Почвоведение, 2023, № 4, стр. 443-449

ВВЕДЕНИЕ

Внесение песка в пахотный горизонт торфяных почв с целью улучшения их водно-воздушного и теплового режима – известный агромелиоративный прием [5]. При смешанном песковании добавление песка в торф увеличивает температуропроводность получившейся смеси по сравнению с торфяным материалом, благодаря чему температурная волна лучше проникает в глубину почвенного профиля. Это позволяет избежать перегрева верхних слоев почвы и замедлить минерализацию органического вещества.

В песчаные почвы торф добавляют для оптимизации агрохимических показателей и улучшения водно-физических свойств почвы [9]. В результате торфования песчаных почв уменьшается контрастность их температурного режима и снижается опасность промерзания верхнего слоя при ночных заморозках. Торфо-песчаные смеси с преобладанием песка широко используются в городском озеленении, в том числе при строительстве дорожных откосов [13].

Долевые соотношения торфа и песка при песковании торфяных почв, при торфовании песчаных почв, а также при создании искусственных торфо-песчаных смесей могут варьировать в широком диапазоне значений. Например, при строительстве дорожных откосов обычно используется торфо-песчаная смесь в объемном соотношении 70–80% торфа и 20–30% песка [13]. Для плотности торфа около 0.2 г/см³ и плотности песка около 1.6 г/см³ это примерно соответствует соотношению по массе торфа и песка 1 : 3, т.е. массовая доля торфа в получившейся смеси составляет около 25%, песка – 75%.

При торфовании дерново-подзолистых песчаных и супесчаных почв оптимальный уровень плодородия достигается внесением слоя торфа мощностью 15 см и припашкой песка или рыхлой супеси на 10 см [8]. Для тех же значений плотности торфа и песка, что и в предыдущем примере, это примерно соответствует соотношению по массе торфа и песка 3 : 17, т.е. массовая доля торфа в перепаханном слое составляет около 15%, песка – 85%. Есть сходные данные о том, что при внесении торфа в песчаную почву нижняя оптимальная граница водопроницаемости (0.4–0.5 м/сут) соответствует 10–13% торфа по массе [6].

После смешанного пескования торфяных почв соотношение торф/песок совсем иное: массовая доля песка в пахотном горизонте составляет около 22% [4], соответственно на торф приходится около 78%.

Таким образом, при решении практических задач долевые соотношения торфа и песка в торфо-песчаных смесях могут быть самыми разными. Во многих научных публикациях рассматриваются свойства смесей лишь при определенном соотношении торф/песок [4, 6, 8, 9, 13]. Есть и работы, в которых приводятся результаты исследования торфо-песчаных смесей во всем спектре долевых соотношений торф/песок, от чистого торфа до чистого песка [14, 17–19]. В этих публикациях была выявлена нелинейность отклика свойств торфо-песчаных смесей на изменение долевого соотношения торф/песок. Оказалось, что кривые водоудерживания, зависимости температуропроводности от влажности и доступность кислорода растениям гораздо сильнее меняются с содержанием торфа в области малых значений этого показателя.

В связи с этим была сформулирована цель работы: получение, сопоставление и анализ зависимостей температуропроводности от влажности для образцов торфо-песчаных смесей при различных долевых соотношениях торфа и песка, в частности, при самых небольших содержаниях торфа.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Изучены зависимости температуропроводности от влажности для низинного обогащенного пакетированного торфа “Селигер-Агро” и просеянного карьерного песка, которые были использованы при создании модельных конструктоземов на территории МГУ им. М.В. Ломоносова в 2012 г. [11], а также их смесей.

Гранулометрический состав песка определяли пипет-методом с предварительной пирофосфатной диспергацией [12]; содержание органического углерода в торфе и песке – методом сухого сжигания в токе кислорода [7, 16].

Смеси песка с торфом готовили в различных пропорциях, с тем чтобы исследовать чувствительность температуропроводности смесей к содержанию торфа. Доли торфа в смесях (по сухой массе) составляли 1, 3, 5, 10, 20, 40, 60 и 80%. При этом варианты смесей с 5, 20, 40, 60 и 80% торфа были такими же, как в работах [17, 18]; дополнительные варианты смесей с содержанием торфа 1, 3 и 10% были добавлены с целью более подробного исследования изменений температуропроводности в области низких содержаний торфа, для которой Вальчак с соавт. [17] получили наиболее резкие изменения ОГХ. Полученными смесями с усилием набивали тонкостенные металлические цилиндры высотой 10 см и диаметром 3.8 см. Для каждого образца определяли его плотность термовесовым методом. Сформированные образцы насыщали водой путем капиллярного подпитывания, и затем постепенно подсушивали до воздушно-сухого состояния, измеряя температуропроводность при различных значениях влажности. После очередного подсушивания образец заворачивали в полиэтилен и оставляли не менее чем на 24 ч, с тем чтобы обеспечить равномерное распределение почвенной влаги в образце. После этого проводили очередное измерение температуропроводности.

