CC BY
44
5. Захарченко А.В., Ростовский И.Н., Кулижский С.П., Габец О,И. 3-мерная морфометрия фитогенных образований в почвенном объеме методом последовательных вертикальных срезов II Лесное хозяйство и зеленое строительство в Западной Сибири. Сб. науч.
трудов, Томск, 2003.
6. Захарченко А.В., Ростовский И.Н., Кулижский С.П. 3-мерная морфометрия почв как основа концептуального моделирования их физического состояния II Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации. М., 2003,
7. Захарченко А,В, О морфологических особенностях профиля антропогенно-измененных почв II Матер, межд. науч. конф.
«Геоэкологические проблемы почвоведения и оценки земель». Т, 1, Томск, 2004,
8. Захарченко А,В, Трехмерная морфометрия почв IIIV съезд Докучаевского общества почвоведов, Новосибирск, 2004,
9. Торнес Д.Б., Брунсден Д. Геоморфология и время. М., 1981.
10. Пухляков Л.А, Обзор геотектонических гипотез. Томск, 1970,
11. Агафонов Б,П., Ананьев Г,С,, Белоусов В.М. Время и возраст рельефа, Новосибирск, 1994,
12. Миньковский Г.М. Структурный подход в почвоведении II Почвоведение. 1995, № 7.
13. Скворцова Е.Б. Экологическая роль ветровалов. М„ 1983,
14. Поздняков А.В, Динамическое равновесие в рельефообразовании, М., 1988,
УДК 631.43:631,48
А.В. Захарченко
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ФОРМАЛИЗАЦИИ ТОПОЛОГО-МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕХМЕРНОЙ ПОЧВЫ
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
1. Топологические уровни организации почвенного тела
Юрий Борисович Виноградов [6] писал: «Поскользнувшись на глинистом склоне, мы способны разрушить сразу до десятка стоковых элементов - крохотных ячеек, моделирующих нечто вроде водосбора». Но не только на поверхности почвы, но и внутри нее можно найти границы раздела сред, на которых возможно образование как замкнутых, так и стоковых структур. Под стокоформирующим элементом нами понимается всякий элемент системы регулирования движения воды на границах раздела поверхностей. Тогда элементарная ячейка (ЭЯ) - минимальное пространство почвенной (земной) поверхности, имеющее определенный набор стокоформирующих элементов - водосборных, запасающих, транзитных. ЭЯ обычно представляет собой элементарную морфост-руктуру, сочетающую гребневые, склоновые и килевые поверхности. Выделилась более широкая постановка проблемы - изучить фактически новый для почвоведения класс поверхностей, ранее никем систематически не исследованный, •- морфологические.
Б.Г. Розанов [19] выделил 7 уровней иерархии строения почвы: атомный, молекулярный, минералогический (микроморфологический),
морфологический, почвенный покров региона, природных зон, суши Земли. При изучении почвенного покрова выделяются следующие уровни (по Корсунов, Красеха): глобальный, региональный, элементарный (элементарный почвенный ареал (ЭПА), педон) [15]. Понятие «педон» введено в почвенной классификации США и обосновано в работах зарубежных исследователей [27, р. 17-22]. Не менее широко (в смысле разнообразия) изучены микромор-фологические поверхности и объекты [4; 28, р. 1-13]. Между поверхностями уровня агрегата и педона (элементарным почвенным индивидуумом) существует разрыв, где отсутствуют систематизированные знания, хотя с этими поверхностями встречается всякий почвовед, проводящий морфологическое описание почвы. Анализируя основные представления об уровнях организации почвенного тела, Е.А. Дмитриев [10, с. 125-127; 11] писал: «Для разрешения проблемы стыковки высших и низших уровней организации почвы как природного тела нужно в качестве некоторого исходного почвенного тела выбрать такое, от которого можно выйти как на низшие уровни организации, так и на высшие...». Такие поверхности должны наблюдаться в масштабе 1:1-1:20 ~ это уровень морфологии почв (табл. 1). Очевидно, что закономерности формирования топологи-
__ Ю9 —
ческих и физических свойств этих поверхностей отличны от агрегатных и элементов почвенного покрова.
