CC BY
166
Вестник Челябинского государственного университета. 2010. № 8 (189). Экология. Природопользование. Вып. 4. С. 46-51.
Г. А. Панов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАзАтЕЛЕй ИНФИЛКГРАЦИИ ПОчВЕННОй ВЛАГИ
в культурных ландшафтах южного урала
Приведены методика определения инфильтрации почвенной влеги и алгоритм её расчёта по доступной информации сети агрометеостанций и водно-физическим свойствам почв. Выполнен аналитический обзор значений инфильтрации в суглинках юго-востока Европейской части России в условиях сухой степи и полупустыни. Измерены значения инфильтрационных потерь за пределы биологически активного слоя чернозёма Южного Урала. Определены многолетние средние показатели инфильтрации в зависимости от водно-физических свойств чернозёма, видов агрофитоценозов, степени гидроморфизма мелиогенных типов почв.
Ключевые слова: мелиорация, инфильтрация почвенной влаги, биологически активный слой чернозёма.
Инфильтрация почвенной влаги играет большую роль в процессах почвообразования, оказывает значительное влияние на эволюцию почв, обусловливает питание подземных вод. Её определение необходимо при разработке региональных систем природопользования и при-родообустройства. В связи с этим экспериментальные исследования, разработка расчётного метода её определения и определение показателей инфильтрации за пределы биологически активного слоя чернозёма и мелиогенных почв различной степени гидроморфизма в культурном ландшафте представляют актуальную проблему.
методика исследований. Исследования инфильтрационных потерь почвенной влаги проводили в лизиметрах «ГР-80» и испарителях [1-3] на специально оборудованной водно-балансовой площадке в условиях лесостепной и степной зон Южного Урала. Лизиметры и испарители были «заряжены» монолитами чернозёма выщелоченного среднемощного сред-негумусного среднесуглинистого и чернозёма обыкновенного среднемощного среднегумус-ного тяжелосуглинистого. Моделирование мелиогенных почв различной степени гидроморфизма выполнялось заданием различных (индикаторных) уровней грунтовых вод (УГВ). Были заданы следующие уровни грунтовых вод: 1,0; 1,5; 2,0 и 2,5 м. Инфильтрация определялась по отобранному объёму воды для поддержания заданного уровня. Атмосферные осадки и поливные нормы измерялись соответственно дождемером Третьякова на метеорологической площадке и дождемером Давитая на водно-балансовой площадке. В лизиметрах и испарителях высаживались и высевались те же сельскохозяйственные культуры, что и культуры, растущие
вокруг лизиметров. Алгоритм расчёта инфильтрации имел следующий вид:
J = Wk - Жп, (1)
где / — инфильтрация за пределы биологически активного слоя почвы, мм; Жк — запасы влаги в биологически активном слое почвы на конец расчётного периода, мм; Жп — запасы влаги в биологически активном слое почвы на начало расчётного периода, мм. Расчётный период принимался равным: 1 суткам, пятидневке, декаде.
Запасы влаги в биологически активном слое почвы на конец расчётного периода рассчитывались по уравнению профессора С. И. Харченко
И: '
где Ео — оптимальная эвапотранспирация за расчётный период, мм; 2Жнв — удвоенный запас влаги в биологически активном слое, соответствующий наименьшей влагоёмкости, мм; Х — атмосферные осадки за расчётный период, мм; К — капиллярный приток влаги от грунтовых вод за расчётный период, мм; М — оросительная норма за расчётный период, мм.
Оптимальная эвапотранспирация рассчитывалась по уравнению
Ео = Еи х а, (3)
где Еи — испаряемость за расчётный период, мм; а — биологический параметр, отражающий особенности агрофитоценоза, вязкость почвенной влаги и осмотическое давление почвенного раствора [4].
Капиллярный приток влаги от грунтовых вод рассчитывался по формуле
К = Ео х kг, (4)
где к — коэффициент использования грунтовых вод [2; 5].
Оросительная норма за расчётный период определялась как дефицит водопотребления агрофитоценоза по формуле
De = Ео - Х- К (5)
или как интегральная величина поливных норм, выполненных за расчётный период:
М = 1т, (6)
где 1т — сумма поливных норм за расчётный период, мм.
