ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ПОЧВ ГУМИДНЫХ ЛАНДШАФТОВ

Коэффициент фильтрации — важнейшая интегральная характеристика физических свойств почв. Его значения используют почти во всех расчетах основных параметров мелиоративных систем.

Абсолютные значения Кф почв гумидных ландшафтов определяют ге­незис и гранулометрический состав почвообразующих пород, генетический тип почв, степень их заболоченности.

Широко распространено представление о том, что оглеение всегда вы­зывает уменьшение водопроницаемости почв. Но глееобразование в мине­ральных почвах протекает не как изолированный процесс, а в сочетании с другими, часто противоположными по своей направленности процессами почвообразования. Поэтому в почвах разного генезиса и гранулометриче­ского состава, а также в отдельных горизонтах профиля действие оглеения на фильтрацию различно. Рассмотрим этот вопрос, предпослав ему несколь­ко частных методических замечаний.

Методика исследования водопроницаемости минеральных гидроморф­ных почв зависит от причин заболачивания, степени обводненности и со­става почв. При исследовании вертикальной водопроницаемости оглеенных суглинистых и глинистых почв, заболоченных поверхностными водами, был применен метод Н.А. Качинского (1936), основанный на учете скорости ин­фильтрации воды в условиях глубокого залегания или отсутствия верховодки

14*

(грунтовых вод) в почвенном профиле. На легких почвах грунтового забола­чивания, а также на обводненных структурных, хорошо водопроницаемых суглинистых и глинистых почвах коэффициент фильтрации определяли по восстановлению уровня воды в скважине после однократной откачки воды.

Низкая пористость тяжелых подзолистых почв служит причиной того, что абсолютные значения их водопроницаемости, во-первых, невелики и, во-вторых, близки для неоглеенных и оглеенных разновидностей. Напри­мер, водопроницаемость, определенная методом инфильтрации в условиях длительного опыта (8 ч), в неоглеенных, глубокооглеенных и глееватых по­чвах Рузского стационара колеблется от 0,08 до 0,12 м/сут в пахотном гори­зонте и от 0,05 до 0,005 м/сут в иллювиальном.

Незначительные и близкие между собой значения были зафиксированы также и при определении боковой фильтрации этих почв в слое 40—90 см методом восстановления уровня воды в скважине (0,05—0,08 м/сут).

Полевые наблюдения позволяют утверждать, что в иллювиальных гори­зонтах подзолистых почв миграция влаги происходит преимущественно по вертикальным трещинам. Что касается боковой миграции гравитационной влаги в этих горизонтах, то, по данным В.А. Рутковской (1953), использо­вавшей метку флюоресцеина, она практически отсутствовала. В связи с тем что оглеение заметно не изменяет водопроницаемости тяжелых гидроморф­ных подзолистых почв по сравнению с неоглеенными видами этого типа, очевидно, что ее абсолютные значения тем меньше, чем ниже фильтрация почвообразующей породы.

Водопроницаемость суглинистых подзолистых и дерново-глеевых почв была изучена на примере четырех почвенных разновидностей, образующих по степени оглеения ряд, аналогичный почвам Рузского стационара. Фрак­ционный и гранулометрический состав материнской породы этих разновид­ностей был тождествен. При исследовании их водопроницаемости были ус­тановлены определенная стабильность скорости фильтрации верхнего горизонта почвы, относительная стабильность ее значений в глубоких слоях профиля и значительные колебания водопроницаемости иллювиальных го­ризонтов (табл. 4.6). Обращает внимание то, что низкая фильтрация, свой- Таблица 4.6

Коэффициент фильтрации влаги в легкосуглинистых подзолистых почвах различной степени оглеения*. Северо-запад Московской области.

* Замеры выполнены при отсутствии верховодки в профиле всех почв до глуби­ны 3 м.

