CC BY
29
ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫЕ ПОЧВЫ ЛЕНТОЧНЫХ БОРОВ И ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОАККУМУЛЯЦИИ И ТЕПЛООБМЕНА В НИХ ПОСЛЕ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ.
С. В. Макарычев, И. Т. Трофимов, Ю. В. Беховъгх
Наиболее крупные лесные пожары произошли в 1997 году в юго-западной части ленточных боров Касмалинской и Барнаульской ложбин древнего стока. В огне погибло свыше 70 тыс. га лесов [I].
Пожары охватывали значительные площади ленточных боров и в прошлые эпохи. Исследованиями И. Т. Трофимова в Тополинском лесхозе Угловского лесничества установлено наличие на глубине 15-20 см второго гумусового горизонта с содержанием гумуса 1,7%. Кроме того, на этой глубине обнаружены угли от лесного пожара. Радиоуглеродный анализ, выполненный в институте геологии РАН по просьбе А. Н. Куприянова и В. И. За-блоцкого [2], показал дату, близкую к 1650 году. Таким образом, ленточные боры на данной территории выгорали более 350 лет назад, но впоследствии естественно восстанавливались.
Исходя из важности разработки рациональных путей лесовосстановления, мы организовали наблюдения за температурой, влажностью, тепловыми потоками и объемной теплоемкостью почв летом 2000-2001 годов на горелышке и под естественным лесным покровом на разнообразных вариантах мезорельефа в Угловском лесничестве Тополинского лесхоза. Также было проведено морфологическое описание и исследование физических, химических и физико-химических свойств данных почв на мониторинговых полигонах, заложенных в 1998-1999 годах, В 2002 году эти исследования были продолжены.
Под ленточными борами сформированы дерново-подзолистые песчаные почвы [Э].
Они слабо дифференцированы на генетические горизонты. Гумусовый слой мощностью 8-10 см имеет светло-серую
окраску с белесоватым оттенком. Ниже залегает оподзоленный горизонт мощностью 10-12 см, затем идет иллювиальный. Весь почвенный профиль составляет 70-80 см. /
Запасы гумуса в дерново-подзолистых почвах в верхнем слое колеблются от 1 до 2%. Содержание глины в них не превышает 7%, преобладает фракция крупного песка (70-90% от массы почвы). Плотность верхнего двадцатисантиметрового слоя почвы достигает 1500 кг/м, а нижележащих - 1700 кг/м3. Плотность твердой фазы в почвенном профиле составляет 2600-2700 кг/м3. Полная влагоемкость в гумусовом слое равна 29% &г массы почвы.
Валовое содержание элементов питания (фосфора и калия) в дерново-подзо-листых почвах под влиянием лесных пожаров существенно не изменилось. В то же время отмечено некоторое накопление калия в почвах после пожаров. Исследование содержания тяжёлых металлов показало, что в лесной подстилке и в её золе количество свинца превышает ПДК в 4-5 раз. В почве же его меньше ПДК. Накопление свинца в лесной подстилке и в её золе связано с антропогенной деятельностью.
Кадмий в почвах после пожара не накапливается, отмечается лишь незначительное увеличение его концентрации в золе. Другие элементы (Си, Zn, Hg) во всех исследуемых объектах находятся в пределах ниже ПДК.
Наибольшее влияние лесной пожар оказал на кислотность дерново-подзолистых почв. Если pH лесной подстилки был сильнокислый и составлял 3,8, то зольные остатки её через 10 месяцев имели величину pH, равную 5,3. Заметное повышение кислотности отмечено по всем горизонтам
до глубины 50 см. Вследствие увеличения содержания водорастворимых щелочных соединений, выщелачиваемых из золы, оставшейся после сгорания лесной подстилки, произошло заметное уменьшение гидролитической кислотности в слое 5-25 см.
Особенностью теплофизических исследований 2002 года явилось то, что были получены данные с “нового” горельника -горельника августа 2001 года. Они позволили проследить динамику теплофизических свойств непосредственно после пирогенного воздействия. До этого первые измерения теплофизических свойств проводились через 3 года после пожара. Кроме того, была определена плотность почвы на каждой глубине измерения температуры, что позволило более точно рассчитать её объёмную теплоёмкость по методу С. В. Макарычева [4].
Наблюдения в Угловском районе 26-28 апреля 2002 года показали, что в соответствии с распределением в почвенном профиле влаги, объемная теплоемкость достигает максимальных значений в наиболее влажных и плотных горизонтах как в горелйнике, так и па контроле. Это низинная и вершинная части рельефа на гари, где теплоемкость составила 2,232x10*’ Дж/мч и 2,460x10*’ Дж/мл соответственно, а также нижние слои почвы на контроле по всем элементам рельефа. Наименьшей теплоемкостью обладают иссушенные и менее плотные почвенные горизонты “нового” горельника, в которых теплоемкость падает до-0,889x10° дж/м:* при влажности почвы 0, 8 — 0,9%.