Поливная норма рассчитывалась по формуле
т = кв(Жнв - Жврк), (7)
где к — мощность биологически активного слоя почвы, см; в — плотность сложения биологически активного слоя, г/см3; Жврк — предполивная влажность биологически активного слоя, соответствующая влажности разрыва капиллярных связей, мм.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований. Ландшафт культурный (от лат. сиЬига — возделывание, обрабатывание и от нем. Landschaft — край, страна, пейзаж, вид) — ландшафт, сознательно изменённый хозяйственной деятельностью человека для удовлетворения своих потребностей, отвечающий экологическим, инженерно-техническим, эстетическим и социальным требованиям, постоянно поддерживаемый человеком в нужном для него состоянии и способный продолжать выполнение функций воспроизводства здоровой среды [6].
Инфильтрация — это один из процессов переноса массы вещества и энергии в почвенном профиле, зоне аэрации, заполненных различными веществами, которые могут находиться в твёрдом, жидком и газообразном состояниях [7-9]. По исследованию инфильтрации опубликовано несколько тысяч научных статей, но, невзирая на это, нет оснований считать, что процессы переноса массы вещества и энергии в почвах хорошо изучены.
В процессе исследований кроме сугубо прикладных задач нами ставились задачи моделирования вертикального влаго-солеобмена в зоне
аэрации ирригационно-гидроморфных почв. В связи с этим возникла необходимость дополнительного изучения физической сущности процесса взаимодействия нисходящего потока влаги с растворимыми веществами, находящимися в почвенном профиле. Нами установлено, что вертикальный обмен влагой, веществом и энергией между приземным слоем атмосферы и почвой, между биологически активным слоем почвы и горизонтом грунтовых вод — это всего лишь частный случай нисходящей и капиллярно-восходящей форм инфильтрации.
При изучении влагооборота в чернозёме и ир-ригационно-гидроморфных почвах акцентировалось внимание на актуальности изучения свободной инфильтрации, протекающей после стадии впитывания свободной воды в почву под влиянием продолжительных атмосферных осадков и избыточных норм поливов. На первый взгляд, безобидное просачивание почвенной влаги при избыточном поступлении воды в почву порождает грозное явление подъёма уровня грунтовых вод и подтопления территории, сопровождающегося деградацией почв, частичной, а иногда и полной утратой плодородия орошаемого чернозёма, переходом чернозёма в различной степени гидроморфизма ирригационно-гидроморфные почвы. Согласно обследованиям почвенно-мелиоративного состояния, выполненным Челябинской гидрогеолого-мелиоративной партией [10], из общей площади орошаемых почв в состоянии подтопления с превышением критической глубины залегания УГВ находилось примерно 33 % орошаемых земель области.
В отдельных случаях почвообразование можно рассматривать как соотношение процессов выноса и аккумуляции вещества и энергии [7]. Процессы выноса вещества и энергии как из отдельно взятого генетического горизонта, так и из почвенного профиля в целом определяются безнапорной нисходящей инфильтрацией почвенной влаги.
Под безнапорной нисходящей инфильтрацией понимается: процесс образования в генетических горизонтах воды в количестве, превышающем водоудерживающую способность генетического горизонта, переходящую в категорию свободной гравитационной воды, передвигающейся под воздействием силы тяжести в нисходящем направлении [7-9].
Инфильтрация как процесс, определяющий вынос вещества и энергии, формируется при пе-
реходе почвенной влаги из категории рыхлосвязанной в категорию свободной гравитационной. Переход почвенной влаги из одной категории в другую протекает постепенно, последовательно, от одного слоя к другому, сверху вниз при условии, если на поверхность почвы поступает свободная вода атмосферных осадков или оросительная вода при поливах.
Под влиянием выпадения атмосферных осадков или оросительных мелиораций, а иногда и при их совместном воздействии происходит постепенное насыщение почвы свободной водой. Вначале происходит насыщение водой верхнего десятисантиметрового слоя: его влажность постепенно возрастает, а почвенная влага переходит из категории прочносвязанной в рыхлосвязанную. При превышении влажностью почвы этого слоя наименьшей влагоёмкости почвенная влага переходит в категорию свободной гравитационной. Инфильтрация почвенной влаги протекает при категории «свободная гравитационная вода», следовательно, сквозное промачивание почвенного профиля обусловливается процессом инфильтрации.
