Физическое моделирование процесса коркообразования почв

Засоление и осолонцевание — важные факторы, действующие в биосфере: они ограничивают плодородие почв, препятствуют их использованию и интенсификации сельского хозяйства. Для многих стран в аридных и семиаридных регионах мира засоленные почвы являются источником серьезных проблем, касающихся не только окружающей среды, но и национальной экономики.

Накопление солей в почвенном профиле происходит с различной интенсивностью. Во многих случаях процессы засоления настолько интенсивны, что формируют на поверхности более или менее толстую солевую корку. Почвенная солевая корка образуется при усадке и высыхании преимущественно бесструктурных заплывающих почв (сероземы, подзолистые, засоленные). Часто корка возникает и в результате воздействия на почву атмосферных осадков, разрушения почвенной структуры машинами и орудиями, а также после оттаивания промерзшей за зиму почвы. По капиллярам почвенной корки при определенных атмосферных условиях усиливается испарение влаги из пахотного горизонта, может затрудняться проникновение в почву выпадающих осадков, ухудщается газообмен между почвой и атмосферой. Эти факторы приводят к подавлению деятельности почвенной биоты и могут способствовать накоплению вредных для растений восстановленных продуктов (сероводород, метан и др.). Корка, образовавшаяся после седа, резко снижает полевую всхожесть семян, затрудняет рост растений, ведет к снижению, а иногда к гибели урожая.

Агротехнические приемы обработки почвы позволяют предупредить образование почвенной корки. Например, проводят боронование физически спелой цочвы или ее мульчирование. Корку на зяби и царах разрушают тяжелыми боронами, а после влагозаря д ковы х поливов, кроме боронования, иногда прибегают к культивации. Почвенную корку на посевах до появления всходов разрушают легкими боронами или ротационными мотыгамина посевах пропашных культур — междурядной обработкой. Дополнительные агроприемы приводят к излишним затратам энергии и снижают экономические показатели. Видимо целесообразно применять и специализированные рабочие органы таких почвообрабатывающих машин, которые перенастраиваются на конкретные физические характеристики почв и почвенных корок. Внесение органических удобрений, сидерация, химическая мелиорация, культура многолетних трав и другие мероприятия, способствующие улучшению физико-химических свойств почвы, предотвращают образование почвенной корки.

Изучение засоления и осолонцевания почв имеет давние традиции в почвоведении. Даже до того, как почвоведение превратилось в самостоятельную отрасль знаний, в различных странах, где развивалось засоление, проводились широкие теоретические и практические исследования по описанию, изучению и мелиорации почв с низким плодородием. Очевидно, что все эти исследования базировались на научном и технологическом уровне соответствующего периода истории. Изучение и мелиорация подверженных засолению почв развивались параллельно с развитием фундаментальных и прикладных наук.

Потребность в количественном описании почвообразовательных процессов возникла во многих областях почвоведения. Однако точное количественное описание почвообразовательных процессов затруднено не только из-за сложности системы, которой является почва, но и из-за трудности проведения необходимых достаточно точных измерений отдельных свойств почв, скоростей протекания процессов и т. д. Кроме того, трудно отобрать наиболее существенные параметры, которые должны быть измерены для того, чтобы охарактеризовать доминирующие процессы.

Упомянутые выше трудности отражены в современной научной литературе по моделированию почвообразовательных процессов. Большая часть этих публикаций посвящена проблемам засоления и рассоления, орошению, дренажу и смежным вопросам. Вероятно, это объясняется не только огромной теоретической и практической важностью засоления и осолонцевания, но также и тем, что эти почвообразовательные процессы по своей природе являются наиболее подходящим объектом для физического моделирования.

Основными причинами засоления и осолонцевания являются аккумуляция значительного количества электролитов в почвенном растворе и их взаимодействие с твердой фазой почвы. Принципы этого явления и причины его возникновения хорошо известны и детально описаны. По сравнению со многими другими почвенными процессами, при которых к формированию определенного почвенного типа ведут более сложные явления различной природы, схема аккумуляции электролитов и их реакции с почвенными частицами является более простой моделью для исследования. При удовлетворительном описании взаимодействия растворов электролитов и почвенного материала, может быть выяснен механизм формирования засоленных почв и определены скорости этого процесса. Такого рода рассмотрения могут быть основой для предсказания процессов засоления и осолонцевания почв. Очевидно, что при формировании засоленных почв кроме взаимодействия электролитов и твердых компонентов идут и некоторые другие процессы (частично вызванные этим взаимодействием). Например, качество и количество органического вещества, распределение кремниевых соединений в различных почвенных горизонтах часто значительно меняются при заселении, и осолонцевании. Это также одна из главных причин того, что засоленным почвам, орошению, дренажу и смежным вопросам посвящена столь обширная часть известных исследований по моделированию почвообразовательных процессов.

Другая важная причина многочисленности модельных экспериментов по засолению и осолонцеванию почв заключается в практической значимости даже частичного описания таких процессов для практики орошения и дренажа Проектирование и создание дорогостоящих оросительных и дренажных систем, недостаток воды хорошего качества для орошения и промывок делают необходимостью рациональное использование орошаемых почв и оросительной воды. Всякий раз, когда имеются подходящие эксперименты или модели, их 6 полезно учитывать при решении практических задач уменьшения количества оросительной и дренажной воды и увеличения предельных значений минерализации, допустимой для их использования.

Несмотря на то, что засоление и осолонцевание почв и причины, их порождающие, изучены лучше, чем другие почвообразовательные процессы, даже в этой области существует ряд неопределенностей и неизвестных факторов.

