Механическая прочность почвенной структуры: взаимосвязь с физическими свойствами и основной гидрофизической характеристикой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.01.03, кандидат биологических наук Пестонова, Елена Аркадьевна

• Пестонова, Елена Аркадьевна
• кандидат биологических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Пестонова, Елена Аркадьевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Почвенная структура и ее свойства.

1.1 Твердая фаза почвы.

1.2 Формирование почвенных агрегатов.

1.3 Энергетическое состояние почвенной влаги.

1.4 Процесс испарения почвенной влаги.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ.

2.1 Объекты исследования.

2.2 Методы исследования.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1 Прочность воздушно-сухих агрегатов и ее взаимосвязь с физическими свойствами.

3.2 Прочность межчастичных связей в почвенных пастах.

3.3 Прочность межчастичных связей и кинетика испарения почвенной влаги в почвенных пастах в процессе иссушения.

3.4 Прочность почвенных агрегатов и кинетика испарения почвенной влаги в агрегатах.

3.5. Кривые усадки почвенных агрегатов.

3.6 Взаимосвязь прочности почвенной структуры и основной гидрофизической характеристики.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Механическая прочность почвенной структуры: взаимосвязь с физическими свойствами и основной гидрофизической характеристикой»

Прочность почвенной структуры обусловлена образованием контактов различных типов между почвенными частицами. О количестве контактов можно судить по показателям пористости почвы, которая изменяется в процессе иссушения. Тип формирующихся контактов в первую очередь обусловлен содержанием влаги в почве. Согласно структурно-функциональному подходу А.Д. Воронина, на кривой основной гидрофизической характеристики (ОГХ) выделяются различные критические состояния, соответствующие изменению форм почвенной влаги. Формы почвенной влаги, ее подвижность можно оценивать по кинетике испарения почвенной влаги. Совместный анализ основополагающих зависимостей физико-механических свойств почв (механической прочности, удельного объема пор, кинетики испарения почвенной влаги и энергетического состояния (основная гидрофизическая характеристика, ОГХ) является актуальной задачей физики почв, так как может являться источником информации о формировании и устойчивости почвенной структуры к различным воздействиям.

Цель работы. Выявление закономерностей формирования и устойчивости почвенной структуры на основании анализа взаимосвязи механической прочности почвенной структуры и основной гидрофизической характеристики.

ГЛАВА 1. Почвенная структура и ее свойства.

1.1 Твердая фаза почвы.

Почва представляет собой трехфазную систему, состоящую из твердой, жидкой и газообразной фаз. Основой всех специфических особенностей почвы как среды для роста и развития растения является ее твердая фаза. Твердая фаза почвы изменяется в процессе почвообразования. В ее состав входят обломки горных пород и минералов разной степени дисперсности, органическое вещество с разной степенью разложения и находящееся с минералами почвы в физическом, химическом и биологическом взаимодействии. В процессе физического выветривания группы минералов ведут себя неодинаково. Наибольшей механической прочностью обладает кварц, за ним следуют полевые шпаты, затем роговые обманки и пироксены, и, наконец, слюды. Менее прочные минералы измельчаются легче, и ими обогащаются мелкие фракции, крупные же фракции обогащаются кварцем (Вершинин, 1958; Розанов, 1983).

Размер почвенных частиц, или дисперсность почвы, имеет очень важное и широкое значение. С дисперсностью почвы связаны ее физические, химические и биологические свойства. Любое твердое тело с измельчением увеличивает свою удельную поверхность. С удельной поверхностью почвы тесно связана свободная поверхностная энергия системы. В процессе диспергирования твердого тела часть ионов атомов и молекул, которые ранее были связаны в кристаллических решетках, выходят на поверхность, и их энергия оказывается некомпенсированной. Таким образом, с увеличением дисперсности, а значит, с увеличением удельной поверхности, возрастает и поверхностная энергия системы. Все системы, обладающие избыточной поверхностной энергией, неустойчивы. Такие системы всегда стремятся к самопроизвольному понижению энергии. Чем выше дисперсность системы, тем в большей степени в ней выражено стремление уменьшить свою свободную поверхностную энергию. Этого можно достигнуть двумя способами: адсорбцией газов и паров свободными поверхностями почвенных частиц, а также ионов и молекул из растворов и слипанием почвенных частиц (Вершинин, 1959, Лукьянов, 1980).