стаєнная этому слою в неоглеенных и глубокооглеенных почвах (0,15-0,08 м/ сут), в глееватых и глеевых видах резко возрастает (в 2—4 раза) и оказывается равной или близкой водопроницаемости материнской породы.

Основная причина снижения коэффициента фильтрации иллювиальных горизонтов неоглеенных и глубокооглеенных почв связана с тем, что здесь имеет место интенсивный кольматаж. Интенсивное заболачивание легкосуг­линистых подзолистых почв резко ослабляет процесс формирования уплот­ненного иллювиального горизонта, уменьшает или исключает развитие лес- сиважа.

Фильтрация в глееватой почве по всему профилю, а в глеевой на глуби­нах 30-40 и 90—100 см, т.е. в зоне активного действия дрен, в 1,5-2 раза выше фильтрации в неоглеенной почве.

Оглеение, таким образом, ослабляет или исключает условия возникнове­ния плотных иллювиальных горизонтов в легко- и среднесуглинистых огле­енных почвах на лессовидных породах.

Вместе с тем водопроницаемость существенно изменяется и под влия­нием биологических факторов. Установлено, что при обильном развитии на поверхности дерново-глеевых почв полевого хвоща в профиле возникает система устойчивых к заиливанию канальцев. В результате коэффициент фильтрации иллювиального горизонта на залежи, заросшей хвощом, был в два раза выше, чем на пашне (соответственно 0,6 и 0,3 м/сут).

Водопроницаемость легких гидроморфных дерново-подзолистых почв была изучена на примере супесчаных оглеенных почв Мещеры. Необходимо прежде всего обратить внимание на три особенности вертикальной фильтра­ции, которые, по-видимому, являются общими для всех почв этой группы.

Несмотря на легкий механический состав, водопроницаемость этих почв с поверхности невелика (0,3-0,8 м/сут), причем в этом случае можно про­следить падение Кф с возрастанием степени их заболоченности.

В более глубоких горизонтах профиля водопроницаемость значительно увеличивается.

Однако в супесчаных почвах при длительной пахоте может возникать водоупорная плужная подошва, которая резко (в нашем случае в 10 раз) сни­жает водопроницаемость.

Наконец, определенное влияние на фильтрационные свойства профиля почв оказывает плотный ожелезненный ортзандовый горизонт. Коэффици­ент фильтрации этого слоя, несмотря на высокую плотность и значительную мощность, в исследованном случае составил 1,78 м/сут. В толще почвы ниже поверхностного горизонта А_пах минимальная фильтрация была свойственна именно этим слоям профиля. В примыкающем к ортзанду горизонте оглеен­ного песка фильтрация оказалась выше почти в четыре раза — 7,4 м/сут.

Таким образом, очевидно значение ортзанда как относительного водо­упора.

Таблица 4.7

Боковая фильтрация песчаных горизонтов дерново-подзолистых глеевых почв. Мещерский стационар, Московская область. Метод — восстановление уровня воды в скважине, расчет по формуле Эркина

Полученные материалы показывают, что и в этих условиях ортзандовый песчаный горизонт обладает значительно меньшим Кф, чем глеевый. При этом абсолютные значения вертикальной и боковой фильтрации песчаных горизонтов оказались весьма близки.

Водопроницаемость тяжелых пойменных почв наиболее полно была изу­чена на территории Раменского стационара. Несмотря на глинистый состав, этим почвам свойственны значительно более высокие абсолютные значения водопроницаемости, чем тяжелосуглинистым подзолистым почвам водораз­делов. Кроме того, в этом случае более отчетливо прослеживается влияние оглеения на водопроницаемость горизонтов почвенного профиля. Основная причина уменьшения водопроницаемости в ряду исследованных почв обус­ловлена увеличением объема связанной влаги и происходящей при этом заку­поркой пор. Поэтому при усилении степени оглеения в пойменных почвах в отличие от подзолистых резко уменьшается водопроницаемость поверх­ностных горизонтов (рис.

