Материал: 1010-pochvovedenie-2013-7

растений, как лопух (Arctium láppa) и борщевик (Heracléum sosnówskyi), наблюдаются большие по абсолютной величине отрицательные разности электрических потенциалов (больше 100 мВ).

2.Обнаруженные электрические потенциалы подчиняются сезонной динамике. Весной отри$ цательность электрических потенциалов между почвой и растением больше по абсолютной вели$ чине, летом колеблются и уменьшаются к осени,

аосенью показывают минимальные отрицатель$ ные значения, то есть выравниваются. Электри$ ческие потенциалы, измеренные у молодых рас$ тений летом, оказались близкими по значениям к потенциалам, измеренным в мае. Замечено так$ же, что весной и летом электрические потенциа$ лы сильнее флуктуируют при измерении, тогда как осенью они более стабильны.

3.Установлена корреляция между влажностью почвы и электрическим потенциалом в системе почва–растение. Чем больше влажность почвы, тем меньше потенциал; только в случае измере$ ния потенциалов одуванчика (Taraxácum of% ficinále) наблюдалась обратная зависимость.

4.У всех растений наблюдается четкая диффе$ ренциация – электрический потенциал у цветка меньше по абсолютной величине, чем у листа, а у листа чаще всего меньше, чем у стебля. У таких растений, как подорожник (Plantágo májor), лопух (Arctium lappa), одуванчик (Taraxácum officinále), в розетке листьев потенциал больше, чем у листа. В культурных растениях у плода самый низкий по$ тенциал по абсолютной величине, больше у ли$ стьев, и самый большой потенциал у стебля.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Гордеев А.М., Шешнев В.Б. Электричество в жизни растений. М.: Наука, 1991. 160 c.

2.Зубкова Т.А., Мартынова Н.А., Белоусов В.М. Элек$ трическое сопротивление структурных элементов биогеоценозов // Изв. Иркутского гос. ун$та. Сер. Науки о Земле. 2011. № 2.

3.Кононов Н.Г. Способ стимуляции роста растений. Патент. Бюллетень. № 39. 28.10.82 г.

4.Маслоброд С.Н. Электрофизиологическая поляр$ ность растений. Кишинев: Штиинца, 1973. 172 с.

5.Поздняков А.И. Естественное электрическое поле почвы и его использование в почвенных исследо$ ваниях. Автореф. дис. … канд. биол. н. М., 1975. 24 с.

6.Поздняков А.И. Методика измерений естественно$ го электрического поля почв // Биологические на$ уки. 1975. № 7. С. 78–84.

7.Поздняков А.И. О возможностях применения пара$ метров электрического поля почв для характери$ стики влияний на биогеоценозы // Тез. докл. “Проблемы взаимодействия общества и приро$ ды”. 1974. С. 76–77.

8.Поздняков А.И. Полевая электрофизика почв. М.: МАИК “Наука/Интерпериодика”, 2001. 187 с.

9.Поздняков А.И. Стационарные электрические поля в почвах. Автореф. дис. … д$ра биол. н. М., 1985.

10.Поздняков А.И. Электрические свойства почвы // Экологическое почвоведение. М.: ГЕОС, 2005. С. 65–74.

11.Поздняков А.И. Энергетические взаимоотношения в сопряженном катенно$ландшафтном ряду почв // Тез. докл. Всесоюз. конф. “Почвы речных долин и дельт, их рациональное использование и охрана”. М.: Изд$во Моск. ун$та, 1984.

12.Поздняков А.И., Ковалев Н.Г., Позднякова А.Д. По$ левая электрофизика в почвоведении, мелиорации и земледелии. Тверь: ЧуДо, 2002. 257 с.

13.Поздняков А.И., Пуряев А.С. Методическое пособие по измерению электрических параметров дендро$ флоры и лесных почв. Казань: Школа, 2009. 32 с.

14.Судницын И.И. Движение почвенной влаги и водо$ потребление растений. М.: Изд$во Моск. ун$та, 1979. 255 с.

15.Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Нау$ ка, 1966. 624 с.

16.Терехова Н.В., Федотов Г.Н., Поздняков А.И. Разра$ ботка метода оценки состояния растений на осно$ ве определения сопротивления в системе почва– растение // Мат$лы межд. научн. конф. “Про$ странственно$временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты”. СПб: Издательский дом С.$Петербургского госу$ дарственного университета, 2007. С. 130–136.

17.Федотов Г.Н., Жуков Д.В., Поздняков А.И. Диффу$ зионно$адсорбционные потенциалы в почвах и их измерение // Лесной вестник. 2003. № 3. C. 145– 148.

18.Федотов Г.Н., Неклюдов А.Д., Поздняков А.И. Взаи$ мосвязь экологии растений с электрокультурой // Экологические системы и приборы. ООО Изда$ тельство “Научтехлитиздат”. 2003. № 2. С. 25–28.