В результате слипания почвенных частиц происходит формирование микроагрегатов, которые в свою очередь, соединяясь друг с другом, образуют макроагрегаты. Так формируется одно из самых удивительных и важных свойств почвы - структура.

Исследованиями А.Д.Воронина (Воронин, 1984) показано, что большое значение в формировании почвенной структуры имеет содержание тонкодисперсного материала (илистая фракция и мелкая пыль), которые играют роль клеящего вещества почвы, или так называемой плазмы (частицы < 0,5 мкм). «В зависимости от дисперсности плазмы характер структуры может существенно меняться. Наличие даже небольшого количества органического вещества резко изменяет пространственное расположение плазмы, дает возможность формирования прочных пористых микроагрегатов и агрегатов, а также способствовать образованию многочисленных плоскостей ослабления структурных связей, обусловливая формирование зернистых структур и развитой межагрегатной порозности без образования больших трещин и глыбистых блоков. Гетерогенная локализация органического и минерального вещества плазмы лежит в основе микротрещиноватости почв, что особенно важно в условиях периодических циклов увлажнения - иссушения, набухания - усадки. Отдельные взаимодействия частиц могут быть рассмотрены на основе анализа природы структурных связей и контактных взаимодействий в глинистых породах и обобщенной схемы возможных механизмов связывания элементарных почвенных частиц в агрегаты» (Воронин, 1984).

Заключение диссертации по теме «Агропочвоведение и агрофизика», Пестонова, Елена Аркадьевна

выводы

1. Механическая прочность воздушно-сухих агрегатов гумусовых горизонтов возрастает в следующем ряду почв: дерново-подзолистая почва - серая лесная со вторым гумусовым горизонтом - серая лесная почва - типичный чернозем («вечный пар») - типичный чернозем целинный - типичный чернозем под пашней.

2. Механическую прочность агрегатов исследуемых типов почв можно разделить на три группы: низкой прочности (до 2,2 кг/см), средней

7 о прочности (от 2,2 до 5,2 кг/см ), и высокой прочности (от 5,2 до 7,9 кг/см ). Формирование агрегатов с той или иной прочностью зависит от дисперсности почв, поверхностной энергии твердой фазы, наличия кальция и качества органического вещества.

3. Выделено четыре типа форм кривых зависимости прочности от нагрузки в процессе иссушения, которые соответствуют разным физическим состояниям системы: текучему, пластичному, переходному из пластичного в твердое и твердому. По виду этой кривой можно судить о консистенции почвы и соответствующих реологических моделях при данной влажности.

4. Кривые прочности почвенных паст имеют характерные области изменения прочности для всех исследуемых почв. В диапазоне влажности проявления пластичных свойств прочность интенсивно возрастает и в области влажности предела пластичности отмечается понижение прочности. Вероятно, это связано с проявлением стягивающего действия капиллярных сил.

5. Совместный анализ кривых прочности и сушки паст и агрегатов позволяет выявить характерные диапазоны форм почвенной влаги по изменению прочности и скорости сушки паст и агрегатов.

6. Совместный анализ изменения прочности, скорости сушки и усадки агрегатов выявил, что в области влажности предела нормальной усадки происходит уменьшение скорости испарения и резкое возрастание прочности структурных связей. Сопоставление полученных величин с ОГХ показало, что обнаруженные изменения физического состояния лежат в области второго критического потенциала.

7. Характерные участки изменения прочности межчастичных связей почвенных паст находятся в соответствии с реологическим состоянием почвы и критическими потенциалами ОГХ. Анализ кривых прочности почвенных паст позволяет количественно оценить степень взаимодействия почвенных частиц друг с другом. Различный характер нарастания прочности паст от пятого к первому критическим потенциалам в гумусовых горизонтах и горизонтах В отражает структурные особенности исследуемых почв.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Пестонова, Елена Аркадьевна, 2007 год

1. Абрукова Л.П. Применение конического пластометра для исследования прочностных свойств почв. // Почвоведение, 1980, № 7. С. 147-155

2. Аксенов А.В. Физико-механические свойства почв и энергетическое состояние почвенной влаги. Автореф. канд. дис. . биол.н. М., 2003.

