водород способствуют быстрому распаду органического вещества и, вследствие чего ускоряют образование максимального количества водородных агрегатов почвы уже в течение первых месяцев. Под влиянием поглощенных железа и алюминия органическое вещество разлагается медленно, вследствие чего максимальное количество водопрочных агрегатов почвы образовались только через 12 и 18 месяцев.

Огромное влияние на водопроницаемость оказывает величина агрегатов. Влияние размеров структурных агрегатов на водопроницаемость изучалась С.С Бракиным (1965) на южных черноземах.

Определение водопроницаемости проводилось на водопрочных и неводопрочных агрегатах. Данные этих наблюдений приведены в таблице 3.

Таблица 3-Водопроницаемость почв с различными размерами агрегатов (мм/мин)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6