Таблица 1
Топологические уровни исследования почв
2. Визуализация и формализация
внутрипочвенных тополого-морфологических поверхностей
Визуализация первых трехмерных изображений поверхности почвы и границ горизонтов показали их сложное строение, наличие форм, отражающих следы роста древесных корней и ветровальных педотурбаций [13, с. 142-150]. Линейные языковатые структуры границ почвенных горизонтов приобретают в пространстве гребневые и килевые формы поверхности и вытянуты в систему взаимосвязанных линеа-ментов. Наблюдаются и замкнутые воронковидные формы рельефа. Совмещенные в пространстве морфы участвуют в формировании внутри-почвенного влагообмена.
Отдавая должное уважение Б.Г. Розанову, следует заметить, что предложенные им классификационные единицы наблюдаемых морфологических поверхностей могут быть разделены, то есть не являются элементарными. А 11. Ласточкиным [16] предложена методология
и классификации геоморфологических поверхностей, позволяющая учесть этот недостаток. Во многом данная методология перекликается со структурным подходом, предложенным И.Н. Степановым [22, с. 57-84], Г’.М. Миньков-ским [17, с. 9-18], и, по нашему мнению, является единственно возможной при формализации формы любой поверхности при его доработке применительно к морфологии почв. Несмотря на то что почвенные морфологические границы раздела во многом отличаются от геоморфологических поверхностей, предложенный подход классификации с формальной точки зрения достаточно обоснован и позволяет типизировать поверхности, сформированные в результате воздействия вертикально-радиальных факторов внешних но отношении почвы, как системы.
Суть классификационных построений сводится к разбиению поверхностей на части, модели которых гомеоморфны простым фигурам топологии. Основой классификации является выделение характеристических точек (ХТ), которые являются важным элементом морфост-руктуры границ горизонтов, как в профиле, так и в плане. ХТ соединяются модельными структурными линиями (СЛ). Основываясь
на принципах гомеотопии, строятся выпуклые..
вогну тые, симметричные - асимметричные профили поверхностей, которые являются основой типизации форм рельефа.
На вертикальном срезе почвенного горизонта, прежде всего, прорисовывается профиль. Затем отмечаются ХТ так, чтобы между ними вписывалась элементарная СЛ. Следовательно, ХТ является основой для фиксации СЛ и их типизации. Криволинейные СЛ моделируются дутой эллипса, следовательно, используя лекало, можно легко разметить положение ХТ (если позволяет масштаб), в которых обязательны измерения границ горизонтов.
На двумерных поверхностях раздела почвенных горизонтов выделяются особые точки. Бели поверхности моделировать фигурами гомео-морфными сфере, то векторное поле имеет особую точку на полюсе сферы и особую точку, называемую седло [2]. Гидродинамические процессы формируют структуры, гомеоморфные тору, векторное поле которых участвует в образовании воронкообразных структур на границах раздела поверхностей.
Структурные линии, соединяющие ХТ, представляют собой не только педоморфологические
Масштаб Структурные элементы Область знания
1:0,05 ч-1:0,01 Скелет, плазма, поры, кутаны Микро- морфоло- гия
1:0,01 * 1:1 Структура почвы (агрегат) Микро-, мезомор- фология
1:1 + 1:20 Морфон, элементарная почвенная ячейка Морфо- логия
1:20-4-1:1 000 Педон, ЭПИ Простые элементы почвенного покрова
1:1 000+ 1:25 000 ЭПА, катена, простые ПК Структура почвенного покрова (локально)
1:25 000 1:100 000 Структура почвенного покрова (СПП) Структура почвенного покрова (регио- нально)
границы главных «картируемых» единиц - элементарных поверхностей, но и оконтуривают приуроченные к этим элементам морфологически однородные участки, что имеет ключевое значение выявления дискретности внутрипоч-венного пространства. Элементарные морфологические поверхности по относительному вертикальному положению могут быть разделены на следующие типы: плосковершинные бугры; гребневые верхние поверхности; вдоль гребневые поверхности; склоновые поверхности с подразделением их, в свою очередь, по относительной крутизне на фасы, уступы; площадки и подножия; вдолькилевые поверхности; плос-ковершинные нижние поверхности; килевые
уступы; площадки, воронки. Совокупность характерных точек, структурных линий, элементарных поверхностей образует характерные трехмерные структуры рельефа внутрипочвен-ных морфологических поверхностей.
