ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2008, № 2, с. 214-226
ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 641.436
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ПОЧВ СОЛОНЦОВОГО КОМПЛЕКСА ВОЛГОГРАДСКОГО ЗАВОЛЖЬЯ
© 2008 г. П. И. Тихонравова, А. С. Фрид
Почвенный институт им. ВВ. Докучаева РАСХН, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7
Поступила в редакцию 04.08.2006 г.
Разработаны две эмпирические модели зависимости температуропроводности почв солонцового комплекса от их свойств. Первая модель представляет регрессионную зависимость температуропроводности от наиболее динамических (влажности, плотности и их производных) показателей физического состояния почв. Вторая, расширенная модель, разработана на основе первой с учетом свойств (показателей гранулометрического состава в виде содержания физической глины, мелкой и средней пыли; содержания гумуса, легкорастворимых солей и С02 карбонатов, показателя общей щелочности), которые являются наиболее информативными показателями в изменении скорости теплопереноса по профилю почв комплекса.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из главных задач экспериментальной физики почв в XXI в., как справедливо отмечал Глобус [2], является "определение количественной связи коэффициентов проводимости с теми свойствами, от которых они зависят, создание информационных баз данных этих зависимостей, необходимых при моделировании динамических процессов в почвах". Особенно эти вопросы актуальны для почвенной теплофизики (прежде всего для процессов внутри-почвенного теплопереноса). В настоящее время известны математические модели для определения теплофизических свойств почв разного генезиса в зависимости от влажности, плотности, содержания физической глины и гумуса [1, 3, 4, 9]. В работе Ти-хонравовой, Хитрова [9] дан подробный анализ существующих моделей связи теплофизических свойств почв разного генезиса с генетическими и физическими свойствами почвы. Несмотря на изученность этого вопроса, остается практически невыясненным как влияет степень засоления почвы на теплоперенос и теплоаккумуляцию, почему в уравнениях зависимости теплофизических показателей от свойств используется только обобщенный показатель гранулометрического состава (чаще всего содержание физической глины), какие показатели являются наиболее информативными для характеристики условий теплопереноса в почве.
Цель работы - получение и анализ математических моделей зависимости температуропроводности от свойств почв солонцового комплекса Заволжья.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектами исследования были почвы солонцовых комплексов Кисловской оросительной системы Волгоградского Заволжья, состоящие из лугово-степных солонцов, каштановых и лугово-
каштановых почв, сформированных на тяжелых лёссовидных карбонатных суглинках и приуроченных к определенным элементам микрорельефа. Лугово-степные солонцы формируются на повышенных элементах микрорельефа, каштановые почвы - на микросклонах к западинам, лу-гово-каштановые - в западинах. Лугово-степной солонец характеризуется среднеглинистым гранулометрическим составом, каштановая и луго-во-каштановая почва - тяжелосуглинистым (табл. 1, по классификации H.A. Качинского).
Наибольшее содержание гумуса (3.4%) отмечается в пахотном горизонте лугово-каштановой почвы, в солонце оно почти в 2 раза меньше (1.8%). С глубиной содержание гумуса во всех почвах комплекса резко снижается. В солонце при переходе от гумусового к иллювиальному горизонту плотность сложения изменяется значительнее (от 1.25 до 1.46 г/см3), чем в каштановой (1.23-1.34 г/см3) и лугово-каштановой (1.20-1.38 г/см3) почвах. Нижележащие горизонты почв комплекса более уплотнены (1.50-1.70 г/см3), общая пористость уменьшается до 44-37%. Максимальная гигроскопическая влажность (МГ) в пахотном горизонте солонца составляет 8.4%; в солонцовом и подсо-лонцовом - 10.0-8.9%; в нижележащих горизонтах - 7.5-9.9% от массы почвы. По профилю каштановой почвы МГ изменяется от 8.5 до 10.0%, лугово-каштановой - в пределах 6.7-10.3% от массы почвы (табл. 2).
