CC BY
0
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2023. Т. 78. № 4 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2023. Vol. 78. No. 4
уДК 631.43
DOI: 10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-4-94-108
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ ДЕТРИТА В ТЕХНОЛОГИЯХ ПОЧВЕННОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ
А. В. Смагин1,2*, Н. Б. Садовникова1'2, Е.А. Беляева2, К. В. Корчагина2, В. Н. Кривцова1,2
1 МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, 119991, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12
2 Институт лесоведения РАН, 143030, Россия, Московская обл., Одинцовский г.о., с. Успенское, ул. Советская, д. 21 * E-mail: smagin@list.ru
Высокая водоудерживающая способность и влагоемкость детрита определяют его потенциальное гидрологическое значение в формировании водного режима почв и фитопродуктивности лесных ландшафтов. Используя компьютерное моделирование водного обмена в системе «почва-растение-атмосфера» HYDRUS-1D, мы изучили предварительно гидрологическую функцию детрита по водоудерживанию влаги осадков и корневому водопотреблению при разных количествах и вариантах расположения слоев детрита в почвенном профиле. Спроектированные на основе этой информации почвенные конструкции для устойчивого лесоразведения с повышенной карбоновой секвестрацией продемонстрировали в полевых экспериментах с мониторингом водного баланса высокую эффективность в оптимизации водоудерживающей способности почвы и транспирационного расхода влаги тестовой культуры (ель голубая Picea pungens Engelm.) с 2-3-кратным сокращением непродуктивных водных потерь и 1,5-2-кратным увеличением текущего прироста растений относительно необработанного контроля. Физическим механизмом гидрологической функции детрита является формирование капиллярных барьеров, блокирующих испарение и капиллярное рассасывание влаги, при расположении органогенных слоев на поверхности (лесная подстилка) или внутри почвы (торфяные прослои в почвенных конструкциях).
Ключевые слова: лесная подстилка, торф, кривые водоудерживания, почвенные конструкции, капиллярные барьеры, аккумуляция воды, корневое водопотребление, водный баланс, фитопродуктивность.
Введение
Характерной особенностью бореальных лесных ландшафтов является формирование мощных (7-10 см и более) поверхностных горизонтов лесной подстилки (детрита) с запасом от 30-40 т-га"1 органического вещества и выше [Молчанов, 1960; Рысин, 1969]. Классическими работами сукачевской био-геоценологической школы СССР [Молчанов, 1960; Рысин, 1969; Судницын, 1979] выявлена важнейшая гидрологическая функция таких ландшафтов в сохранении влаги, водном питании речных бассейнов, оптимизации качества водных ресурсов. Однако значение детритных биогеогоризонтов в этой функции леса исследовано недостаточно, несмотря на известную информацию о высокой гигроскопичности и водоудерживающей способности лесных подстилок и мохового покрова, достигающей по влагоем-кости многих десятков мм водного слоя [Молчанов, 1960]. Термодинамическая оценка водоудерживания детрита также подтверждает его повышенную вла-гоемкость по сравнению с минеральными почвами
в широком диапазоне варьирования абсолютных значений потенциала почвенной влаги от 0 до 1000 (3000) Дж-кг-1 [Смагин, 2004; Шеин и др., 2018]. При этом детрит, имея водоудерживающую способность, близкую к глинистым минералам смектитовой группы, является трехфазной системой с наличием крупных промежутков (макропор) между сильно набухающими текстурными элементами в виде не-разложившихся растительных остатков. Это важное качество обусловливает быстрое впитывание и свободное движение влаги в детрите с достаточно высокими коэффициентами фильтрации (Кф) в 3-10 м-с-1 и более, причем рыхлый крупнопористый детрит на поверхности в виде лесной подстилки или очеса в болотах характеризуется максимальными значениями Кф [Маслов, 2008; Дунаев, 2013]. Вышеуказанные гидрофизические свойства наряду с невысокой (0,1-0,6 г-см-3) плотностью сложения органогенных почвенных материалов определяют их широкое использование в городском озеленении и рекультивации почв для создания так называемого «плодородного растительного слоя», или рабочего
© Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Беляева Е.А., Корчагина К.В., Кривцова В.Н., 2023 94
горизонта (системы горизонтов) в конструктоземах с оптимальными для корней растений характеристиками [Смагин 2012; Gruda, 2012; ишагоуа е! а1., 2021].
Вместе с тем очевидно, что оптимальные гидрофизические показатели одного достаточно небольшого слоя не гарантируют оптимизацию водного режима и корневого водопотребления всей почвенной толщи. Современные исследования используют комплексный гидрофизический компьютерный анализ водоудерживания совместно с гидравлической проводимостью почвы на базе подхода Муалема-ван-Генухтена ^шипек е! а1., 2006; Тег1ееу е! а1., 2016], а также на базе альтернативных физико-статистических подходов [Терлеев и др., 2020; Тег1ееу е! а1., 2016]. Мощность детритных слоев, их число и расположение в почвенном профиле кон-структозема в значительной мере определяют эффективность гидрологической функции получаемой почвенной конструкции, проектирование которой может осуществляться на основе предварительного технологического моделирования массообмена в системе «почва-растение-атмосфера» с необходимым экспериментальным почвенно-гидрофизическим обеспечением [Смагин, 2012]. Отсюда цель исследования заключалась в комплексном количественном исследовании и компьютерном моделировании гидрологической функции детрита для обоснования возможности ее использования в технологиях почвенного конструирования для устойчивого лесоразведения с повышенной карбоновой секвестрацией. Для ее реализации последовательно решались следующие задачи:
• экспериментальное получение основных гидрофизических характеристик (ОГХ) образцов дерново-подзолистой грубодисперсной почвы и детрита (лесная подстилка, низинный торф) и их аппроксимация стандартной функцией ван-Генухтена;
• имитационное моделирование водного режима исследуемой почвы и водопотребления фитоценоза для выявления влияния на эти процессы слоев детрита заданной мощности и локализации в почвенном профиле;
• реализация на практике экспериментальных вариантов спроектированных технологическим моделированием конструктоземов со слоями детрита и выявление их эффективности в аккумуляции влаги, обеспечении корневого потребления и фитопродук-тивности голубой ели на базе комплексного мониторинга водного баланса, почвенного дыхания и морфометрии растений.
