Ячеистые или секционные лизиметры

В Московском университете разработаны и успешно используются с 1995 г. ячеистые или секционные лизиметры, позволяющие исследовать неоднородность гравитационного переноса влаги почвах, возможность поступления загрязняющих и питательных веществ в грунтовые воды, оценить массоперенос, определить гидрохимические параметры движения веществ в почвах. Они по своим характеристикам ближе всего располагаются к лизиметрам агрохимического ряда, однако, принципиальным отличием является то, что в экспериментах с применением секционных лизиметров моделируется ситуация поступления на поверхность почвы загрязняющих или питательных веществ.

Лизиметры представляют собой пластиковые подносы, разделенные на сектора. Каждый сектор имеет отверстие, в которое вставлена силиконовая трубка. Под лизиметром на дне ниши устанавливается поднос с тарированными пластиковыми стаканчиками (флаконами) для сбора фильтрующейся влаги. Все сектора и стаканчики нумеруются, на дно каждого сектора необходимо положить кружок фильтровальной бумаги во избежание закупорки трубок (рис. 6).

 Почвенная влага, попадающая в сектор лизиметра, через трубку поступает в пластиковые флаконы. Фиксируется время и объемы лизиметрических вод для расчета интенсивности вертикального стока отдельно в каждом секторе. При постановке фильтрационного эксперимента с использованием веществ-меток, возможен порционный сбор влаги в сектора лизиметра для получения информации о явлениях выноса и проскока растворенных веществ по характеру возрастания концентраций. Подобные данные, но получаемые в лабораторных условиях на почвенных колонках, широко используются в математических моделях переноса влаги и веществ.

При подготовке лизиметрических установок к работе после выбора площадки, заложения разреза и определения глубины установки лизиметра следует соблюдать следующие рекомендации и последовательность работы.

1. Подготовка площадки - зачистка, выравнивание и препарирование поверхности во избежание закупорки пор почвы.

Рисунок 6 – Встроенные секционные лизиметры [16].

2. Установление рам. Представляется удобным использование рам площадью не менее 600 см². Их следует осторожно врезать в почву на глубину 2-3 см с целью сохранения структуры почвенного покрова. Рекомендуется устанавливать с учетом горизонтального растекания поливной воды на расстоянии не менее 20-30 см от края разреза (траншеи). Рамы следует устанавливать на поверхность почвы до сооружения ниши для лизиметра по двум причинам: во-первых, во избежание дополнительного иссушения почвенной толщи, т.к. увеличивается испаряющая поверхность, во-вторых, во избежание обвала исследуемого профиля при дополнительном давлении во время установки рамы. Во время подготовки ниши поверхность почвы и рамы укрывается полиэтиленовой пленкой для снижения испарения, а сверху, чтобы не увеличивалась температура почвы, накрывают скошенной травой или сеном.

3 . Сооружение и подготовка ниши для установки лизиметров. Ее размер должен соответствовать размеру лизиметра. Верхняя стенка (потолок) должна быть строго горизонтальна во избежание стекания влаги по наклонной плоскости и отпрепарирована, т.к. только срезание почвы приводит к смазыванию и закупорке почвенных пор.

4. Установка лизиметра к потолку ниши должна быть очень плотной. В таком случае они выполняют двойную функцию: сбор фильтрационных вод строго с площади, четко очерченной отдельным сектором лизиметра, и механическая поддержка промачиваемой почвенной толщи. Поэтому врезанный в потолок ниши лизиметр необходимо укрепить досками или фанерой для обеспечения его устойчивости.

5. Фильтрация воды и раствора. В рамы подается вода или раствор, при необходимости поддерживается определенный уровень (1-5 см). Сбор фильтрационных вод производится до полного прекращения фильтрации, иногда лизиметры оставляются на ночь. Возможно вскрытие почвенной толщи над лизиметрами с целью исследования особенностей свойств почвы и переноса и сорбции веществ.

Представленные лизиметры и предлагаемая последовательность работы были использованы при изучении миграции воды и растворенных веществ (крахмала, КСl) на серых лесных почвах Владимирского ополья, на дерново-подзолистых почвах Московской области и показали, что при соблюдении всех вышеперечисленных условий и последовательности выполнения эксперимента, лизиметры работают безукоризненно.

Таким образом, рассмотренные почвенно-агрохимические лизиметры различных конструкций, основаны на принципе свободного стока гравитационной влаги. Недостатком этих лизиметрических установок является то, что не представляется возможным использовать для точных балансовых исследований (за исключением взвешиваемых лизиметров) переноса влаги и веществ. Этого недостатка лишены лизиметры для водно-балансовых исследований.

Гидрологические лизиметры

Гидрологические лизиметры или лизиметры для водно-балансовых исследований - лизиметры, позволяющие кроме количественного сбора инфильтрата, определять различные составляющие водного баланса почв, в частности, определять влажность почвы, уровень грунтовых вод, расход влаги на испарение, транспирацию.