На рис. 1 показаны картосхемы естественных морфологических поверхностей почвенных горизонтов элювиального слоя дерново-подзолистой почвы, сделанные на основе натурных исследований и структурные линии, показывающие водосборные, и потоковые внутрипочвен-ные структуры на площади 1 м2. По своим размерам ЭЯ оказалась значительно меньше педона [15; 25, с. 42-49; 26].
& ■ '■ & ’' Щ '.
100#
, "Ь I
%
80# /• 4Й-" +
.ч-оч
47 •
1+1 ф
и +\
+ \+1 + > •
'■+ ' ,+ «/'•5 + * | + Ук»
и—*. '■ ' ' '
70»
+•?•, V
б0+ . \+ 4-,4 . , +
„ : £ \'ч* I . " +
/.,*/> е> . ,
■ХИ уГ'Ъ-'-М $ '.—р Л *
' V. -•.!.“+/ . >*/ <>.«. ••
• г'+'г +
40*
\+'*:<+ . ■**., V. •' •
204 * “I + • \ "/‘+ ' -/• /КГ " +*
■ 'А * . .У - . .Л , / V V
• \ * * Г. \/ < л+-Г» г «/ + >;.#;
» ,г
*
10+ * +
0)-
О 10 20
к"* ■ т+'/• г
'• Я • А' г ./■
.,£ь* *. . ч-‘ *- ■■ ®А‘ л г
30
•-V - #-Г +• • :•••
40 50 60 70 80 90 100
X, см
Рис. 1. Дневная поверхность дерново-подзолистой почвы (а), нижние границы элювиального (б), иллювиального (в) горизонтов, линии стока на поверхности элювиального горизонта и вертикальные трещины А2 (г), Уловные обозначения: сплошная линия - водораздельные поверхности; пунктир - линии стока; тонкие линии - изохоры/изобаты, цифры - высоты (см); точки - «языки» гумусового горизонта; белые точки - положение максимальных, минимальных значений поверхностей
3. Моделирование стока трехмерной почвы
Для моделирования стока при наличии сложного рельефа поверхности уместны модели, используемые в гидрологии и геоморфологии [12, 13]. Описание потока базируется на таких понятиях: уклон поверхности, кривизна изолиний, линии стока, вертикальная и радиальная составляющие пористости (фильтрации) почвенных горизонтов.
Замкнутые локальные понижения на поверхности почвы и горизонтов являются основой для формирования лужистости, характеризующей емкостные свойства системы. Ю.Б. Виноградов [6] определил лужистость как относительную долю площади водосбора, занятую поверхностью воды, наполняющей разного рода бессточные понижения. Естественно, нужно различать лужистость на поверхности раздела морфост-руктур и внутри их объема. На наш взгляд, для упрощения анализа передвижения воды в почвенном горизонте следует выделить субстантивную или физическую «лужистость», обусловленную различием в пористости горизонта [12, 14]. Практическое определение лужистости и количества перераспределенной влаги проводится из анализа карт поверхности всех горизонтов исследуемой почвы и ^распределения влаги в объеме морфоструктур, Она связана с неравномерностью распределения в теле почвенного горизонта и отдельных его морф основных физических характеристик, определяющих свойства его проводимости и емкости: плотности, пористости, влагоемкости и т.д. (рис. 2). Кроме того, форма поверхности перераспределяет поступление влаги в объем почвенного горизонта. Несомненно, механизм фильтрации под поверхностью, занятой яужистостью, и вне ее различен. Физическая неоднородность определяет неравномерность фильтрационно-емкостных свойств горизонтов почвы, что заставляет влагу перераспределяться из зон с большим фильтрационным сопротивлением в зоны с малым сопротивлением, создавая тем самым такой же эффект физической лужистости.
