Материал: 1010-pochvovedenie-2013-7
836 |
ЗОЛОТАРЕВСКАЯ |
Таблица 2. Характеристики реологических свойств почвы и ее остаточная осадка при различных угловых скоростях деформирования (в случае деформирования задним колесом трактора МТЗ 82)
Показа |
|
Угловая скорость ω, с–1 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
тель |
1.008 |
1.721 |
1.991 |
2.561 |
3.247 |
3.539 |
|
||||||
g |
6.111 |
5.807 |
5.694 |
5.453 |
5.162 |
5.039 |
gн |
3.639 |
4.222 |
4.315 |
4.486 |
4.406 |
4.417 |
gк |
3.115 |
4.057 |
4.183 |
4.397 |
4.342 |
4.360 |
q, кПа |
2783 |
4283 |
4852 |
6049 |
7494 |
8105 |
qн, кПа |
4293 |
5596 |
5994 |
6846 |
8120 |
8821 |
qк, кПа |
5263 |
5733 |
6103 |
6223 |
8172 |
8664 |
ho2, см |
7.43 |
4.74 |
4.12 |
2.88 |
2.25 |
1.85 |
∑hос2, см |
9.04 |
5.25 |
4.52 |
3.15 |
2.44 |
2.01 |
Примечание. g и q – значения характеристик вязкоупругих свойств почвы в начале ее деформирования при y = 0, gн и qн –
после прохода заднего колеса трактора при yн2 = 0 (без учета влияния колебаний), gк и qк – после прохода заднего колеса
трактора при yк2 = 0 (с учетом влияния колебаний).
Таблица 3. Матрица планирования эксперимента для исследования влияния G, v и w на реологические свой ства и показатели уплотнения почвы
№ опыта |
|
|
|
2 (v) , м/с |
|
3(w) , % |
x1(G ) , кН |
x |
x |
||||
1 |
8 |
0.6 |
19 |
|||
2 |
18 |
0.6 |
9 |
|||
3 |
8 |
3 |
9 |
|||
4 |
18 |
3 |
19 |
|||
5 |
8 |
0.6 |
9 |
|||
6 |
18 |
0.6 |
19 |
|||
7 |
8 |
3 |
19 |
|||
8 |
18 |
3 |
9 |
|||
ных угловых скоростях деформирования приве дены в табл. 2.
П о л н ы е ф а к т о р н ы е э к с п е р и м е н т ы п о и с с л е д о в а н и ю в л и я н и я н а р е о л о г и ч е с к и е с в о й с т в а и у п л о т н е н и е п о ч в ы в е р т и к а л ь н ы х д и н а м и ч е с к и х н а г р у з о к , с к о р о с т и д е ф о р м и р о в а н и я и в л а ж н о с т и п о ч в ы. Ис следовали влияние вертикальных динамических нагрузок G на почву, скорости v деформирующего почву трактора, влажности w почвы на изменение реологических свойств и плотности почвы. В этом исследовании учитывали колебания дина мических нагрузок на почву при колебаниях трактора. По разработанным нами компьютер ным программам выполнили ряд расчетов, пред ставляющих собой опыты в двух сериях (для пе
реднего и для заднего колеса трактора) полных факторных компьютерных экспериментов типа N = 23, где N – число опытов в серии, 3 – число влияющих факторов, 2 – число уровней варьиро вания факторов [1]. Для каждого фактора были выбраны основной уровень и по два равно от него отстоящих – нижний и верхний, которые соот ветственно равны: для G = 8 и 18 кН, для v = 0.6 и 3 м/с, для w = 9 и 19% (для заднего колеса с шиной 13.6–38 с давлением воздуха в шине pw2 = 0.17 МПа). Введены обозначения: x1= G, x2 = v, x3 = w. Мат рица планирования эксперимента представлена в табл. 3.
Для каждого опыта, используя данные из табл. 3 (для заднего колеса) по компьютерной программе Tyre нашли те же показатели, что и в описанных
выше однофакторных опытах: hoj , h1 j , E oj , Eобj , Δρ j (0.05), ρj(0.05) (без учета влияния колебаний). Далее вычислили искомые показатели с учетом влияния дополнительной остаточной осадки поч вы, возникающей в результате колебаний тракто ра: ∑hосj , Δρкj (0.05), ρкj (0.05). Результаты расче
тов использовали для получения уравнений ре грессии исследуемых показателей от G, v, w.
Уравнения регрессии отыскивали в следую щем виде:
y = b0 + b1x1 + b2 x2 + b3 x3 + (10) + b4 x1x2 + b5 x1x3 + b6 x2 x3,
где y – значение результативного фактора, b0–b6 – постоянные коэффициенты.
Получили выраженные в натуральных значе ниях переменных следующие уравнения регрес сии:
ho2 = 0.629 + 0.428x1 − 3.200x2 + 0.389x3; (11)
∑ hос2 = 3.536 + 0.409x1 − 4 . 1 4 8x 2 + 0 . 4 1 2 x3; (12)
ρк2 (0.05) = 1.175 + 0.015x1 + 0.048x2 + (13) + 0.020x3 − 0.006x1 x2 − 0.008x2 x3;
Δρк2 (0.05) = 0.0347 + 0.0041x1 − (14) − 0.0115x2 + 0. 0067x3 − 0.0022x2 x3;
E об2 |
= 0.2389 − 0. 0067 |
|
|
|
x1 |
+ |
|||
|
|
|
|
(15) |
+0.1101x2 − 0.0090x3 − 0.0016x1 x2
идругие. Коэффициенты множественной корре ляции в найденных уравнениях регрессии не меньше 0.8644, что свидетельствует о большой точности результатов расчетов по этим уравнени ям. В уравнениях (11)–(15) отсутствуют некото рые слагаемые, входящие в (10): расчеты, выпол ненные по методике из работы [1], показали, что коэффициенты при этих слагаемых незначимы.
На рис. 4, I представлена соответствующая уравнению регрессии (14) поверхность, характе
ПОЧВОВЕДЕНИЕ № 7 2013
|
ИЗМЕНЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ПЛОТНОСТИ |
837 |
|
|
I |
I |
|
Δρ |
(0.05), г/см3 |
|
|
к2 |
|
Eоб |
|
0.4 |
|
|
|
0.5
0.3
0.4
0.2
0.3
0.1
0.2
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
0.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
10 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
G, кН |
14 |
|
|
|
|
|
3.0 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
||||
16 |
|
|
|
2.0 |
2.5 |
|
12 |
|
|
|
||||
|
|
|
1.5 |
|
G, кН |
|
|
|
||||||
|
18 |
|
0.5 1.0 |
|
|
|
|
|
2 |
|||||
|
0 |
|
|
|
14 |
|
|
|
||||||
|
|
v |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
, м/с |
|
|
|
|
|
1 |
v, м/с |
|||
|
|
|
II |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16 |
0 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Δρ (0.05), г/см3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
II |
|
||||
|
к2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.40 |
|
|
|
|
|
|
Eоб |
|
|
|
|
|
||
0.35 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
0.4 |
|
|
|
|
|
|||
0.30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
0.25 |
|
|
|
|
|
|
0.3 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0.20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0.15 |
|
|
|
|
|
|
0.2 |
|
|
|
|
|
||
0.10 |
|
|
|
|
|
|
0.1 |
|
|
|
|
|
||
0.05 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
20 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
||
|
|
15 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
2 |
10 |
|
|
|
|
3 |
|||
|
w, % |
10 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
2 |
|||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
v, м/с |
|
w, % |
14 |
|
1 |
v, м/с |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
16 |
||||||
Рис. 4. Зависимости приращения плотности почвы в |
|
|
|
0 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
слое 0–0.1 м при проходе заднего колеса трактора |
Рис. 5. Зависимости доли обратимой деформации |
|||||||||||||
МТЗ 82 от: I – скорости трактора и вертикальной дина |
||||||||||||||
мической нагрузки на почву (при w = 14%); II – скоро |
почвы в ее полной деформации при проходе заднего |
|||||||||||||
сти трактора и влажности почвы (при G = 13 кН). |
|
колеса трактора МТЗ 82 от: I – скорости трактора и |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
вертикальной динамической нагрузки на почву (при |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
w = 14%); II – скорости трактора и влажности почвы |
||||||
ризующая зависимость приращения Δρк2 (0.05) |
(при G = 13 кН). |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
плотности почвы в слое 0–0.1 м от G и v (при w = |
|
|
|
|
|
|
||||||||
= 14%). Поверхность, отражающая зависимость |
представлена на рис. 5, II. Из рис. 5 видно, что Eоб |
|||||||||||||
Δρк2(0.05) от w и v (при G = 13 кН) представлена |
при увеличении G и w убывает; возрастание ско |
|||||||||||||
на рис. 4, II. Из рис. 4 видно, что Δρк2 (0.05) при |
рости v способствует значительному повышению |
|||||||||||||
увеличении G и w возрастает, а увеличение скоро |
доли обратимой деформации в полной деформа |
|||||||||||||
сти v приводит к значительному снижению при |
ции почвы. |
|
|
|
|
|||||||||
ращения плотности почвы. |
|
|
|
|
Доля обратимой деформации Eоб в полной де |
|||||||||
На рис. 5, I дана построенная с использовани |
формации почвы является важной характеристи |
|||||||||||||
кой реологических свойств почвы. Величина 0 ≤ |
||||||||||||||
ем уравнения регрессии (15) поверхность, отра |
||||||||||||||
≤ E ≤ 1. |
|
|
|
|
|
|||||||||
жающая зависимости Eоб = Eоб2 – доли обратимой |
об |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
деформации почвы в ее полной деформации от G |
Если Eоб приближается к нулю, то свойства |
|||||||||||||
и v (при w = 14%). Поверхность, характеризую |
почвы приближаются к текучим. Если Eоб при |
|||||||||||||
щая зависимость Eоб от w и v (при G = 13 кН) |
ближается к единице, то свойства почвы прибли |
|||||||||||||
ПОЧВОВЕДЕНИЕ № 7 2013
838 |
ЗОЛОТАРЕВСКАЯ |
жаются к упругим. При этом изменяются харак теристики g и q ее вязкоупругих свойств. При Eоб → 0 характеристика q убывает, причем q → 0, а характеристика g возрастает. При Eоб → 1 характе ристика g убывает, причем g → 0, а характеристи ка q возрастает, причем q → E, где E – модуль упругости почвы.
Таким образом, с увеличением скорости де формирования (обусловленной ростом скорости v трактора) почва уплотняется быстрее и становит ся практически упругой за более короткое время. Колебания работающего трактора способствуют ускорению этого процесса.
Полученные результаты подтверждают необ ходимость учета в расчетах показателей уплотне ния почвы ее реологических свойств и изменения этих свойств при колебаниях действующих на почву динамических нагрузок.
зок на почву приводит к возрастанию плотности почвы.
6. В результате компьютерных трехфакторных экспериментов показано, что доля обратимой де формации Eоб в полной деформации почвы воз растает, если
–уменьшаются влажность w почвы и верти кальная динамическая нагрузка G на почву (при постоянной скорости деформирования почвы);
–увеличивается скорость деформирования почвы и уменьшается влажность w почвы (при постоянной вертикальной динамической нагруз ке G на почву).
Величина 0 ≤ Eоб ≤ 1. Если Eоб приближается к нулю, то свойства почвы приближаются к теку чим. Если Eоб приближается к единице, то свой ства почвы приближаются к упругим.
ВЫВОДЫ
1.Выполнено математическое моделирование процесса воздействия на почву динамических на грузок при вертикальных колебаниях работающе го на уплотняющейся почве колесного трактора.
2.Предложен метод расчета дополнительной полной и остаточной осадки почвы в результате действия на почву динамических нагрузок, воз никающих при вертикальных колебаниях осей работающего на уплотняющейся почве колесного трактора.
3.Предложен метод расчета показателей рео логических свойств и уплотнения почвы при ра боте трактора, позволяющий учитывать влияние колебаний динамических нагрузок на почву. Раз работаны позволяющие реализовать этот метод компьютерные программы. Результаты расчетов предложенным методом достаточно хорошо со гласуются с экспериментальными данными.
4.В результате компьютерных однофакторных
иполных трехфакторных экспериментов показа но, что уплотнение почвы при проходе трактора и его колебаниях уменьшается, если:
–увеличивается скорость деформирования почвы, обусловленная возрастанием скорости трактора;
–уменьшаются вертикальные динамические нагрузки на почву, обусловленные снижением вертикальных динамических нагрузок на оси трактора.
5. В результате компьютерных трехфакторных экспериментов показано, что увеличение влаж ности w почвы (при w, меньшей полной влагоем кости почвы), совместно с увеличением скорости ее деформирования работающим трактором и увеличением вертикальных динамических нагру
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Пла нирование эксперимента при поиске оптималь ных условий. М.: Наука, 1976. 280 с.
