CC BY
25
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2012, том 18, № 1 (50), с. 47-59
УДК 631.425:914/919(517.3)
ОПЫТ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОДОВОГО ГИДРОТЕРМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ТЕМНО-КАШТАНОВЫХ ПОЧВ ЦЕНТРАЛЬНОЙ МОНГОЛИИ
© 2012 г. С.Н. Бажа, П.Д. Гунин, С.В. Концов
Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН Россия, 119071 Москва, Ленинский проспект, д. 33. E-mail: monexp@mail.ru
Поступила 22.09.2011
В статье рассматривается годовая динамика влажности и температуры темно-каштановых почв на трех модельных полигонах Центральной Монголии, относящихся к зоне рискованного земледелия. Сравнительный анализ основных характеристик гидротермического режима (естественная влажность, влагозапасы, суммы отрицательных и положительных температур, температурные градиенты почв) позволил детально дифференцировать годовой гидротермический режим почв на периоды расходования, накопления и сохранения тепла и влаги. На основе смены направления вертикальных температурных градиентов выявлены в динамике критические циклы, определяющие в целом эффективность функционирования растительных сообществ для данного типа почв. Ключевые слова: Центральная Монголия, темно-каштановые почвы, запас влаги, миграция влаги, гидротермический режим, вертикальный температурный градиент, динамика влагозапасов, разнотравно-злаковая степь.
Задача увеличения продуктивности сельского хозяйства к настоящему времени стала мировой. Для многих стран и регионов её выполнение требует, наряду с решением множества биологических вопросов, дальнейшего изучения годового гидротермического режима почв, задействованных в сельскохозяйственном производстве, поскольку именно от гидротермического режима почв во многом зависит эффективность растениеводства. Всё это в полной мере относится и к Монголии с её развивающимся богарным земледелием и традиционным пастбищным животноводством, использующими в основном каштановые почвы, годовой гидротермический режим которых изучен еще недостаточно. Актуальность исследований в этом направлении становится тем более очевидной, что в последние десятилетия стали нередкими летние сезоны с дефицитом почвенной влаги или с дефицитом тепла, снижающим сельскохозяйственную продуктивность.
Изучению естественной влажности почв Монголии в вегетационной (летний) период за последние 30 лет уделялось значительное внимание, о чём свидетельствует целый ряд публикаций на эту тему (Почвенный покров ..., 1978; Ногина и др., 1989; Убугунова и др., 1995; Худяков, 2009 и др). Что же касается влагосодержания почв и распределения влаги по почвенному профилю в остальные сезоны года (зимний, весенний и осенний), то исследований в этом направлении почти не проводилось. Лишь некоторые сведения по этим вопросам имеются в монографии И. А. Банниковой (2003) и нескольких публикациях С.В. Максимовича (1986; 2011). Причиной такого пробела в изученности почв Монголии является сложность организации и трудоёмкость почвенных исследований в суровых зимних условиях.
По этим же причинам до настоящего времени остаётся также слабо изученным годовой температурный режим почв Монголии, в том числе и каштановых. Некоторые данные о температурном режиме почв можно найти лишь в немногих публикациях, например, в работе О.И. Худякова (2009), но и здесь наблюдения заканчиваются тёплым периодом, а сведения о зимнем температурном режиме ограничиваются в основном указанием глубины промерзания почв.
Таким образом, до настоящего времени нет общей картины годового гидротермического режима почв Монголии. В связи с этим в 2009-2010 гг. в рамках программы работ Совместной Российско-Монгольской комплексной биологической экспедиции РАН и АНМ были проведены исследования гидротермического режима каштановых почв Центральной Монголии, находящихся в условиях различных режимов использования.
Объекты и методы исследований
Изучение годового гидротермического режима каштановых почв включало три основных направления:
- изучение годового режима влажности и влагозапасов почв на пастбищных и богарных землях с выявлением сезонности в распределении влаги по почвенному профилю;
- изучение годового температурного режима почв путем анализа годового хода температуры почвы на разных глубинах и годового хода вертикального температурного градиента (ВТГ) почвы - главного фактора вертикальной миграции влаги по почвенному профилю;
- анализ взаимосвязей годового режима влажности почв и годового хода температуры почвы, в т.ч. в зависимости от хода ВТГ.
