Преимущественные потоки почвенной влаги в условиях стационарной фильтрации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.01.03, кандидат биологических наук Ананьева, Ксения Аркадьевна

• Ананьева, Ксения Аркадьевна
• кандидат биологических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Ананьева, Ксения Аркадьевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ДВИЖЕНИИ ВОДЫ В ПОЧВЕ И УСЛОВИЯХ, ЕГО ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ.

1.1. Движение воды в условиях стационарной фильтрации.

1.2. Преимущественные пути фильтрации влаги.

1.2.1. Почвенная структура.

1.2.2. Преимущественный поток растворенных веществ.

1.2.3. Изменение фильтрации в связи с пространственной вариабельностью физических свойств почв.

• 1.3. О Владимирском ополье.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Характеристика объекта исследования.

2.2. Основные методы исследования.

2.2.1. Полевые методы.

2.2.2. Лабораторные методы.

ГЛАВА 3. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВЕННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫХ ПУТЯХ ФИЛЬТРАЦИИ ВОДЫ

ВЫВОДЫ.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Преимущественные потоки почвенной влаги в условиях стационарной фильтрации»

Углубление познания механизмов формирования и функционирования почв характерно для всех разделов современного почвоведения. При этом происходит неизбежный переход к рассмотрению процессов на различных уровнях организации почв. Глубокое познание причин и следствий физических изменений в почвах — необходимое условие разработки обоснованных приемов управления плодородием почв.

Опыт показывает, что адекватные модели в почвоведении появляются, когда исследуемые явления, процессы или свойства глубоко поняты и изучены экспериментально [Дмитриев и др., 1986].

Вопросы, связанные с методами исследования пространственной изменчивости физических свойств и движения воды в насыщенной почве, до сих пор являются во многих аспектах неразработанными.

В последнее время уделяется большое внимание формированию так называемых преимущественных путей движения влаги. Образование их связывают с неравномерностью движения (в песчаных почвах), со слоистостью. Значительно меньше изучены вопросы образования преимущественных путей фильтрации влаги, связанных с неоднородностью пространственного распределения физических свойств. Основоположником такого рода работ был Е.А.Дмитриев. Однако, и в этих работах приведены качественные результаты по преимущественным путям миграции, обусловленным в основном генетическими особенностями почв. Количественная взаимосвязь формирования преимущественных путей фильтрации и пространственного распределения физических свойств в масштабе почвенного индивидуума не была изучена.

В связи с этим, решение этой проблемы весьма актуально и требует качественного и количественного анализа формирования преимущественных путей фильтрации воды в условиях Владимирского ополья.

Этому и посвящена данная работа, которая проводилась на кафедре физики и мелиорации почв МГУ под руководством профессора, доктора биологических наук Евгения Викторовича Шеина.

Научная новизна работы состоит в том, что было показано, что в масштабе почвенного индивидуума фильтрационное движение влаги происходит лишь по части порового пространства, специфическими путями. Формирование этих путей связано с пространственной неоднородностью плотности в горизонтальном и вертикальном направлениях: преимущественные пути фильтрации приурочены к зонам с категориями плотностями, которые наименее извилисты и имеют наименьшие межслойные перепады по вертикали и занимают наибольшую площадь в горизонтальном направлении.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложена методика количественной интерпретации качественных представлений о движении воды в условиях стационарной фильтрации.

Полевые материалы были получены в результате экспедиций кафедры физики и мелиорации почв 1998-2000 годов на серых лесных почвах Владимирского ополья на территории Владимирского НИИСХ.

Лабораторные исследования проводились в лабораториях кафедры физики и мелиорации почв МГУ по окончании полевого периода.

Автор выражает глубочайшую благодарность всему коллективу кафедры, в особенности научному сотруднику к. б. н. А.В.Дембовецкому за оказанную помощь при выполнении работы.

Заключение диссертации по теме «Агропочвоведение и агрофизика», Ананьева, Ксения Аркадьевна

выводы

В масштабе почвенного индивидуума (площадь исследования около 1 м2), в условиях передвижения влаги, близких к слабонапорной стационарной фильтрации, наблюдаются следующие закономерности пространственного распределения путей миграции влаги и плотности некоторых серых лесных почв Владимирского ополья:

1. В почвенном профиле исследованных почв с глубиной уменьшается неоднородность по плотности, как по пространственному распределению, так и по занимаемой удельной площади различных градаций по плотности. В зависимости от генезиса почв плотность понижается (серые лесные со вторым гумусовым горизонтом) или повышается (серые лесные разной степени опод-золенности).