Компьютерное моделирование гидрологической функции детрита проводилось на базе софта HYDRUS-1D (США) с использованием экспериментальных данных ОГХ и Кф почвенных образцов, а также сопутствующей информации о потенциальном транспирационном расходе древесных насаждений, объемах и периодичности осадков, соответствующих южнотаежным условиям умеренного климатического пояса. Реализация выбранных в процессе моделирования вариантов конструктозе-мов осуществлялась на экспериментальных площадках ИЛАН РАН в Серебряноборском опытном лесничестве (ЗАО г. Москвы). Новизну исследований определили развитие и ориентация методологии почвенного конструирования с использованием капиллярных барьеров на приоритетные в современной «зеленой повестке» задачи лесоразведения с карбоновой секвестрацией, а также полученные результаты оценки водного баланса почвенных конструкций на базе современных методов почвенно-экологического мониторинга.
Материалы и методы
Исследования проводились в Серебрянобор-ском опытном лесничестве ИЛАН РАН, где с послевоенного периода ведутся стационарные почвенно-экологические исследования биопродуктивности и устойчивости к антропогенным факторам хвойных и хвойно-широколиственных сообществ на дерново-подзолистых почвах легкого гранулометрического состава долинного комплекса типов леса Москвы и ближнего Подмосковья, расположенных в среднем течении р. Москвы [Рысин, 1969]. Текстурная характеристика типичных почвенных образцов
Таблица 1
Гранулометрический состав и некоторые свойства песчаных дерново-подзолистых почв сосновых экосистем долины р. Москвы
Парцеллы Горизонт почв Фракции, мм Гь гсм-3 ЗД тга-1
>0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 <0,001
ПВ А1 88,03 6,89 0,08 1,82 1,44 1,74 1,31 44,3±16
В 90,90 5,42 0,56 1,00 0,48 1,64 1,59
С 94,8 3,84 0,48 0,14 0,08 0,66 1,58
ПН А1 95,08 0,56 1,00 1,14 1,04 1,18 1,36 82,6±37,2
ПС А1 85,07 10,37 0,44 0,36 1,16 2,6 1,09 66,4±49,4
В 90,73 6,73 0,08 0,32 1,5 0,64 1,56
Обозначения: ПВ, ПС, ПН — парцеллы вершинных, склоновых и низинных элементов ландшафта; гь, — плотность сложения почвы, ЗД — запас детрита подстилки
различных элементов сосновых биогеоценозов надпойменных террас с оценкой запаса органического вещества лесных подстилок приведена в табл. 1. Образцы лесной подстилки (детрита) и песчаных нижележащих горизонтов были отобраны цилиндрическими бурами объемом от 100 до 1000 см3 в соответствии с методикой [Вадюнина, Корчагина, 1986], рекомендованной для определения плотности сложения почв. Дополнительно в качестве детрита исследовались образцы низинного торфа (ООО «Русские газоны», г. Москва), обычно используемого при создании плодородных слоев городских конструктоземов. В лаборатории образцы доводились до воздушно-сухого состояния, после чего детрит измельчался и перемешивался с помощью электромиксера до получения однородной массы. Все образцы просеивались через сито 2 мм. Гомогенизированный просеянный материал помещался в перфорированные центрифужные пробирки и уплотнялся до состояния, близкого к естественному сложению. Пробирки устанавливали в стаканы с дистиллированной водой и после капиллярной подпитки со дна насыщали до полной влагоемко-сти в течение 24 часов. Для оценки коэффициента фильтрации в режиме переменного напора они присоединялись герметично сверху к градуированным трубкам-насадкам, которые заполняли водой. Периодически измеряя уровень воды в насадках над поверхностью почвы (МО) и аппроксимируя экспериментальные данные экспоненциальной релаксационной моделью с постоянными эмпирическими параметрами а, [м] и Ь, [с-1]:
Ь(£) = ахЦ-ехр^хО), (1)
легко получить искомый показатель Кф:
Кф = Lхb, (2)
где L, [м] — высота образца почвы в центрифужной пробирке.
По окончании эксперимента насыщенные влагой образцы помещались в лабораторную центрифугу ЦЛС-3, адаптированную для оценки ОГХ почв по разработке [Смагин, 2012]. Полученные для образцов минеральных горизонтов и детрита ОГХ после математической обработки стандартной моделью ван-Генгухтена составили необходимое почвен-но-гидрофизическое обеспечение софта HYDRUS-Ш ^шипек е! а1., 2006], использованного для моделирования гидрологической функции детрита и последующего инженерного проектирования кон-структоземов на его основе, согласно [Смагин, 2012].
Варианты компьютерного моделирования включали имитацию послойной динамики влажности и свободного оттока влаги после насыщения почвенной толщи, периодического поступления осадков с заданным корневым водопотреблением и без него и различными граничными условиями (изоляции поверхности с нулевыми потоками, осадками и ис-
парением на верхней границе, свободным оттоком (seepage face) на нижней границе). Расчет проводился для 0,5 м почвенной толщи, имитирующей посадочную яму для небольших (0,5-1 м) древесных саженцев в случае проектирования конструктозе-мов. Распределение корней задавалось с линейным убыванием от глубины посадки (10 см) в глубину до нижней границы кома (30 см). Информация о критических параметрах транспирационной трапеции Фиддса, потенциальном транспирационном расходе хвойных насаждений, объемах и периодичности осадков, соответствующих южнотаежным климатическим условиям Серебряноборского опытного лесничества, бралась из литературных источников и предшествующих мониторинговых наблюдений на объекте [Судницын, 1979; Смагин, 2012; Rabbel et al., 2018].
По результатам технологического моделирования были отобраны и реализованы на практике два варианта локальных почвенных конструкций (посадочных ям) для саженцев древесных культур с использованием детрита в виде низинного торфа. В первом формировался 1 слой торфа мощностью 10 см на глубине 20-30 см; во втором два слоя торфа располагались на отметках 10-20 и 40-50 см. Для исключения латеральных потоков влаги посадочные ямы в виде куба с ребром 50 см обкладывались по боковым стенам пенопластовыми потолочными плитками 50x50 см. В дне ямы бурилась скважина до 117 см для установки обсадной трубы из углепластика под TDR-влагомер НН2 (Великобритания) c распределенным датчиком PR2 для профильного зондирования влажности (рис. 1, верхняя часть). После укладки слоев конструкции и высаживания по центру тестовой культуры (ель голубая Glauca (Глаука), Picea pungens Engelm.), а также установки вертикальной линейки с температурными даталог-герами DS1921-F (Dallas Semiconduction-Maxim, США) ямы выравнивались с поверхностью и изолировались по сторонам от конкурирующей растительности отрезками черного геотекстиля (рис. 1, верхняя часть). Выбор культуры в виде голубых елей обусловливался их требовательностью к водному режиму и плохой приживаемостью в условиях столичного мегаполиса, несмотря на спрос в лесопарковом и муниципальном озеленении из-за высоких эстетических качеств и быстрого роста. Под каждое дерево был подведен автоматизированный капельный полив с таймером Green Helper CA-322N (КНР) и расходомером влаги VLFG-15U (Россия). Высаживались семь практически одинаковых саженцев голубой ели с закрытой корневой системой порядка 1 м высотой и 35-40 см (при выпрямлении корней) корневой системой из подмосковного питомника; дата посадки 18 апреля 2022 г. Одно из растений было исключено из посадки и использовано в качестве модельного с детальной морфометрией и гравиметрией (рис. 1, середина) отдельных частей
Рис. 1. Организация эксперимента и текущее состояние посадок (пояснения в тексте)
(размеры, масса во влажном и абсолютно-сухом состояниях ствола, корней, ветвей, хвои) с целью нахождения соответствующих пропорций для пересчета линейных характеристик текущего прироста в фитомассу культуры.