19.Федотов Г.Н., Поздняков А.И. Электрическая ак$ тивность почв и ее влияние на рост растений // Ак$ туальные проблемы современной науки. Сер. поч$ воведение. 2001. № 2. С. 159–163.

20.Bohn H.L. The EMF of platinum electrodes in dilute solutions and its relation to soil pH // Soil Sci. Proc. 1969. V. 33. P. 639–640.

21.Cooper G.R.J. Spinv: Self$potential data modeling and

inversion // Computers & Geosciences. 1997. V. 23 (10) (December 10). P. 1121–1123. doi: 10.1016/S0098$3004(97)00098$8

22.Corwin R.F. The self$potential method for environ$ mental and engineering applications geotechnical and environmental geophysics // Review and tutorial. 1990.

V.127–143. Tulsa, OK: Soc. Expl. Geophysics.

23.El%Araby, Hesham M. 2004. A new method for com$ plete quantitative interpretation of self$potential anomalies // J. of Applied Geophysics. 2003. V. 55 (3–4) (March). P. 211–224. doi: 10.1016/j.jappgeo.2003.11.002

24.Pozdnyakov A.I., Pozdnyakova A.D., Fedotov G.N.

Electro$tropism in ‘soil$plant’ system // In 18$th World Congress of Soil Science. Philadelphia, PA, USA. 2006.

25.Wann S.S., Uehara G. Surface charge manipulation of constant surface potential soil colloids // I. Relation to Sorbed Phosphorus Soil Sci. Soc. Am. J. 1978. V. 42.

P.565–570.

ВВЕДЕНИЕ

Использование физико математических мо делей для расчета водоудерживающих характе ристик различных пористых сред является акту альной проблемой, изучаемой многими отече ственными и зарубежными исследователями. Наиболее эффективно базовые почвенные свой ства, как факторы, учитываются в педотрансфер ных функциях (ПТФ), переводящих доступные свойства почвы в недостающие [6, 9]. Педотранс ферные функции разделяют на следующие основ ные типы: физически обоснованные, точечно ре грессионные и функционально параметрические регрессионные. В данной работе рассмотрена возможность использования идеализированных моделей почв для построения ОГХ аэродинами ческим методом. Получена функция, позволяю щая совмещать в себе достоинства и особенности основных существующих типов ПТФ.

Под потенциалом почвенной влаги понимают полезную работу, которую необходимо затратить для изотермического и обратимого переноса еди ницы массы или объема свободной химически

чистой воды с заданного уровня в почвенный рас твор. Потенциал свободной чистой воды принят нулевым. Для оценки энергетического состояния применяют удельную свободную энергию Гиббса [6]. Эта величина складывается из гравитацион ного, осмотического потенциалов и потенциала давления.

Поскольку исторически сложилось так, что ос новная гидрофизическая характеристика чаще представляется графиком в координатах: десятич ный логарифм потенциала влаги – влагосодержа ние, то в данной работе будет использоваться этот же подход, без использования более логичной по своей сути зависимости влагосодержания от потен циала.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Временно пренебрежем гравитационным и ос мотическим потенциалами и рассмотрим слабо набухающие незасоленные почвы при малом вли янии внешних полей. Рассмотрим почвенную влагу с энергетической точки зрения при таких условиях.

Влага в почве ограничена с одной стороны твердой фазой, а с другой – газообразной, то есть в отличие от свободной влаги имеется поверх ностная энергия взаимодействия с воздухом и по верхностная энергия взаимодействия с твердой фазой почвы:

где Е – полная поверхностная энергия; Е ' – по верхностная энергия взаимодействия влаги с твердой фазой почвы; Е '' – поверхностная энер гия взаимодействия влаги с почвенным воздухом.

Соответственно для потенциала, как отноше ния некоторой интенсивной величины (энергии) к экстенсивной величине (массе), можно запи сать:

Значение потенциала, обусловленного взаи модействием влаги с твердой фазой почвы, может быть найдено в виде:

где ρ – плотность воды, кг/м3.

Потенциал должен обращаться в нуль при пол ном заполнении пор влагой w = Π0, где Π0 – пори

стость сухого образца, то есть const = − 1 AΩ30 ,

П30 ρ

поэтому с учетом этого граничного условия при мем

где Ψ – полный потенциал; Ψ' – потенциал, обу словленный взаимодействием влаги с твердой фазой почвы; Ψ'' – потенциал, обусловленный взаимодействием влаги с почвенным воздухом.

Энергия Е ' отражает влияние твердой фазы почвы на понижение свободной энергии воды в почве и по своей физической сути является сво бодной поверхностной энергией границы раздела твердая фаза–жидкость, будучи отнесенной к массе жидкости в единице объема образца:

где σsl – удельная свободная поверхностная энер гия на границе раздела твердое тело–жидкость, Дж/м2; Ω0 – объемная удельная поверхность, м2/м3.