Количественная характеристика инфильтра-ционных потерь влаги зависит от мощности биологически активного слоя, его гранулометрического состава, структурности, от его исходной влажности, от количества поступившей в почву воды с атмосферными осадками или поливами, от видового состава фитоценоза [11-12]. В процессе исследований нами установлено, что средней из максимальных глубин промачивания почвенного профиля чернозёма выщелоченного является 70^100 см. Максимальная глубина проникновения корней естественных и культурных фитоценозов, как показали наши исследования, ограничивается 100 см. Распределение массы корней в метровой толще почвенного профиля, представленного совокупностью генетических горизонтов А + В чернозёма выщелоченного, неоднородное. В биологически активном слое чернозёма выщелоченного (0-45 см) находится до 95 % от общей массы корней, а в горизонте В (45-100 см) — около 5 % массы корней. Средняя из максимальных глубин промачивания почвенного профиля чернозёма обыкновенного составила 45^65 см. В чернозёме южном она составила <45 см. Средняя из максимальных глубин промачивания определяет мощность карбонатно-иллювиального горизонта почвенного профиля южноуральского чернозёма. Распределение
корней в почвенном профиле чернозёма обыкновенного и южного аналогично распределению корней в чернозёме выщелоченном. Примерно 95 % от общей массы корней сконцентрировано в биологически активном слое, и оставшиеся 5 % находятся в генетическом горизонте В. Мощность биологически активного слоя в чернозёме не выходит за пределы 45 см, если чернозём не подвержен эрозии. В эродированных чернозёмах мощность биологически активного слоя уменьшается в соответствии с уменьшением гумусово-аккумулятивного горизонта А под влиянием эрозии. Распределение массы корней растительных сообществ или отдельных видов растительности определяет слой интенсивного иссушения почвы, её биологически активный слой. Этот слой почвы аккумулирует основную массу воды атмосферных осадков и поливов, приходящихся на стадию её впитывания, по завершении которой собственно и формируется процесс инфильтрации. Эти исследования имеют большое прикладное значение не только для регулирования водного режима почв, но и при природообу-стройстве техногенных ландшафтов лесостепной и степной зон Южного Урала. Мы считаем, что при рекультивации нарушенных хозяйственной деятельностью земель необходимо моделировать мощность и строение почвенного профиля зональных типов почв и просчитывать вероятность, а также объёмы инфильтрационного стока, прогнозные объёмы выносимых утилизируемых токсических веществ в подземные воды.
При поступлении свободной воды на поверхность почвы она отдаёт в почву или принимает от неё тепловую энергию. В отдельных случаях вода отдаёт тепло почве, в других — поглощает его. Теплообмен протекает постепенно, последовательно от одного слоя к другому, от одного генетического горизонта к другому. По аналогии с тепловой энергией протекает обмен растворимыми веществами, например, солями [9].
Объём инфильтрации за пределы биологически активного слоя почвы и питание ими грунтовых вод зависит и от климата. По данным
А. В. Лебедева, приведённым в [1], максимальные объёмы инфильтрации наблюдаются в зонах тундры, тайги и лиственных лесов, и там её показатели превышают 75-100 мм в год. По мере движения с севера на юг объем инфильтрации постепенно снижается, достигая 1,5-2,5 мм в год в полупустынной и пустынной зонах. Отношение инфильтрационного питания грунтовых вод за
счёт атмосферных осадков к сумме атмосферных осадков за этот же период называется коэффициентом инфильтрации осадков, который выражается в процентах. По данным А. В. Лебедева, коэффициент инфильтрации в степной, полупустынной зоне юго-востока Европейской части РФ зависит ещё и от степени гидроморфизма почв [1]. Резкое уменьшение коэффициента инфильтрации наблюдается при УГВ 5-6 м и ниже, составляя примерно 14 %; при УГВ ниже 10-12 м он составляет около 6 %; при УГВ 3,0 м — 30 %, при УГВ 2,0 м — 42-45 %.
В настоящее время существуют различные варианты моделирования инфильтрации воды в почву. Создана сложная и громоздкая система уравнений тепло-влагопереноса. Однако из-за высокой трудоёмкости получения необходимых коэффициентов и показателей свойств поч-во-грунтов зачастую многие варианты не могут использоваться в практике проектирования и эксплуатации мелиоративных систем, региональных систем природопользования и приро-дообустройства. Если учесть крайне высокую изменчивость трансформированных водных свойств в биологически активном слое южноуральского чернозёма в культурном ландшафте, то инструментальное измерение этих коэффициентов и показателей в процессе почвенных предпроектных изысканий представляется нам абсурдным.