Мониторинговые исследования включали периодические (два раза в неделю) замеры влажности почвы по глубинам 10, 20, 30, 40, 50, 60 см TDR-влагомером, синхронное определение почвенного дыхания методом закрытых камер в авторской модификации на базе портативного ИФК-анализатора СО2 AZ 7752 (КНР) по [Смагин, 2012], общей высоты и проективного диаметра растений, а также текущего прироста в высоту (длину) ствола и ветвей, расхода поливной влаги, суточную регистрацию метеопоказателей, включая осадки, станциями Bresser v122020a (Германия) и La Crosse WS2812 (Франция), испаряемости воды и транспирации растений по [Судницын, 1979], регистрацию температуры и относительной влажности воздуха, а также температуры почвы по глубинам до 30 см через каждые два часа даталоггерами DS1923 и DS1921-F (США). Водобалансовый расчет сводился к определению непродуктивных водных потерь (вертикальный внутрипочвенный сток (ВС)) по контролируемой динамике запасов влаги в почве (ДЗВ) и интенсив-ностей ее прихода с осадками (ОС) и поливом (П) и расхода на эвапотранспирацию (ЭТ) за расчетные промежутки времени (ДО по уравнению баланса:
ДЗВ = (ОС + П - ЭТ - ВС)х Дг, (3)
где запасы представлены в мм водного слоя, а интенсивности процессов (потоки) — в мм-сут1.
Математическая и статистическая обработка данных осуществлялась в электронных таблицах MS Excel 2007 с макросами для сплайн-аппроксимации и численного интегрирования (автор — к.б.н.
W, см3/см3
М.В. Глаголев) и S-Plot-11 с пакетом Regression Wizard для нелинейной регрессии. Компьютерное моделирование использовало софт HYDRUS-1D [Simunek et al., 2006], находящийся в свободном доступе (https://www.pc-progress.com).
Результаты
На рис. 2 представлены результаты экспериментального определения кривых водоудержива-ния минеральных горизонтов почвы легкого гранулометрического состава в сравнении с ОГХ детрита в виде лесной подстилки и низинного торфа. Исходные различия по влагоемкости, выраженной в массовых долях, достигали 10-20-кратных значений. Так, полная влагоемкость песков в 27-33% практически в 10 раз ниже аналогичной величины для лесной подстилки (260-290%). Однако для процессного моделирования водообмена и поглощения влаги важно ее содержание в элементарном объеме почвы, и здесь с учетом невысоких значений плотности детрита (0,3-0,5 г-см-3) различия по водоудер-живанию с минеральными горизонтами становятся несколько ниже. В области, наиболее активной для водообмена и поглощения растениями гравитационной и капиллярной влаги до модуля давления 300-400 см вод. ст., различия по объемному содержанию воды становятся 22-10-кратными, постепенно увеличиваясь с ростом |P| (рис. 2).
В большом и технологически важном с точки зрения массопереноса и корневого водопотребле-ния влаги диапазоне давлений от 0 до 10000 см вод. ст. кривые ОГХ хорошо описываются стандартной функцией ван-Генухтена со статистически значимыми при уровне вероятности p<0,001 параметрами аппроксимации и высокими коэффициентами детерминации R2=0,986-0,998. Расчетные кривые ОГХ приведены на рис. 2 в виде сплошных линий,
Коэффициенты фильтрации
600 -| т
500 - --
400 - Т rj-i
jj 300 -
1
о
200 -100 -
0 -I—-—I—-—I—-—I—-—I—--
А1 ВС L торф
образцы
Рис. 2. Гидрофизические свойства минеральных горизонтов, подстилки дерново-подзолистой почвы Серебряноборского опытного лесничества и низинного торфа. Планки — доверительные интервалы при р = 0,05
соединяющих экспериментальные точки, не выходя за пределы доверительных интервалов, а соответствующие параметры функции ван-Генухтена показаны в табл. 2.
Таблица 2
Параметры аппроксимации ОГХ функцией ван-Генухтена
Коэффициенты фильтрации исследуемых образцов указывали на высокую водопроницаемость и варьировали от 340 (гор. А1) до 600 см-сут-1 (гор. L), причем органогенные материалы нередко демонстрировали даже более высокую насыщенную гидравлическую проводимость по сравнению с минеральными песчаными горизонтами (рис. 2).
Для компьютерного моделирования гидрологической функции детрита в среде HYDRUS-1D были использованы максимально контрастные ОГХ, отражающие водоудерживающую способность подстилки (L) и материнской породы (С). Первый вариант численных экспериментов имитировал ситуацию насыщения лесной почвы талой водой с последующим гравитационным оттоком при пренебрежении эвапотранспирацией. Эквифинальное равновесное распределение воды в поле силы тяжести характеризует так называемую наименьшую влагоемкость (НВ), или полевую емкость (field capacity) в англоязычной литературе. Моделирование показывает на быстрый (в течение первых суток) сброс основного количества воды, так что в поверхностном слое НВ не превышает 12-13% на фоне исходной полной влагоемкости 43%, или 434 мм влаги в однометровой толще песка (рис. 3, верхняя часть). Удаление воды за ее пределы в форме гравитационного стока составляет около 250 мм, то есть больше половины исходного количества.