Основная трудность использования формулы (3) заключается в том, что нам не известны методы до стоверного определения удельной свободной по верхностной энергии σsl на границе раздела твер дое тело–жидкость. Поэтому влияние твердой фазы на уменьшение свободной энергии воды в почве отразим с помощью эквивалентного давле ния p по предложенной Дерягиным формуле [2]:

где A' – постоянная Гамакера, зависящая от типа почв, Дж; h – толщина водной пленки, м; A = = A'/6π.

Выражая толщину водной пленки через объ емную влажность и удельную поверхность из со отношения w = hΩ0, можно записать:

где Ω0 – объемная удельная поверхность, м2/м3; w – объемная влажность, м3/м3.

Потенциал Ψ'' определяет вклад поверхност ной энергии границы раздела жидкость–газ в уменьшение свободной энергии воды в почве. Эта величина определяется выражением:

ρ

где Ωcf – объемная удельная поверхность границы раздела конденсированная фаза – газ, м2/м3; σlg – удельная свободная поверхностная энергия на границе раздела вода–воздух, Дж/м2; ρ – плот ность воды, кг/м3.

Для воды величина σlg = 0.073 Дж/м2 (при 20°С) определена экспериментально. Однако удельная поверхность контакта воды с воздухом Ωcf – величина переменная и является функцией влажности.

Вид функциональной зависимости Ωcf(w) определяется из эксперимента по просачиванию воздуха через почву. При проведении рассужде ний заменим почву идеализированной моделью, в которой предполагается однородное сложение почвенных частиц в пределах одного генетиче ского горизонта.

Наиболее информативными и генетически обусловленными признаками при исследовании порового пространства почвы являются форма, площадь и ориентация пор [3, 4, 7]. Рассмотрим следующую элементарную модель образца почвы – куб с ребром l, равным единице длины, имеющий три цилиндрические поры в трех взаимно пер пендикулярных направлениях, объем этих ци линдрических пор равен общему объему пор в мо делируемом образце почвы (рис. 1).

От радиуса цилиндрической поры r зависят площадь сечения поры S и ее объем. Зависимость площади сечения поры от пористости Π (объема пор в единице объема образца) задается парамет

r

l

r

r

l

l

Рис. 1. Идеализированная модель.

рически, и в первом приближении можно запи сать:

Для интервала пористостей от 0.2 до 0.8 с запа сом, покрывающим реальные значения, зависи мость S(Π) из формулы (9) может с высокой сте пенью точности описываться выражением S(Π) = = ln2(Π2/4 + Π/2). Из соотношения S = πr2, опре деляется зависимость квадрата радиуса цилин дрической поры от пористости:

Рассмотрим протекание воздуха через идеали зированный образец. Ограничим газонепроница емой оболочкой всю боковую поверхность образ ца, кроме двух противоположных граней в вы бранном направлении вдоль любого ребра куба. Если создать определенный градиент давления газа вдоль выбранного направления, то через не которое время установится стационарный поток газа. Перед этим газ протекает в различные части пористой структуры. Молекулы газа из потока поступают в тупиковые поры, а через некоторое время выходят и продолжают движение в основ ном потоке. После установления стационарного режима течения число молекул, поступающих в тупиковые поры, равно числу молекул, покидаю щих тупиковые поры, то есть наступает динами ческое равновесие. Поэтому влияние тупиковых пор на скорость потока в идеализированном слу чае будем считать пренебрежимо малым.

r

Ref

l

L

Рис. 2. Подобные трубки тока.

При протекании газа через образец часть ки нетической энергии потока расходуется на пре одоление сил трения о поверхность конденсиро ванной фазы.

Потери кинетической энергии через трубку радиуса r длины l меньше реальных значений, по скольку площадь боковой поверхности этой труб ки гораздо меньше реальной удельной поверхно сти почвы. Рассмотрим цилиндрическую трубку эффективного радиуса Ref той же длины, что и об разец, в которой потери кинетической энергии, при том же перепаде давления равны реальным потерям.

Работа, производимая над газом за единицу времени разностью давлений, определяется вы ражением:

где Q = V/ t – расход газа, то есть объем газа V протекающего через образец за единицу времени

t, ρg – плотность газа, кг/м3.

Такую же по величине, но противоположную по знаку работу производят силы трения, так как при стационарном потоке кинетическая энергия потока остается неизменной.

Рассмотрим такие значения перепада давле ний, при которых число Рейнольдса значительно меньше критического, а значит, поток через труб ку радиуса Ref ламинарный и может быть описан

где η – вязкость газа, Па с.

С пористостью образца связан радиус r, поэто му вернемся к рассмотрению потока газа, проте кающего через эту трубку. Увеличим длину трубки тока радиуса r до некоторого значения L, при ко тором эта трубка станет аэродинамически подоб ной трубке радиуса Ref и длины l (рис. 2). Трубки тока радиусами r и Ref подобны, если они геомет рически подобны; через них протекает одна и та