Для этих целей необходим расчётный метод определения безнапорной нисходящей инфильтрации, который был бы максимально приближен к естественному ходу процессов впитывания и просачивания почвенной влаги при существующих технологиях полива в мелиоративном почвоведении культурного ландшафта и в почвенно-климатических условиях реабилитируемых земель техногенного ландшафта.
Этот расчётный метод, по нашему мнению, должен опираться на легкодоступную, стандартную информацию сети агрометеостанций, почвенных изысканий под проектирование мелиоративных систем, региональных систем природопользования и природообустройства.
С учётом роли инфильтрационных потерь почвенной влаги в процессах почвообразования, эволюции почв, в питании подземных вод и формировании временных верховодок, горизонтов грунтовых вод нами выполнены исследования динамики влажности в биологически активном слое ирригационно-гидроморфных почв, а также
в зоне КК грунтовых вод. Моделирование проводили в лизиметрах, а апробацию — на почвах различной степени гидроморфизма на водно-балансовых площадках экспериментального участка.
Исследования показали, что наиболее динамично изменяются запасы влаги в биологически активном слое мелиогенных почв. Размах варьирования измеренной влажности в нём наблюдался от влажности устойчивого завядания растений (WВУЗ) до капиллярной влагоёмкости этих почв (WКВ). В зоне КК запасы влаги находятся в динамично изменяющемся состоянии после выпадения осадков и проведения поливов или равновесном состоянии в длительные межпо-ливные и бездождные интервалы времени. Они незначительно увеличиваются при выпадении атмосферных осадков, при проведении поливов и уменьшаются относительно эпюры равновесной влажности в длительные бездождные, меж-поливные интервалы по мере падения уровней грунтовых вод.
Для расчёта объёма инфильтрационных потерь влаги необходимым условием является наличие информации о динамике влажности в биологически активном слое, о поступлении свободной воды в почву с осадками и поливами в суточном цикле. Использование в расчётах инфильтрации пятидневных, декадных циклов увеличивает погрешность её определения.
Инструментальное измерение влажности почвы — мероприятие трудоёмкое, и оно не даёт необходимой информации, так как влажность в различных участках севооборотного поля из-за высокой микропестроты распределения водных свойств мелиогенных почв сильно варьирует. Хорошие результаты показывает предложенный нами расчётный метод определения влажности по уравнениям (1)-(7).
Согласно расчётной схеме её определения на начало периода наблюдений запасы влаги в зоне аэрации измеряются инструментально. Суточная динамика влажности в биологически активном слое почвы просчитывается по уравнению водного баланса (2). В случае если Wк > Wнв, то безнапорная нисходящая инфильтрация рассчитывается по формуле (1). Ошибка расчёта не превышает 8,5-10,8 % от измеренной величины запасов влаги в биологически активном слое почвы. С помощью расчётного метода была определена инфильтрация почвенной влаги для условий среднего года (таблица).
Показатели инфильтрации почвенной влаги
Элемент водного баланса Уровень грунтовых вод, м
1 1,5 2 3 3,5 <5
Кормовые корнеплоды
Сумма осадков, мм 205 205 205 205 205 205
Оросительная норма, мм 162 162 162 162 162 162
Инфильтрация, % от Х 24,0 9,0 3,0 2,8 2,5 1,8
Инфильтрация, % от М 88,0 49,0 30,0 25,0 23,0 3,18
Инфильтрация, % от Х + М 55,0 31,0 19,0 11,0 10,4 8,0
Многолетние травы
Сумма осадков, мм 180,8 180,8 180,8 180,8 180,8 180,8
Оросительная норма, мм 171,0 171,0 171,0 171,0 171,0 171,0
Инфильтрация, % от Х 8,0 7,0 6,0 3,8 3,2 2,6
Инфильтрация, % от М 53,6 49,6 41,0 27,0 23,0 23,0
Инфильтрация, % от Х + М 26,0 24,0 20,0 13,0 11,0 9,0
Яровые зерновые
Сумма осадков, мм 153,7 153,7 153,7 153,7 153,7 153,7
Оросительная норма, мм 126,0 126,0 126,0 126,0 126,0 126,0
Инфильтрация, % от Х 29,7 14,5 10,0 4,6 4,0 2,9
Инфильтрация, % от М 82,0 53,1 38,6 18,0 16,0 11,0
Инфильтрация, % от Х + М 46,6 23,9 17,3 8,0 7,0 5,0
Кукуруза на силос
Сумма осадков, мм 196,3 196,3 196,3 196,3 196,3 196,3
Оросительная норма, мм 126,0 126,0 126,0 126,0 126,0 126,0
Инфильтрация, % от Х 17,8 3,5 1,0 1,0 1,0 0,5
Инфильтрация, % от М 88,9 56,3 23,2 18,0 15,0 10,0
Инфильтрация, % от Х + М 34,7 22,0 9,1 7,0 6,0 4,0
Выводы. 1. Потери почвенной влаги на инфильтрацию за пределы биологически активного слоя чернозёма неизбежны и обусловлены неравномерным распределением атмосферных осадков во времени и пространстве. Естественные потери почвенной влаги на инфильтрацию составляют до 3 % от суммы атмосферных осадков и возрастают при проведении ирригации почв в условиях устойчивого дефицита водопотребле-ния фитоценозов в культурном ландшафте.