Обращает внимание, что только в сильнооглеенных пойменных почвах водопроницаемость горизонта А (0,16 м/сут) приближается к водопроницае­мости неоглеенных и оглеенных дерново-подзолистых почв Рузского стаци­онара более легкого гранулометрического состава (легкие глины — тяжелые суглинки).

Таким образом, высокая агрегированность пойменных почв всегда соче­тается с относительно высокой вертикальной водопроницаемостью на на­чальных этапах заболачивания (глубокооглеенные и глееватые виды дерно­вых зернистых почв). Водопроницаемость этих тяжелых почв с поверхности столь значительна, что ее абсолютные величины сопоставимы с фильтраци­ей супесчаных почв Мещеры.

Особенность пойменных структурных почв состоит и в том, что нижние слои неоглеенных разновидностей в отличие от тяжелых подзолистых почв обладают относительно высокой вертикальной водопроницаемостью. Так, на глубине 40 и 90 см от дневной поверхности инфильтрация глинистых

Рис. 4.3. Водопроницаемость (с поверхности) тяжелых поймен­ных и водораздельных почв разной степени заболоченности:

/— дерновые зернистые (пойменные) почвы; II — дерново-подзолистые (водораздельные) почвы: 1 — Кф, м/сут; 2 — скорость впитывания за первый час

слоев дерновых зернистых почв равна соответственно 0,43 и 0,60 м/сут, тог­да как на этих глубинах в подзолистых почвах более легкого механического состава ее значения не превышали 0,01—0,005 м/сут.

Следует подчеркнуть, что пойменные оглеенные почвы в отличие от пес­чаных, суглинистых и глинистых почв водоразделов лесной зоны обладают резко выраженной анизотропностью, которая проявляется в том, что отно­сительно невысокая вертикальная фильтрация влаги в поверхностных слоях оглеенных почв сочетается с высокой боковой (табл. 4.8)

В глееватых и глеевых почвах методом инфильтрации с поверхности были получены значения коэффициента фильтрации, равные соответственно 0,30 и 0,16 м/сут, т.е. боковая фильтрация в метровой толще превышала верти­кальную в 3—5 раз.

Приведенные данные позволяют признать, что боковая фильтрация рас­сматриваемых почв, так же как и инфильтрация с поверхности, значительно уменьшается при интенсивном оглеении (1,85—1,66 м/сут в глееватых и 0,68— 0,45 м/сут в глеевых почвах), хотя ее абсолютные значения и остаются более высокими, чем значения вертикальной фильтрации.

В сильнооглеенных глубоких горизонтах почвенного профиля (глубина 85—140 см) боковая фильтрация снижается до 0,25 м/сут. Таким образом,

Таблица 4.8

Коэффициент боковой фильтрации (м/сутки) дерновых зернистых глееватых и глеевых ГЛИНИСТЫХ ПОЧВ поймы р. Москвы.

Метод — восстановление уровня воды в скважине, расчет по формуле Эркина

в сильнооглеенных дерновых зернистых почвах высокие значения боковой фильтрации свойственны не всем горизонтам, а только верхним слоям про­филя, приуроченным к зоне переменного увлажнения, мощность которой в зернистых глеевых почвах не превышает 90—120 см. В связи с этим поймен­ные почвы субаквального режима (например, иловато-глеевые) могут утра­тить такую анизотропность, и их водопроницаемость окажется весьма не­значительной как в вертикальном, так и в латеральном направлениях.

Вместе с тем в сильнооглеенных глинистых структурных почвах в опре­деленных условиях наблюдаются весьма высокие значения фильтрации.

Так, в слое 30—100 см дерновых зернистых глеевых глинистых почв Да­выдовской поймы (р. Клязьма), отличавшихся невысокой плотностью и зна­чительной пористостью, коэффициент фильтрации составил 4,8 м/сут.

