Скорость впитывания воды дерново-подзолистой суглинистой почвой

Введение

На территории Беларуси около 40 % пашни в той или иной мере подвержены водной эрозии. При этом на 12,8 % территории преобладают сильносмытые почвы, на 17,6 % - среднесмытые, а на 28 % - слабосмытые. Водная эрозия наиболее развита на почвах Витебской, Могилевской, Гродненской и Минской областей [10, с. 447]. Поэтому выявление причин, приводящих к нарушению экологической устойчивости орошаемых агроландшафтов в результате эрозии, и разработка мероприятий по снижению их воздействия являются наиболее актуальными задачами в современных экологических условиях.

При поливе дождеванием возникает ирригационная эрозия почв. Она, как правило, проявляется вследствие подачи воды с интенсивностью, превышающей ее впитывающую способность. Известно, что на почвах среднего и тяжелого гранулометрического состава скорость инфильтрации поливной воды значительно меньше интенсивности искусственного дождя современных дождевальных машин и установок, что приводит к образованию поверхностного стока в процессе полива [8, с. 33].

Поверхностный сток разрушает структуру почвы, ухудшает экологическую обстановку на орошаемых почвах и прилегающих к ним территориях[2, с. 108].В таких условиях обычно допустимые поливные нормы ограничивают продолжительностью полива до начала стока воды [8, с. 34].

Основным показателем противоэрозионной техники дождевания является максимальная установившаяся скорость безнапорного впитывания (допустимая интенсивность), которая зависит от условий рельефа и свойств почвы[5, с. 87].

Определение достоверных параметров допустимой интенсивности дождевания не представляется возможным без исследования общей закономерности инфильтрации воды в почву. Наиболее объективную оценку этого процесса для целей орошения дает динамика скорости впитывания при затоплении. И хотя она не позволяет получить конкретного представления о впитывающей способности почвы при дождевании [16, с. 106], все-таки в первом приближении по установившейся скорости впитывания можно судить о ее допустимых пределах [6, с. 29]. Поэтому определение скорости впитывания воды (при затоплении) дерново-подзолистой суглинистой почвой является актуальным.

Анализ источников

Изучением водопроницаемости почв занимались А. Н. Костяков, М. В. Преображенская, А. И. Будаговский, Н. С. Ерхова, Б. О. Миленина, Н. Ф. Бондаренко, В. Я. Кулик, В. М. Шестакова, Ю. А. Москвичева и многие другие.

Согласно исследованиям, проведенным в Беларуси В. И. Желязко и В. В. Невдахом, можно сделать вывод о том что, в первом приближении значения допустимой скорости дождевания могут быть ориентировочно приняты по установившейся скорости впитывания.

Так, авторами работ [5, 12] был проведен ряд опытов по водопроницаемости почвы при затоплении песчаных и супесчаных почв при средней влажности 70 % от наименьшей влагоемкости для разных лет пользования многолетнего травостоя. Были установлены параметры, отражающие скорость впитывания воды почвой в начальный момент времени, а также показатели степени, характеризующие динамику затухания скорости впитывания во времени.

В 2012-2013 гг. нами были проведены опыты по определению скорости впитывания воды дерново-подзолистой суглинистой почвой в зависимости от ее начальной влажности и года пользования травостоя.

Методы исследования

Полевые опыты были проведены на учебно-опытном орошаемом поле УО БГСХА "Тушково-1" Горецкого района Могилевской области.

Почвы дерново-подзолистые суглинистые. Водно-физические свойства почвы в слое 0-100 см в среднем характеризуются следующими показателями: плотность - 1,62 г/см3, плотность твердой фазы - 2,65 г/см3, наименьшая влагоемкость - 22,3 % к массе сухой почвы. По агрохимическим показателям почвы пахотного слоя характеризуются нормальной кислотностью (рН=5,4-6,7) с содержанием гумуса менее 3%.

Водопроницаемость почвы определяли методом затапливаемых площадок в трехкратной повторности по методике [7, 13, 14]. Величину водопроницаемости почвы определяли на внутренней площадке площадью 625 см2. С помощью внешней площадки создавали защитный поток для воды, впитывающейся с внутренней площадки. Напор воды составлял 5 см. По количеству воды, поданной во внутреннюю площадку, рассчитывали величину водопроницаемости почвы. Уровень воды во внутренней площадке строго поддерживали на одном уровне и учитывали мерным цилиндром. Учетные площадки укрывали для предотвращения испарения. Продолжительность опыта 6-8 ч. Температуру воды определяли по термометру, лежащему в середине залитой площадки.