Измерения температуропроводности проводили, используя метод регулярного режима [12, 15] с рабочим интервалом температур 20–26°С. Для каждого образца проводили серию измерений при пошаговом изменении влажности от максимальной после капиллярного насыщения до минимальной при воздушно-сухом состоянии. При проведении очередного измерения образец, предварительно выдержанный при комнатной температуре около 20°С, герметично закрывали и помещали в жидкостный циркуляционный термостат с температурой воды 26°С. Скорость прогревания образца измеряли с помощью дифференциальной медно-константановой термопары. Подробное описание методики проведения эксперимента и расчетов температуропроводности по данным о скорости прогревания образца приведено в работе [2].

Измерения зависимостей температуропроводности от влажности для песка и торфа проводили в трех повторностях; для торфо-песчаных смесей – в одной повторности для каждого из восьми вариантов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В табл. 1 и 2 представлены основные физические свойства исследованных образцов, которые влияют на температуропроводность. В песке преобладала фракция 0.05–0.25 мм; содержание физической глины (частиц с диаметром <0.01 мм) составляло 2%, что соответствует песку рыхлому по Н.А. Качинскому [12]. Для рыхлых песков характерна высокая температуропроводность, которая может превышать 1 × 10^–6 м²/с [1].

Плотность образцов менялась от 0.31 г/см³ для уплотненного торфа до 1.63 г/см³ для песка; содержание органического углерода в торфе составляло 38.5%, в песке – 0.2%. Таким образом, образцы песка и торфа резко отличались по этим показателям, каждый из которых влияет на температуропроводность почвы. В целом увеличению температуропроводности почвы способствует увеличение ее плотности и уменьшение содержания органического вещества. В нашем случае можно говорить о взаимном усилении действия этих двух факторов, которое привело к ярко выраженным различиям в температуропроводности песка и торфа (рис. 1). Низкая плотность торфа и высокое содержание органического вещества обеспечивали низкую температуропроводность торфяных образцов, и наоборот: высокая плотность в сочетании с низким содержанием органического вещества способствовали формированию высокой температуропроводности песчаных образцов.

Рис. 1.

Зависимости температуропроводности (κ) от влажности (θ) для песка и торфа. Разными символами обозначены три повторности.

Зависимости температуропроводности от влажности для песка и торфа существенно различались не только диапазоном значений, но и формой кривых. Температуропроводность песка достигала 9.6 × 10^–7 м²/с, температуропроводность уплотненного при набивке торфа не превышала 1.5 × 10^–7 м²/с во всем диапазоне влажности. Образцы песка демонстрировали резкий рост температуропроводности при малых значениях влажности, что характерно для песчаных почв с небольшим содержанием связанной влаги. В таких почвах даже небольшое количество влаги обладает значительной подвижностью и может участвовать в переносе тепла, внося свой вклад в увеличение температуропроводности [1]. Температуропроводность песка достигала максимума при влажности 0.13–0.15 см³/см³ и затем уменьшалась. Уменьшение температуропроводности в области высоких значений влажности обычно объясняют формированием водных пробок, препятствующих переносу тепла с движущейся влагой [1]. Температуропроводность торфа постепенно возрастала с влажностью во всем исследованном диапазоне. При влажности 0.15 см³/см³ температуропроводность песка была в 7.7 раза больше температуропроводности торфа; при влажности 0.20 см³/см³ – в 7 раз.

Полученные для песка и торфа зависимости температуропроводности от влажности практически не различались между тремя повторностями. Поэтому при дальнейшей работе с торфо-песчаными смесями измерения температуропроводности проводили в одной повторности, что позволило подробно исследовать отклик температуропроводности смесей на изменение содержания торфа (x_p) с достаточно мелким шагом по x_p.

Для смесей с содержанием торфа от 1 до 80% содержание органического углерода (С_орг) было рассчитано исходя из содержания органического углерода в торфе и песке и долевых соотношений торфа и песка в смеси. Рассчитанные значения С_орг возрастали вместе с содержанием торфа в смесях по линейному закону (табл. 2).