Один из удобных способов анализа фильтрационных, сопротивлений (Кф;) и их связи с физическими свойствами почвенных горизонтов, обоснован И.Н. Росновским [20]:
Кф-1 = Кфк /0^5».] П ,
где 11ф; = Ч'/Кфь а - потенциал почвенной влаги и Кфк - коэффициент фильтрации при влажности МАВ ~ Wt; К$ ~ p-S - индекс удельной поверхности единицы объема горизонта; Sn - проводящая удельная поверхность, зависящая от пористости, W, - влажность почвы.
Величина Кфк, на наш взгляд, является важнейшим параметром почвы, характеризующим ее капиллярные свойства и влагопроводность. Соотношение W/K s / WiSni можно рассматривать как функцию заполнения норового пространства почвы водой и зависящую от структуры почвы, так как соотношение Ks/Sn -является показателем ее структурного состояния (рис. 2, б). Значения этой функции в каждой точке почвенного горизонта будут зависеть от плотности, пористости и индекса удельной поверхности.
На рис. 2, в отражено горизонтальное распределение влаги в элювиальном горизонте дерново-подзолистой почвы на площади 1 ы1. Заметны области, где возрастание индекса удельной поверхности совпадает с увеличением содержания влаги в объеме почвы и интерпретируется как физическая лужистость. При дальнейшем увеличении влажности и достижении уровня наименьшей влагоемкости формируется гравитационная влага, способная двигаться в пределах элементарной морфологической ячейки.
Потоковые морфоструктуры пространственно взаимосвязаны с топологической и физической дужистостью и совпадают' с вертикальной трещинной сетью (ВТС), которая наблюдается в элювиальных и иллювиальных горизонтах дерново-подзолистых и серых лесных почв. ВТС рассекает горизонты на относительно однородные призмы. Зная латеральные и вертикальные составляющие массообмена в пределах морфы и между ними, на основе теории подобия определяются инвариантные показатели, описывающие трехмерную почвенную систему как некоторую пространственную самостоятельную единицу, которая может быть принята за основу построения математической модели влагоперсноса в элювиальном слое.
4. Вертикальная трещинная сеть трехмерной почвы
В данной системе необходимо учитывать, что вертикальные и радиальные коэффициенты фильтрации, а тем более е наличием трещинной сети, существенно различаются (табл. 2).
в г
Рис, 2, Горизонтальное распределение (VI, У2~ плановые координаты, см) в элювиальном горизонте (а) наименьшей влагоемкости,
(б) индекса удельной проводящей поверхности (Ка, иг1), влажности (в) в единице объема на срезе на площадью 1 м2 элювиального горизонта
Таблица 2
Коэффициенты фильтрации элювиального горизонта дерново-подзолистой почвы
Коэффициент фильтрации (Кф), см/сек
Без трещин, вертикальный Без трещин, горизонтальный С трещиной, вертикальный
9,5-10”4 3,5-10“4 1,3-10"3
Возможность активного участия трещинной сети в процессах влагообмена подробно изучена Аллэром [23, с, 325-358] и известна как ячейки Аллэра. Несмотря на то, что в основе концепции лежат явления испарения воды из объема дисперсной пастообразной массы, предложенный им метод математического описания движения влаги при испарении через иерархическую систему пор и трещин приложим к системам масштаба ВТС.