Легкорастворимые соли, карбонаты, гипс в исследуемых почвах сосредоточены на различной глубине. В профиле солончакового солонца линия вскипания от HCl наблюдается с глубины 40 см; максимум карбонатов (7.7%) отмечается на глубине 60-70 см; наибольшее количество солей (около 1%) - на глубине 60-120 см, максимальное
Таблица 1. Гранулометрический состав почв солонцового комплекса
№ Горизонт Глубина, Содержание фракций, %; размер частиц, мм
см 1.0-0.25 0.25-0.05 0.05-0.01 0.01-0.005 0.005-0.001 <0.001 <0.01
Лугово-степной солончаковый солонец (разр. 22)
1 А пах 0-10 0.5 17.2 29.6 9.1 14.1 29.5 52.5
2 В1 25-35 0.4 14.5 26.9 7.5 13.0 37.7 58.2
3 В2 40-50 0.4 12.6 29.2 7.2 14.8 35.8 57.8
4 ВС 60-70 0.3 14.4 27.2 1.1 14.2 33.8 58.1
5 С1 80-90 0.5 2.9 34.7 8.9 22.3 30.7 61.9
6 С2 110-120 0.6 14.2 30.8 8.9 13.0 32.5 54.4
7 Д 150-160 1.6 30.4 30.4 6.4 10.1 21.1 37.6
Каштановая почва (разр. 23)
8 А пах 0-10 0.4 21.8 27.6 12.6 11.6 26.0 50.2
9 В1 25-35 0.3 13.4 29.5 13.2 9.1 34.5 56.8
10 В2 50-60 0.4 24.7 26.9 8.7 10.6 28.6 47.9
11 ВС 90-100 0.5 9.5 32.9 11.6 13.4 32.2 57.2
12 С 130-140 0.4 9.1 37.0 8.8 12.0 32.7 53.5
13 Д 180-190 1.1 34.7 27.1 7.7 6.5 22.9 37.1
Лугово-каштановая почва (разр. 24)
14 А пах 0-10 0.6 15.7 29.3 10.8 16.3 27.3 54.4
15 A1 30-40 0.3 14.4 31.2 8.2 14.1 31.8 54.1
16 В1 45-55 0.4 13.5 30.0 9.5 12.8 33.8 56.1
17 В2 70-80 0.3 15.0 32.7 9.4 11.0 31.6 52.0
18 ВС 100-110 0.3 8.0 32.8 8.8 18.7 31.4 58.9
19 Д 170-180 2.2 33.1 27.9 7.6 10.3 18.9 36.8
содержание гипса (0.46%) приурочено к глубине 80-90 см. Каштановая почва вскипает с глубины 60 см; наибольшее количество карбонатов (6.9%) отмечается на глубине 90-100 см, максимум солей (1.12%) и гипса (0.98%) - 180-190 см. Лугово-каш-тановая почва отличается от других почв комплекса более глубоким залеганием карбонатного горизонта и отсутствием признаков засоления до глубины 200 см (табл. 3).
Проведенные исследования по изучению теп-лофизических свойств почв солонцового комплекса [8] показали, что кривая зависимости температуропроводности от влажности четко разбивается на три области. Первоначальное увлажнение сухой почвы до влажности, соответствующей максимальной адсорбционной влаго-емкости (прочносвязанная влага), приводит к снижению температуропроводности до минимальных значений. При дальнейшем увеличении содержания влаги в почве наблюдается резкое увеличение температуропроводности. Температуропроводность пахотных горизонтов почв комплекса в диапазоне увлажнения: прочносвязанная влага - влажность, равная наименьшей влагоем-кости - увеличивается в 1.4-1.6 раза; в солонцовом и подсолонцовом горизонтах солонца - в
2.4 раза; в иллювиальных горизонтах каштановой и лугово-каштановой почв - в 2.1 раза. Максимальная температуропроводность в пахотном горизонте, почвообразующей и подстилающей породах наблюдается при влажности, близкой или равной наименьшей влагоемкости (HB). В иллювиальных горизонтах каштановой и лугово-каштановой почв она отмечается при влажности несколько выше НВ; в собственно солонцовом и подсолонцовом горизонтах солонца не достигает максимальных значений и при влажности, соответствующей капиллярной влагоемкости. Дальнейшее увеличение содержания влаги в почве приводит к снижению температуропроводности во всех горизонтах исследуемых почв за исключением солонцового и подсолонцового горизонтов солонца.