2. Основной объем воды фильтруется по тем категориям плотности, которые занимают наибольшую долю в пределах горизонтальных площадок, лучше всего сохраняют вертикальное расположение в профиле почвы (наименее извилисты в вертикальном направлении) и по зонам с наименьшими межслойными вертикальными перепадами плотности. Существенную роль в пространственной форме основных путей миграции играет плужная подошва, где происходит смена категорий плотности и изменяется вертикальность пространственного расположения этих категорий. В исследованных почвах в условиях стационарной фильтрации горизонтальная и вертикальная изменчивость плотности является доминантным фактором формирования преимущественных путей миграции влаги.

3. Коэффициент ветвления (,9ветв), показывающий "рассечение" общего потока с поверхности на отдельные водные тяжи в процессе фильтрации, увеличивается на глубине 25-45 см, что связано с образованием плужной подошвы. Ниже ее £ветв резко падает, что обусловлено формированием и стабилизацией постоянных потоков.

4. Сравнение преимущественных потоков фильтрации воды с зонами различной концентрации мезо- и микропор показало, что фильтрационные потоки в большинстве случаев не связаны с зонами повышенной или пониженной концентрации пор соответствующей категории. Их расположение определяется изменением диаметра пор, и, как указывалось выше, вертикального пространственного расположения однородного порового пространства.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ:

1. В.М. Гончаров, М.А. Мазиров, М.А. Бутылкина, Е.В. Фаустова, А.В. Кириченко, К.А. Марченко. Основные характеристики уплотнения почв//Тезисы докладов Международной научно-практической конференции "Проблемы воздействия движителей на почву и эффективные направления ее решения", Москва, 23-25 сентября 1998 г., с. 66-67

2. Марченко К.А. Пространственное распределение плотности почвы и путей движения влаги по профилю серых лесных почв//Тезисы докладов VII международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2000", 12-15 апреля 2000 г., секция "Почвоведение", с. 49.

3. Shein E.V., A.B.Umarova, A.V.Dembovetsky, Х.А. Marchenko. Subsoil density distribution and matter movement in soils//Proceedings of 2nd Workshop and International Conference on SUBSOIL COMPACTION, Godollo, Hungary, 29-31 May 2000, p. 105-111.

4. Умарова А.Б., Милановский Е.Ю., Марченко K.A., Яковлева Т.Ю., Калмыкова О.В. Исследование движения влаги и веществ в серых лесных почвах методами меток и встроенных лизиметров//Материалы III съезда почвоведов, Суздаль, 2000.

5. Шеин Е.В., Марченко К.А. Взаимосвязь путей движения влаги и пространственного распределения плотности почвы Владимирского опо-лья/Шочвоведение, №7, 2001, с.823-833

6. Шеин Е.В., Марченко К.А. Преимущественные пути миграции влаги// Вестник Московского университета, сер. 17, Почвоведение, 2002, № 1, с. 45-49.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Ананьева, Ксения Аркадьевна, 2004 год

1. Bachmat Y., Elrick D.E. Hydrodynamic instability of miscible fluid in a vertical porous column. Water Resour., 1970, №6/

2. Corey J.C. Evaluation of dyes for tracing water movement in acid soils. Soil.Sci., 1968, v. 106, №5

3. Flury, M., H. Fluhler, W.A.Juiy, and J.Leuenberger. Susceptibility of soils to preferential flow of water: a field study. Water Resour. Res., 1994, 30:1945-54

4. Glass R.J., Steenhuis T.S., Parlange J.Y. Wetting front instability as a rapid and farreaching hydrological process in the vadose zone. J. Contam. Hydrol. №3. 1988.

5. Glass R.J., Steenhuis T.S., Parlange J.Y. Wetting front instability. Water Resours. Res. 25,1989.

6. Hill E.D., Parlange J.Y. Wetting front instability in layered soils. Soil Sci. Am. Proc., 1972, №36.

7. Hillel, D., R.S.Baker. A descriptive theory of fingering during infiltration into layered soils. Soil.Sci., 1988, 146:51-56

8. Kueper B.H., Flind E.O. An overview of immiscible fingering in porous medium. J. Contam. Hydrol, 1988, №2

9. Lacey W.J., Laguna W. De. Method of preparing radioactive cations for tracing-ground water. Science, 1956, v. 124, №3218

10. O.Lin C.C. "The Theory of Hydrodynamic stability". Cambridge Univ. Press, London and New York, 1955.1 l.Peck A.J. Moisture profile development and air compression during water uptake by bounded porous bodies: 3 vertical columns. Soil Sci., 1965, 100.