2. Инфильтрационные потери почвенной влаги в автоморфных почвах без искусственного регулирования водного режима достигают 3 % от суммы атмосферных осадков, а при ирригации чернозёмов они увеличиваются от 4 до 9 % от суммы атмосферных осадков и оросительной нормы. В ирригационно-гидроморфных почвах инфильтрационные потери осадков и оросительной воды достигают 55 %.
3. Материалы исследований могут быть использованы как при проектировании культурно-
го ландшафта с мелиорацией почв, так и в проектах природообустройства ландшафтов, нарушенных хозяйственной деятельностью человека.
Список литературы
1. Кац, Д. М. Мелиоративная гидрогеология / Д. М. Кац, В. М. Шестаков. М. : Изд-во МГУ, 1981. 296 с.
2. Панов, Г. А. Лизиметрические установки Челябинской опытно-мелиоративной станции Урал-НИИВХ / Г А. Панов // Лизиметрические исследования в России : сб. науч. публ. М. : НИИСХ ЦРНЗ, 2004. С 187-190.
3. Харченко, С. И. Водно-солевой баланс орошаемых земель Южного Казахстана / С. И. Харченко, И. А. Канн. Л. : Гидрометеоиздат, 1977. 280 с.
4. Панов, Г. А. Зависимость эвапотранспира-ции сельскохозяйственных культур от гидротермического и солевого режимов почв / Г. А. Панов // Проблемы аграрного сектора Южного Урала и
пути их решения : сб. науч. тр. Челябинск : Изд-во ЧГАУ, 2002. С. 110-115.
5. Панов, Г А. Капиллярный приток влаги от грунтовых вод как фактор режимов почвообразования / Г. А. Панов // Проблемы аграрного сектора Южного Урала и пути их решения : сб. науч. тр. Вып. 2. Челябинск : Изд-во ЧГАУ, 2000. С. 93-100.
6. Козин, В. В. Геоэкология и природопользование / авт.-сост. В. В. Козин, В. А. Петровский // Понятийно-терминологический словарь. Смоленск : Ойкумена, 2005. 576 с.
7. Кулик, В. Я. Инфильтрация воды в почву /
В. Я. Кулик. М. : Колос, 1978. 93 с.
8. Базилевич, Н. И. Миграция веществ с поверхностными и гравитационными водами в почвах геохимически сопряжённых ландшафтов Барабы / Н. И. Базилевич, В. М. Курачев // Почвоведение. 1982. № 11. С. 3-15.
9. Панов, Г. А. Метод определения инфильтра-ционного выноса солей с мелиорируемых земель / Г А. Панов // Регулирование водно-солевого режима почв. Красноярск, 1982. С. 71-74.
10. Панов, Г. А. Проблемы оросительной мелиорации на Южном Урале / Г А. Панов // Проблемы оросительных мелиораций и водного хозяйства Южного Урала. Челябинск, 1991. С. 3-19.
11. Панов, Г. А. Мощность биологически активного слоя чернозёма обыкновенного / Г. А. Панов // Проблемы аграрного сектора Южного Урала и пути их решения : сб. науч. тр. Челябинск : Изд-во ЧГАУ, 1999. Вып. 1. С. 87-94.
12. Панов, Г. А. Временные методические рекомендации по расчёту экологически обоснованных норм водопотребности для орошения на Южном Урале / Г. А. Панов. Челябинск, 1991. 71 с.
