ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2008, № 10, с. 1188-1197
К 100-ЛЕТИЮ С.А. ВЛАДЫЧЕНСКОГО
УДК 631.432+550.837.3:550.822.5
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЧВ И ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ*
© 2008 г. А. И. Поздняков
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
E-mail: antpozd@.bk.ru Поступила в редакцию 12.03.2008 г.
Сформирована концепция взаимосвязи электрических параметров почв (удельного электрического сопротивления, потенциала естественного электрического поля) и почвообразования, основная на общих классических законах электромагнетизма и общей теории почвообразования. Показано, что электрические параметры почв, в первую очередь, зависят от плотности подвижных электрических зарядов, которая включает в себя катионы почвенного поглощающего комплекса и ионы почвенного раствора. Разработаны модельные представления, объясняющие закономерности изменения электрических параметрах в почвах основных генетических типов, для катен и зонального уровня организации почвенного покрова.
ВВЕДЕНИЕ
Владыченский еще в середине прошлого века считал, что в будущем наблюдения за свойствами почвы будут непрерывными в пространстве [2]. Он полагал, что свойства будут считывать как функцию при непрерывных измерениях. Он не знал, какой метод наиболее подходит для этого, но полагал, что наиболее всего для этого подходят разные электрические датчики [2]. Можно утверждать, что его предположения оправдались.
В последние десятилетия в почвоведении и смежных дисциплинах: мелиорации, земледелии, экологии и мониторинге - для обследования почв используются электрофизические экспресс-методы [1, 4-7]. Наиболее широкое распространение получили методы сопротивления и метод естественного электрического поля. Методы сопротивления включают в себя метод профилирования по поверхности почвенного покрова и по стенкам разрезов и метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ), который позволяет измерять сопротивление в профиле почвы без почвенного разреза, не нарушая целостности почвы. Для этих целей используется довольно простая и недорогая аппаратура [4-6].
Установлено, что почвы представляют собой природные тела, которые обладают собственным естественным электрическим полем. При измерениях электрического сопротивления электрические поля создаются в почвах и накладываются на естественные электрические поля, которые распределяются в почвах по определенным закономерностям.
Что заставляет электрические поля в почвах "распределяться" определенным образом, по
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант < 06-04-48461.
определенным законам, так или иначе? Какие это законы? Почему электрические поля и их параметры увеличиваются в определенных горизонтах и уменьшаются в других? Знание этого не только поможет практике, но и расширит наши понятия и представления о почвах.
Важнейший момент в оценке значимости электрических параметров и методов их измерения состоит в том, что они характеризуют почвы в реальной обстановке. Большинство же методов почвоведения и мелиорации основано на анализе отобранных и высушенных образцов, что существенно меняет оценку особенностей почв и их свойств [2], так как превращает в "порошок" (H.A. Качинский), и более того, практически "убивает" их, превращает в "труп" (Л.О. Карпа-чевский).
Использование методов полевой электрофизики при почвенных обследованиях позволяет проводить их на новом, научно-техническом и технологическом уровне. Это значительно (в несколько раз) сокращает затраты на такие обследования и дает более объективную и репрезентативную информацию по сравнению с обследованиями, выполненными только на основе классических методов.
Нами выработаны новые подходы и технологии для этих целей. Отличительной особенностью предлагаемых технологических разработок является способность электрофизических методов проводить исследования без нарушения почвенного покрова и очень детально, выполняя измерения с поверхности почвы, получать информацию с любой интересующей глубины. Такими особенностями не обладает ни один из применяемых сейчас в почвоведении, мелиорации и земледелии методов и подходов [2]. Разработанный комплексный подход уже использовался для по-
левого исследования практически всех типов почв.
Методами электрофизики исследованы не только все зональные почвы основных генетических типов России: подзолистые, торфяные, серые лесные, черноземы различных фаций и разных областей, каштановые, но и многие подобные почвам образования: городские почвы, грунты, отвалы строительного и бытового мусора, вновь конструированные почвы искусственных ландшафтов городских условий и т.п. Исследовались также почвы ряда стран СНГ: каменистые почвы и пески юга Украины и Крыма, сероземы Узбекистана, почвы некоторых районов Казахстана и Узбекистана [2, 4-7, 9, 10]. Тем не менее, несмотря на успехи в практическом применении электрических параметров, пока остается не разрешимым ряд основополагающих вопросов:
1. Существуют ли естественные электрические поля в почвах, как таковые или это все же артефакт, реакция электродов? А если существуют электрические поля макроуровня между горизонтами, то почему их потенциалы не выравниваются?
2. Каков вклад электрической составляющей энергии в процесс почвообразования и есть ли он вообще?