11. Philip S.R. Stability analysis of infiltration. Soil Sci. Am. Proc., 1975, №39.

12. Raats P.A.C. Unstable wetting fronts in uniform and nonuniform soils. Soil Sci. Am. Proc., 1973, №37.

13. H.Ritsema, C.J., L.W.Dekker, J.M.H.Hendrickx, and W.Hamminga. Preferential flow mechanism in water repellent sandy soil. Water Resour. Res., 1993, 29:21832193

14. Saffman P.G., Taylor G.I. The penetration of a fluid into a porous medium or Hele-Show cell containing a more viscous liquid. Proc. R. Soc., 1958, London, ser. A 245.

15. Smith R.E., Diekkruger. Field-Scale Soil Water Flow in Heterogeneous Soil I. Modeling Statistical Soil Variation and Large-Scale Constituent Reletions

16. Steenhuis, T.S., C.J.Ritsema, L.W.Dekker, and J.Y.Parlange. Fast and early appearance of solutes in groundwater by rapid and far-reaching flows. In: Transactions of the 15th World Congress of Soil Science, Acapulco, Mexico, July 1994, 184-203

17. Wooding R.A. Growth of fingers at an unstable diffusing interface in a porous medium or Hele-Show cell. J. Fluid Mech., 1969, №39.

18. Александровский A.JI., Гольева А.А. История развития почв со вторым гумусовым горизонтом. Тезисы докладов 2-го съезда общества почвоведов, книга 2-я, С-Пб, 1996, с. 3.

19. Алифанов В.М. Изменение серых лесных почв при сельскохозяйственном использовании. Почвоведение, 1979, №1

20. Алифанов В.М. Палеокриогенез и современное почвообразование. Пущино, 1995, с. 159-163.

21. Алифанов В.М., Гугалинская Л.А. Основные палеокриогенные свойства и их роль в почвообразовании. Тезисы докладов 2-го съезда общества почвоведов, книга 2-я, С-Пб, 1996, с.4.

22. Андроников В.Л. Об изменении свойств серых лесных почв при окультуривании. В сб.: Изменение почв при окультуривании, их классификация и диагностика. Колос, 1965.

23. Березин П.Н., Воронин А.Д., Шеин Е.В. Физические основы слитогенеза. Почвоведение, 1989, №1, с.31-38.

24. Бондарев А.Г. Теоретические основы и практика оптимизации физических условий плодородия почв. Почвоведение, 1994, с. 10-15.

25. Бондарев А.Г., Медведев В.В. Изучение физических свойств почв сельскохозяйственного использования Франции. Почвоведение, 1988, №8, с.36-43.

26. Бондарев А.Г., Силаков С.Н. Изменение физических свойств серых лесных почв при окультуривании. Почвоведение, 1993, № 7, с. 107-112.

27. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986.

28. Васильев И.С., Роде А.А. Опыт «мечения» почвенной влаги ионом С1 с целью изучения закономерностей ее передвижения в полевых условиях. Почвоведение, 1960, №4

29. Величко А.А. Вопросы геохронологии лессов Европы. Известия АН СССР, 1965, география, №4

30. Величко А.А., Морозова Т.Д., Нечаев В.П., Порожнякова О.М. Позднеплейстоценовый криогенез и современное почвообразование в зоне южной тайги (на примере Владимирского ополья). Почвоведение, 1996, №9, с.1056-1063.

31. Величко А.А., Морозова Т.Д., Нечаев В.П., Порожнякова О.М. Палеокрио-генез, почвенный покров и земледелие. М. «Наука», 1996, с. 92-121. Всего с. 152

32. Воронин А.Д. Основы физики почв. Изд. МГУ, 1986

33. Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. Изд. МГУ, 1984.

34. Воронин А. Д., Губер А.К., Шеин Е.В. Использование почвенно-гидрологических констант для расчета параметров гидрофизических характеристик. Почвоведение, 1996, №5, с. 630-634.