Гранулометрический состав определяли методом пипетки с диспергацией пирофосфатом натрия. Содержание легкорастворимых солей - методом водной вытяжки (1 : 5). Определение обменных катионов проводилось методом Пфеффера, общего содержания карбонатов - методом Ф.И. Козловского, SO2- гипса - в HCl вытяжке. Наименьшая влагоемкость определялась в полевых условиях методом заливаемых площадок по горизонтам А,
Таблица 2. Физические свойства почв солонцового комплекса
№
Горизонт Глубина, см Гумус, % Плотность твердой фазы почвы Плотность сложения Общая пористость, %
г/см3
Макси-
Прочно- мальная
связанная гигроско-
влага пическая
влага
Наиме-меньшая влагоем-кость
% от массы
А пах
В1
В2
ВС
С1
С2
д
Лугово-степной солончаковый солонец (разр. 22)
0-10 25-35 40-50 60-70 80-90 110-120 150-160
1.76 1.19 0.63 0.34
Не опр.
»
2.63 2.72
2.71 2.76
Не опр. 2.74
2.72
1.23 1.46 1.58 1.50 1.56 1.61 1.60
53.2
46.3 41.7 45.6
Не опр. 41.2 41.2
Каштановая почва (разр. 23)
8 А пах 0-10 2.39 2.54 1.25 50.8
9 В1 25-35 1.54 2.61 1.34 48.7
10 В2 50-60 0.80 2.64 1.63 38.3
11 ВС 90-100 0.23 2.71 1.60 41.0
12 С 130-140 Не опр. 2.71 1.53 43.5
13 Д 180-190 » 2.69 1.56 42.0
Лугово-каштановая почва (разр. 24)
5.6 8.4
6.6 10.0
4.9 8.9
4.4 9.3
4.6 9.4
4.3 9.9
3.7 7.5
5.4 8.5
6.1 10.0
5.3 7.9
4.5 8.9
4.3 8.6
3.8 8.2
24.2
23.5 21.9
20.6 20.7 20.2
Не опр.
14 А пах 0-10 3.41 2.62 1.20 54.2 6.1 9.3 27.2
15 А1 30-40 3.87 2.59 1.24 52.1 6.7 9.7 24.5
16 В1 45-55 1.65 2.64 1.38 47.7 6.7 10.3 21.1
17 В2 70-80 0.80 2.65 1.55 41.5 5.8 9.8 19.3
18 ВС 100-110 Не опр. 2.71 1.65 39.1 5.1 8.8 19.0
19 Д 170-180 » 2.68 1.70 36.6 3.8 6.7 15.3
»
В, С. Определение коэффициента температуропроводности (а) проводили методом регулярного режима Г.М. Кондратьева в трех-пятикратной по-вторности в образцах ненарушенного сложения. Монолитики увлажняли до влажности, соответствующей капиллярной влагоемкости. Температуропроводность измеряли ступенчато по мере подсушивания образца вплоть до сухого состояния (ветвь иссушения).
Для нахождения уравнения зависимости температуропроводности от почвенно-физических свойств использовался метод множественной регрессии. Из множества полученных формул выбирались уравнения с достоверно значимыми регрессионными коэффициентами (по ¿-критерию Стьюдента с доверительной вероятностью > 0.95), уравнения в целом оценивались по критерию Фишера. Окончательный выбор уравнений проводили по сочетанию значимости наибольших значений коэффициента детерминации (Я2) и наименьших значений остаточной дисперсии. В процессе работы использовались и другие методы многомерной статистики: кластерный анализ
(евклидово расстояние), метод главных компонент,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.