Спосіб вивчення преференційних потоків вологи у ґрунті

Реферат: UA 97798 U UA 97798 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі сільського господарства і може бути використана у ґрунтознавстві, агрохімії, екології, землекористуванні для визначення придатності ґрунтів до агротехнологічних та механічних навантажень, допоможе виявити та оцінити перетворення у властивостях ґрунту, які впливають на процес перенесення вологи та розчинних речовин, виборі ефективних варіантів управління водним режимом ґрунтів, раціонального використання поливної води, добрив. Спосіб може бути використано для оцінювання вологопровідної здатності ґрунтів для обґрунтування впровадження меліоративних агрозаходів, уточнення поливних норм, визначення способу, тривалості та технології поливу. Швидкість та характер міграції вологи в ґрунті та розчинених в ній речовин відіграє важливу роль у функціонуванні ґрунту в біосфері. Переміщення агрохімікатів, міграція різних геохімічних елементів та ґрунтових часточок у профілі ґрунту проходять, головним чином, у стані розчинів і, відповідно, дуже тісно пов'язані з рухом вологи. Численними дослідженнями встановлено, що значна частина вологи в ґрунті переміщується не по всьому поровому простору, а лише деякою його частиною, утворюючи зони преференційного (транзитного) транспорту води та речовин. За таких умов рідина з високою швидкістю проходить одразу на глибину без фронтального промочування ґрунту та практично за відсутності взаємодії ґрунтової матриці з розчином. Саме із потоками преференційного транспорту вологи можливе проникнення різних шкідливих хімічних речовин до різних глибин ґрунтової товщі та підґрунтових вод. Утворення та тривале існування грубих преференційних потоків у профілі ґрунту призводить до значної втрати атмосферної чи поливної води і свідчить про погіршення властивостей ґрунту, тобто про його деградацію. Дослідження умов виникнення, функціонування та масштабів проявлення потоків преференційного перенесення вологи та розчинених в ній речовин направлені, насамперед, на розробку математичних моделей, які дозволяють прогнозувати переміщення води та різних агрохімікатів у ґрунті. Такі моделі використовують у проектуванні та оптимізації різноманітних агромеліоративних прийомів, а також для оцінювання міграції пестицидів у профілі та розрахунку екологічних ризиків. Переважання у товщі ґрунту мілких потоків вологи дає можливість доставити до кореневмісного шару вологу та поживні речовини без втрат та забруднення навколишнього середовища. Для вивчення преференційних потоків вологи у ґрунті використовують спосіб визначення об'ємів преференційних потоків за допомогою лізиметрів [Andreini M.S. & Steenhuis T.S. Preferential paths of flow under conventional and conservation tillage // Geoderma. - 1990. - Vol. 46, no 1-3. - P. 213-214]. Спосіб полягає у визначенні об'ємів преференційних потоків протягом циклу заливання поверхні ґрунту з використанням лізиметрів із диференційованою приймальною поверхнею (чарункового типу) і включає: монтування лізиметрів у профілі ґрунту, проведення 3-5 циклів заливання його поверхні водою, вимірювання об'ємів рідини у чарунках лізиметру протягом кожного циклу заливання та на основі даних отримуємо можливість для порівнювання об'ємів преференційних потоків вологи у ґрунті різного способу обробітку. Спосіб призначено для порівнювання об'ємів преференційних потоків вологи у ґрунті різного способу обробітку. Недоліком цього способу є відсутність даних про стабільність та співвідношення об'ємів преференційних потоків вологи у ґрунті, що не дає можливості оцінити властивості ґрунтів різного типу використання, їх здатність до перенесення вологи та зміни властивостей від обробітку ґрунту. Існує спосіб вивчення преференційних потоків вологи за коефіцієнтом активності [Лактіонова Т.М., Медведев В.