Для выполнения исследований были выбраны несколько полигонов в различных частях лесостепного пояса западных и южных среднегорных отрогов Хэнтэйского нагорья в Центральной Монголии (табл. 1).
Таблица 1. Краткая характеристика полигонов для изучения гидротермического режима почв. Table 1. Brief characteristics of the sites for hydrothermal soil regime study.
Индекс полигона Координаты, абс. высота, м Местоположение и хозяйственное использование
Х-1 49° 14' 24.6" с.ш. 106° 00' 57.1" в .д., 787 Делювиальный шлейф, трехлетняя залежь с однолетниками
X-2 49° 14' 28.2" с.ш. 106° 01' 03.5" в.д., 787 Делювиальный шлейф, зимнее пастбище - луговая степь разнотравно-вострецовая
X-3 49° 14' 26.6" с.ш. 106° 00' 56.4" в.д., 787 Делювиальный шлейф, поле пшеницы
BN-2 48° 25' 00" с.ш. 106° 11' 21.7" в .д., 1062 1-я надпойменная терраса р. Шивэр, заповедный, луговая разнотравно-осоковая степь
GA 48° 00' 35.2" с.ш. 107° 12' 32.3" в .д., 1507 Слабонаклонный конус выноса, заповедный, луговой разнотравно-ковыльно-осоковый.
.1очва
Название
Глубина до карбонатного гор-та, см
ая . Н m
см ис
« -с к е
^ -Ч
« о 1
Й И (N
о ^ лс е
и в
о
ота
в
е л
3
п
в о анот
Ü В 'S
w S § к- ан
ч с
е
е
е ^ Н ^О
60 - 70
30 - 40
70 - 110
30 - 35
30 - 35
По климатическим условиям территория характеризуется резкоконтинентальным семиаридным климатом, а регион в целом относится к зоне рискованного земледелия (Панкова, 1974). По условиям влагообеспеченности регион относится к умеренно-влажным 1.1-2.5), а по теплообеспеченности - к умеренно-холодным >10 = 1500-2000) (Атлас МНР, 1990). Годовой режим влажности почв изучался на Хонгорском полигоне, расположенном в 10 км к югу от сомонного центра Хонгор, где в течение 2009-2010 гг. удалось провести исследования осенью, зимой, и летом. Данный полигон располагается на
абсолютной высоте 787 м в межгорном понижении в нижней части длинного делювиального шлейфа с уклоном на запад в 1.5-2 градуса. Делювиальные отложения представлены пылеватыми супесями или легким суглинком с примесью дресвы и щебня скальных пород (преимущественно гранитоидов). На этих отложениях сформировались пылевато-супесчаные темно-каштановые почвы с мощным (до 70 см) гумусовым горизонтом. Глубина залегания карбонатного горизонта варьируется в диапазоне 30-70 см. Этот полигон характерен тем, что на нем соседствуют участки с разными типами землепользования: пашни (поля под яровой пшеницей, участок Х-3), двухлетние залежи с сорными однолетниками (участок Х-1) и пастбище (разнотравно-злаковая степь с преобладанием востреца (Leymus chinensis (Тли.) Т2уе1.) - участок Х-2. Такое соседство позволило произвести единовременное сравнение и выявить различия сезонной динамики влагосодержания в почвах в зависимости от типа землепользования (табл. 1).
Изучение годового режима влажности включало в себя полевые работы с отбором проб почв на естественную влажность и последующую камеральную обработку полученных данных. Методика зимних и летних исследований различалась только технологическими приемами. В ходе летних полевых исследований вручную закладывались почвенные разрезы, делались морфологические описания почв, отбирались пробы на химический и гранулометрический анализы, на естественную влажность, максимальную гигроскопичность и объемный вес. Зимой делалось все то же самое, но поскольку промороженные почвы имели высокую механическую прочность, проходка почвенных шурфов велась не вручную, а с применением отбойного молотка с электроприводом от бензогенератора.
Пробы отбирались через каждые 10 см и сразу взвешивались. Далее в лаборатории они обрабатывались термовесовым методом, после чего определялась естественная влажность проб, максимальная гигроскопичность и объемный вес по методике А.А. Роде (1960; 1965). Для всех исследованных горизонтов рассчитывались показатели общего и «мертвого» запаса влаги, и в конечном итоге, определялся запас продуктивной влаги. Суммирование послойных запасов влаги проводилось для обследованной толщи почвогрунтов (0-60 см), которая в большинстве случаев является корнеобитаемой для травянистых сообществ сухих степей Монголии (Даважамц, 1974).