3. Алексеева Т.В., Алексеев А.О., Соколовска 3., Хайнос МЛ Связь между минералогическим составом и свойствами поверхности почв./ Почвоведение, 1999, №5, С. 604 613.

4. Амелина Е.А. Контактные взаимодействия частиц в дисперсных структурах.// Физико-химическая механика природных дисперсных систем. М.: Изд-во МГУ, 1985, С. 6-19.

5. Амелина Е.А. Методические разработки к практикуму по коллоидной химии, 1994.

6. Антипов-Каратаев И.Н., Келлерман В.В., Хан Д.В. О почвенном агрегате и методах его исследования М.: Изд-во Академии наук СССР, 1948, 82с.

7. Бекаревич Н.Е. Влияние адсорбированной воды на прочность структуры почвы. // Почвоведение, 1949, № 11. С. 668-674.

8. Березин П.Н., Воронин А.Д., Шеин Е.В. Физические основы и критерии слитогенеза.//Вестник МГУ Сер. 17, почвоведение, 1989, №1,31 -38с.

9. Ю.Березин П.Н., Воронин А.Д., Шеин Е.В. Основные параметры и методы количественной оценки почвенной структуры. //Почвоведение, 1985, №10, 58-67с.

10. П.Березин П.Н., Воронин А. Д., Шеин Е.В. Структура почвы: энергетический подход к количественной оценке. // Почвоведение. 1983, №10, С. 63-69.

11. Березин П.Н. Смирнова И.В. Применение фотографического метода для определения пористости агрегатов. // Почвоведение, 2006, №5, с. 546-552

12. Бурлаков А.А. Сопротивление сдвигу, внутреннее трение и сцепление светло-серых и коричнево-серых лесных почв. // Почвоведение. 1975. № 10. С. 51-59

13. Буравчук Н.И., Минкин М.Б., Остриков М.С. Вязкопластичные свойства почв каштаново-солонцовых комплексов. // Почвоведение. 1971. № 9. С.108-114.

14. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. 2-е изд. М.: Изд-во «Высшая школа», 1973.

15. Васильевская В.Д., Зборищук Ю.Н., Ульянова Т.Ю. Почвы и почвенный покров УОПЕЦ Чашниково. // Развитие почвенно-экологических исследований. Изд-во МГУ, 1999. С.25-33.

16. П.Вершинин П.В. Почвенная структура и условия ее формирования М.: Изд-во Академии наук СССР, 1958, 187с.

17. Вершинин П.В., Мельникова М. К., Мичурин Б. Н., Мошков Б. С., Поясов Н. П., Чудновский А.Ф. Основы агрофизики М.: Государственное изд-во физико-математической литературы, 1959, 903с.

18. Вильямс В. Р. Прочность и связность структуры почвы. // Почвоведение, 1935, № 5/6. С. 746-754.

19. Возраст и эволюция черноземов / Н. Я. Марголина, A. JT. Александровский, Б. А. Ильичев и др. -М.: Наука, 1988,144с.

20. Воробьева JI.A. Химический анализ почв. М.: Изд-во МГУ, 1998,272с.

21. Воронин А.Д. Основы физики почв. М.: Изд-во МГУ, 1986.244с.

22. Воронин А.Д. Стуктурно-функциональная гидрофизика почв. М.; Изд-во МГУ, 1984.201с.

23. Воронин А.Д. Структурно-энергетическая концепция гидрофизических свойств и ее практическое применение. //Почвоведение, 1980, №12, С. 35-46.

24. Воронин А.Д. Энергетическая концепция физического состояния почв. //Почвоведение, 1990, № 5. С. 7-19.

25. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. 2-е изд. М: Химия, 1975.