В., Почепцова Л.Г., Лізогубов В.О. Дослідження преференційних потоків рідини у чорноземі за допомогою модельного польового експерименту // Агрохімія і ґрунтознавство. - 2004. - Вип. 65. - С. 62-72]. Спосіб включає монтування лізиметрів у профілі ґрунту, проведення 3-5 циклів заливання ґрунтової поверхні та вимірювання об'ємів рідини у чарунках лізиметру протягом циклу заливання, визначення коефіцієнту активності преференційних потоків. Коефіцієнт активності преференційних потоків вологи розраховується як відношення об'єму рідини (у % від загального об'єму рідини у лізиметрі за один цикл) до частки площі (% від загальної площі лізиметру), через яку ця частка об'єму рідини проходить. Такий спосіб вивчення преференційних потоків вологи призначено для порівнювання активності преференційних потоків у різних генетичних горизонтах ґрунту. Збільшення коефіцієнта активності свідчить про збільшення або частки або діаметра макропор, які переміщують вологу у горизонті ґрунту. Недоліком способу є його нездатність визначення причин змін у функціонуванні потоків преференційного транспорту вологи у ґрунті, а також встановленні змін властивостей ґрунтів, 1 UA 97798 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 які впливають на процес перенесення вологи та розчинних речовин, тому не може успішно використовуватись для вивчення преференційних потоків вологи у ґрунті. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу вивчення преференційних потоків вологи у ґрунті за рахунок розширення набору показників для вивчення особливостей функціонування преференційних потоків вологи у ґрунті, що дасть можливість підвищити об'єктивність та інформативність здобутих результатів для оцінювання змін у властивостях ґрунтів. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі вивчення преференційних потоків вологи у ґрунті, який включає монтування лізиметрів у профілі ґрунту, проведення 3-5 циклів заливання ґрунтової поверхні, вимірювання об'ємів рідини у чарунках лізиметра протягом циклу його заливання, згідно з корисною моделлю, додатково проводять вимірювання часу, необхідного на проходження вологи преференційними потоками через товщу ґрунту, та визначення кількості стабільних, тимчасових преференційних потоків вологи у товщі ґрунту та чарунок, що характеризуються постійною відсутністю преференційних потоків вологи, на основі отриманих даних встановлюють траєкторію руху рідини преференційними потоками та за результатами математичної обробки визначають співвідношення об'ємів вологи, яка переміщується у ґрунті преференційними шляхами, що дає можливість зробити висновок про якість ґрунту, його деградацію та придатність для сільськогосподарського використання. Численні дослідження дали можливість встановити, що основними показниками, які характеризують преференційні потоки вологи у ґрунті є: 1) об'єми преференційних потоків (мл); 2) траєкторія руху рідини преференційними потоками вологи; 3) частка стабільних та тимчасових преференційних потоків вологи у товщі ґрунту (%); 4) частка поширення преференційних потоків вологи у товщі ґрунту (%), яка характеризує здатність ґрунту до переміщення рідини; 5) частка преференційних потоків різного об'єму у ґрунті (%), за допомогою якої оцінюють властивості ґрунтів (їх структурний та фізичний стан). Спосіб реалізується у такій послідовності: 1. Монтування лізиметрів у профілі ґрунту; 2. Проведення 3-5 циклів заливання його поверхні; 3. Вимірювання об'ємів рідини у чарунках лізиметра протягом циклу кожного заливання; 4. Вимірювання часу, необхідного для переміщення у товщі ґрунту, обмеженою глибиною розташування лізиметра, преференційних потоків; 5 На основі математичної обробки отриманих даних визначають: а) траєкторії преференційних потоків вологи за рахунок порівнювання часу, необхідного на проходження вологи преференційними потоками у