Полученные результаты определений и расчетов далее сводились в таблицы, на основе которых затем строились диаграммы послойного распределения влагозапасов почв по данным осенних, зимних и летних наблюдений для пашен, залежей и пастбищ. Сведение, таким образом, количественных результатов в определенные диаграммы послужило основой для сравнительного анализа сезонных изменений влагозапасов каштановых почв на пашнях, залежах, пастбищах и заповедных участках (рис. 1).
Изучение температурного режима каштановых почв проводилось с помощью электронных датчиков-самописцев типа ¡ВБЬ производства НТФ «ЭЛиН» (Москва) на специально огражденных и охраняемых участках полигонов Бор-нур и Гачурт (табл. 1). Полигон Бор-нур (ВК-2) расположен на абсолютной высоте 1062 м в 92 км севернее Улан-Батора в широкой горной долине р. Шивэр, на ее правобережной первой надпойменной террасе неподалеку от впадения этой реки в оз. Бор-нур. Полигон представляет собой субгоризонтальную поверхность с пылевато-супесчаными темно-каштановыми почвами с гумусовым горизонтом мощностью около 40 см, непосредственно под которым залегает карбонатный горизонт, где с глубины 60-65 см легкосуглинистый материал сменяется крупным аллювиальным галечником. Участок расположен на месте бывшего пастбища, который уже 2 года огорожен и, следовательно, приобрел условно-заповедный режим с плотным покровом из осочки твердоватой (Carex duriuscula С.А. Меу).
|—| Общий запас влаги, мм н Мертвый запас влаги, мм
Total moisture, mm Unavailable (dead) moisture, mm
Рис. 1. Динамика запасов влаги легкосуглинистых темно-каштановых почв полигона Хонгор в зимний (слева) и летний (справа) периоды. А - участок Х-3 (пашня); В - участок Х-1 (залежь); С -участок Х-2 (пастбище). Fig. 1. Water content dynamics of dark chestnut light loamy soils of the Khongor range in (left) winter and (right) summer periods. А - polygon Х-3 (plowland); В -polygon Х-1 (fallow land); С -polygon Х-2 (pasture land).
Полигон Гачурт (GA) расположен в 25 км на северо-восток от Улан-Батора на высоте 1507 м в широкой горной долине р. Гачурт на правобережной поверхности старого
пролювиального конуса выноса, сложенного полуокатанными галечниками, прикрытыми сверху супесчано-пылеватыми темно-каштановыми почвами с гумусовым горизонтом мощностью около 40 см, под которым залегает карбонатный горизонт из галечникового материала.
Как видно, эти полигоны по многим характеристикам весьма похожи. Кроме того, оба исследуемых полигона, как в Гачурте, так и в Бор-нуре, ранее использовались под пастбище, и только 5 лет назад были огорожены и сейчас имеют условно-заповедный режим. То обстоятельство, что оба полигона огорожены и охраняются, позволило установить здесь температурные приборы и провести непрерывный мониторинг в течение длительного периода.
Таблица 2. Динамика общего запаса влаги в слое 60 см темно-каштановой легкосуглинистой почвы на пашне, залежи и пастбище за период с 23.03. по 1.09. 2010 г. (зима, лето, осень). Table 2. Total water content dynamics in the 60 cm layer in dark chestnut light loamy soil on plowland, fallow land, and pasture land from the period from March 23 to September 1, 2010 (winter, summer, autumn)
Полигоны Общий запас влаги (мм) в верхнем слое почвы Летняя потеря общего запаса влаги, мм (по сравнению с зимой) Прирост общего запаса влаги, мм (по сравнению с летом)
23 - 24.03. 2010 г. (зима) 5.07.2010 г. (лето) 1.09.2010 г (осень)
Х-3. пашня 133.0 48.4 92.9 84.6 44.5
Х-1. залежь 107.9 38.8 111.3 69.1 72.5
Х-2. пастбище 69.5 46.9 75.5 22.6 28.6
Датчики-самописцы температуры были установлены на обоих полигонах на поверхности (0 см) и в вертикальном профиле почв на глубинах 5; 10 (20), 50, 100 и 150 см. При этом температура в профиле почв фиксировалась датчиками ежечасно непрерывно в течение года, записывалась и переносилась на компьютер для ее обработки. На основе полученного массива данных (более 41 тысячи измерений) для каждого из почвенных разрезов были построены графики годового хода температуры почвы для всех глубин, отражающие весь диапазон температурной ритмики почв - от суточной до сезонной.