Знание температуры и тёплофизических коэффициентов позволило определить тепловые потоки в/почвенных профилях. Наибольшие положительные геплопотоки были зафиксированы в дневное время по всем вариантам, особенно в 12.00 и в 15.00. Так на южном склоне горельника в 12.00 теплопоток оказался равным 114,2 Вт/м2 тогда как в низине - только 82,5 В г/м2. На “новом” горельни-ке в низине он составил 157 Вт/м2 Максимальные отрицательные потоки тепла
(из почвы) были отмечены в 21 час вечера и в 12 часов ночи на южных склонах го-рельников.
Аналогичные измерения были проведены 25-27 июля 2002 года.
Влажность почвы на горельнике незначительно возросла по сравнению с апрелем. На контроле из-за транспирации и десукцин она уменьшилась, а на “новом” горельнике не изменилась. В соответствии с динамикой влажности произошли изменения объёмной теплоёмкости почвы.
Максимальные тепловые потоки в почву 25-27 июня 2002 г. наблюдались в горельнике в 10 часов. По всем вариантам они оказались близкими по своим значениям (от 198 Вт/м2 на северном склоне до 214 Вт/м2 в низине). На контроле и “новом” горельнике распределение те-плопотоков было несколько иное. Максимальных величин они достигли к 13 часам дня в низине и составили соответственно 171,6 Вт/м2 под лесом и 166,7 Вт/м2 на “новом” горельнике. На остальных элементах рельефа теплопотоки были гораздо ниже. В ночное время почва отдавала тепло, особенно интенсивно в 22 часа ночи на горельниках. В то же время, на северном склоне под лесным покровом прогревание почвы запаздывало. '•«.
Абсолютные значения теплопотоков на контроле по сравнению с горельника-ми, как и в апреле, были ниже, вследствие затеняющего действия леса.
Полученные данные показывают, что средние за сутки тепловые потоки летом оказались меньше, чем весной. К этому времени почвенные профили уже достаточно хорошо прогрелись, а из-за десукции и транспирации влажность и. соответственно, объемная теплоемкость снизилась. Поэтому почва стала принимать и отдавать тепло в меньшем количестве.
Отсутствие августовских и сентябрьских осадков привело к дальнейшему снижению влагосодержания в почве. В сентябре влажность почвенной толщи не превышала 3,8% от массы сухой почвы.
Особенно сильно (до 0,36%) высохла чёрная отзольных остатков поверхность почвы “нового” горельника. Соответственно, объёмная теплоёмкость здесь достигла рекордно низких значений (0,662х106 Дж/м2 К). Особенностью этого периода измерений были высокие положительные теплопотоки (до 182 Вт/м2). Этому способствовала теплая солнечная погода.
Осенью под контрольным участком леса величины теплопотоков оказались так же ниже, как весной и летом.
Литература:
1. Парамонов Е.Г, Ишутин Я.Н. Крупные лесные пожары в Алтайском крае. -Барнаул, 1999. - 193 с.
К ВОПРОСУ АНАЛИЗА МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
2. Заблоцкий В. И., Куприянов А. Н. Лесные пожары и восстановление сосновых насаждений в юго-западной части ленточных боров // Материалы II межд. конф. “Антропогенное воздействие на лесные экосистемы” - Барнаул, 2002.
3. Почвы Алтайского края /Отв. ред. Базилевич В. И., Розанов А. Н. - М.: изд-во РАН СССР, 1959.
4. Макарычев С. В., Мазиров М. А. Теплофизика почв: методы и свойства -Суздаль, 1996 - 231 с.
и- • В. А. Цымбалист,
'о Метод ультразвуковой спектроскопии может быть применен для анализа почвы, резиновых смесей и других материалов и веществ с большим коэффициентом затухания сигнала. При их исследовании необходимо знать распределение энергии в спектре ультразвуковых колебаний, вводимых в контролируемый образец. Это распределение определяется двумя основными факторами: спектром электрического сигнала, возбуждающего передающий пьезоэлемент, и частотной характеристикой самого излучателя. Спектры видеоимпульсов, наиболее часто применяемые в акустике, приведены на рисунке и выражены соотношениями 1 и 2:
видеоимпульс,
;? Ь'(/)=еАг' _ \ ,, (1)
1 + 4яг т о)
5(/) =
радиоимпульс,
еАт
2 1 + 4 я2т2т2(со- а>0У
(2)
О. В. Цымбалист
где е - 2,7183 - основание натуральных логарифмов;
А - амплитуда импульса; т - длительность импульса; ш - частота следования; со - частота заполнения.
о
Для получения сравнительно широкого ультразвукового спектра с большими амплитудами - необходимо, чтобы амплитуда была значительно большой, а его длительность т - возможно более короткой. Рассмотрим процесс распространения импульса с заполнением (радиоимпульса) в среде с затуханием. Акустический импульс представлен в виде соотношения:
f{t)=er'r cos(co0t ~ (р), (3)
где t - текущее время;
ф - начальная фаза.
В среде затухания каждая спектральная составляющая импульса затухает с расстоянием как ехр (-2). Тогда импульс будет зависеть не только от (t-x/c), но и от (х). Вычислим импульс f (t,x) с помощью теоремы Фурье:
