Лизиметрический метод

Лизиметрический метод исследования свойств почвы и жизнедеятельности растений с помощью лизиметра – прибора или стационарного сооружения для учета и сбора влаги (почвенного раствора), профильтровавшейся через почву. Позволяет изучить в близких к естественным условиях особенности водного режима почв, состав фильтрующихся вод, процессы выщелачивания минеральных и органических соединений из почвы и из вносимых в нее удобрений. Лизиметрический метод дает возможность также вскрыть связь между питательными веществами почвы, удобрениями и растениями. Сопоставление поступления питательных веществ в почву с выносом их растениями позволяет установить баланс этих веществ в почве. Лизиметрический метод обычно используется в орошаемом земледелии при изучении водного баланса, промывки засоленных почв, поливных режимов.

Пример использования. В виноградарстве применяется для определения транспирационных коэффициентов сортов винограда, изменения растений при недостатке или отсутствии отдельных элементов минерального питания, изучения развития корневой системы растений, а также при разработке методов листовой диагностики, определении аллелопатического влияния корневых выделений и др. Для этого лизиметр (в зависимости от целей исследований) заполняется почвой естественного строения (монолитное наполнение) или с сохранением естественной последовательности в расположении отдельных генетических горизонтов, уплотненных до природного объема (насыпное наполнение), и закапывается в грунт с таким расчетом, чтобы уровень его совпал с поверхностью окружающей местности. На дне сосуда делается дренаж, соединенный с коротким трубопроводом, по которому стекающие воды поступают в спец. приемник. Приемник помещается в подземный хорошо изолированный коридор с тем, чтобы избежать резких колебаний температуры почвы в лизиметре.

Лизиметрический метод имеет широкое применение в агрохимических, почвенных, мелиоративных, гидрологических и других исследованиях. Это объясняется его преимуществами, позволяющими проводить исследования в природных, близких к производственным, условиям. Недостатком лизиметрического метода является то, что получение почвенных растворов возможно только в условиях промывного водного режима при влажности почв выше наименьшей влагоемкости.

Лизиметры. Большинство лизиметрических установок имеет площадь 0,25-1 м² , глубину 0,5-3 м. Для почвенно-агрохимических исследований важна площадь лизиметра, которая по мнению ряда исследователей не должна быть менее 0,25 м² для обеспечения условия произрастания сельскохозяйственных культур сплошного сева. При изучении особенностей питательного режима пропашных культур площадь лизиметра должна быть достаточной для размещения двух полноценных междурядий. Рекомендуемая глубина агрохимических лизиметров – от 0,3 до 1,5 м, что позволяет исследовать вымывание питательных веществ из профиля почв. Такие размеры лизиметров определены необходимостью равномерного распределения корневых систем культурных растений по объему лизиметров.

Для исследований гидрологического характера большее значение имеет глубина лизиметрической установки, т.к. необходимо охватить всю или большую часть зоны аэрации.

Лизиметрических конструкций в зависимости от возможностей определения расходных статей баланса водного режима почв.

Виды лизиметров:

ü насыпные монолитные лизиметры(с почвой ненарушенного сложения). Из практики использования лизиметров в России и за рубежом известно, что предпочтение отдается монолитам, хотя насыпные лизиметры очень широко используются в агрохимических и гидрологических экспериментах. Насыпные лизиметры всегда изолированы, т.е. имеют вертикальные границы – стенки. Часто они представляют собой сосуды/емкости с воронкообразным дном или дном, имеющим уклон в сторону отверстия для стока гравитационной влаги, засыпанным сильнопористым инертным материалом, поверх которого помещается почвенный материал. Форма и размеры таких сосудов может изменяться в широких пределах;

ü насыпные лизиметры (с почвой нарушенного сложения).