35. Глобус A.M. О применении радиоактивных комплексонатов в качестве метки воды для почвенно-гидрологических исследований. Почвоведение, 1961, №9

36. Грин A.M. Зависимость инфильтрационной способности от физических и химических свойств почв. Почвоведение, 1972, №895

37. Грин A.M., Назаров Г.В. Сравнительная характеристика впитывающей способности почв лесостепной зоны европейской части СССР. Почвоведение, 1965, №3

38. Губер А.К., Шеин Е.В. Адаптация и идентификация математических моделей переноса влаги в почвах. Почвоведение, 1997, № 9, с. 1107-1119.

39. Губер А.К., Шеин Е.В., Ван Ицюань, Умарова А.Б. Экспериментальное обеспечение математических моделей переноса воды в почвах, оценка адекватности и надежности прогноза. Почвоведение, 1998, №9, с. 1127-1138.

40. Гумматов Н.Г., Пачепский Я.А., Щербаков Р.А. Пространственно-временная изменчивость водоудерживания серой лесной почвы. Почвоведение, 1991, № 9, с. 169-175.

41. Гуссак В.Б., Зухуров Н., Ахметжанов И., Раджапов А. Опыт исследования варьирования влажности сероземов. Почвоведение, 1967, №4.

42. Димитров И., Борисова М. Влияние уплотнения сельскохозяйственными машинами на структуру пахотного горизонта почвы и урожайность культур. Почво-знание, агрохимия и экология, 1997, 32, № 3, с. 36-42.

43. Дмитриев Е.А. Закономерности пространственной неоднородности состава и свойств почв. Диссертация на соискание уч. ст. д. б. н. в форме научного доклада. Издательство Московского университета.

44. Дмитриев Е.А. К методике полевого изучения путей передвижения в почве жидкой влаги. Научные доклады высшей школы, 1971, №5, биол. науки

45. Дмитриев Е.А. Некоторые особенности формирования поверхностей смачивания при дождевании (модельные опыты). Почвоведение, 1976, № 10

46. Дмитриев Е.А. Полевой почвенный пантограф. Почвоведение, 1977, №9

47. Дмитриев Е.А., Карпачевский JI.O. и др. О происхождении неоднородности почвенного покрова в лесных биогеоценозах. В кн.: Проблемы почвоведения, 1978

48. Дмитриев Е.А., Макаров И.Б. О понятии «равновесная плотность почв». Почвоведение, 1993, № 8, с. 94-98.

49. Дмитриев Е.А., Сибуль Р.А. Объемная плотность верхнего слоя дерново-подзолистой почвы и ее связь со структурой. Почвоведение, 1980, №4, с. 8391.

50. Дмитриев Е.А., Хохрина Т.К. О путях передвижения впитывающейся в почву влаги. В сб.: Проблемы сельскохозяйственной науки в МГУ, Изд-во МГУ, 1975

51. Дмитриев Е.А., Щеглов В.Н., Басевич В.Ф. Морфология движения впитывающейся во влажную почву влаги и определяющие ее факторы. Почвоведение, 1985, №1

52. Дмитриев Е.А., Щеглов В.Н., Басевич В.Ф. Характер миграции воды во влажных почвах. Почвоведение, 1985, №8

53. Дубенский Н.Я. О почвах Владимирской губернии. Ж. Моск. Общества с.х., 1855, №4-5

54. Емельянов В.А., Маслов В.П. О варьировании плотности почв на орошаемом поле. 1985

55. Иванов JI.A. Ботанические и почвенные исследования в Юрьевском и Суздальском уездах Владимирской губернии. М., 1897

56. Иванов JI.A. Еще о Владимирском черноземе. Почвоведение, 1899, №2

57. Корсунская Л.П., Гумматов Н.Г., Пачепский Я.А. Сезонная динамика содержания корневой биомассы, углеводов и показателей структуры серой лесной почвы. Почвоведение, 1994, № 10, с. 75-78.

58. Костяков А.И. О динамике коэффициента просачивания воды в почвогрунты и необходимости динамического подхода к его изучению в мелиоративных целях. Почвоведение, 1932, №3

59. Кошелева Н.Е. Моделирование почвенных и ландшафтно-геохимических процессов. Изд-во Московского ун-та, 1997, 110 с.