Аккумуляция детрита оптимизирует исходно низкую водоудерживающую способность песчаной почвы прямо пропорционально мощности слоя подстилки (рис. 3а, б, средняя и нижняя части). Благодаря высокому водопоглощению и водоудер-живанию подстилки после гравитационного оттока в ней остается количество воды 55-58%, превышающее полную влагоемкость песка (43%). Поэтому уже при небольшом слое детрита в 4 см после гравитационного оттока в метровой толще песка закрепляется 202 мм влаги, или на 21 мм выше, чем в исходной почве без подстилки. Увеличение мощности подстилки до 6 и 8 см обеспечивает прибавку остаточной после гравитационного оттока воды в
30 и 40 мм. При этом вода остается в поверхностном, насыщенном корнями растений, семенами и микроорганизмами, слое в 20-30 см. Занимая около трети пространства этого слоя, детрит мощностью 4-8 см повышает его водовместимость в 1,3-1,5 раза, а наименьшую влагоемкость — до 2-2,5 раз (рис. 3б), способствуя удержанию влаги осадков и снабжению ею зачатков растений в виде семян, проростков или культурных саженцев, самых уязвимых к засухе из-за отсутствия развитых корневых систем. Именно высокая водоудерживающая и поглотительная способность детрита объясняет успех широко распространенных в городском озеленении технологий создания и ремонта газонов с использованием торфа на поверхности почвы. Небольшой, 1-10 см слой торфа с семенами газонных трав при исходном поливе или периодических осадках дает быстрое прорастание и последующее укоренение с развитием дернины. Эфемерность такого успеха связана с быстрым разложением торфа на поверхности, так что уже через 1-2 года газон деградирует и требует нового «ремонта».
В естественных лесных экосистемах минерализация детрита подстилки компенсируется поступлением новых порций растительного опада, поэтому такое динамическое равновесие поддерживает практически постоянную мощность горизонта L на поверхности. Роль подстилки в обеспечении корневого водопотребления иллюстрируют рис. 3в, г. Исходных запасов талой влаги в песке хватает лишь на 7-8 суток потенциального водопотребления с заданной транспирацией 3 мм-сут-1, после чего корневое поглощение начинает резко снижаться, а растения — испытывать угнетение роста из-за недостатка влаги (рис. 3а). Слой подстилки в 4 см увеличивает длительность периода потенциального водопотре-бления до 10-11 суток, а при 8 см слое детрита эта величина возрастает до 13-14 суток.
Второй сценарий моделирования водного режима (рис. 3г) имитирует ситуацию периодических осадков с впитыванием влаги в достаточно сильно иссушенную (до -1 атм капиллярно-сорб-ционного давления влаги) почву с подстилкой и без нее. Потенциальное водопотребление растений задается, как и в предыдущем случае, величиной транспирационного расхода 3 мм-сут-1. Осадки объемом 60 мм выпадают импульсом: на 14-й день — 10 мм, на 15-й — 40 мм и на 16-й — 10 мм. Результаты моделирования показывают, что водопотребление в чистом песке резко падает в течение недели, а на 12-13-е сутки растительность необратимо увядает (гибнет) от недостатка влаги, так что интенсивные дождевые осадки в середине месяца уже не способны вернуть их к жизни. Вместе с тем даже небольшой, 2-см слой подстилки спасает положение и позволяет фитоценозу пережить неблагоприятный период засухи. Новый импульс осадков возвращает интенсивность корневого водопотребления на
Параметры/слои A1E B C L торф
Wr 0,019 0,026 0,014 0,002 0,002
Ws 0,509 0,475 0,434 0,894 0,916
a 1,051 0,716 0,367 0,054 0,038
n 1,304 1,601 1,639 1,282 1,216
уровень, близкий к потенциальному, чего хватает на поддержание стабильной транспирации в течение последующих 20-25 дней. По прошествии этого срока корневое потребление вновь падает, и к концу второго месяца (60 сут.) растительность необратимо увядает от недостатка влаги. При более высоких мощностях подстилки в 4 и 8 см транспирационную активность удается сохранить на больший срок. Так, на 60-е сутки эксперимента интенсивность корневого поглощения в варианте с 2-см слоем подстилки упала практически до нуля (0,04 мм-сут-1), при 4 см мощности горизонта L — снизилась до 0,22, а при 8 см — до 0,53 мм-сут-1. То есть чем мощнее слой напочвенного детрита, тем больше вероятность для растительности пережить длительные неблагоприятные условия окружающей среды в виде засухи.
При впитывании дождевой влаги в иссушенную почву практически весь объем осадков локализуется в подстилке, имеющей высокую влагоем-кость и резко отличные от минерального субстрата гидрофизические свойства. Аналогичное состояние нередко наблюдается в природе, когда после дождя в летнее время минеральная почва остается сухой или промоченной фрагментарно (преимущественные водные потоки), а основное количество влаги перехватывается кронами деревьев, напочвенным покровом и подстилкой.
Завершающая серия численных экспериментов в среде HYDRUS-1D иллюстрирует возможности компьютерного технологического проектирования слоистых почвенных конструкций для древесной растительности с использованием детрита в виде
0.2 0.4 0.6 0.8
0.2 -
0.4 -
0.6 -
0.8 -
1 1 1 1 1 0 -
W, см3-см-3
0.2 -
Песчаная почва
1 —о—0 0.4 -
1 (а)
5 2 0.6 -
О
«в I 5 0.8 -
ю 10
>
Е 30 сут 1 -
0.2 0.4 0.6 0.8 1
I_1__1_1_й_|
Подстилка 6 см
ЗВ, мм
120
80 --
40
(б)
Подстилка:
□ 0см □ 4см □ 6см □ 8см
О, мм-сут-1
3
0сут 1сут
Корневое водопотребление
3 т
10сут время
2 --
1 --
40 60 0 20 40 песок -подстилка 2см -подстилка 4 см -подстилка 8 см
I, сут
0
0
0
0
0
Рис. 3. Моделирование влияния детрита и лесной подстилки на динамику влажности (а), запасы влаги (б) и интенсивность ее корневого потребления (в), (г). Сценарии моделирования: (а), (б), (в) — режим гравитационного оттока из водонасыщенной почвы, (г) — режим периодического поступления осадков в иссушенную почву
10 --
20 --
30 --
га I
40 + ю
50 -1-
10 --
20 --
30 --
40 --
50 -1-
20
-+-Г
40
Т-Ч
60
Т-1-г
50 0
н 0
0 10 --1сут 5 сут 10 сут 20 сут 30 сут 40 --
20 --
30 --
100
н
100
-гЧ
50 -1-
О, мм-сут 4 1
2 -
2 слоя торфа
Корневое потребление
-о- песчаная почва -о- 1 слой торфа 10 см -о- 2 слоя торфа 10 см
\
Рис. 4. Технологическое моделирование водоудерживающей способности почвы и корневого водопотребления голубой ели под действием торфяных прослоев
0
0
0
3
0
низинного торфа (рис. 3). Поскольку на поверхности почвы детрит быстро разлагается, а с глубиной скорость его минерализации экспоненциально снижается, целесообразно размещать торф на глубине слоем (слоями) при подготовке посадочной ямы. Эффект от такого способа будет существенно больше, чем от традиционно используемого мульчирования приствольного круга торфом или опилками (декоративной щепой). Как видно, расположение одного 10-см слоя торфа в профиле почвы резко увеличивает его равновесную влажность в поле силы тяжести (НВ) после свободного гравитационного оттока влаги по сравнению с чистым песком. Использование двух слоев усиливает этот эффект фактически двукратно (рис. 4). При этом удаление торфа от поверхности на 10 см и более гарантирует увеличение срока его службы в 4-6 раз и более, то есть с 1,5-2 до 6-10 лет, согласно инженерным номограммам оценки устойчивости к биодеградации почвенных материалов [Смагин, 2012]. Повышение влагоемкости почвы в посадочной яме с помощью детрита является эффективным средством пролонгации корневого водопотребления и, следовательно, увеличения фитопродуктивности посадок. Так, исходная песчаная почва в 50-см посадочной яме после водонасыщения талыми (поливными)
водами гарантирует поддержание потенциального водопотребления голубой ели (параметры транспи-рационной трапеции Фиддса из ^аЬЬе1 е! а1., 2018]) с транспирацией 3 мм-сут-1в течение недели, после чего оно резко падает до 0,5-1 мм-сут-1 (рис. 4). Внедрение в почву одного слоя торфа пролонгирует водопотребление с расходом 1,5-3 мм-сут-1 до 15-20 дней, а двухслойная конструкция сохраняет потенциальное водопотребление 3 мм-сут-1 более трех недель без какого-либо дополнительного источника воды. Поскольку вероятность засухи (периода без осадков) в южнотаежных условиях ЕТР невелика, такая конструкция потенциально обеспечивает рост и развитие саженцев ели после разового влагозарядкового полива без дополнительного орошения практически на месяц.