Морфологически организация почвенной массы в области трещин отличается от той, которая наблюдается во вмещающем горизонте, и представляет вертикальные тонкие слои на стенках отдельностей (ОТС), высекаемые ВТС. В области трещин влага оказывается более подвижной (Кф трещин > Кф вне трещин), а ЭГ1Я топологически организована таким образом, что лужистость, сформированная на границе раздела гумусового горизонта и элювиального, питает влагой ВТС, через которую фильтрация идет интенсивней, чем в областях, где трещины отсутствуют, что формирует физическую лужистость ВТС, Влага движется от ВТС к центрам высекаемых отдельностей, и интенсивность потока определяется диффузией по градиенту концентрации и зависит от величины Кф, Кф и объема, как ВТС, так ОТС. При моделировании стока территория разбивается на конечные элементы, представляющие в первом приближении локальную сеть, параметры которой определяются размерами ОТС элювиального слоя в трех координатах, а процесс описывается системой полиномов до момента формирования радиал ьного потока.
В условиях установившейся фильтрации, когда градиенты потенциала влаги ОТС выравниваются, форма поверхности почвенных горизонтов, границы магистральных каналов ВТС играют существенную роль при радиальном перемещении влаги в соответствии с пьезометрическими уровнями теперь уже геоморфологических поверхностей, поэтому осуществляется переход от локальных к глобальным координатам. В этом случае следует перейти к плоской пространственной сетке, где. параметры определяются геометрией и фильтрационно-емкостными свойствами локальной сети, а также пьезометрическими уровнями территории. В отношении массопереноса в почвенной системе ОТС обеспечивает близкодействующие радиальные связи, а ВТС - дальнодействующие.
Таким образом, при физико-математическом моделировании стока территорий следует учесть, что его формирование начинается в объеме элювиального слоя до того, как влага достигла почвенно-грунтовых вод, поэтому возникает быстрый отклик территории на сезонные и летние ливневые осадки, что может быть причиной миграции тяжелых элементов и других загрязняющих веществ на дальние расстояния от источника загрязнения. В тексту рио-дифференцированных почвах радиальная составляющая массобмена элювиального слоя почв может существенно превосходить вертикальную.
Выводы
1. На основе трехмерного изображения строения тела элювиального дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы выявлен особый класс внутрипочвенных тополого-морфолош-ческих поверхностей.
2. Показаны основные параметры и характеристики модели тополого-морфологических поверхностей, а также методические подходы топологического анализа поверхностей трехмерной почвы (полная группа классификации геоморфологических поверхностей АЛ I. Ласточкина).
3. Установлены способы выделения элементарной почвенной ячейки, включающие в себя транзитные и аккумулирующие пространственные структуры границ почвенных горизонтов.
4. Показана особая роль вертикальной трещинной сети элювиального горизонта при формировании внутрипочвенного стока и пространственная взаимосвязь между вертикальными и горизонтальными морфоструктурами, участвующими в формировании внутрипочвенного стока.
5. Анализ распределения морфологических, водно-физических свойств и влаги в объеме почвенного тела показал, что в основе регуляции влаги элювиального слоя лежат элементарные морфологические ячейки, выделяемые при системно-морфологическом анализе поверхностей горизонтов.
6. Формирование внутрипочвенного стока представляет трехмерный процесс водообмена между почвенными морфоструктурами, где на различных стадиях установления фильтрации участвуют различные вертикальные и радиальные морфы, выступающие в роли регуляторов потоков.
А.В. Захарченко. Естественное восстановление антропогенно-измененных почв
8, Предлагаемый физико-морфологический подход на основе метода конечных элементов при соответствующей доработке позволит учесть то обстоятельство, что почва представляет пространственно сложно организованную многокомпонентную иерархическую систему,
что имеет решающее значении при трехмерном моделировании ее физических свойств.
Работа выполнена при финансовой поддержке программы «Университеты России» Лг» ур.07.01.402.
ЛИТЕРАТУРА
1. Березин П.Н. Основные параметры и методы количественной оценки почвенной структуры II Почвоведение. 1985. №10.