Иная закономерность наблюдалась для плотности: зависимость плотности образцов от содержания торфа имела выраженно нелинейный характер (рис. 2). В области низких значений x_p плотность торфо-песчаных смесей была высокой и быстро снижалась при увеличении содержания торфа. По сравнению с чистым песком (x_p = 0%) плотность смеси с содержанием торфа 5% была почти в 1.5 раза меньше; плотность смеси с содержанием торфа 20% – почти в 2 раза меньше. В области высоких значений x_p чувствительность плотности смеси к изменению долевых соотношений между компонентами смеси была намного меньше: при содержании песка 20% (соответствует x_p = 80%) плотность смеси была лишь в 1.2 раза больше плотности чистого торфа (x_p = 100%). Таким образом, была выявлена явная асимметрия: добавление 20% песка в торф увеличивало плотность лишь в 1.2 раза, а добавление 20% торфа в песок приводило к уменьшению плотности почти в 2 раза. В целом основные изменения плотности приходились на диапазон содержания торфа от 0 до 40%.

Рис. 2.

Нелинейный характер изменения плотности образцов торфо-песчаных смесей (ρ_b) от содержания торфа (x_p).

На этот же диапазон приходились и основные изменения температуропроводности (рис. 1 и 3). При увеличении x_p от 0 до 40% наблюдался постепенный переход от высоких значений температуропроводности, характерных для песка, к низким значениям температуропроводности, характерным для торфа. Для смесей с содержанием торфа 40, 60, 80 и 100% зависимости температуропроводности от влажности практически совпадали.

Рис. 3.

Зависимости температуропроводности (κ) от влажности (θ) для торфо-песчаных смесей с различным содержанием торфа (x_p).

Эти закономерности подтверждаются данными, приведенными на рис. 4. Температуропроводность и капиллярно-увлажненных образцов, и воздушно-сухих образцов уменьшалась с увеличением содержания торфа примерно по тому же закону, что и плотность. Основные изменения приходились на диапазон содержания торфа 0–40%. Добавление небольшого количества торфа в песок (левая часть рис. 4) сильно снижало температуропроводность смеси. При этом, наоборот, даже существенные добавления песка к торфу практически никак не влияли на температуропроводность, пока содержание торфа не снизится до 60%, что хорошо видно в правой части рис. 4.

Рис. 4.

Температуропроводность (κ) капиллярно-увлажненных (черные символы) и воздушно-сухих (белые символы) образцов при различном содержании торфа (x_p) в торфо-песчаных смесях.

Статистическая связь между плотностью и температуропроводностью исследованных смесей подтверждается значениями коэффициента корреляции Пирсона, который был рассчитан отдельно для капиллярно-увлажненных и для воздушно-сухих образцов. Для капиллярно-увлажненных смесей с различным содержанием торфа и песка коэффициент корреляции между плотностью и температуропроводностью оказался равным 0.99; для воздушно-сухих – 0.85. Таким образом, изменение температуропроводности торфо-песчаных смесей при изменении долевого содержания торфа и песка в смеси можно формально объяснить изменением плотности образцов.

Можно предположить, что помимо неравномерных изменений плотности образцов при постепенном переходе от песка к торфу есть еще одна причина формирования нелинейной зависимости температуропроводности торфо-песчаных смесей от содержания торфа. На наш взгляд, ключевую роль играет разница в размерах песчаных и торфяных частиц, а также разница в их плотности. Плотность торфяных частиц в 1.5–2 раза меньше, чем плотность зерен песка, поэтому одно и то же по массе количество торфа и песка будет отличаться по объему примерно в 1.5–2 раза. Общий объем добавленного торфа будет больше, чем объем песка той же массы. Кроме того, в использованных торфе и песке торфяные частицы существенно меньше песчаных зерен [10]. Оба эти фактора приводят к тому, что при добавлении 1% торфа в песок получается значительное количество торфяных частиц, распределенных в песчаной толще (рис. 5а). При этом транспортные свойства полученной смеси по отношению к потоку тепла оказываются существенно отличными от свойств песка. В случае добавления 1% песка в торф картина иная: по торфяной толще разбросаны единичные крупные зерна песка (рис. 5b), которые не меняют транспортных свойств основной толщи. Поэтому температуропроводность торфо-песчаных смесей с небольшим содержанием песка практически не отличается от температуропроводности торфа.

Рис. 5.

Схема расположения торфяных частиц в песке (a) и песчаных зерен в торфе (b) при весовом содержании добавки 1%.