Многими известными исследователями процессов засоления и осолонце-вания почв лишь указано на опасности образования почвенных корок без достаточного, с нашей точки зрения, количественного описания самого процесса. Без этого невозможен выход на создание эффективных приемов управления его направленностью, интенсивностью, разработки агротехнических приемов предотвращения негативных последствий, а также возникновения самого процесса коркообразования.

ВЫВОДЫ.

Создана оригинальная лабораторная экспериментальная установка для физического моделирования ускоренного процесса коркообразования на поверхности почв.

Разработана методика проведения экспериментов по исследованию процессов коркообразования в широком диапазоне варьирования ионным и солевым составом почвенных растворов.

Предложены принципы анализа и обобщения опытных данных, полученных в подобных опытах. Сопоставление с результатами полевых наблюдений подтвердило достоверность предложенного метода моделирования.

Показана целесообразность использования теории подобия и анализа размерностей при моделировании и обобщении экспериментальных данных лабораторных опытов.

Построены критерии подобия по толщине и прочности образующихся корок, позволяющие осуществлять априорный прогноз величин этих физико-механических показателей для почв других типов и видов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Предложенные метод, устройство и методика обработки экспериментальных данных позволяют в лабораторных условиях экспрессно выполнять исследование процесса коркообразования почв, на основе баланса содержания солей в грунтовых водах, почвенном растворе, в почве и в почвенных корках.

Показана возможность изучения влияния содержания солей NaCI, MgCl2−6Н20, СаС12−6П20, Na2S04−10H20, Na2C03 и СаСОз на толщину и прочность образующихся корок.

Выявлено, что процесс образования корок наиболее выражен при содержании в минерализованных грунтовых водах следующих солей с концентрациями: NaCI — 30 г/л, 58,5 г/л, 70 г/лСаС12−6Н20 — 30 г/л, 54,8 г/л, 70 г/л, 109,5 г/лMgCl2−6H20 — 30 г/л, 50,8 г/л, 70 г/л, 101,6 г/лNa2CG3 — 53 г/л, 70 г/лСаСОз — 50 г/л и 70 г/л.

Установлено, что толщина корки зависит от содержания ионов в первичном растворе, в корке и под коркой, а также от удельной поверхности. Прочность корки, определяется содержанием ионов в первичном почвенном растворе, в корке и от удельной поверхности. В меньшей степени на прочность корки влияет содержание ионов под коркой.

Выявлена прямая корреляция прочности и толщины корки с удельной поверхностью почвы и величиной пористости.

Определены предельные значения толщины корок при обработке раствором NaCI — 1,7 мм в диапазоне концентраций от 10 до 27/цг/см3, при удельной поверхности порядка 1 м /кг. При обработке раствором № 2СОз в том же диапазоне изменение концентраций, почвенная корка не может превышать толщины — 1,5 мм при удельной поверхности порядка 0,45 м /кг, с увеличением.

•у удельной поверхности до 0,8 м /кг толщина корки увеличивается до 2 мм. толщиной более 5мм). При обработке образцов раствором MgCl2−6H20 толщина корки уменьшалась с увеличением концентрации, но при этом увеличивалась ее прочность. При обработке образцов раствором СаСОз предельная толщина корки составила около 5 мм.

Во всех вариантах опытов с разными значениями удельной поверхности не у выявлено увеличение толщины корок при значениях So более 0,8−1м /кг.

Определены предельные значения прочности корок при промачивании.

6 2 образцов Терско — Кумских песков растворами: NaCl — 2,7 • 10° НУм — СаС12.

6Н20 — 1,8ТО6 Н/м2- MgCl2−6H20 — 1,810б НУм2- Na2C03 — 1,8Ю6 НУм2- СаС03 -6 2.

3,9'10° НУм, При этом отмечено, что наиболее прочные корки образовались в 2 почвах этого типа с удельной поверхностью в пределах 0,8 — 1,2 м /кг.

Таким образом, показана принципиальная возможность выполнения подобных исследований с широким диапазоном варьирования солевым составом и концентрацией почвенных растворов.

Предложены два критерия подобия почвенных корок по физико механическим показателям: по прочности — Як, = sCS0 —- по толщине Р.

Пк2=5С8оЕ. Показана методика их построения и описаны алгоритмы использования в решении практических задач. Выявлен вид критериальных зависимостей между предложенным критерием подобия и числом подобия при обработке различными растворами, а также критериальные зависимости прочности соответствующих корок.

Применение теории подобия и анализа размерностей при моделировании процесса коркообразования показало преимущества и целесообразность этих методов. Этот прием полезен, кргда ставится задача отыскания зависимостей между параметрами, характеризующими объект исследований. В этом случае на основании анализа размерностей из исходных параметров формируются новые — безразмерные параметры, часто называемые безразмерными комплексами. Число безразмерных комплексов меньше, чем число исходных параметров. Поэтому задача нахождения зависимостей между безразмерными.

151 комплексами оказывается проще, чем исходная задача: чем меньше параметров, тем легче найти аппроксимационную формулу для выражения связи между ними.

Моделирование засоления и осолонцевания почв следует развивать, причем последующие модели должны быть более сложными и отражать более широкий круг явлений и процессов. Это касается действия биогенных факторов в почвах, изменений в структуре порового пространства почв, многокомпонентности поровых растворов и твердой фазы, особенностей кинетики физикохимических взаимодействий в почве, изменения обменных свойств, протекания реакций в условиях неполного насыщения и ряда других вопросов. Развитые модели должны стать основой для анализа перераспределения влаги и солей не только в почвах, но и в ландшафтах.