ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2013, № 3, с. 315-321
ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 631.432.26
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ПОЧВ НА ИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
© 2013 г. Ю. В. Егоров, И. И. Судницын, А. В. Бобков, А. В. Кириченко
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: iisud@mail.ru Поступила в редакцию 05.09.2012 г.
При помощи капилляриметрического и диэлькометрического методов показано, что электрическая емкость почв и их объемная влажность связаны прямолинейными зависимостями. Коэффициенты пропорциональности этих зависимостей резко уменьшаются при разрушении почвенной структуры: при уменьшении объемной влажности почв в 2 раза электрическая емкость почв с естественной структурой уменьшается на 7—15 пФ, а с разрушенной структурой — всего на 1—2 пФ. Поэтому коэффициенты пропорциональности этих зависимостей могут быть использованы в качестве критерия при оценке структурного состояния почв.
Ключевые слова: почвенные агрегаты, электрическая емкость, диэлькометрический метод, объемная влажность, капилляриметр.
DOI: 10.7868/S0032180X13030027
ВВЕДЕНИЕ
Высоким плодородием обладают только структурные почвы, достаточно аэрированные и в то же время содержащие много пористых водопрочных агрегатов диаметром 0.25—10 мм, аккумулирующих воду [2, 9—12, 18, 19]. При неправильном использовании почв (например, при использовании тяжелой сельскохозяйственной техники или поливе минерализованной водой) их структура разрушается, ухудшаются гидрофизические свойства (в особенности содержание в почве легкодоступной растениям влаги) и плодородие. Поэтому для мониторинга почв большую ценность представляют методы оценки структурного состояния почв. Однако в существующих методах используется просеивание нарушенных почвенных образцов через сита [3], и поэтому они не могут характеризовать почвы в их консолидированном состоянии. Перспективными в этом отношении могут оказаться электрические свойства почв, в частности, их электрическая емкость, однако систематические исследования в этом направлении отсутствуют, хотя изучению зависимостей между влажностью почв и их электрической емкостью посвящено много работ. Поскольку электрическая емкость почв в значительной степени определяется их диэлектрической проницаемостью, методы измерения электрической емкости обычно называют диэлькометрическими. Они основаны на существовании (в первом приближении) прямой пропорциональной зависимости между объемной влажностью почв и их ди-
электрической проницаемостью. Эта зависимость обусловлена тем, что диэлектрическая проницаемость воды (при температуре 21°С равная 80) гораздо больше, чем воздуха (равная 1) и твердой фазы почвы (5—11) [8, стр. 394—431]. Преимущество диэлькометрического метода, по сравнению с кондуктометрическим, заключается в том, что при достаточно высокой частоте тока (более 50 кГц) диэлектрическая проницаемость мало зависит от концентрации солей в почвенном растворе.
Несмотря на большое количество исследований, многие теоретические аспекты диэлькомет-рического метода пока еще не вполне ясны. Так, Беляева с соавт., проанализировав имеющиеся в литературе данные, пришли к выводу, что к настоящему времени нет физически обусловленной модели диэлектрической проницаемости дисперсных сред, которая позволяла бы определить диэлектрическую проницаемость смеси через диэлектрические проницаемости и объемные доли отдельных компонентов, хотя интерес к этой проблеме возник давно (идеи по определению диэлектрической проницаемости слоистых диэлектриков высказывались еще Максвеллом и Реле-ем). В последние годы были получены точные результаты по расчету диэлектрической проницаемости двухкомпонентных матричных систем, обладающих высокой степенью упорядоченности. Однако почва не относится к таким системам, и для моделирования диэлектрической проницаемости используют полуэмпирические модели смесей [1].
315
5*
Шутко [20], проведя сравнительный анализ формул, применяющихся для расчета диэлектрической проницаемости грунтов, пришел к выводу, что большинство их (за исключением формул Лихтенекра, Бруггемана-Ханаи и Брауна) сводится к формуле Оделевского, которая содержит два компонента: диэлектрическую проницаемость сухого грунта и воды. Распространенной является также модель Бирчака с соавт. [21], включающая диэлектрическую проницаемость воды (как связанной, так и свободной), воздуха и частиц твердой фазы. По мнению Лещанского и Дробышева [7], наиболее удачной для вычисления комплексной диэлектрической проницаемости почв и грунтов является формула Беренцвейга, учитывающая диэлектрическую проницаемость воды, глины (как влажной, так и сухой), а также сухого песка. Вэнг и Шмюгге [25] предложили эмпирическую модель, в которой диэлектрическая проницаемость связанной воды принимается равной диэлектрической проницаемости льда; однако Беляева с соавт. [1] доказали, что они существенно различаются, и при расчетах необходимо учитывать диэлектрическую проницаемость именно связанной воды. Комаров и Миронов [6] на основании модели, представленной Добсоном с соавт. [22], разработали модифицированную модель зависимости диэлектрической проницаемости от влажности. Они пришли к выводу, что линейная зависимость между этими параметрами дает более точную информацию, чем нелинейная. Беляева с соавт. [1] предложили модель, учитывающую также плотность почв.