2. Болтянский В.Г., Ефремович В,А. Наглядная топология. Библиотечка «Квант», Вып. 21, М., 1983,
3. Боул С., Хоул Ф., Мак-Крекен. Генезис и классификация почв, М., 1977,
4. Гагарина Э.И, Микроморфологический метод исследования. СПб,, 2004.
5, Глобус AM, Экспериментальная гидрофизика. Л,, 1969,
6, Виноградов Ю.Б, Математическое моделирование процессов формирования стока. Л,, 1988,
7, Воронин А.Д, Структурно-функциональная гидрофизика почв. М., 1984,
8. Воронин А.Д., Березин П.Н,, Шейн Е.В. Энергетическая концепция структурно-функциональных свойств почв II Успехи почвоведения (Советские почвоведы к VIII Международному конгрессу почвоведов). М., 1936,
9, Данилин А.И. Совершенствование методов определения влажности лочвогрунтов. М,, 1988,
10, Дмитриев Е.А. II Биол. науки. 1971, №5.
11. Дмитриев Е.А, Теоретические и методологические проблемы почвоведения. М., 2001,
12. Захарченко А,В,, Росновский И.Н,, Кулижский С.П, 3-мерная морфометрия почв как основа концептуального моделирования их физического состояния // Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации. М., 2003.
13, Захарченко А.В., Росновский И.Н., Кулижский С.П., Габец О,И, 3-мерная морфометрия фитогенных образований в почвенном объеме методом последовательных вертикальных срезов II Лесное хозяйство и зеленое строительство в Западной Сибиои. Сб, науч. тр. Томск, 2003.
14, Захарченко А,В, Трехмерная морфометрия почв IIIV съезд Докучаевского общества почвоведов, Новосибирск, 2004,
15, Корсунов В.М,, Красеха Е.Н. Пространственная организация почвенного покрова, Новосибирск, 1990,
16, Ласточкин А.Н. Геоэкология ландшафта. СПб., 1995.
17, Миньковский Г,М, Структурный подход в почвоведении // Почвоведение. 1995. № 7.
18. Панфилов В,П., Чичулин А,В, Теплофизические свойства почв и почвообразование II Проблемы почвоведения, М,, 1990,
19. Розанов Б,Г, Морфология почв: Учебник для высшей школы. М., 2004.
20. Росновский И.Н. Устойчивость почв в экосистемах как основа экологического нормирования. Томск, 2001.
21, Росновский И.Н,, Захарченко А,В., Кулижский С.П. Моделирование изменения фильтрационных свойств элювиально-иллювиальных горизонтов почв II Природные условия, история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов: Тез, докл. VI междун. науч. конф. Ховд, Монголия, 2003,
22, Степанов И.Н, Структура почвенного пространства. Пространственная организация и функционирование почв. Пущина, 1990,
23, Термодинамика почвенной влаги, Л., 1966,
24. Шейн Е.В. II Почвоведение. 1996. № 3.
25. Щербаков А,П., Володин В.М. Основные положения теории экологического земледелия II Вест, с/х науки, 1991. № 1.
26, Soil Classification a comprehensive system (7-th Approximation). Soil Survey Staff, 1960.
27. Cline MG. Logic of the new system of soil classification II Ibid, 1963, Vol. 96. № 1,
28. Kubiena W.L. The role and mission of micromorfology and microscopic biology in modern soil science, in A. Jongerius, Soil micromorfoiogy,
1964, Elsevier, New York,
УДК 631,4
A.B, Захарченко
ЕСТЕСТВЕННОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ АНТРОПОГЕННО-ИЗМЕНЕННЫХ ПОЧВ
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Введение
Изменения морфологических и физикохимических свойств АИП после прекращения воздействия неспецифического фактора наблю-
дается уже в первые годы после строительства
ЛЭП. Достаточно быстрые изменения характерны для дерново-подзолистых почв нарушенного сложения [2, с. 69]. Не вдаваясь в детали классификационных построений АИП [8, с. 34-41; 9,