гумусовому та перехідних горизонтах протягом циклів заливання ґрунту. б) частку порового простору, що не переміщує вологу преференційними потоками (частка площі лізиметра, яку покривають чарунки, що не проводили вологу преференційними потоками під час циклів заливання ґрунту); в) частку порового простору, що переміщує вологу стабільними макропорами (частка площі лізиметра, яку покривають чарунки, що переміщували вологу преференційними потоками у всі цикли заливання); г) частку порового простору, що переміщує вологу тимчасовими порами-тріщинами (частка площі лізиметра, яку покривають чарунки, що проводили вологу преференційними потоками не у всі цикли заливання ґрунту); д) внесок стабільних у часі потоків у загальну інфлюкцію (відношення об'ємів рідини, які отримані у чарунках, що проводили вологу преференційними потоками під час кожного заливання ґрунту до загальної кількості вологи у лізиметрі); є) внесок нестабільних у часі потоків у загальну інфлюкцію (відношення об'ємів рідини, які отримані у чарунках, що проводили вологу преференційними потоками під час кожного заливання ґрунту до загальної кількості вологи у лізиметрі); ж) частку преференційних потоків різного об'єму у товщі ґрунту (відношення у % об'ємів рідини преференційних потоків отриманих протягом проведених заливань ґрунту). Приклад застосування способу вивчення преференційних потоків вологи у ґрунті. Преференційні потоки вологи вивчали у чорноземі типовому важкосуглинковому різного сільськогосподарського використання - переліг та рілля. Експериментальні майданчики, обладнані чарунковими лізиметрами, було розміщено на ділянках, що знаходяться на відстані 250 м одна від одної, у межах Слобожанського дослідного поля ННЦ "Інститут ґрунтознавства та агрохімії імені О.Н. Соколовського" у Харківському районі Харківської області. 2 UA 97798 U 2 5 10 Лізиметр, що використано в експерименті, має загальну площу 0,02 м . Приймальна поверхня лізиметра поділена на 48 секторів - окремих чарунок-лійок (площа однієї чарунки 2 0,0042 м ). Лізиметри встановлено на нижній межі гумусового та перехідних горизонтів чорнозему: на перелозі на глибинах 26 (гумусовий), 42 (верхній перехідний), 73 см (нижній перехідний); в орному ґрунті - 35 (гумусовий з орним шаром) та 73 см (нижній перехідний). П'ять циклів заливань проведено з інтервалом у 1-2 тижні у літній період (протягом червня-серпня). На фіг. 1 представлено динаміку надходження рідини у чарунки лізиметру у різні цикли (І-V) заливання ґрунту. В таблиці 1 наведено параметри преференційних потоків вологи у гумусовому горизонті ґрунту на перелозі. Таблиця 1 1 245 1067 10 79 30 1 лізиметр (0-26 см) Цикли 2 3 4 288 125 274 2441 485 1976 5 5 5 72 57 76 29 45 32 5 225 1088 5 68 24 7307 8402 5532 8740 5453 63 60 94 67 50 Характеристика потоків Середнє Об'єми зібраних у чарунках лізиметра Максимальне потоків, мл Мінімальне Тривалість проходження рідини, хв. Кількість активних (заповнених) чарунок Загальна кількість рідини, що надійшла до лізиметра, мл Частка порового простору, що проводила вологу, % 15 20 25 За результатами 5 циклів заливання, визначено середні величини, які зведено у таблиці 2. Проведені вимірювання та розрахунки дозволили виявити особливості функціонування преференційних потоків вологи у чорноземі типовому різного сільськогосподарського використання. За допомогою проведеного експерименту із використанням чарункових лізиметрів встановлено, проходження рідини у всіх горизонтах чорнозему на перелозі відбувалось майже одночасно (помічено затримання надходження рідини до лізиметрів розташованих на нижній межі верхнього та нижнього перехідного горизонтів у середньому на 3-6 хв. порівняно із гумусовим горизонтом), що свідчить про вертикальну спрямованість макропор у профілі ґрунту. У орному ґрунті помічено затримання надходження рідини у середньому на 20 хв. до