ü агрохимические или почвенно-агрохимические лизиметры (являются преобладающим типом) они имеют прямоугольную или круглую форму в сечении, мощность почвы не превышает 1 м, испаряющая поверхность имеет значительную площадь – не менее 1 м², сбор фильтрата производится в специальные водоприемники. Агрохимические лизиметры могут быть стационарно установлены в армированные траншеи или на специальные лизиметрические станции и иметь коридор или галерею, где в специальных водоприемниках ведется учет и сбор лизиметрических вод (лизиметрические установки Баракова, Вельбеля, Вильямса, Качинского и др.). В случае стационарных инженерных сооружений, необходимо при монтаже лизиметров учитывать «розу ветров», направляя ряд в их сторону. Это позволяет снизить разницу в распределении снежного покрова. В некоторых случаях для сбора фильтрационной влаги сооружается не коридор, а подземная шахта, куда выводятся фильтрационные трубки от лизиметров, расположенных вокруг шахты или колодца. В настоящее время с появлением новых инертных синтетических материалов появилась возможность изготовления и применения переносных лизиметров, которые в частности, представляют собой почвенные колонки с насыпной почвой или монолитом и могут использоваться в различных лабораторных фильтрационных экспериментах.

ü агрохимические лизиметры-воронки они могут устанавливаться в почвенную толщу в соответствии с генетическими горизонтами – тогда их встраивают на границах смены горизонтов, или, если того требуют задачи исследования, на разных глубинах. Их устанавливают, как правило, одновременно, соблюдая расстояние между ними по горизонтали не менее 1 метра, во избежание попадания фильтрационного раствора в соседний лизиметр. Наиболее известным вариантом являются воронки Эбермайера из оцинкованного железа, диаметром 50 и 25 см и высотой 5 см, которые устанавливали под исследуемый почвенный слой.

ü ячеистые или секционные лизиметры.В Московском университете разработаны и успешно используются с 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. 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.

ü 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.

Собственно лизиметр позволяет, как отмечалось выше, определять только инфильтрацию (сток, фильтрат); испаритель - суммарное испарение с поверхности почвы и конденсацию почвенной влаги; лизиметр-испаритель- инфильтрацию и суммарное испарение; компенсационный испаритель- инфильтрацию, суммарное испарение и испарение с зеркала грунтовых вод; воднобалансовая площадка - инфильтрацию и склоновый сток; балансометры – практически все элементы водного баланса почвы. По целевому назначению Кауричев с соавт. подразделяет на:

1) Почвенно-агрохимические с естественным просачиванием растворов. В зависимости от конструктивных особенностей их подразделяют на:

- долговременные стационарные сооружения инженерного типа

- насыпные лизиметры переносного типа

- лизиметрические воронки, цилиндры и др.

- плоские лизиметры

2) Гидрологические лизиметры

3) Сорбционные лизиметры.

Необходимо отметить, что любое исследование с помощью лизиметров требует тщательный выбор типа лизиметрической установки и, как правило, доработку той или иной конструкции для целей конкретного научного эксперимента. Единой конструкции даже в пределах отдельного типа и единой схемы проведения лизиметрических исследований не существует, каждый эксперимент индивидуален, и по-своему уникален. Особенно это касается сооружения лизиметрических станций и проведения долговременных многолетних опытов.

Это связано, как с финансовыми возможностями организаций и ученых, планирующих подобные эксперименты, т.к. они весьма дорогостоящи, так и со спецификой ставящихся задач и особенностями исследуемых почв - генетическими, гидрологическими, агрохимическими и др.

Однако это не значит, что мы не можем использовать накопленный опыт для выбора наиболее оптимального варианта из разработанных и эксплуатируемых на сегодняшний день лизиметрических устройств. Рассмотрим различные конструкции лизиметров, их технические возможности, преимущества и недостатки.

С использованием лизиметрического метода изучают следующие основные вопросы: динамика влажности почвы; передвижение атмосферных осадков и увлекаемых ими питательных веществ сквозь почву; состав воды, которая фильтруется через почву; вымывание минеральных солей из почвы и удобрений; потери питательных элементов в процессе многолетнего удобрения; транспирация и испарение влаги почвой; водопроницаемость различных почв и др.

Несмотря на то, что лизиметрические исследования проводят в поле, их условия ещё не очень близки к полевым. Для устранения этого недостатка используют вегетационно-полевой метод.