Для получения более упорядоченной и обобщенной картины годового хода температур почвы на выбранных глубинах весь массив данных был приведен к среднесуточным температурам в табличной форме для каждой из указанных глубин почвенного профиля. Далее массив среднесуточных температур был структурирован по температурным градациям с шагом в 5о С. Это дало возможность выявить для каждой из заданных глубин профиля долгосрочные и короткие более теплые и более холодные внутригодовые периоды, в том числе такие важные для земледелия, как безморозный и холодный периоды, а также периоды с температурами выше +5о С и + 10о С (табл. 2, 3).
Результаты исследований водного режима каштановых почв
Как следует из приведенных диаграмм запасов влаги во всех без исключения почвенных разрезах зимние запасы влаги в целом по почвенному профилю гораздо выше, чем летние, причем иногда - в разы. При этом нередко летние общие запасы влаги оказываются ниже расчетного «мертвого» запаса, что означает дефицит продуктивной влаги в почве (рис. 1).
Сравнивая по представленным диаграммам характер послойного распределения запасов влаги по почвенному профилю, нетрудно заметить, что если в летнее время в целом наблюдается увеличение влагосодержания в почвенном профиле с глубиной, то зимой практически по всем почвенным разрезам наблюдается концентрация почвенной влаги в верхних горизонтах. Это объясняется тем, что при промерзании почвы влага (парообразная и капиллярная) под влиянием вертикального температурного градиента интенсивно перемещается снизу вверх к фронту промерзания (Глобус, Нерпин, 1960; Глобус, 1962). Поэтому, нижний слой, из которого влага мигрировала вверх, оказывается относительно обезвоженным и содержит немного влаги.
Именно такое распределение влаги по почвенному профилю видно на диаграммах залежи (Х-1) и пастбища (Х-2). На диаграмме пашен (Х-3) эта картина размыта, поскольку верхний слой почвы, не прикрытый ни растительностью, ни ветошью, даже зимой подсушивается солнцем и ветром, и содержание влаги в нем снижается, а ее максимум содержится не в самой верхней части профиля, а на глубине 30-40 см. На всех трех диаграммах этого почвенного полигона видно, что ниже слоя иссушения влагосодержание снова увеличивается, показывая свой второй максимум. Его природа не вполне ясна. Возможно, что неравномерность распределения влаги в еще не замерзшей почве при ее промерзании приводит к образованию таких концентраций замерзшей влаги как вторичных фронтов промерзания.
При сравнении диаграмм зимних влагозапасов в почвах Хонгорского полигона на пашне, залежи и пастбище обращает на себя внимание то, что запасы влаги на пастбище гораздо ниже, чем на пашне и залежи. Вероятно, это связано с тем, что осенью на пастбище растения продолжают потреблять почвенную влагу вплоть до наступления холодов, заметно уменьшая ее запасы к зиме. В то же время, на полях созревшая пшеница еще задолго до уборки сильно снижает потребление почвенной влаги, а на залежи сорные однолетники также до наступления холодов прекращают свою вегетацию а, следовательно, и потребление влаги. По этим причинам почвы на пашне и залежи успевают до зимы накопить значительное количество влаги, и ее общие запасы намного превышают здесь «мертвый» запас.
Между тем, уже в начале июля следующего года картина распределения влагозапасов в почвах на этих участках кардинально меняется на прямо противоположную. На летних диаграммах видно, что влагосодержание почв на всех участках растет с глубиной, т.е. соответствует температурному почвенному градиенту, направленному сверху вниз. Минимум увлажнения наблюдается в верхних горизонтах, а максимум - в нижних. Такая перестройка в распределении влаги по почвенному профилю происходит, вероятно, в конце мая, когда, по мере прогревания почвы, зимнее направление температурного почвенного градиента меняется на летнее, т.е. «сверху - вниз». По наблюдениям, проведенным в конце марта, зимние запасы влаги в почвах на всех трех участках Хонгорского полигона были достаточно высоки, но, спустя три месяца (в начале июля), они сильно уменьшились и по своим значениям в верхних горизонтах нередко стали ниже «мертвого» запаса влаги.
