Насыпные и монолитные лизиметры

Очень важной, но до конца нерешенной проблемой, является вопрос о том, какой почвой (нарушенного или ненарушенного сложения) заправлять лизиметры. Вопрос настолько важен, что большинство исследователей выделяют данное различие как отдельную градацию в заполнении лизиметрических установок почвой:

- монолитные лизиметры (с почвой ненарушенного сложения);
-    насыпные лизиметры (с почвой нарушенного сложения) (рис.3)

.

Из практики использования лизиметров в нашей стране и за рубежом известно, что предпочтение отдается монолитам, хотя насыпные лизиметры очень широко используются в агрохимических и гидрологических экспериментах. Насыпные лизиметры всегда изолированы, т.е. имеют вертикальные границы - стенки. Часто они представляют собой сосуды/емкости с воронкообразным дном или дном, имеющим уклон в сторону отверстия для стока гравитационной влаги, засыпанным сильнопористым инертным материалом, поверх которого помещается почвенный материал. Форма и размеры таких сосудов может изменяться в широких пределах.

Многие ученые указывают на разницу в фильтрационных характеристиках насыпных почв и монолитов, хотя значения и причины этих несовпадений разными учеными трактуются различно. Копосов считает, что скорость инфильтрации почвенных растворов в насыпных почвах значительно выше той, которая присуща естественным почвам, так как в последних она определяется водопроницаемостью всей почвенной толщи, а в насыпных лизиметрах - только насыпной колонки. Шишов считает, что в почвах с нарушенным сложением увеличивается инфильтрация, а корневые системы растений проникают на заметно большую глубину. Поэтому в лизиметрических устройствах всех типов желательно использовать монолиты с ненарушенной структурой. Кроме того, в лизиметрах, заряженных почвой нарушенного сложения, суммарное испарение значительно может быть меньше, чем в испарителях и лизиметрах с монолитной почвой. Различие может достигать 30%.

Однако многие ученые наблюдали обратную картину - снижение величины стока в насыпных вариантах лизиметрических почв, связанное мнению авторов с тем, что насыпные почвы в лизиметрах требуют некоторого времени для усадки и стабилизации свойств почвенного профиля: плотности, агрегатного состава, порозности, влагопроводности и др.

Вероятно, увеличение или снижение величины инфильтрации в почвах с нарушенным сложением связано с несколькими разнонаправленными явлениями:

1) наличием или отсутствием растительного покрова;

2) особенностями поступления влаги на поверхность лизиметров - количество и интенсивность осадков или полива. Например, при выпадении осадков ливневого характера величина стока, как правило, выше в монолитах, т.к. они имеют пути быстрой миграции влаги;

3) особенностями свойств почвенного материала, его агрегатного состояния, способностью к трещинообразованию;

4) скоростью стабилизации почвенных свойств, зависящей, в том числе и от времени начала эксперимента.

Копосов также утверждает, что при засыпке почвенного материала в лизиметры в соответствии со строением профиля имитируемой почвы, лизиметрические устройства не могут в начальный период объективно отразить условия, существующие в естественном состоянии. Для этого нужен некий восстановительный период, чтобы произошла модификация сложения, структуры, порозности, функционирования биоценозов до первозданного вида, который может растягиваться на десятки лет.
В начале опытов в почве нарушено строение межагрегатного порового пространства. По опытам с насыпными образцами известно, что количество профильтровавшейся воды в почвах нарушенного строения меньше, чем в монолитах. Действительно, чтобы начался процесс фильтрации в насыпных почвах, необходимо их насыщение до значений выше величины наименьшей влагоемкости. В почвах с естественным сложением сквозной перенос влаги может начаться при меньших значениях влажности, как по устоявшимся путям преимущественного движения влаги, так и по характерным макропорам и трещинам. Необходимо заметить, что одной из целей распашек пахотного горизонта является сохранение влаги и питательных веществ и заключается в разрушении путей быстрого тока воды. Поэтому для восстановления структуры порового пространства требуется некоторое время. В дерново-подзолистых почвах больших лизиметров МГУ равновесный с метеорологическими условиями сток сложился на 10-11-й годы многолетнего эксперимента, когда насыпные почвенные горизонты приобрели основные черты сложения, свойственные новым условиям.
Аналогичная картина наблюдалась и в лизиметрах ВНИПТИХИМ, процесс усадки и стабилизации фильтрационной способности почвенного профиля закончился в основном в течение 10 лет после зарядки лизиметров.