26. Гамаюнов Н.И. Исследование процесса структурообразования при сушке капиллярно-пористых материалов. // Почвоведение. 1985. № 5. С.147-152

27. Глобус A.M. Экспериментальная гидрофизика почв. Ленинград: Гидрометеорологическое изд-во, 1969. 355с.

28. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. Москва: «Стройиздат», 1973.371с.

29. Горбунов Н.И. Закономерности распространения глинистых минералов в главнейших типах почв СССР. // Почвоведение, 1956, №2, С.75-89.

30. Горбунов Н.И., Орлов Д.С. Природа и прочность связи органических веществ с минералами почвы//Почвоведение, 1977, №7, С. 89 100.

31. Горькова И.М. Исследование глинистых пород при помощи конического пластометра.// Коллоидный журнал, 1956, т.18, №1

32. Грунтоведение. Под ред. В.Т. Трофимова М.: Изд-во Моск. Ун-та, изд-во «Наука», 2005.1024 с.

33. Зубкова Т.А. Влияние адсорбированной воды на прочность почвенных агрегатов.//Вестник Московского Университета, серия 17 почвоведение, 1992, №2, С. 35-38.

34. Зубкова Т.А. О механической прочности почвенных агрегатов. //Вестник МГУ, Сер. 17 почвоведение. 1992, №3, С. 55-61.

35. Зубкова Т.А. О природе механической прочности абсолютно-сухих почвенных агрегатов. Почвоведение, 1998, С. 281-290.

36. Зубкова Т.А., Карпачевский JI.O. Матричная организация почв. -М.'.РУСАКИ, 2001. 296с.

37. Ильин А.П., Прокофьев В.Ю. Физико-химическая механика в технологии катализаторов и сорбентов. Монография / Иван. Гос. Хим,-тенол. Ун-т, Иваново, 2004, 315 с.

38. Канивец И. И., Прицкер Н. Я. О нарастании прочности почв по микрозонам под влиянием корневой системы сахарной свеклы, навоза и других структурообразователей. // Почвоведение, 1938, № 9. С. 11731184.

39. Капинос В.А. Зависимость между кинетическими и энергетическими характеристиками почвенной влаги и ее доступностью растениям: Автореф. канд. дис. биол.н. М., 1987

40. Качинский Н.А. О структуре почвы, некоторых водных ее свойствах и дифференциальной порозности. // Почвоведение, 1947, №6, С.

41. Качинский Н.А. Физика почвы. Т. 2. М.: Высшая школа, 1970.

42. Козлов В. П. К вопросу образования структуры почвы в условиях лесной растительности. // Почвоведение, 1951, № 8. С. 493-496.

43. Кокурина Э. И. Влияние различных доз гипса на прочность и плотность солонцов. // Почвоведение, 1980, № 6. С. 65-73.

44. Колясев Ф.Е. Подвижность воды в почве и некоторые пути ее регулирования Основы агрофизики - М.: Государственное изд-во физико-математической литературы, 1959 С.11-29

45. Кудряшов В.А. Метод определения механической прочности почвенных агрегатов.// Агрофизические методы и приборы. СПб., 1998. Т.1.С. 8-11.

46. Кузнецова И. В. К вопросу о механической прочности почвенной структуры. //Почвоведение, 1967, № 8. С. 88-96.

47. Кузнецова И. В. Содержание и состав органического вещества черноземов и его роль в образовании водопрочной структуры. //Почвоведение, 1998, №1, С.41-50.

48. Кузнецова И. В., Данилова В. И., Арустамянц Е. Н. Определение механической прочности почвенной структуры с помощью классификатора У ОВ-1. //Почвоведение, 1986, № 7. С. 121-125.

49. Кульчицкий Л.И. Усьяров О.Г. Физико-химические основы формирования свойств глинистых пород, Москва, Изд-во «Недра», 1981,178 с.

50. Лобицкая Л.В. Состав органической и минеральной частей коллоидов дерново-подзолистой почвы, чернозема и краснозема.// Записки Ленинградского сельскохозяйственного института, 1966, 105 т, С. 55 -65.

51. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований. Ленинград: «Недра», 1990.327с.

52. Лукьянов А.Б. Физическая и коллоидная химия. М.; Химия, 1980, 224 с.

53. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. - 470с.

54. Макеева В.И., Лапицкий С.А. Зависимость процесса набухания слитых почв от характера структурных связей. // Вестник Моск. Ун-та, сер. 17, почвоведение, 1989, №1.

55. Манучаров А.С. Основы реологии в почвоведении. Москва: Изд-во МГУ, 1983.90 с.

56. Манучаров А.С., Абрукова В.В., Черноморенко Н.И. Методы и основы реологии в почвоведении. М.: Изд-во МГУ, 1990.

57. Манаенков И.В., Зубкова Т.А., Карпачевский JI.O. Механическая прочность почвенных агрегатов разной формы. // Почвоведение, 1997, № 12, С. 1438-1444.

58. Милановский Е.Ю. Гумусовые вещества как система гидрофобно-гидрофильных соединений. Автореферат докт. диссерт. . биол. наук, 2006.

59. Милановский Е.Ю., Шеин Е.В. Функциональная роль амфифильных компонентов гумусовых веществ в процессах гумусо-структурообразования и генезисе почв. // Почвоведение. 2002. №10, С. 1201-1213.

60. Моисеев К.Г., И.А.Романов Влияние длительной распашки на прочность почвенных агрегатов// Почвоведение, 2004, №6. С. 697-701

61. Окороков В.В. Физико-химическая природа устойчивости почвенной структуры серых лесных почв Владимирского ополья. // Почвоведение, 2003, №11, С. 1346- 1353.

62. Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв: Методическое руководство / Под ред. Е. В. Шеина. -М.: Изд-во МГУ, 2001. 200с.

63. Потапов Б. И. Динамика водопрочности и механической прочности искусственной структуры почв. // Почвоведение, 1971, № 12. С. 79-86.

64. Почвенно-агрономическая характеристика АБС Чашниково. Часть 1, Изд-воМГУ, 1986.

65. Путеводитель научных полевых экскурсий III съезда Докучаевского общества почвоведов. М.:Изд-во «АгроВестник», 2000,118с.

66. Путилин Е. И. К вопросу определения механической прочности почвенных агрегатов. // Почвоведение, 1970, № 7. С. 114-116.

67. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур. //Физико-химическая механика дисперсных структур. Сб.статей. Москва: Изд-во «Наука», 1966. с.3-16

68. Ребиндер П.А., Семененко Н.А. О методе погружения конуса для характеристики структурно-механических свойств пластично-вязких тел. // Докл. АН СССР. т.64. № 6. 1949. С. 835 838.

69. Розанов Б.Г. Морфология почв. М., Изд-во МГУ, 1983, 280 с.

70. Рыжова И.М. Математическое моделирование почвенных процессов. -М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1987, 82с.

71. Сапожников П.М., Уткаева В.Ф., Абрукова В.В., Щепотьев В.Н. Структурно-механические и гидрофизические свойства типичного чернозема при применении удобрений. // Почвоведение, 1988, № 10, С. 67-74.

72. Сапожников П.М., Уткаева В.Ф., Васенев И.И. Оценка изменения физических свойств черноземов при орошении. // Почвоведение, 1992, №11, С. 43-54.

73. Сергеев Е.М. Грунтоведение. Москва: Изд-во Моск. Ун-та, 1971. 594 с.

74. Скворцова Е.Б., Сапожников П.М. Трансформация порового пространства уплотненных почв в ходе сезонного промерзания и оттаивания. //Почвоведение, 1998, № 11, С. 1371 1381.

75. Смагин А.В. Теория и методы оценки физического состояния почв. // Почвоведение. 2003. № 3. с. 328-341

76. Соколов В.Н. Влияние влажности на прочность структурных связей глинистых частиц.//Вестник Моск. Ун-та, сер. Геология, 1973. №4. с. 114-117

77. Федотов Г.Н., Поздняков А.И., Жуков Д.В., Пахомов Е.И. Органо-минеральные гели в почвах: экспериментальные факты и гипотезы. //Почвоведение, 2004, №6, С. 691 696.