Отметим, что четкое разделение на агрохимический и гидрологический типы лизиметров провести иногда сложно, т.к. они зачастую имеют сходные конструкторские характеристики, совпадающие задачи, например определение выноса питательных элементов из почвы невозможно без определения количества профильтровавшейся влаги. Большинство авторов сходятся во мнении, что принципиальным отличием гидрологических лизиметров является возможность точного определения влажности почвы путем взвешивания и (или) наличие постоянно действующего горизонта грунтовых вод.

Для прямого определения эвапотранспирации применяется метод гидрологических лизиметров, получивших название испарителей. Они предполагают установку почвенного монолита в почву, периодическое его извлечение и взвешивание. Недостатком множества испарителей с глухим дном, как лизиметры Ключарева, является то, что режим влажности изолированных почвенных монолитов отличается от режима влажности окружающей почвы. Т.е в засушливые периоды можно ожидать меньшую влажность в испарителе, а в дождливые - наоборот, повышенные значения. Для устранения этого недостатка Поповым В.П. была предложена система парных испарителей с сетчатым дном, позволяющим как отводить избыток почвенной влаги из монолита, так и, соприкасаясь с почвой, выравнивать влажность в соответствии с окружающим пространством. Подробное описание и порядок работы почвенных испарителей Попова В.П. изложены в монографии Роде А.А. «Методы изучения водного режима почв». Хотя им отмечается, с ссылкой на исследования отечественных ученых, что для зоны подзолистых почв преимущества перед испарителями с глухим дном не выявлены.

В системе гидрометеослужбы стандартным методом исследования испарения является испарители, разработанные Государственным гидрологическим институтом, ГГИ-500-50 - для измерения испарения из почвенного слоя 0-50 см, а для зон недостаточного увлажнения ГГИ-500-100 - для слоя почвы 0-100 см.

Испарители представляют собой лизиметры цилиндрической формы, площадь испарения - 500 см2, помещаемые установленные в почву цилиндры с дном большего размера. Испарители периодически извлекаются из почвы специальными лебедками и взвешиваются, измерения проводятся в теплое время года. Испарители для метеослужб подробно описаны в работах Урываева В.А., Струзера Л.Р. и Русина. Урываевым также были предложены гидравлические испарители, которые в рабочем положении находятся в плавающем положении, по их вертикальному перемещению можно судить об увеличении или уменьшении влаги в почвенном монолите. Подобные гидрологические испарители (ГПИ) также нашли применение в метеослужбе, т.к. являются более совершенными, позволяют автоматизировать процесс, однако дорогостоящи и поэтому реже используются.

Лизиметры с имитацией грунтовых вод были предложены Коньковым Б.С. Они состоят из двух цилиндров, внутреннего с сетчатым дном заправленного почвенным монолитом и внешнего со специальной трубкой для заливки воды с целью моделирования горизонта грунтовых вод. Таким образом, можно задавать различный уровень грунтовых вод и наблюдать за ним в процессе испарения и поступления влаги на поверхность почвенного монолита.

Автоматическая система подачи и слива фильтрующейся влаги была разработана и применена Роде А.А. на основе специальной системе по принципу сосудов Мариотта. В работе Баера Р.А. и Лютаева Б.В. подробно изложена методика сооружения водобалансовых лизиметров с автоматически регулированием уровня грунтовых вод, которые получили широкое распространение в почвенных исследованиях.

Во ВНИИ кормов им. Вильямса В.Р. в настоящее время успешно функционируют лизиметрические установки с автоматизированной дистанционной системой наблюдений за солевым и температурным режимами почв, регистрацией интенсивности инфильтрации и подпитывания влагой. Методика исследований, конструкторские особенности данных лизиметров, опыт их использования описаны в монографии Семенова и др. «Лизиметрические исследования в луговодстве» в 2005 г.
Одними из типов лизиметрических установок являются вакуумные пробоотборники и сорбционные лизиметры (хроматографические колонки).
Почвенные тензиометры могут служить пробоотборниками почвенной влаги из различных горизонтов профиля, они разрабатывались и усовершенствовались Муромцевым Н.А.

Удобство данного метода заключается в простоте выполнения эксперимента, возможности получения почвенного раствора в динамике. Хотя возникает ряд методических вопросов, связанных с длительностью вакуумирования, экспозиции и восстановления равновесия в зоне действия тензиометра и др. Кауричевым И.С. и Ноздруновой Е.М. в 1960 г. был предложен метод сорбционных лизиметров (МСЛ) или метод лизиметрических хроматографических колонок. Суть метода заключается специальных колонок с различными сорбентами для изучения масштаба миграции целого ряда веществ, в первую очередь водорастворимых органических веществ. Конструкции сорбционных лизиметров, различные сорбенты, применяемые для решения конкретных задач, схемы и методы фракционирования различных веществ, расчет масштаба их миграции и иммобилизации представлены в работах Кауричева И.С., Яшина И.М., Раскатова В.А. и др.