60. Красюк А.А. Почвенные районы Иваново-Вознесенской, Костромской и Владимирской губерний. 1925

61. Кузнецова И.В. Изменение дифференциальной пористости и водно-физических свойств почв при уплотнении. Плодородие почв и его изменение при уплотнении и разуплотнении. М., 1984, с. 18-24.97

62. Кузнецова И.В., Данилова В.И. О разуплотнении почв под влиянием процессов набухания-усадки. Почвоведение, 1988, №6, с. 59-70.

63. Макеев А.О., Дубровина И.В. География, генезис и эволюция почв Владимирского ополья. Почвоведение, 1990, №7, с. 5-25.

64. Марков К.К., Величко А.А. Четвертичный период. Недра, 1967, т. 3

65. Мешалкина Ю.Л., Самсонова В.П. Использование методов геостатистики для выявления пространственных неоднородностей сельскохозяйственных угодий. Тезисы докладов 2-го съезда общества почвоведов, книга 2-я, С-Пб, 1996, с. 382.

66. Мильков Ф.Н. О природе ополий на Русской равнине. В сб.: Вопросы регионального ландшафтоведения и геоморфологии. Изд-во Львовск. Ун-та, вып.8, 1964.

67. Михович А.И. Метод контроля инфлюкции. Почвоведение, 1961, №8

68. Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв (под ред. Шеина Е.В.). Изд-во Московского университета, 2001.

69. Рубилин Е.В., Долотов В.А. Генезис и география лесных почв Европейской лесостепи СССР. Изд. ЛГУ, 1970

70. Рубцова Л.П. О генезисе почв Владимирского ополья. Почвоведение, 1974, №6, с. 17-27.

71. Рубцова Л.П. О неоднородности почвенного покрова Владимирского Ополья. Природа и сельское хозяйство Калужской области, 1970

72. Рубцова Л.П. О неоднородности почвенного покрова Владимирской опытной станции. Труды Калужской государственной областной сельскохозяйственной опытной станции, 1970, т. 7

73. Самсонова В.П., Дмитриев Е.А., Витязев В.Г. Пространственная организация морфологических профилей и удельной поверхности в пахотной дерново-подзолистой почве. Почвоведение, 1997, № 10, с. 1200-1206.98

74. Танфильев Г.И. О Владимирском черноземе. Почвоведение, 1899, №1

75. Троицкий А.И. Серые лесные почвы северной части Среднерусской возвышенности (путеводитель 1 Делегатского съезда почвоведов). Изд. АН СССР, 1958

76. Троицкий А.И., Воробьева Э.С., Калнина В.А. Серые лесные почвы северной лесостепи и их агропроизводственная характеристика. В сб.: Опыт крупномасштабной картографии и агропроизводственной характеристики почв Нечерноземной полосы, Колос, 1970

77. Тюрюканов А.Н., Быстрицкая T.JI. Ополья центральной России и их почвы. М., Наука, 1971

78. Хантулев А.А., Гагарина Э.И. и др. Особенности строения и причины формирования почв со сложным гумусовым профилем в зоне бореальных лесов Евразии. В сб.: География и генезис почв, Изд. ЛГУ, 1969

79. Хантулев А.А., Гагарина Э.И. Материалы о генезисе и географии почв со сложным гумусовым горизонтом. Почвоведение, 1972, №2

80. Шеин Е.В. и др. Лабораторные методы исследования физических свойств почв. ГЕОС, 2000

81. Шеин Е.В., Березин П.Н., Капинос В.А. Задачник по физике почв. Изд. МГУ, 1988

82. Шеин Е.В., Гудима И.И., Бандина Л.Ю. Исследование воздухоносной пористости в почвах при орошении. Почвоведение, 1989, №12, с. 60-68.

83. Шеин Е.В., Капинос В.А. Сборник задач по физике почв. Изд. МГУ, 1994

84. Шеин Е.В., Салимгареева О.А. Пространственная вариабельность водного режима чернозема типичного. Тезисы докладов 2-го съезда общества почвоведов, книга 2-я, С-Пб, 1996, с. 388.

85. Шеин Е.В., Салимгареева О.А. Пространственная вариабельность физических свойств и водного режима чернозема типичного. Почвоведение, 1997, № 4, с. 484-492.

86. Якушевская И.В. Почвы Владимирского Ополья. М., 1956, автореф. дис.

87. Ярошенко П.Д., Юрова Э.Л. Об остепненных лугах Владимирского ополья. Бюлл. МОИП, отд. биол., 1970, т.57, вып.499