Все рассмотренные варианты моделей позволяют удовлетворительно описывать экспериментальные зависимости диэлектрической проницаемости от влажности, если произвольно варьировать значения диэлектрической проницаемости различных компонентов влажной почвы, однако эти произвольно подобранные значения диэлектрической проницаемости не всегда соответствуют их реальным величинам. Предпринимались попытки создать модель, в которой значения диэлектрической проницаемости близки к реальным. В качестве прототипа такой модели была принята емкостная модель диэлектрической проницаемости многокомпонентной среды [23, 24]. Дисперсная среда с хаотической или частично упорядоченной структурой была представлена в виде диэлектрических слоев, ориентированных как параллельно, так и перпендикулярно вектору электрического поля. Для случаев, когда размеры частиц много меньше длины волны, диэлектрическая проницаемости среды была принята равной диэлектрической проницаемости составного конденсатора, в котором слои, параллельные этому вектору, заменялись конденсаторами, соединенными параллельно, а слои, расположенные перпендикулярно ему, — конденсаторами, соеди-
ненными последовательно. При создании модели учитывалась величина диэлектрической проницаемости лишь трех компонентов грунтов (воздуха, твердых частиц и свободной воды). Однако для сухих грунтов разного минералогического состава сопоставление модели с экспериментальными данными показало отсутствие регулярной зависимости диэлектрической проницаемости модели как от диэлектрической проницаемости твердой фазы, так и от ее объемной доли.
Измерения диэлектрической проницаемости, проведенные Сологубовой и Эткиным [13], показали, что на зависимостях диэлектрической проницаемости от влажности можно выделить три участка, соответствующие трем формам почвенной влаги: прочносвязанной, рыхлосвязанной и свободной.
Таким образом, анализ диэлькометрического метода, проведенный многими исследователями, выявил неполноту его изученности. Тем не менее, наличие довольно тесной корреляционной связи между электрической емкостью почв и их объемной влажностью позволяет надеяться на его перспективность для непрерывного и дистанционного измерения влажности почвы в одной и той же точке без нарушения ее сложения, что может оказаться весьма полезным для оценки влияния структурного состояния почв на их гидрофизические свойства и, следовательно, на их потенциальное плодородие.
В данной статье приводятся результаты определения влияния структурного состояния почв различного гранулометрического состава на параметры зависимостей между электрической емкостью почв и их объемной влажностью.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили на образцах почв различного гранулометрического состава (их названия даны в соответствии с классификацией почв России, предложенной в 2000 г. Л.Л. Шишо-вым, В.Д. Тонконоговым и И.И. Лебедевой): 1) среднесуглинистом гор. А дерново-подзолистой почвы (стационар факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова); 2) тяжелосуглинистом гор. А и среднесуглинистых гор. В и С дерновой аллювиальной почвы (долина р. Обь в окрестностях г. Колпашево Томской обл.); 3) супесчаном гор. А аллювиальной перегнойно-глеевой почвы (пойма р. Голедянка в Кузьминском лесопарке Москвы).
Для определения влияния структуры на электрические свойства почв каждый образец был разделен на две порции; в одной из них естественная структура сохранялась, а в другой — воздушно-сухая почва была растерта в фарфоровой ступ-
Таблица 1. Гранулометрический состав почв (%)
Почва, горизонт Гранулометрические фракции, мкм
<1 1-5 5-10 10-50 50-250 >250 <10
Дерново-подзолистая, гор. А 16.6 10.6 7.4 49.0 9.9 6.5 34.6
Дерновая аллювиальная, гор. А 7.5 27.2 14.2 24.8 24.5 1.8 48.9
Дерновая аллювиальная, гор. В 6.0 15.7 7.4 16.8 33.6 20.5 29.1
Дерновая аллювиальная, гор. С 6.4 15.9 7.1 11.4 54.2 5.0 29.4
Аллювиальная перегнойно-глеевая, гор. А 1.8 5.6 4.5 16.6 37.8 33.7 11.9
Таблица 2. Структурный состав почв (%) и содержание углерода (С, %)
Почва, горизонт Размер фракций, мм С, %
>1 1-0.25 <0.25
Дерново-подзолистая, гор. А 77 17 6 3.4
Дерновая аллювиальная, гор. А 56 24 20 1.5
Дерновая аллювиальная, гор. В 48 21 31 0.2
Дерновая аллювиальная, гор. С 34 12 54 0.2
Аллювиальная перегнойно-глеевая, гор. А 28 59 13 13.5
ке до полного исчезновения структурных агрегатов крупнее 0.25 мм.
Гранулометрический состав почв (табл. 1) определяли при помощи лазерного дифракционного анализатора "Analysette 22 comfort", в котором распределение частиц по размерам определяется методом обратной оптики Фурье (система лазерного сходящегося луча с длиной волны 632.8 нм). Программное обеспечение прибора позволяет рассчитывать содержание грануло
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.