Таким образом, можно утверждать, что через некоторое время после начала лизиметрического эксперимента с почвами нарушенного строения происходит стабилизация почвенных свойств, формирование устойчивого строения влагопроводящего порового пространства.

Длительность периода зависит от размеров лизиметрических установок и свойств почв, однако, даже в случае больших лизиметров, размерами 8-12 м³, заполненных среднесуглинистыми почвами, это период составляет около 10 лет, что позволяет по истечении этого срока считать их приближенными к почвам естественного сложения.

Тем ни менее у лизиметрических установок с насыпной почвой имеются и несомненные преимущества. Во-первых, как трактует Голубев Б.А., при постановке эксперимента исследователь избегает погрешностей, связанных с особенностями индивидуального образца почвы. Во-вторых, практически невозможно заполнить лизиметры большого размера единым монолитом, а значит, все варианты с большими лизиметрами могут быть заполнены только почвами нарушенного строения, как, например, лизиметры МГУ, ВНИПТИХИМ. В-третьих, как считают Попов П.Д. и А.П. Смирнов А.П. «никакой монолит нельзя считать абсолютно представительным для даже небольшого массива почв того же вида, не говоря уже о подтипе или типе», поскольку латеральная и вертикальная неоднородность очень велика по агрофизическим показателям даже на небольшой площадке. В-четвертых, в лизиметрических почвах, созданных последовательным заполнением лизиметра почвенными горизонтами, границы между ними выраженные и ровные, что позволяет при использовании различного рода гидрофизического оборудования (тензиометры, влагомеры, термодатчики) иметь отчетливое представление о генетическом горизонте, в котором проводятся те или иные измерения.

При отборе больших монолитов, так и при сохранении их целостности возникают технические сложности, поэтому, как правило, монолиты используются при заполнении небольших лизиметров и почвенных колонн и при возможности нескольких повторностей одних и тех же вариантов.
Копосов Г.Ф. пишет следующее о структурах с ненарушенным почвенным сложением, приводя в качестве примера таковой - воронки Шиловой Е.И.: «В стационарных лизиметрических сооружениях блок-колонна почвы гидроизолируется с целью блокировки бокового подтока инфильтрата. Это, однако, создает внутри нее иной режим напряжений, возникающих в результате циклических изменений влажности и температуры, что вызывает дополнительное образование трещин и щелей (особенно активно около стенок гидроизоляции), которые очень быстро сбрасывают поступающие на поверхность почвы атмосферные воды, сокращая время и пространство из взаимодействия с твердой частью почвы». Действительно, такой механизм сброса избытка влаги возможен, который приплюсовывается к пристеночному эффекту. Однако его значимость можно свести к нулю, если на поверхности почвы не образуется сплошной напор воды (локальные лужи на поверхности не имеют значения), и/или тогда, когда площадь лизиметра достаточна велика и составляет несколько квадратных метров. В остальных случаях с использованием небольших лизиметрических установок и почвенных колонн при проведении длительных экспериментов в режиме увлажнение-иссушение такой эффект может весьма значительным, особенно если почвенный образец - насыпной или монолит был высушен до
значений гигроскопической влажности. Проведенные лабораторные фильтрационные эксперименты на монолитах серых лесных суглинистых почвах с использованием крахмальной метки показали, что пристеночный эффект не значим при работе с почвенными монолитами-колонками, влажность которых при транспортировке и хранении не снижалась до таких критических величин.