Большую роль в формировании физических свойств пойменных почв играют геохимические факторы. Так, очевидно влияние жестких и железис­тых грунтовых вод, карбонатных пород. Следует отметить и еще один фак­тор, значение которого до последнего времени остается нераскрытым, — роль гипса в формировании физических свойств заболоченных пойменных почв. В Горьковской, Владимирской и других областях нередки случаи, когда близко к дневной поверхности подходят гипсоносные воды казанского и татарского ярусов пермского периода, являющиеся источниками поступления серно­кислого кальция в минеральные заболоченные почвы пойм рек Клязьмы, Теши, Кудьмы идр. Можно предполагать, что присутствие гипса в извест­ной мере влияет на фильтрационные свойства пойменных почв. Так, в пой­ме р. Клязьмы были одновременно определены значения коэффициента фильтрации незасоленных и гипсоносных зернистых глеевых почв, находя­щихся в идентичных условиях и имевших однородный состав. Боковая филь­трация незасоленных почв составила 4,8 м/сут. Однако там, где почвы со­держали 2—4% гипса, фильтрация не превышала 0,8 м/сут.

Снижение водопроницаемости можно объяснить следующим. В анаэ­робных условиях в пойменных почвах, содержащих гипс и значительное коли­чество органического вещества, возможны редукция сульфатов (при участии сульфатредуцирующих бактерий) и образование сероводорода. При взаимо­действии последнего с железом вероятны его восстановление и образование нерастворимого сульфида железа.

Таким образом, сероводород, возникающий в результате редукции суль­фатов, тормозит механизм формирования структуры сильнооглеенных пой­менных почв, а образующийся при этом сульфид железа вызывает закупор­ку пор.

В зоне распространения жестких гидрокарбонатно-кальциевых (магние­вых) вод возможно вторичное накопление карбонатов этих двухвалентных металлов. Такие сцементированные луговой известью или луговым мергелем горизонты при высоком содержании карбонатов, равномерно заполняющих поры силикатного мелкозема, могут отличаться пониженной водопроницае­мостью и приобретать признаки водоупора.

В Нечерноземной зоне широко представлены почвы на двучленных поро­дах, верхний нанос которых образован легкими супесчано-песчаными флю­виогляциальными отложениями различной мощности (обычно от 0,4-0,6 до 1,2—1,6 м). Последний подстилается тяжелыми четвертичными лессовидны­ми, озерно-ледниковыми, моренными суглинками и глинами. На контакте этих пород обычно возникает осветленный (контактный оподзоленный), а при длительном застое влаги — оглеенный (контактное оглеение) горизонт. На востоке зоны в Предуралье нижним членом таких отложений могут быть тяжелые дочетвертичные породы, например карбонатный глинистый элюво- делювий пермских красноцветов идр. Как правило, поверхностные слои тяжелых отложений отличаются невысокой водопроницаемостью; нередко они оказываются водоупором и обладают К_ф < 0,05 м/сут. Минимальные значения фильтрации (0,005—0,001 м/сут) второго (глинистого) слоя встре­чаются в двучленах на озерно-ледниковых породах (ленточные глины).

Коэффициенты фильтрации почв на суглинисто-глинистых моренных, покровных и озерно-ледниковых отложениях определяются прежде всего водо­проницаемостью исходных почвообразующих пород.

В почвах на моренных отложениях неоднородность фильтрации может быть обусловлена, во-первых, различной степенью облессованности поверх­ностных горизонтов профиля и, во-вторых, инкрустацией тяжелого субстра­та множеством мелких, резко отличных по гранулометрическому составу от основной массы мелкозема каменистых или гравелистых включений.

В каменистых суглинистых и глинистых моренных отложениях можно обнаружить горизонты с исключительно низкими значениями Кф (< 0,001), не свойственными горизонтам с аналогичным однородным составом нека­менистого мелкозема. Это явление объясняется тем, что камни в мелкоземе резко снижают объем фильтрующих пор. Поэтому одни и те же по грануло­метрическому составу горизонты моренных отложений с разным содержа­нием камней могут существенно отличаться по значениям Кф.