лізиметра, який розташовано під гумусовим горизонтом (0-35 см), що пов'язано зі зміною геометричної будови пор в орному шарі чорнозему типового і є наслідком переущільнення орного шару ґрунту (табл. 2). Таблиця 2 Об'єкт дослідження та глибина розташування лізиметрів, см Переліг Рілля 0-26 0-43 0-72 0-35 0-73 Показник Час проходження потоків через товщу ґрунту (середнє за 5 циклів заливання ґрунту), хв. Частка пор, що проводить вологу преференційними потоками (середнє за 5 циклів заливання ґрунту), % 30 35 70 73 76 43 63 68 51 56 48 58 Частка порового простору, що бере участь у переміщенні вологи складає 51-68 % у різних горизонтах ґрунту на перелозі, у гумусовому горизонті вона є найвищою - у середньому 68 % від загальної маси ґрунту, що є свідченням однорідного по поверхні проникнення вологи у профіль ґрунту (табл. 2). Переміщення вологи у гумусовому горизонті орного ґрунту відбувається по локальних зонах транспорту гравітаційної вологи - частка порового простору, що бере участь у переміщенні вологи тут є найменшою і складає всього 48 % від загальної маси ґрунту (табл. 2). Групування чарунок за їх наповненістю у різні цикли заливання ґрунту показало, що переміщення рідини у профілі чорнозему під перелогом здійснюється переважно стабільними 3 UA 97798 U 5 макропорами невеликого розміру (табл. 3, фіг. 2). Частка дрібних пор (стабільних та тимчасових пор-тріщин), що переміщують потоки об'ємом до 200 мл за цикл заливання ґрунту складає 93 % (фіг. 2). У гумусовому горизонті орного чорнозему переміщення рідини здійснюється переважно тимчасовими порами-тріщинами (табл. 3). В орному чорноземі помічено збільшення частки більш грубих потоків (фіг. 2), що пов'язано із послабленням процесів розущільнення у чорноземі під ріллею. Таблиця 3 Об'єкт дослідження та глибина розташування лізиметрів, см переліг рілля 0-26 0-43 0-72 0-35 0-73 8 25 21 23 23 0 0 0 0 0 Характер волого провідності порового простору ґрунту над лізиметрами Поровий простір не проводив вологи Поровий простір проводив вологу у всі заливання ґрунту (наявні стабільні макропори) Поровий простір проводив вологу не у всі заливання ґрунту (наявні тимчасові поритріщини) 42 53-88 15 56-97 25 45-90 21 22-56 35 65-86 50 12-40 60 3-44 54 10-55 56 41-78 42 14-35 Примітка. Над рискою - частка порового простору із відповідними вологопровідними властивостями, %; під рискою - внесок відповідних потоків у загальну інфлюкцію, %. 10 15 На фіг. 2 представлено частку преференційних потоків різного об'єму у профілі чорнозему різного сільськогосподарського використання. На основі проведених розрахунків та польових спостережень (за характером переміщення вологи преференційними потоками у профілі ґрунту різного сільськогосподарського використання) виявлено зміни у фізичних властивостях досліджуваного ґрунту. Отже такі показники як співвідношення потоків різного об'єму, площа поширення та траєкторія руху рідини преференційними потоками дозволяють оцінити перетворення, які відбуваються у структурному стані та структурі порового простору ґрунту внаслідок тривалого використання ґрунту (табл. 4, табл. 5). Таблиця 4 Діагностичні критерії та ознаки (у дужках) деградації фізичного стану чорнозему за гравітаційними потоками Ознаки фізичної деградації чорнозему Зміна будови порового простору, наявність Швидкість переміщення гравітаційних потоків плужної підошви (горизонтальна орієнтація (сповільнений рух рідини у орному шарі ґрунту) макропор у орному шарі ґрунту) Об'єми гравітаційних потоків (співвідношення Переущільнення ґрунту (послаблення потоків різного об'єму, збільшення частки грубих процесів розущільнення) потоків) 20 Оцінка наявності процесів фізичної деградації у ґрунті за показниками функціонування преференційних потоків вологи. 4 UA 97798 U Таблиця 5 Недеградований ґрунт Показники Деградований ґрунт 1,12 1,50 >65 % 90 %