Сборник задач по физике почв

Учебное пособие содержит положения физики почв,связанные с экспериментальными исследованиями и расчетами,основные типы задач и комментарии по их решению.Пособие предназначено для студентов, изучающих физику и мелиорацию почв,осваивающих практические вопросы по гранулометрии почв,дифференциальной порозности,удельной поверхности,баланса влаги и веществ.влажности и потенциала почвенной влаги, по использованию основных гидрофизических функции для расчета переноса воды в почве.Задачи и примеры составлены на основе характерных, встречающихся в практической работе почвоведов вопросов. Пособие отвечает современному уровню развития и преподавания физики почв в Московском университете.Оно может служить основой при изучении баланса веществ, мониторинговых и экологических исследованиях, мелиоративных изысканиях и расчетах.

Для почвоведов и студентов смежных специальностей.

Современное естествознание все в большей степени начинает использовать количественные методы: это связано с необходимость не только количественно описать и оценить природную ситуацию, но и дать научно-обоснованный прогноз ее развития.Поэтому от грамотного их использования методов во многом зависит точность нахождения оптимального решения.Знание физических свойств и процессов в почвах связано с двумя основными аспектами, — с оценкой почвы как среды,обусловливающий продуктивность растений, так и с ее функциональной ролью в биосфере в целом. Первый аспект (агрофизический) связан с количественной оценкой свойств твердой фазы почвы, такими как ее дисперсность, по-розность, агрегатный состав и др.Именно эти почвенные физические свойства учитываются при разработке агротехнических и мелиоративных мероприятий.Умение правильно их рассчитывать, знание границ применения той или иной формулы расчета и метода исследования основных агрофизических свойств почвы — одна их основных задач данного учебного пособия.Второй аспект (почвенно-зкологический) обусловлен характеристиками почвы, связанными с ее способностью удерживать и проводить потоки воды, газов, тепла, т.е. с расчетом энерго- и мае-сопереноса в почве.Современная физика почв разработала специальнай аппарат для точного расчета таких потоков, основные теоретические, методические и расчетные части составляют раздел по прогнозному моделированию переноса воды и веществ в ландшафте.Поэтому точное использование физических величин и параметров,правильное применение терминологических понятий и размерностей определяет дальнейшее развитие почвоведения как количественной науки о почве — уникальным природным телом, обладающим свойством плодородия и обусловливающим все процессы переноса и обмена в биосфере в целом.Данное учебное пособие является закономерной частью курса физики почв, имеющего теоретическую (лекционную и семинарскую) программу, практические лабораторные и полевые занятия, а также практические занятия по использованию расчетных методов не только в физике почв, но и в почвоведении в целом.Действительно, почвенно-физи-ческие расчеты лежат в основе расчета доз внесения удобрений и мелиорантов (извести, гипса),запасов питательных и токсичных веществ, эрозионных процессов.Поэтому освоение расчетных методов физики почв является необходимой задачей для любого специалиста,работающего в области наук о Земле.

Источник

Примеры решения задач

Пример 5. Карбонатная почва имеет следующий гранулометрический состав: 42% песка, 28% пыли и 20% глины. Содержание СаСО₃ в почве составляет: 5% в песке, 10% в пыли и 20% в глине. Рассчитайте гранулометрический состав почвы (%):

а) в ее начальном состоянии;

б) после удаления карбонатов реакцией с кислотой.

Решение. Определим массу карбоната кальция в каждой гранулометрической части почвы. Согласно условию задачи, в 100 г почвы содержится 42 г песка, 38 г пыли и 20 г глины. Соответственно, карбоната кальция содержится: в песке 42 · 0,05 = 2,1 г, в пыли 38 · 0,10 = 3,8 г, в глине 20 · 0,20 = 4 г. Таким образом, масса чистых компонентов после обработки кислотой (т_i) составит: 42 – 2,1 = 39,9 г песка; 38 – 3,8 = 34,2 г пыли; 20 – 4 = 16 г глины. Процентное содержание компонентов в исходной почве (Wi) определяется соотношением:

W_i =,

где m_i – масса соответствующих компонентов почвы.