78. Физико-химическая механика природных дисперсных систем/ Под редакцией Е.Д. Щукина, Н.В. Перцова, В.И Осипова, Р.И. Злочевской. М.: Изд-во МГУ, 1985,266с.

79. Францессон В. А. Набухание и усадка в черноземных почвах в связи с прочностью их структуры. //Почвоведение, 1942, № 1. С. 33-38.

80. Хан. Д.В. Влияние перегнойных веществ, состава минералов и обменных катионов на образование водопрочных агрегатов в черноземных почвах. // Почвоведение, 1957, №4, С.

81. Хан Д.В. Значение поглощенных катионов в формировании агрегатов почвы. //Почвоведение, 1965, №10, С. 98 106.

82. Хайдапова Д.Д., Аксенов А.В. Взаимосвязь пластической прочности и липкости почв с основной гидрофизической характеристикой,// Почвоведение № 5,2001, с. 586-593

83. Шеин Е.В. Курс физики почв. Москва: Изд-во МГУ, 2005. 420 с.

84. Шинкарев А.А., Мельников JI.B., Зайнуллин Т.Е. Природа водопрочности агрегатов гумусовых горизонтов темно-серой лесной почвы. // Почвоведение, 1999, №3, С. 348 353.

85. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. 2-е изд. М.: Высшая школа, 1992,414с.

86. Annabi М., Annabi М., Houot S., Annabi М., Francou С., Poitrenaud М., Le Bissonnais Y. Soil aggregate stability improvement with urban composts of different maturities. // Soil Sci. Soc. Am. J., 2007, Vol. 71, pp. 413 423.

87. Campbell D.J. Liquid limit determination of arable topsoil using a drop-cone penetrometer. //J. Soil Sci., 1975, vol. 26,234-240.

88. Campbell D.J. Plastic limit determination using a drop-cone penetrometer. // J. Soil Sci., 1976, vol. 27,295-300.

89. Campbell D.J. The plastic limit, as determined by the drop-cone test, in relation to the mechanical behaviour of soil. // J. Soil Sci., 1980, vol. 31, №1,11-24.

90. Chen K.Y., Heenan D.P. Lime induced loss of soil organic carbon and effect on aggregate stability. // Soil Sci. Soc. Am. J., 1999, Vol. 63,18411844.

91. Chenu C., Le Bissonnais Y., Arrouays D. Organic Matter influence on clay wettability and soil aggregate stability // Soil Sci. Soc. Am. J., 2000, Vol. 64,1479-1486.

92. Glauser R., Doner H.E., and Paul E.A. Soil aggregate stability as a function of particle size in sludge-treated soils. // Soil Science, 1988, vol. 146, №1, 37-43.

93. Hanson G.J. Investigating soil strength and stress-strain indices to characterize erodibility /// Transactions of the ASAE. 1996. - V. 39, № 3. -P. 883-890.

94. Levy G.J., Mamedov A.I. High-Energy-Characteristic Aggregate Stability as a Predictor for Seal Formation.// Soil Sci. Soc. Am. J., 2002, Vol. 66, 1603-1609.

95. Marquez C.O., Garcia V.J., Cambardella C.A., Schultz R.C., Isenhart T.M. Aggregate-size stability distribution and soil stability. // Soil Sci. Soc. Am. J., 2004, Vol. 68, pp. 725-735.

96. Piccolo A., Mbagwu J.S.C. Role of Hydrophobic Components of Soil Organic Matter in Soil Aggregate Stability. //Soil Sci. Soc. Am. J., 1999, Vol. 63,1801-1810.

97. Reid J.B., Goss M.J. Effect of living roots of different plant species on the aggregate stability of two arable soils. // J. Soil Sci., 1981, vol. 32, 521-541.

98. Wright S.F., Starr J.L., Paltineanu I.C. Changes in aggregate stability and concentration of glomalin during tillage management transition.// Soil Sci. Soc. Am. J., 1999, Vol. 63,1825-1829.