2.Барский И.Б. Конструирование и расчет тракто ров. М.: Машиностроение, 1980. 336 с.
3.Бондарев А.Г. Проблема деградации физических свойств почв России и пути ее решения // Почво ведение. 1999. № 9. С. 1106–1116.
4.Гаранин И.В. Оценка влияния эксплуатационных факторов на эффективность возделывания карто феля. Автореф. дис. … канд. техн. н. М.: РГАЗУ, 2009. 19 с.
5.Грунтоведение / Под ред. Е.М. Сергеева. М.: Изд во Моск. ун та, 1983. 390 с.
6.Денисов Н.Я. О природе деформаций глинистых пород. М.: Изд во министерства речного флота, 1951. 159 с.
7.Золотаревская Д.И. Закономерности деформиро вания почв и их математическое моделирование // Почвоведение. 1998. № 1. С. 110–120.
8.Золотаревская Д.И. Закономерности динамиче ского деформирования почв при циклических нагрузках // Почвоведение. 2005. № 5. С. 565–574.
9.Золотаревская Д.И. Изменение реологических свойств и плотности дерново подзолистой почвы при динамических нагрузках // Почвоведение. 2010. № 3. С. 313–323.
10.Золотаревская Д.И. Математическое моделирова ние динамики деформирования и уплотнения почв // Почвоведение. 2007. № 1. С. 44–54.
11.Золотаревская Д.И. Математическое моделирова ние и расчет уплотнения почвы в результате дина мических нагрузок // Почвоведение. 2010. № 3. С. 447–456.
12.Золотаревская Д.И. Математическое моделирова ние колебаний колесного трактора // Тракторы и сельхозмашины. 2011. № 7. С. 14–18.
ПОЧВОВЕДЕНИЕ № 7 2013
ИЗМЕНЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ПЛОТНОСТИ |
839 |
13.Золотаревская Д.И. Математическое моделирова ние релаксационных процессов в почвах // Почво ведение. 2003. № 4. С. 429–440.
14.Золотаревская Д.И. Основы теории и методы рас чета уплотняющего воздействия на почву колес ных движителей мобильной сельскохозяйственной техники. Автореф. дис. … д ра техн. н. М.: ВИСХОМ, 1997. 49 с.
15.Золотаревская Д.И. Уплотнение вязкоупругой почвы цилиндрическим катком // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2005. № 10.
С.31–35.
16.Золотаревская Д.И., Бурдыкин В.И., Матвеев В.В. и др. Изменение вязкоупругих свойств почвы при воздействии колесного трактора // Изв. ТСХА. 1989. Вып. 1. С. 175–183.
17.Золотаревская Д.И., Джафаринаими К., Лядин В.П. и др. Изменение реологических свойств и уплотне ние почвы при воздействии колесного трактора // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2007. № 5. С. 34–37.
18.Золотаревская Д.И., Иванцова Н.Н. Математиче ское моделирование и расчет уплотняющего воз действия на почву колесного трактора // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2008. № 7.
С.36–40.
19.Золотаревская Д.И., Иванцова Н.Н., Лядин В.П.
Математическое моделирование деформирования почв при качении колес // Тракторы и сельскохо зяйственные машины. 2008. № 5. С. 28–33.
20.Золотаревская Д.И., Хабатов Р.Ш., Матвеев В.В., Трушин В.Г., Лядин В.П. Закономерности дефор мирования тракторных колес с пневматическими шинами // Изв. ТСХА. 1987. Вып. 3. С. 173–180.
21.Кингсеп А.С., Локшин Г.Р., Ольхов О.А. Основы фи зики. М.: Физматлит, 2007. Т. 1. 704 с.
22.Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходо вая система–почва–урожай. М.: Агропромиздат, 1985. 304 с.
23.Кузнецова И.В. Устойчивость структурного состоя ния и сложения почв при уплотнении // Почвове дение. 2000. № 9. С. 1106–1113.
24.Маслов В.С., Климанов А.В. Уплотняющее воздей ствие ходовых систем на почвы Среднего Повол жья. Куйбышев: Куйбышевский СХИ, 1989. 62 с.
25.Переуплотнение пахотных почв. Причины, след ствия, пути уменьшения / Под ред. В.А. Ковды. М.: Наука, 1987. 216 с.