Теоретические результаты компьютерного моделирования гидрологической функции детрита были проверены на практике почвенного конструирования и дали вполне хорошее соответствие реальности. Сравнительные водобалансовые исследования корневого водопотребления ели Глаука на песчаной почве и почвенных конструкциях с одним и двумя слоями торфа показаны на рис. 4-6. Как видно на необработанном контроле, несмотря на периодические поливы и осадки верхний слой
почвы оставался стабильно с минимальной влажностью, а основное количество воды локализовалось на дне посадочной ямы (рис. 5). При этом непродуктивные потери влаги на внутрипочвенный сток превысили 70% от поступившей суммарно воды осадков и полива за вегетационный сезон. Столь значительные потери объясняются легким гранулометрическим составом почвы с минимальным водоудерживанием и максимальной скоростью инфильтрации влаги, характерными для грубоди-сперсных пористых сред. Этот результат прогнозировался на этапе технологического моделирования (рис. 4, песчаная почва) и полностью подтвердился экспериментом.
Внедрение одного слоя торфа в зону расположения корней саженцев тестируемой древесной культуры меняет перераспределение влаги в получаемой при этом слоистой почвенной конструкции посадочной ямы (рис. 6). Поверхностный слой становится более влажным по сравнению с необработанным контролем, а в зоне локализации торфя-
ного прослоя и концентрации корневой системы саженца ели (20-30 см) формируется четко выраженный максимум содержания влаги с сезонными колебаниями объемной влажности от 10-20 до 40-50% и более. Такое повышение предсказывалось технологическим моделированием (рис. 4) равновесной влажности после гравитационного оттока, при этом несколько меньшие значения влажности, полученные в эксперименте, объясняются неравновесностью реальной системы «почва-растение» и активным корневым поглощением влаги из слоя детрита. Водобалансовые расчеты выявили сокращение непродуктивных потерь влаги на внутри-почвенный сток на 15-20% по сравнению с необработанным контролем, но все равно они оставались весьма высокими, превышая 60% от общего поступления осадков и поливной воды в почву. Вместе с тем эвапотранспирационный расход, отражающий корневое потребление и, соответственно, прирост (потенциальную продуктивность) растительной культуры, вырос на 45% по сравнению с контролем
\л/,% □ 0-10
□ 10-20
□ 20-30
□ 30-40 ■ 40-50
/ У \
/
-^ а \ \ / \
-Во ДН Ы1- р ежи тар? эн гр< эл \ / \ /
\ \
ч \ / \
/ А к А
\ \ /
\ А / / \
N / \
/\ /
г / |
\/ \ /
/ \ V/ V
/ V \ / \ /
\ \ /
V \ /
ь Л > \
см см см см см см см см см см см см см см см см
!Ч см см см см см см см см см см см см см см см
<; о о о о о о о о о о о о о о С !
1М см см см см см см см см см см см см см см см
ю ю ю со со со со г- г- со со со со
о о о о о о о о о о о о о о о о
ч- <л ю ч- Т— 05 со со о г- ч- ,— г- ^— т
см о см о см го о см см
25
50
75
100 Ь, см
, мм-сут-1
Водный баланс, контроль
- пол ив
-сток
-эвапотранспирация
- осадки
>.2022 30.05.2022 19.06.2022 09.07.2022 29.07.2022 1S.0S.2022 07.09.2022 Дата
Рис. 5. Мониторинг водного режима и основные компоненты водного баланса при выращивании голубой ели на контрольной дерново-подзолистой почве Серебряноборского опытного лесничества
(37,8% влаги осадков и орошения против 26,1%). То есть небольшое и простое в технологическом исполнении изменение почвы при посадке древесных культур в виде слоя детрита в посадочной яме заметно оптимизирует водоудерживание почвы и корневое водопотребление.
Максимальный эффект, как и ожидалось, продемонстрировала двухслойная конструкция с расположением 10-см детритных горизонтов в верхней (10-20 см) толще и в основании почвенной конструкции (40-50 см). Рис. 7 (верхняя часть) показывает, что основное количество влаги в такой двухслойной конструкции сосредоточивается именно в нижнем, резервном слое, влажность которого стабильно в течение всего сезона находилась в диапазоне 50-70%. Верхний слой при этом удерживал 20-30 (до 40%) влаги с более контрастными сезонными изменениями, очевидно, за счет интенсивного корневого водопоглощения. При этом впервые в сравнении с предыдущими вариантами эксперимента появилась зона с низкой влажностью
за пределами почвенной ямы на отметках 70-80 см, что косвенно свидетельствовало о высокой эффективности задержки влаги осадков и полива слоями детрита, расположенными выше. Прямой анализ водного баланса выявил сокращение непродуктивного внутрипочвенного стока с 73,9 (контроль) до 28,8% (двухслойная конструкция), то есть более, чем в 2,5 раза. Соответствующий прирост эвапотран-спирационной статьи водного баланса составил более 170% относительно контроля и 88% относительно предыдущего варианта с одним слоем детрита. Общий расход на эвапотранспирацию превысил 70% объема поступившей за сезон влаги, значит, в отличие от исходной дерново-подзолистой песчаной почвы двухслойная конструкция конвертировала убыточный для системы «почва-растение» непродуктивный расход влаги в ее эффективное потребление древесными саженцами.