Таблица 1.Схема опыта

Многолетние травостои первого года
Влажность почвы 60 % от наименьшей влагоемкости	Влажность почвы 70 % от наименьшей влагоемкости	Влажность почвы 80 % от наименьшей влагоемкости
Многолетние травостои второго года
Влажность почвы 60 % от наименьшей влагоемкости	Влажность почвы 70 % от наименьшей влагоемкости	Влажность почвы 80 % от наименьшей влагоемкости

Скорость впитывания рассчитывали по формуле [11, с. 43]:

, (1)

Где Kt - скорость впитывания, мм/мин.; Q - количество воды, впитавшееся за данный интервал времени, см3; t - интервал времени, мин.; S - площадь учетной площадки, см2; l - глубина вреза площадки (рамы), см; h - слой воды, равный 5 см.

Установившуюся скорость впитывания (Куст)определяли как среднюю величину скорости впитывания воды, подаваемой на площадку, с момента ее стабилизации.

Так как температура воды в опыте колебалась от 10 до 16 0С, то для сравнивания результатов полученные данные были приведены к стандартной температуре 10 0С с использованием поправочного коэффициента Хазена0,7+0,03T0C:

,(2)

Где K10- скорость впитывания при температуре 10 0С; T0C - температура воды в интервале наблюдения;0,7 и 0,03- эмпирические коэффициенты [11, с. 44].

Статистическую обработку результатов опыта проводили по методическим указаниям [3, с. 202].

Основная часть

Известно, что водопроницаемость почв - способность почв впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. В процессе поступления воды в почву и дальнейшего передвижения ее можно выделить два этапа:

1) поглощение воды почвой и прохождение ее от слоя к слою в ненасыщенной водой почве; 2) фильтрацию воды сквозь толщу насыщенной водой почвы.

Границей между впитыванием почв и фильтрацией считают момент установления постоянной скорости фильтрации. Водопроницаемость почв находится в тесной зависимости от их гранулометрического состава, плотности, влажности, длительности увлажнения и т. д. В почвах тяжелого гранулометрического состава она всегда меньше, чем в легких [15, с. 140].

Количественные закономерности данного процесса описывается уравнением вида:

(3)

График изменения интенсивности впитывания во времени представляет собой гиперболическую функцию (рисунок).

Суглинистый почва вода впитывание

Рис. Скорость впитывания воды дерново-подзолистой суглинистой почвой многолетнего травостоя 1 года при влажности почвы 70% НВ

Для более удобного сравнения процесса напорного впитывания с безнапорным представим уравнения кривых впитывания в виде t = f(Kt). Так как при определении допустимой интенсивности дождя наибольший интерес представляет продолжительность полива до начала стока в зависимости от интенсивности (скорости) впитывания. В этом случае уравнение примет вид:

, (4)

Где t - продолжительность впитывания воды почвой, мин.; А - параметр, отражающий скорость впитывания воды почвой в начальный момент времени, определяется опытным путем; Kt - скорость впитывания в момент t без учета установившейся скорости, мм/мин.; n - показатель степени, характеризующий динамику затухания скорости впитывания во времени.

ПриА = Кi, т. е. скорости впитывания в конце первого часа, А. Н. Костяков рекомендует использовать данное уравнение для определения скорости впитывания при затоплении. Однако, как отмечалось выше, при дождевании наибольший интерес представляет установившаяся скорость впитывания, или коэффициент фильтрации верхнего слоя почвы [12, c. 68].

Анализируя рисунок, можно отметить, что интенсивность впитывания во времени убывает к некоторой постоянной величине, которая согласно [9, с. 170], характеризуется собственно коэффициентом фильтрации данной почвы. Используя данное уточнение, авторы работ [5, 12] предложили следующую формулу:

, (5)

ГдеКуст-установившаяся скорость впитывания при дождевании.