Таким образом, с помощью лизиметрических установок можно решить целый ряд вопросов, их используют для:

- оценки качественных и количественных показателей потока вещества, оценки поступления, миграции и аккумуляции различных веществ в почвенном профиле;

- оценки периодичности и доминирующих факторов формирования лизиметрического стока;

- проведения мониторинговых почвенно-экологических исследований и мониторинга ландшафта в целом;

- изучения эволюции физических и химических свойств в условиях многолетнего лизиметрического опыта;

- проверки, параметризации и адаптации математических моделей переноса веществ и тепла в почве;

- при исследовании специфики и масштаба антропогенного воздействия на почвы.

 Заключение

Важным преимуществом лизиметрического метода исследования водного режима почв является возможность проведения целого комплекса динамических наблюдений на объекте, отличающемся небольшой латеральной протяженностью и низкой пространственной неоднородностью. Кроме того, большое значение имеет то, что различные режимные данные связаны друг с другом по времени их получения, что в свою очередь позволяет оценить с максимальной точностью реальную обстановку в почвенном профиле.

 Список литературы

1. Агрохимия/ Под ред. Ягодина Б.А. – Москва.: Колос, 2002. – 584 с.

2. Земля : полная энциклопедия: [самые необходимые и полезные знания о природных явлениях и географии нашей планеты] / Ананьева Е.Г., Мирнова С.С.; худож.: Краснова Н., Парамыгин И., Левченко О. - Москва : Эксмо, 2008. - 256 с. : цв. ил. - Алф. указ.: с. 252-255. - ISBN 978-5-699-18925-0.

3. Использование лизиметров в агрохимии // Бюллетень почвенного института им. В.В. Докучаева выпуск - 79 - ISSn 0136-1694 Москва 2015.

4. Ковда, В. А. Аридизация суши, борьба с засухой и проблема продовольствия / В. А. Ковда // Курьер ЮНЕСКО. 1977. - N 8. - С. 11-14, 34.

5. Котлярова, О. Г. Почвозащитная система в интенсивном земледелии Центрально-Черноземной зоны / О. Г. Котлярова. Воронеж: Центральночерноземное книжное из-во, 1990. - 267 с.

6. Курс физики почв : учеб. для вузов / Е. В. Шеин . - М. : МГУ, 2005. - 432 с. : ил.. - Предм. указ.: с. 422-425. - ISBN 5-211-05021-5.

7. Практикум по земледелию/ 2004 / Васильев И.П., Туликов А.М., Баздырев Г.И.

8. Преимущественные потоки влаги в почвах: закономерности формирования и значение в функционировании почв : [монография] / Умарова А.Б.; Моск. гос. ун-т им. Ломоносова М.В., Фак. почвоведения. - М. : ГЕОС, 2011. - 266 с. : ил. - Библиогр.: с. 239-262. - ISBN 978-5-89118-562-3.

9. Соболев, С. С. Защита почв от эрозии / С. С. Соболев. М.: Из-во сель-скохозяйствешюй литературы, журналов и плакатов, 1961. - 231 с.

10. Физика почв: учебное пособие для самостоятельной работы студентов / А.В. Тесля; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург : ОГУ, 2012. – 115 с.

11. Физика почвы: учеб. для вузов / Качинский Н. А.. - М. : Высш. шк., 1970 Ч. 2 : Водно-физические свойства и режимы почв. - 1970. - 360 с.: ил. - Библиогр. : с. 340-351. - Имен. указ.: с. 352-356.

12. Экогеохимия: учебное пособие/ направление «Агрохимия и Агропочвоведение» / профиль «Агроэкология»/ Яшин И.М., Васенев И.И., Рамазанов С.Р., Черников В.А; Москва.: РГАУ-МСХА, 2015. – 2010 с.: ил.

13. Лизиметрический метод [Электронный ресурс].: Почвоведение – 2008 – Режим доступа: http://helpiks.org/6-35706.html **

14. Лизиметрический метод исследования в агрохимии [Электронный ресурс].:  Методы агрохимический исследований 2001- Режим доступа.: http://www.studentlibrary.ru/doc/ISBN5953201451-SCN0004.html

15.  Теория и методы физики почв [Электронный ресурс].: Методы оценки водоустойчивости агрегатов – Режим доступа.: http://racechrono.ru/fizika-pochv/4228-metody-ocenki-vodoustoychivosti-agregatov.html

16. Типы лизиметрических установок [Электронный ресурс].: Земледелие – 2013 – Режим доступа.: http://racechrono.ru/fizika-pochv/4098-tipy-lizimetricheskih-ustanovok.html