В соответствии с расходом на водопотребле-ние увеличивался прирост (фитопродуктивность) тестируемой культуры голубой ели. Исходно оди-
W,% □ 0-10
□ 10-20
□ 20-30
□ 30-40
□ 40-50
□ 50-60
Q, мм-сут-1
Водный баланс, 1 слой торфа
полив
- сток
-эвапотранспирация
- осадки
37,8
40 35 30 25 20 15 10 5 0
10.05.2022 30.05.2022 19.06.2022 09.07.2022 29.07.2022 18.08.2022 07.09.2022
100 -| 80 -60 -40 -20 -0 ■
25
50
-75
100
h, см
62,2
1
эвапо- сток транспирация
Дата
Рис. 6. Мониторинг водного режима и основные компоненты водного баланса при выращивании голубой ели с внедренным в песчаную почву одним слоем торфа на глубине 20-30 см
0
%
наковые саженцы резко дифференцировались по приросту надземной фитомассы уже в течение 80 дней после посадки (рис. 1). Как видно на фотографиях, максимальный прирост в высоту наблюдался именно у ели на двухслойной почвенной конструкции с оптимальным водообеспечением. По сравнению с контрольным растением ее надземная фитомасса стабильно в процессе роста превышала контроль на 165±55% при размахе от 80 до 217%. Аналогичное превышение для конструкции с одним слоем торфа составило 54±22% с варьированием от 15 до 74%. Для объяснения физического механизма такого эффекта можно сравнить эти результаты с данными моделирования корневого водопотребле-ния ели (рис. 4). Интегралы от кривых интенсивности корневого водопотребления за моделируемый период (30 сут.), очевидно, дают суммарное месячное потребление, которое в сравниваемом ряду «контроль-однослойная-двухслойная конструкции» составило 35, 57 и 82 мм, соответственно. Прирост водопотребления относительно контроля
для однослойной конструкции был равен 63%, а для двухслойной — 134%. Как видно, цифры вполне соизмеримы с приростом фитопродуктивности и находятся в границах доверительных интервалов (р=0,05) для этого показателя по экспериментальным данным.
Завершающий рис. 8 представляет сравнительную оценку мониторинга почвенного дыхания (эмиссии СО2) в дерново-подзолистой песчаной почве и слоистых почвенных конструкциях на основе детрита для выращивания древесных культур. Показатель сильно варьировал во времени, и в меньшей степени между вариантами почвенных конструкций и контролем. Максимальные всплески дыхания, превышающие по интенсивности 2 г СО2-м-2час-1, наблюдались в конце июля и середине августа и могли быть обусловлены оптимальными температурными условиями на фоне высокой влажности почвы. Поскольку в экспериментах был организован регулярный полив, нивелирующий обычное негативное действие летних засух, дыхание почвы в
□ о-ю
П 10-20
□ 20-30
□ 30-40
□ 40-50
■ 50-60
■ 60-70
О, мм-сут
40 -
35 - *
30 - —л—
25 - —о-
20 -
15 -
10 -
5 -0 -
Водный баланс, 2 слоя торфа
полив сток
э в ап отр а н с пи ра ц и я осадки
100 80 60 40 20 0
% 71Л
28,8
ЭВЙПО-
тракспирация
10.05.2022 30.05.2022 19.06.2022 09.07.2022 29.07.2022 18.08.2022 07.09.2022
Дата
Рис. 7. Мониторинг водного режима и основные компоненты водного баланса при выращивании голубой ели с внедрением в песчаную почву двух слоев торфа на глубинах 20-30 и 40-50 см
Рис. 8. Мониторинг почвенного дыхания при выращивании голубой ели на дерново-подзолистой песчаной почве и слоистых почвенных конструкциях с детритом
целом на площадках было высоким (1-1,5 г СО2*м-2 час-1). Статистически значимых различий в сторону превышения дыхания почвенных конструкций с детритом над контролем не было, за редким исключением максимальных всплесков. Мало того, достаточно часто дыхание конструкций было меньше, чем у контроля. Это подтверждает эффективность предложенной технологической меры заглубления детрита для снижения его биодеградации и увеличения срока службы в почвенных конструкциях. Отсутствие явно выраженных различий в дыхании кон-структоземов по сравнению с исходной почвой при четкой тенденции увеличения фитопродуктивности под воздействием оптимизации водного режима и корневого питания саженцев позволяет предполагать повышение углеродной секвестрации системой «почва-растение» при использовании слоистых почвенных конструкций на основе торфа. Проверка этого предположения планируется в дальнейших исследованиях на объекте с организацией синхронного мониторинга фотосинтеза и дыхания почвы.
Обсуждение
Исследованная в работе гидрологическая функция детрита определяется с одной стороны высокой водоудерживающей способностью, а с другой — устойчивостью к биодеградации и темпами воспроизводства этого компонента естественных лесных почв и почвенных конструкций. Выявленная нами на основе термодинамического анализа кривых ОГХ подстилки и торфа их высокая влагоемкость и во-доудерживающая способность подтверждается известными предыдущими исследованиями в данной области [Смагин и др., 2004; Гамаюнов, 2009; Шеин и др., 2018]. Полная влагоемкость в объемных долях во всех этих источниках достигает 0,8-0,9 единиц (80-90%), что соизмеримо лишь с сильно-набуха-
ющими глинистыми минералами типа монтмориллонита. Но, в отличие от фактически двухфазных систем глинистых минералов, детрит совмещает высокую водоудерживающую способность с наличием мезо- и макропор, которые хорошо проводят влагу, дренируя торф или подстилки уже при небольших перепадах давления порядка 10 см вд. ст. (рис. 2). Именно такие поры обеспечивают в неуплотненном сложении высокие коэффициенты фильтрации (4-5 м-сут-1), соизмеримые с таковыми в песках (рис. 1), что подтверждается и предшествующими исследованиями [Маслов, 2008; Дунаев, 2013]. ОГХ детрита адекватно описываются стандартной функцией ван-Генухтена в широком диапазоне модуля давления влаги (матричного потенциала) от 0 до 10000 см вд. ст. (рис. 2). Этот результат опровергает мнение [Шеин и др., 2018] о проблемах подобного описания в торфяных образцах при удалении из них влаги разрежением из-за неопределенности положения точки перегиба (входа воздуха), свойственной эмпирической модели ван-Генухтена в отличие от физико-статистического описания ОГХ [Terleev et al., 2016]. Сравнивая наши данные с ОГХ торфяных почв в [Шеин и др., 2018], несложно убедиться в их различиях по отношению к модулю давления барботирования (дренирования макропор), который в нашем случае фактически на порядок ниже (10 см вд. ст. против pF2, или 100 см вд. ст.). Можно предположить здесь влияние керамического фильтра в случае капилляриметрического метода определения ОГХ с формированием сопротивляющейся дренированию жаменовской цепочки при попадании воздуха между стенками фильтра и поверхностью почвы. Метод центрифугирования, примененный в нашем исследовании, лишен этого недостатка, так как не предполагает внедрение каких-либо мембран (фильтров) между почвой и отделяемой от нее
водой. Поэтому ОГХ макропористых материалов, получаемые таким методом, имеют невысокие потенциалы дренирования макропор, больше соответствующие реальной структуре этих объектов.