Значение параметров уравнения (5), полученные в результате обработки опытных данных, установившаяся и расчетная скорость впитывания в конце первого часа для условий проведенных исследований приведены в табл. 2.

Таблица 2. Значения параметров А и n, а также скорости впитывания в конце первого часа (Кi) и установившиеся скорости (Куст) при затоплении в зависимости от условий впитывания

Условия впитывания	А	N	Коэффициент корреляции	Куст, мм/мин.	Кi, мм/мин.
Многолетние травостои первого года
Влажность почвы 60% НВ	9,14	2,14	0,99	0,23	0,43
Влажность почвы 70% НВ	7,64	2,22	0,99	0,23	0,40
Влажность почвы 80% НВ	7,05	2,21	0,99	0,23	0,38
Многолетние травостои второго года
Влажность почвы 60% НВ	6,48	2,04	0,97	0,19	0,31
Влажность почвы 70% НВ	6,04	2,04	0,97	0,19	0,29
Влажность почвы 80% НВ	5,28	2,08	0,96	0,19	0,26

Анализ кривых впитывания и их параметров свидетельствует о том, что скорость просачивания воды в почву есть весьма динамичный и сложный процесс, зависящий от влажности почвы и года пользования травостоя. Высокий коэффициент корреляции (R=0,99-0,99) показывает тесную связь скорости впитывания с продолжительностью полива.

Значение параметраА показывает предельную скорость впитывания воды в первую минуту опыта, которая зависит от почвы, ее состояния и колеблется для исследуемых условий в пределах 5,28-9,13. С ухудшением условий впитывания он снижается. Как уже отмечалось в [5, 12], для песчаных и супесчаных почв от первого до четвертого года пользования он равняется 3,06-7,23. Четкое изменение параметраА наблюдается в зависимости от влажности почвы и года пользования травостоя.

Показатель степени n, отражающий динамичность впитывания, равен 2,04-2,22, что говорит о незначительном его различии для данных условий опыта. Изменение величины nв зависимости от года пользования травостоя не превышает 8 %.

Наиболее характерным и изменчивым показателем впитывающей способности почвы является установившаяся скорость впитывания воды в почву, которая в зависимости от условий опыта изменялась в пределах 0,23-0,19 мм/мин. Максимальные ее значения наблюдались на травостоях первого года, минимальные - второго года.

Данные расчетов скорости впитывания в конце первого часа (Кi) показали, что это скорость является переходной к установившемуся режиму впитывания и в каждом конкретном случае вполне устойчивой и закономерной величиной. Она колеблется в пределах 0,43-0,26 мм/мин. Скорость впитывания в конце первого часа зависит в первую очередь от влажности почвы и года пользования травостоя. Так, для влажности почвы 60 %-80% НВ она соответствует: для первого года 0,43-0,38 мм/мин., а для второго 0,31-0,26 мм/мин. С увеличением влажности почвы и года пользованием травостояКiначинает значительно уменьшаться.

Наблюдения за скоростью впитывания травостоя по годам использования показывают, что в период эксплуатации происходит существенное уменьшение водопроницаемости, и для ее повышения необходимо предусматривать различные агротехнические приемы.

В целом же значения параметровА, n и Куст позволяют судить о закономерности просачивания воды в верхнем слое почвы и граничных величинах скорости впитывания.

Из формулы (4) следует, что при t ? скорость впитывания равна 0. На самом же деле:

Кt= Куст,(6)

Где Куст - установившаяся скорость впитывания, определенная в каждом конкретном случае опытным путем.

То есть при t ? можно предположить, что

Kуст.? KФ, (7)

Где КФ - коэффициент фильтрации, мм/мин. [1, c. 52].

Заключение

Полученные опытные данные свидетельствует о том, что скорость просачивания воды в почву есть весьма динамичный и сложный процесс, зависящий от многих факторов. Наблюдения за скоростью впитывания по годам использования показали, что в период эксплуатации происходит существенное уменьшение водопроницаемости, и для ее повышения необходимо предусматривать необходимые агротехнические мероприятия по рыхлению верхнего слоя почвы.

В результате проведения однофакторных экспериментов нами получены значения скорости впитывания (Кt) для определенных отрезков времени (t) в течение продолжительности опыта (T), при которой наблюдалась установившаяся скорость впитывания (Куст) в зависимости от указанных факторов.