Увеличение содержания зерен песка в толще торфа почти не влияет на температуропроводность в широком диапазоне значений x_p, вплоть до x_p = 40%. Вблизи этого значения наблюдается порог, после которого дальнейшее добавление песка и соответствующее уменьшение долевого содержания торфа приводят к заметному возрастанию температуропроводности. Можно предположить, что при увеличении содержания песка до 30–40% в торфяной толще начинают формироваться непрерывные минеральные цепочки, которые могут служить путями быстрого переноса тепла. Добавление большего количества песка приводит к росту сети таких цепочек, и, по-видимому, начиная с 60% весового содержания песка (x_p = 40%) формируется субстрат, температуропроводность которого быстро растет по мере уменьшения количества и толщины торфяных теплоизолирующих прослоек между минеральными зернами.

Сходный эффект малого влияния небольших добавок песка в торфяный материал на свойства полученной смеси отмечался в работах [17, 18]. Исследования кривой водоудерживания и доступности кислорода корням растений продемонстрировали, что оба эти показателя зависят от долевого содержания торфа и песка нелинейным образом. Как и в наших экспериментах, порог наблюдался при весовом соотношении песка к торфу около 6 : 40. При содержании торфа менее 40% кривые водоудерживания и доступность кислорода корням растений существенно менялись в зависимости от долей торфа и песка в смеси. Наоборот, в диапазоне содержаний торфа 40–100% изменения были минимальны. Возможно, эти эффекты тоже имеют отношение к наличию либо отсутствию сети сплошных песчаных цепочек в торфяном материале и соответствующим изменениям структуры порового пространства.

Насколько значимы полученные расхождения в температуропроводности торфо-песчаных смесей для температурного режима почв или почвенных конструкций? Можно предположить, что расхождения в температурном режиме конструкций с разным долевым содержанием торфа и песка могут быть весьма существенными. Для того, чтобы получить количественную оценку таких потенциальных расхождений, можно использовать первый закон Фурье для температурных волн в почвах. Этот закон утверждает, что глубина затухания суточной температурной волны в почве пропорциональна квадратному корню из температуропроводности приповерхностного горизонта [12]. Это значит, что при одинаковой суточной амплитуде колебаний температуры на поверхности торфо-песчаного горизонта глубина, на которой эта амплитуда уменьшится в 2.71 раза, будет разной для смесей с разным долевым содержанием торфа и песка и, соответственно, разной температуропроводностью. Например, при влажности 0.18 см³/см³ температуропроводность смесей с долевым содержанием торфа 5, 10 и 20% составляет 4.92, 3.34 и 1.53 × 10^–7 м²/с. С помощью первого закона Фурье легко подсчитать, что глубины затухания температурной волны в таких смесях соотносятся примерно как 22 : 18 : 12. Так же будут соотноситься глубины проникновения нулевой изотермы при заморозках.

Влияние расхождений в температуропроводности почвенных горизонтов на температурный режим пахотных почв подробно обсуждается в работе [3]. Полевые исследования латерального распределения температуры в комплексном почвенном покрове показали, что даже небольшие расхождения в температуропроводности подпахотных горизонтов сопряженных почв приводят к существенным различиям в температурном режиме разных участков почвенного комплекса, в том числе в глубине зимнего промерзания. Это значит, что при внесении разных доз торфа в песчаные почвы можно получать различные температурные режимы даже на соседних участках с одинаковыми условиями на поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Температуропроводность песка в несколько раз выше температуропроводности торфа. При смешивании в различных долевых соотношениях столь различных по своим свойствам субстратов возникают нелинейные эффекты: чувствительность температуропроводности песка к добавлению торфа выше, чем чувствительность торфа к добавлению песка. Небольшое количество песка, добавленное в торфяный субстрат, практически не увеличивает его способность прогреваться. При этом то же количество по весу торфа, будучи добавленным в песок, существенно снижает температуропроводность исходного субстрата.

Для получения значимого увеличения температуропроводности торфяного субстрата необходимо внести в него не менее 60% песка. Поэтому при смешанном песковании торфяных почв следует иметь в виду, что для изменения их температурного режима количество песка в смешанном слое должно быть более 60% по весу; при долевом содержании песка ниже 60% способность почв прогреваться остается неизменной и от содержания песка в смеси практически не зависит. Наоборот, внесение даже небольших добавок торфа в песок может приводить к существенному снижению температуропроводности смеси. Поэтому при внесении торфа в песчаную почву следует учитывать возможные изменения температурного режима, которые будут различными при разном количестве внесенного торфа.