Второй фактор, контролирующий гидрологическую функцию детрита, а именно — его устойчивость к разложению и скорость оборота в лесных экосистемах, изучен более полно. Существует множество публикаций о темпах разложения детрита в разных почвенно-климатических условиях (см., например, обзор в [Смагин, 2012]). В опытах по минерализации торфа различных болотных экосистем от тропиков до северных широт величина характерного времени разложения (период полураспада) оценивается в 5-50 лет [Трибис, 1990; Мигазауаша, АЬи Вакаг, 1996]. Подавляющее большинство растительных остатков, поступающих в почву и формирующих горизонты подстилки, разлагается еще быстрее [Гришина и др., 1990; Трофимов и др., 1998; Smagin е! а1., 2018]. Величина подстилочно-опадно-го коэффициента, оценивающая в первом приближении время оборота углерода детрита, варьирует от 0,2 до 25 лет. Однако в природных ландшафтах этот процесс компенсируется поступлением свежих порций детрита из растительного блока, что достаточно быстро, соизмеримо с генерацией одного поколения леса, формирует устойчивое стационарное состояние с практически неизменной мощностью (запасом) подстилки на поверхности лесной почвы [Смагин, 2012]. Для искусственно создаваемых почвенных объектов, например в урбоэкосистемах, такого источника нет, поэтому слои детрита (торфа) в виде «плодородных горизонтов» для озеленения быстро минерализуются, и на их место приходится завозить новые порции детрита для поддержания экологических функций конструктозема, включая гидрологическую. Масштаб такой интродукции в столичном мегаполисе показан в работе [Брянская и др., 2020] и характеризуется порядком 1 млн м3-год-1.
Предложенный в [Смагин, 2012; Smagin е! а1., 2018] технологический способ удаления органических почвомодификаторов с поверхности на расчетную глубину гарантирует повышение их устойчивости к биодеградации и соответствующее пролонгирование срока службы таких материалов в почвенных конструкциях. Помимо наших прямых экспериментальных исследований, эффективность такого способа косвенно подтверждается изучением влияния пескования на углеродный баланс и устойчивость торфяных почв, например в [Бамба-лов, 1984]. Важно отметить, что и технологическое моделирование (рис. 4), и экспериментальные испытания (рис. 5-7) подтвердили столь же высокую эффективность детрита в формировании гидрологической функции слоистых конструктоземов с внедрением материала внутрь почвенной толщи, как и при его расположении на поверхности (рис. 3). Значит, в технологиях озеленения, особенно
при подготовке посадочных ям для древесной и кустарниковой растительности, можно рекомендовать именно такой вариант почвенных конструкций вместо традиционного мульчирования торфом приствольных кругов. Если мульчирование служит лишь для снижения испарения и достаточно бесполезно для прямого водоснабжения корней саженцев, находящихся на удалении от поверхности, то внедрение слоев детрита в почвенную толщу формирует систему капиллярных барьеров, эффективно перехватывающих влагу осадков и полива и блокирующих их капиллярное рассасывание с непродуктивными потерями на сток и физическое испарение [Smagin е! а1., 2022].
Выявленная в работе высокая эффективность конструктоземов с внедренными слоями детрита в поддержании роста и развития древесных саженцев на примере требовательной к водному режиму культуры голубой ели связана с оптимизацией корневого водопотребления. На одну единицу фотосинтетической продукции растения вынуждены тратить от 200-400 (деревья, кустарники) до 700-1000 (травы) и более единиц транспирационной влаги [Смагин, 2012]. По правилу Вальтера [Мигунова, 1993] в районах с количеством осадков менее 600 мм одна тонна фотосинтетической продукции создается на каждые 100 мм осадков, или 1000 т-га-1 воды. По данным лесохозяйственного районирования [Молчанов, 1960], ареал наиболее толерантной к водному режиму почвы хвойной породы сосны обыкновенной ограничен на юге изолинией осадков 300 мм. Сходную информацию приводит Е.С. Мигунова [1993], констатируя, что леса обычно не заходят в районы, где выпадает менее 400 мм осадков; при доступной влаге менее 300 мм естественные леса отсутствуют, а искусственные посадки неустойчивы и недолговечны. Эта информация объясняет эффективное воздействие детритных прослоев на фитопродуктивность голубой ели, полученное в экспериментах. Задерживая в ризосфере саженцев воду осадков и полива, слои торфа оптимизируют корневое водопотребление (транспирацию), а они в свою очередь напрямую определяют фитопродуктивность (прирост) растения, что и наблюдалось в действительности. Поэтому 1,5-2,3-кратное увеличение корневого водопоглощения под действием одно- и двухслойных почвенных конструкций, полученное на этапе технологического проектирования (рис. 4), закономерно привело к столь же высокому (1,2±0,2 и 2,7±0,5) повышению текущего прироста саженцев в слоистых почвенных конструкциях по сравнению с контролем.
Заключение
Гидрологическая функция детрита в природных и искусственно создаваемых почвах и ландшафтах обусловлена его уникальными гидрофизическими характеристиками в виде высокой водоудержива-
ющей способности в большом диапазоне варьирования давлений почвенной влаги наряду с хорошей водопроницаемостью. Она сводится к быстрому заполнению и последующему удержанию (перехвату) влаги осадков и полива в доступном для растений виде с соответствующей оптимизацией корневого водопотребления и фитопродуктивности. Компьютерная имитация гидрологической функции детрита и ее последующее практическое тестирование в технологии конструирования почвы для саженцев хвойных древесных культур (на примере голубой ели Glauca) показали возможность 1,5-3-кратного сокращения непродуктивных водных потерь и увеличения запасов доступной влаги с 1,5-2,0-кратным повышением интенсивности корневого потребления и 1-2 прослоев детрита в виде низинного торфа на расчетные глубины в профиле песчаной дерново-подзолистой почвы. Физическим механизмом гидрологической функции детрита является формирование влаго-аккумулятивных капиллярных барьеров, перехватывающих инфильтрационный сток и блокирующих непродуктивные водные потери на испарение и капиллярное рассасывание влаги, при поверхностном расположении подстилки лесных ландшафтов или внутри почвы в случае искусственных слоистых конструктоземов.