В целом полученные значения Кt, Куст.,Кi позволяют судить о закономерности просачивания воды в верхнем слое почвы и граничных величинах скорости впитывания на дерново-подзолистых суглинистых почвах. В первом приближении найденные установившиеся скорости впитывания могут быть ориентировочно приняты для допустимой интенсивности дождевания при следующих условиях: почвы дерново-подзолистые суглинистые; влажность почвы должна находиться в пределах от 60 % до 80 % наименьшей влагоемкости; многолетние травостои первого и второго года пользования.

Литература

1. Анженков, А. С. Повышение качества искусственного дождя при орошении животноводческими стоками: дис...канд. техн. наук: 06.01.02 / А. С. Анженков. - Горки, 2008. - 157 с. 2. Анженков, А. С. Орошение дождеванием в сложных рельефных условиях / А. С. Анженков, М. Г. Голченко, Г. А. Райлян // Вестник Белорусской Государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. - № 4. - С. 108-111. 3. Бишоф, Э. А. Методические указания по статической обработке экспериментальных данных в мелиорации и почвоведении / Э. А. Бишоф, Г. С.Калмыков; под ред. Г. В. Нарбекова. - Л.: типография №6, 1977. - 270 с. 4. Ерохов, Н. С. К оценке характеристики впитывания воды в почву при дождевании / Н. С. Ерохов // Мелиорация и водное х-во: ЭИ; сер. 1. Орошение и оросительные системы. - 1968. - Вып. 3. - С. 25-30. 5. Желязко, В. И. Дождевание многолетних трав стоками свиноводческих комплексов: дис...канд. техн. наук: 06.01.02 / В. И. Желязко. - Горки, 1987. - 138 с. 6. Игнатенок, Ф. Б. Водорегулирующий горизонт почвы / Ф. Б. Игнатенок // Мелиорация, гидротехника и водоснабжение:сб. науч. тр.- Горки:БГСХА, 1975. - С. 12-20. 7. Козлова, А. А. Учебная практика по физике почв: учеб.-метод. пособие / А. А. Козлова. - Иркутск: изд-во Иркут. гос. ун-та, 2009. - 81 с. 8. Кузнецов, Ю. В. Научно-экспериментальное обоснование водосберегающих технологий орошения томатов в Нижнем Поволжье: автореф...дис. канд. с-х. наук: 06.01.02. / Ю. В. Кузнецов; Волгоград. гос. с - х. академия. - Волгоград, 2011. - 47 с. 9. Лихацевич, А. П. Дождевание сельскохозяйственных культур: Основы режима при неустойчивой естественной влагообеспеченности / А. П. Лихацевич. - Минск: Бел. наука, 2005. - 278 с. 10. Лихацевич, А. П. Сельскохозяйственные мелиорации: учебник для студентов высших учебных заведений по специальности "Мелиорация и водное хозяйство" / А. П. Лихацевич, М. Г. Голченко, Г. И. Михайлов; под ред. А. П. Лихацевича. - Минск: ИВЦ Минфина, 2010. - 464 с. 11. Методическое руководство по изучению водного режима почв и влагообеспеченности сельскохозяйственных культур: утв. Ученым советом Почвенного инст. им. Докучаева 07.06.84. - М., 1986. - 141 с. 12. Невдах, В. И. Повышение качества дождевания культурных пастбищ на минеральных почвах Белоруссии: дис...канд. техн. наук / В. И. Невдах. - Горки, 1986. - 226 с. 13. Опытное дело в полеводстве. - М.: Россельхозиздат, 1982. - 176 с. 14. Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств почв: методическое руководство / Под ред. Е. В. Шеина. - М.: изд-во МГУ, 2001. - 200 с. 15. Почвоведение: учеб. для ун-тов / Г. Д. Белицина [и др.]; под ред. В. А. Ковды, Б. Г. Розанова. - Ч.1. - М.: Высш. шк., 1988. - 400 с. 16. Сорочкин, В. М. Впитывание воды в почву в сыртовом Заволжье / В. М. Сорочкин // Труды / ВНИИ механизации и техники полива. - 1972. - Т. З. - С. 94-106.

Скорость впитывания воды дерново-подзолистой суглинистой почвой

Похожие статьи