3. Сопротивление - параметр, удобный для определения того или иного другого свойства или это все же фундаментальное свойство, связанное и определяемое генезисом почвы?
4. Почему электрическое сопротивление и потенциал естественного электрического поля имеют схожие, если не одинаковые закономерности изменения в профиле одной и той же почвы?
5. Как взаимосвязаны электрические параметры и профили почв, что и какие особенности почв они отражают?
Решение этих вопросов на данном этапе исследований весьма важно. Кроме частных практических приложений и дальнейшего грамотного, научно обоснованного применения электрических параметров почв в различных разделах почвоведения оно позволит придать им статус фундаментального свойства, несущего генетическую нагрузку наряду с другими свойствами. Для этого необходимо связать их с общей теорией почвообразования, сформировать теорию, объединяющую последнюю с проявлением электрических параметров.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектами исследований были почвы основных генетических типов почв: тундровые (Воркута), дерново-подзолистые (Московская обл., Клинско-Дмитровская гряда, УОПЭЦ "Чашни-ково"), черноземы (заповедник "Белгородье"), темно-серые (Брянское ополье), бурые полупустынные (Астраханская обл.).
Методически полевые электрофизические методы объединяют большую группу методов, самыми распространенными из которых являются методы постоянных (стационарных) электрических полей (СЭП): метод естественного электрического поля (МЕЭП) и методы электрического сопротивления.
Измерения сопротивления проводили как непосредственно в разрезах по профилю, так и специальным методом, так называемым методом вертикального электрического зондирования, который позволяет получить данные профильного изменения электрического сопротивления с глубиной, непосредственно с поверхности почвы, без разрезов и скважин. Этот метод наиболее перспективен. Он позволяет расчленить почвенно-грунтовую толщу по вертикали, как на генетические почвенные горизонты, так и на стратиграфические слои. По данным ВЭЗ, без нарушения почвенного покрова, проведения почвенных выработок и бурения скважин, можно детально определить удельное электрическое сопротивление на любой глубине.
Во всех методах измерения сопротивления проводили четырехэлектродными схемами электродов АМКБ. Для измерения сопротивлений методом ВЭЗ использовался прибор LandМapper-03, разработанный и выпускаемый фирмой "Астро-групп" (Россия) по заказу фирмы "Landviser" (США). Для более детального изучения верхней 2-5-метровой толщи почв применялась модификация ВЭЗ, отличающаяся от классической меньшими разносами. Расстояния между электродами АВ были от 10-15 до 20-40 м, а в некоторых случаях до 50 м. Это обеспечивало глубину детального зондирования и первых дециметров почв до 2-5 м материнских пород.
Графики этих зависимостей называются кривыми ВЭЗ или функцией зависимости кажущегося сопротивления от полуразноса АВ/2. В этих кривых заключена информация об изменении сопротивления с глубиной, но не напрямую, а через разнос электродов на поверхности почвы. Понятно, что глубина измерения сопротивления сложным образом зависит от самого сопротивления.
Измерения разности естественных потенциалов также проводили прибором Landmapper-03 и двумя неполяризующимися электродами, роль которых выполняли известные в электрохимии электроды сравнения: каломелевые, хлорсереб-рянные и др. [2, 3, 10].
Методика проста. В поле, на обследуемой территории один из электродов размещался в почве в точке N и оставался в ней на все время измерений, а другим - М - осуществлялось измерение разности потенциалов в любой интересующей точке профиля почвы или по площади, обычно по регулярной сетке.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОСЫЛКИ И СООБРАЖЕНИЯ
Для пояснения и выработки теоретического подхода к трактовке электрических параметров почв обратимся к общей теории электромагнетизма. Она включает в себя уравнения Пуассона, Лапласа и Больцмана, в которых взаимозависимыми параметрами являются электрический потенциал и плотность (концентрация) мобильных (подвижных, участвующих в передаче электрических зарядов) носителей электричества:
дЕ 1
■"-— = — а - уравнение Максвелла; дг £о
givgrad ф = ^^ Е = -4па - уравнение Пуассона;
givgrad ф = 0 - уравнение Лапласа;
а±м = а+дт exp[+.Fф/ЯT] - уравнение Больцмана,
где Е - напряженность электрического поля; а -плотность подвижных электрических зарядов; ф -электрический потенциал; ^ - постоянная Фарадея; Я - газовая постоянная, Т- абсолютная температура.
Из уравнений следует, что электрические и магнитные поля не существуют отдельно, но рассматриваться могут раздельно. Уравнения Пуассона, Лапласа и Максвелла являются основными законами электричества и применимы для описания стационарных электрических полей в большинстве различных проводников и диэлектриков на мик
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.