Основное влияние на водопроницаемость почв на озерно-ледниковых отложениях оказывают их состав и текстура. Особенно отчетливо это прояв­ляется на ленточных суглинках и глинах с тонкой или грубослоистой тексту­рой. В тонкослоистых отложениях мощность темных зимних и светлых лет­них слоев невелика и исчисляется миллиметрами. Как правило, они имеют весьма незначительные и близкие абсолютные значения вертикальной и го­ризонтальной фильтраций, т.е. в них не выражен анизотропизм водопрони­цаемости. Напротив, в ленточных грубослоистых породах летние и зимние слои резко отличаются по своей мощности. Нередко летние светлые более легкие слои имеют значительную мощность, измеряемую сантиметрами. Го­ризонтальная фильтрация таких отложений значительно выше вертикальной.

Водопроницаемость торфяных почв обусловлена их ботаническим соста­вом, степенью разложения и зольностью. Наибольшие значения Кф установ­лены в верхнем слое (очесе) олиготрофных и мезотрофных болот. Очес вер­ховых болот обладает огромной водопроницаемостью [Иванов, 1953]. Кф очеса достигает 600 м/сут. Вместе с тем нижние горизонты торфяной залежи, об­разованные обычно плотным слаборазложившимся сфагнумовым торфом, в естественном состоянии имеют весьма незначительные Кф, позволяющие рассматривать их как водоупорные горизонты. Поэтому на верховых болотах даже в естественном состоянии формируется поверхностный сток, который проходит по слою очеса.

В мелиоративном отношении наибольший интерес представляют значе­ния Кф торфяной залежи и торфяных почв низинных болот. Максимальная водопроницаемость в этом случае свойственна органогенным почвам, при­уроченным к древесной или древесно-травяной торфяным залежам. Благо­даря наличию погребенной древесины эти торфа обладают высокой фильт­рацией, обычно имеющей жильный характер. Значительной фильтрацией (несколько метров в сутки) отличаются тростниковые и камышовые торфа и сформированные на них торфяные почвы. Органогенные почвы на осоко­вых и других травянистых торфах обычно обладают невысокой фильтрацией (1—3 м/сут или менее).

Следует обратить внимание и еще на одну особенность фильтрации бо­лотных почв, свойственную маломощным органогенным почвам на легких минеральных подстилающих породах. В них на контакте торфяного и под­стилающего песчаного слоев нередко формируется относительно мало­мощный перегнойный горизонт, обогащенный органическими коллоидами. В профиле маломощных торфяных почв с высокой фильтрацией органоген­ного и песчаного горизонтов этот перегнойный слой оказывается локаль­ным водоупором. Он может определять низкую вертикальную водопроница­емость профиля в целом и недостаточно эффективную работу дренажа.

Наряду с процессами, сопровождающими заболачивание (глееобразова­ние, оподзоливание, лессиваж, гидрогенная аккумуляция оксидов железа или карбонатов кальция и магния, цементация), следует подчеркнуть заметную роль биогенных факторов, влияющих на Кф гидроморфных почв.

Итак, признавая справедливым положение, что в общем наблюдается тенденция уменьшения фильтрации под влиянием оглеения, необходимо обратить внимание на существенные отклонения, которые происходят в минеральных почвах, отличающихся генезисом, гранулометрическим соста­вом и оглеением.

В зависимости от условий формирования оглеение может вызывать умень­шение фильтрации (по сравнению с неоглеенными почвами), ее значитель­ное увеличение или не оказывать заметного влияния на их фильтрационные свойства. Поэтому выбор основных параметров дренажа должен быть согла­сован с теми закономерностями изменения фильтрации, которые имеют место в почвах разного генезиса и состава под влиянием глееобразования.

4.5.3.