Отсюда процентное содержание компонентов в исходной почве после округления составит:

Процентное содержание компонентов в почве после удаления из нее карбонатов (W) определяем с учетом изменения массы навески почвы:

2,1 + 3,8 + 4 = 9,9 (г);

и

Ответ: а) 40%, 34% и 16%; б) 44%, 38% и 18%.

Пример 6. Объем заполненных при стандартных условиях воздухом пор в почве равен 0,32 см 3 /см 3 почвы. Содержание О₂ в почвенном воздухе составляет 18% (об.). Рассчитайте объем О₂ в м 3 /м 3 почвы. Найдите массу О₂ в г/м 3 почвы, если температура почвы 17° С.

Решение. Для расчета содержания кислорода в почве необходимо принять, что объем воздуха в почве равен объему пор. Отсюда объем О₂ в почве (Vo₂) определяется следующим соотношением:

К = 0,32 0,18 = 0,058 (м 3 /м 3 ),

где К – коэффициент, учитывающий переход от одной размерности к другой (1 см 3 = 10 –6 м 3 ), который в данной задаче равен единице.

Для ответа на второй вопрос следует иметь в виду, что объем пор в почве и давление воздуха остаются постоянными.

Используя уравнение Менделеева – Клапейрона

PV =

и постоянство давления и объема, можно показать, что

,

где Т₁, Т₂ – абсолютные температуры;

, – массы кислорода при температурах Т₁ и Т₂.

Массу кислорода при стандартной температуре Т₁ = 273 К определим из следующего соотношения: 22,4м 3 О₂ при стандартных условиях содержат 32 кг О₂ 0,058 м 3 /м 3 содержат m (О₂) кг/м 3 О₂.

= (кг О₂/м 3 ) = 78(г О₂/м 3 )

Ответ: объем кислорода, содержащегося в 1м 3 почвы, составляет 0,058 м 3 , масса – 78 г.

5. Элементный состав почв

Почва – естественно-историческое органоминеральное природное тело, возникшее на поверхности Земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твердых минеральных и органических частиц, воды и воздуха, имеющее специфические генетико-морфологические признаки и свойства, обусловливающие рост и развитие растений.

Таким образом, почва представляет собой многофазную полидисперсную систему. Она состоит из твердых частиц (твердая фаза почвы), воды (почвенного раствора) и почвенного воздуха. На долю твердой фазы приходится 40-65% объема почвенной массы. Объем почвенного раствора может изменяться в широком диапазоне. До 35% объема почвы обычно занимает почвенный воздух.

Для типичных почв характерно следующее соотношение объемов твердой, жидкой и газообразной фаз:

Почвенный раствор – это жидкая фаза почвы, существующая в природных условиях. Состав почвенных растворов меняется в очень широких пределах. В незаселенных почвах концентрация почвенного раствора находится в пределах от десятых долей до нескольких г/л, или примерно от 5-7 до 100-150 ммоль/л катионов и анионов. Наиболее типичными компонентами почвенных растворов, концентрации которых значительно превосходят концентрации других ионов, являются катионы Са 2+ , Mg 2+ , K + , NH, Na + и анионы HCO, SO, NO и С1 – . При изменении влажности почвы концентрация отдельных ионов изменяется по различным законам. Так, концен­трация ионов Na + , Cl – , NO возрастает пропорционально влажности почвы, а концентрация фосфат-иона, обусловленная произведением растворимости фосфатов, почти не изменяется.

Почвенный воздух отличается от атмосферного более высоким содержанием СО₂ (обычно от 0,1 до 2-3%), а в торфяных почвах на глубине 20-30см концентрация СО₂ достигает 10-12%(об.). Содержание кислорода в воздухе верхнего слоя почвы (толщиной 20см) на 0,5-1,5% ниже его концентрации в атмосферном воздухе. В поч­венном воздухе могут содержаться сероводород, метан, гемиоксид и органические соединения (углеводороды, спирты, эфиры, альдегиды).

Твердая фаза типичной плодородной почвы на 95% состоит из неорганических и на 5% – из органических соединений. Некоторые виды почв, например торфяные почвы, содержат иногда более 95% органических соединений, тогда как в так называемых «бедных» почвах количество органических веществ может быть менее 1%.