26.Скотников В.А., Мащенский А.А. Основы теории и расчета трактора и автомобиля. М.: Агропромиз дат, 1986. 383 с.
27.Тракторы: теория / Под ред. В.В. Гуськова. М.: Ма шиностроение, 1988. 376 с.
28.House M.L., Powers W.L., Eisenhauer D.E. Spatial analysis of machine wheel trafflc effects on soil physi cal properties // J. Soil Sc. Soc. America. 2001. V. 65. № 5. P. 76–84.
29.Thomas K. Soil compaction and soil tillage – studies in agricultural soil mechanics // Doctoral thesis, Depart ment of soil sciences. Uppsala, Sweden. 2004.
ПОЧВОВЕДЕНИЕ № 7 2013
ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2013, № 7, с. 840–849
БИОЛОГИЯ
ПОЧВ
УДК 631.46:631.48:930.26
ХАРАКТЕРИСТИКА МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ СОВРЕМЕННЫХ И ПОДКУРГАННЫХ ПОЧВ СОЛОНЦОВЫХ КОМПЛЕКСОВ СУХИХ СТЕПЕЙ НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ*
© 2013 г. Т. С. Демкина, И. В. Попова, В. А. Демкин
Институт физико химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино Московской обл., ул. Институтская, 2
е mail: demkina@issp.serpukhov.su
Поступила в редакцию 07.03.2012 г.
Проведено сравнительное изучение микробных сообществ современных и подкурганных (I в. н. э.) почв солонцовых комплексов сухих степей севера Ергенинской возвышенности. Установлено, что закономерности изменения численности микроорганизмов различных трофических групп и био& массы грибного мицелия по профилю современных и подкурганных каштановых почв разной сте& пени солонцеватости и солонцов не имеют существенных отличий. На основе дисперсионного ана& лиза дана количественная оценка влияния солонцового процесса на пространственные изменения микробиологических параметров почв. Как правило, во всех изученных горизонтах современной и подкурганной каштановых почв величины микробиологических параметров были в 1.2–2.8 раза больше, чем в солонцах. Влияние степени солонцеватости подкурганных палеопочв на величины микробиологических параметров проявилось во всем профиле, но в каждом горизонте достоверно только на численность какой&то одной трофической группы. При сравнении изученных почв в це& лом (по средневзвешенным величинам в гор. А1 + В1 + В2) прослеживается обратная зависимость между численностью микроорганизмов, использующих легкодоступное органическое вещество и степенью солонцеватости подкурганных палеопочв. Наибольшая биомасса грибного мицелия об& наружена в каштановой солонцеватой палеопочве (в 1.5–1.6 раза) по сравнению с другими палео& почвами, которые между собой достоверно не различались.
Ключевые слова: каштановые почвы, солонцы, численность микроорганизмов, трофические груп& пы, биомасса грибного мицелия.
DOI: 10.7868/S0032180X13070034
ВВЕДЕНИЕ
Проведенные в последние годы исследования подкурганных палеопочв степной зоны показали, что в них сохраняются микробные сообщества, которые содержат информацию о палеоэкологи& ческих условиях прошлых исторических эпох [7– 9, 13, 23]. Выявлены микробиологические пара& метры, дающие контрастную характеристику микробного сообщества в аридные и гумидные климатические эпохи [12]. Однако для установле& ния достоверных временных изменений микро& биологических параметров необходимо учиты& вать их пространственное варьирование. Ранее было показано влияние элементов рельефа (вер& шины водораздела, склона водораздела, высокой речной поймы) на пространственное варьирова& ние различных микробиологических параметров
*Исследования проводились при поддержке РФФИ (грант № 12&04&00385) и Программы фундаментальных исследо& ваний Президиума РАН.
[11]. Известно, что почвы, составляющие кашта& ново&солонцовые комплексы юга европейской территории России, существенно различаются между собой по многим параметрам биологиче& ского состояния [3, 17], хотя связь их с микроре& льефом далеко не всегда однозначна [20].
Целью данной работы было сравнительное изучение микробных сообществ современных и подкурганных почв солонцовых комплексов су& хих степей Нижнего Поволжья для установления закономерностей пространственного варьирова& ния различных микробиологических параметров.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Район исследований расположен в пределах Волго&Донского междуречья (рис. 1). Климат умеренно континентальный. Среднегодовая нор& ма атмосферных осадков 350 мм, среднегодовая температура +8°С, гидротермический коэффи&
840