Информация о финансировании работы
Компьютерное моделирование в среде HYDRUS и эксперименты со слоистыми почвенными конструкциями на объекте ИЛАН РАН в Серебряно-борском опытном лесничестве выполнены при финансовой поддержке междисциплинарного проекта РНФ № 23-64-10002; лабораторный анализ ОГХ и Кф образцов, а также статистическая обработка данных проведены в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации «Физические основы экологических функций почв: технологии мониторинга, прогноза и управления».
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бамбалов Н.Н. Баланс органического вещества торфяных почв и методы его изучения. Минск, 1984.
2. Брянская И.П., Васенев В.И., Брыкова Р.А. и др. Анализ ввозимых почвогрунтов для прогнозирования запасов углерода в почвенных конструкциях Московского мегаполиса // Почвоведение. 2020. № 12.
3. Вадюнина А.Ф., КорчагинаЗ.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М., 1973.
4. Дунаев А.И. Оценка изменения коэффициента фильтрации торфа при его осушении // Вестн. Брянской сельхозакадемии. 2013. № 5.
5. Гамаюнов Н.И. Тепломассоперенос в открытых системах. Тверь, 2009.
6. Гришина Л.А., Копцик Г.Н., Макаров М.И. Трансформация органического вещества почв. М., 1990.
7. Маслов Б.С. Гидрология торфяных болот. Томск, 2008.
8. Мигунова Е.С. Леса и лесные земли. М., 1993.
9. Молчанов А.А. Гидрологическая роль леса. М., 1960.
10. Рысин Л.П. Сложные боры Подмосковья. М.,
1969.
11. Смагин А.В. Теория и практика конструирования почв. М., 2012.
12. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Назарова Т.В. и др. Влияние органического вещества на водоудерживаю-щую способность почв // Почвоведение. 2004. № 3.
13. Судницын И.И. Движение почвенной влаги и во-допотребление растений. М., 1979.
14. Терлеев В.В., Гиневский Р.С., Лазарев В.А. и др. Функциональное представление гидрофизических свойств почвы и его верификация // Агрофизика. 2020. № 2.
15. ТрибисВ.П. Оценка скорости минерализации органического вещества торфяных почв // Почвоведение. 1990. № 2.
16. Трофимов С.Я., Вотнер П., Куту М.М. Разложение органического вещества лесных почв в лабораторных условиях // Почвоведение. 1998. № 12.
17. Шеин Е.В., Позднякова А.Д., Шваров А.П. и др. Гидрофизические свойства высокозольных низинных торфяных почв // Почвоведение. 2018. № 10.
18. Gruda N. Sustainable peat alternative growing media // Acta Horticulturae. 2012. Vol. 927.
19. Markoska V., Spalevic V., Lisichkov K. et al. Determination of water retention characteristics of perlite and peat // Agriculture & Forestry / Poljoprivreda i Sumarstvo. 2018. Vol. 64 (3).
20. Murasyama S., Abu Bakar Z. Decomposition of tropical peat soils // JARQ. 1996. Vol. 30.
21. Rabbel I., Bogena H., Neuwirt B. et al. Using Sap Flow Data to Parameterize the Feddes Water Stress Model for Norway Spruce // Water. 2018. Vol. 10.
22. Simunek J., van Genuchten M.Th., Sejna M. The HYDRUS software package for simulating two- and three-dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in variably-saturated media. Technical Manual, Version 1.0 // PC Progress, Prague, Czech Republic, 2006.
23. Smagin A.V., Sadovnikova N.B., Vasenev V.I. et al. Biodegradation of Some Organic Materials in Soils and Soil Constructions: Experiments, Modeling and Prevention // Materials. 2018. Vol. 11(10).
24. Smagin A.V., Sadovnikova N.B., Belyaeva E.A. et al. Capillary Effects in Polydisperse Systems and Their Use in Soil Engineering // Eurasian Soil Science. 2021. Vol. 54, № 9.
25. Terleev V., Nikonorov A., Badenko V. et al. Modeling of hydrophysical properties of the soil as capillary-porous media and improvement of Mualem-Van Genuchten method as a part of foundation arrangement research // Advances in Civil Engineering. 2016. Vol. 2016. Article ID 8176728.
26. Umarova A.B., Arkhangelskaya T.A., Suslenkova M.M. et al. Artificial soils for urban greening // IOP Conf. Series: Earth and Environ. Sci. 2021. Vol. 862.
Поступила в редакцию 28.07.2023 После доработки 21.08.2023 Принята к публикации 29.08.2023
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2023. Т. 78. № 4 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2023. Vol. 78. No. 4
SIMULATION MODELING AND PRACTICAL USE OF THE HYDROLOGICAL FUNCTION OF DETRITUS IN SOIL ENGINEERING TECHNOLOGIES
A. V. Smagin, N. B. Sadovnikova, E.A. Belyaeva, K.V. Korchagina, V.N. Krivtsova
The high water retention and water capacity functions of detritus determine its potential hydrological significance in the formation of the water regime of soils and phytoproductivity of forest landscapes. Using computer modeling of water exchange in the "soil-plant-atmosphere" HYDRUS-1D system, we preliminary studied the hydrological function of detritus for water retention of precipitation and root water consumption at different amounts and variants of the arrangement of detritus layers in the soil profile. The soil structures designed on the basis of this information for sustainable afforestation with increased carbon sequestration demonstrated in field experiments with water balance monitoring high efficiency in optimizing the water retention capacity of the soil and roots water consumption of the test crop (Glauca spruce) with a 2-3-fold reduction in unproductive water losses and a 1.5-2-fold increase in the current plant growth relative to untreated control. The physical mechanism of the detritus hydrological function is the formation of capillary barriers blocking evaporation and capillary resorption of soil water due to due to surface accumulation (forest litter) or placement in layers inside the soil (peat layers in constructosems).
Keywords: biodegradation, gel-forming soil conditioners, incubation experiment, biological oxygen uptake, biological kinetics, process modeling.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Смагин Андрей Валентинович, докт. биол. наук, профессор кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: smagin@list.ru
Садовникова Надежда Борисовна, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: nsadovnik@rambler.ru
Беляева Елена Александровна, аспирант ИЛАН РАН, e-mail: lllol871990@mail.ru
Корчагина Кристина Викторовна, канд. биол. наук, уч. секр. ИЛАН РАН, e-mail: korchagina@ilan.ras.ru.
Кривцова Виктория Николаевна, аспирант кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: owl-cat@mail.ru
© Smagin A.V., Sadovnikova N.B., Belyaeva E.A., Korchagina K.V., Krivtsova V.N., 2023