Почвы, которые В. И. Вернадский называл биокосным телом, по качественному и количественному содержанию элементов существенно отличаются от живых организмов и горных пород (таблица 5).

Одной из особенностей почв является присутствие в них большого набора элементов. Как видно из таблицы 5, все виды почв отличает высокое содержание углерода и кремния, что, безусловно, связано с процессом почвообразования. Обращает на себя внимание и большой диапазон концентраций элементов, присутствующих в почве.

Таблица 5. Средний элементный состав (в %) метрового слоя почв европейской части Российской Федерации на абсолютно сухую навеску (по Кудрину, 1963)

Почва в среднем

тые и глинистые

Разница в содержании отдельных элементов в почве достигает 9-10 порядков.

По абсолютному содержанию в почвах все элементы могут быть объединены в несколько групп. В первую группу следует отнести кислород и кремний, содержание которых составляет десятки процентов. Вторая группа включает элементы, содержание которых в почве меняется от десятых долей до нескольких процентов: это А1, Fe, Ca, Mg, К, Na, С. Первые две группы – типичные макроэлементы. В третью группу входят: Ti, Mn, N, P, S, Н, концентрации которых измеряются десятыми и сотыми долями процента. Они со­ставляют переходную группу. Микро- и ультрамикроэлементы содержатся в почвах в количестве 10 –3 — 10 –10 %; к ним можно отнести все остальные элементы, встречающиеся в почвах, например Ва, Sr, В, Rb, Си, V, Сr, Со, Li, Mo, Cs, Se.

Почвы различного механического состава значительно отличаются друг от друга, особенно по содержанию таких элементов, как Si, Al, Fe, щелочные и щелочноземельные металлы. В легких почвах повышена концентрация Si и снижена доля всех прочих элементов (за исключением кислорода). Основную массу составляет SiO₂. По сравнению со средним составом пород почвы обогащены органиче­ским углеродом, азотом, фосфором, серой, т. е. биогенными элементами, накапливающимися в результате деятельности живых организмов. Такие элементы, как Si, Al, Fe, Mg, К, Na, практически унаследованы почвами от почвообразующей породы.

Приведенные в таблице 5 данные об элементном составе почв показывают усредненный состав метрового слоя почвы. Этот слой включает 2-3 (а иногда и больше) почвенных горизонта – генетически связанных между собой слоев почвы, формирующихся в результате расчленения материнской породы в процессе почвообразования.

Почвенные горизонты возникают в результате приноса, выноса, перераспределения и преобразования веществ. Поэтому почвенные горизонты могут значительно отличаться друг от друга по элементному и механическому составу. В поверхностных горизонтах, например, накапливаются органические вещества, азот, фосфор, обменные соединения алюминия, кальция, магния, натрия, калия, во многих случаях происходит потеря силикатных соединений (за исключением SiO₂ в форме кварца).

Совокупность генетически сопряженных и закономерно сменяющихся почвенных горизонтов, на которые расчленяется почва в процессе почвообразования, определяется как почвенный профиль. В почвенном профиле принято различать три главных генетических горизонта: А – поверхностный гумусово-аккумулятивный; В – переходный к материнской породе; С – материнская горная порода. Возможно более подробное разделение. Так, для большей части Российской Федерации принято следующее деление и обозначение почвенных горизонтов: Ао – лесная подстилка или степной войлок; А – гумусовый; Ai – гумусово-аккумулятивный; Аг – подзолистый; А_п (или A_nax) – пахотный; В – иллювиальный, или переходный, с разделением на Bi, B₂, В₃; В_к – карбонатный; Gj – глеевый; С – материнская горная порода; Д –подсти­лающая порода. Выделяются также переходные горизонты, например АА₂, АгВ, ВС. Иногда используются и дополнительные обозначения свойств почвы и горной породы. Каждый тип почвы характеризуется определенным сочетанием генетических горизонтов, поэтому можно говорить о строении почвы, или ее профиле. Использование системы символов почвенных горизонтов позволяет упростить запись сведений при описании типа почвы.

Источник