В то же время, осенние диаграммы ясно показывают, что в этот период (на 1.09.2010 г) запасы влаги в почве на всех трех участках сильно пополнились. При этом распределение влагозапасов на залежи и пастбище сохранило летний характер, т. е. влагозапасы были минимальными в верхней части профиля и увеличивались с глубиной, хотя достигали своего максимума скорее в средней части профиля. В почве же на пашне распределение запасов влаги по почвенному профилю было более равномерным, но напоминало больше летнюю картину. Таким образом, осенние наблюдения за запасами влаги в почве обнаружили ее значительное накопление по сравнению с раннелетним.
Для четкого представления о различиях потерь и прироста влагозапасов почвы на всех трех участках Хонгорского полигона в течение летнего и осеннего периодов, по сравнению с зимним, были рассчитаны их количественные показатели за период с конца марта по начало
сентября для верхнего слоя почвы толщиной 0-60 см. Результаты этих расчетов приведены в таблице 2, отражающей сезонную динамику влагозапасов на пашне, залежи и пастбище.
Как следует из этой таблицы, за период проведенных сезонных исследований с конца марта по начало сентября 2010 г в сроки с 23 марта по 5 июля в слое почвы толщиной 60 см произошла потеря влагозапаса во всех трех типах разрезов. Причем, наибольшие потери влаги в почве отмечены на пахотном участке - 84.6 мм, несколько меньшие потери - на залежи (69.1 мм) и наименьшие - на пастбище (22.6 мм). Таким образом, наиболее «экономным» по расходованию почвенной влаги оказался участок зимнего пастбища даже при том, что вострецовая степь с ее мощной корневой системой могла оказать существенно большую убыль почвенной влаги, чем на пашне или залежи. Очевидно, потери влаги на транспирацию в этот период здесь были не так уж велики. А испарение с поверхности почвы было в значительной степени минимизировано густым травостоем и ветошью, играющими роль мульчирующего покрова.
Вместе с тем, на пашне с ее лишенной растительности открытой почвой, испарение еще зимой, а затем и весной (апрель-май) до посева унесло значительное количество влаги, сильно сократив ее запасы к началу вегетационного периода. На залежи с конца зимы и до начала июля потери влаги несколько меньшие, чем на пашне (69.1 мм), но сравнительно с влагопотерями на пастбище (22.6 мм), они тоже велики. Очевидно, что эта влага ушла на испарение с поверхности более прогретой голой почвы и на транспирацию однолетников.
Результаты изучения годового температурного режима каштановых почв
Исследования темно-каштановых почв обоих полигонов показали, что на всех глубинах почвенного профиля среднегодовые температуры имеют положительное значение (табл. 3). Продолжительность безморозного периода возрастает по мере углубления по профилю и имеет свой максимум на глубине 100 см. Летом 2010 г максимальные температуры почвы в верхних 50 см на обоих участках наблюдались в конце июля, а глубже по профилю, вследствие запаздывания температур с глубиной, максимум сместился на август.
Зимой самые низкие температуры почвы на обоих участках были зафиксированы на различной глубине. Так, на участке Бор-нур минимальная среднесуточная температура отмечена на глубине 50 см (- 23.5о С), а на участке Гачурт зимний среднесуточный температурный минимум (-19.3° С) отмечен на глубине 10-20 см.
Безморозный период на обоих участках на всех глубинах почвенного профиля заметно продолжительнее, чем холодный, причем эта разница увеличивается с глубиной. Этот период для верхней части почвы более высокими температурами: даже на глубине 50 см средняя температура превышает 10о С (табл. 3).
Период со среднесуточными температурами почвы более 5оС продолжителен и охватывает все глубины вплоть до 150 см (табл. 4). Период с температурами выше 10о С составил 117 дней на участке Бор-нур и 121 день в Гачурте, а сумма положительных температур составила 1794 и 1862 градуса соответственно. Этого запаса тепла вполне достаточно для выращивания в районах исследований основных сельскохозяйственных культур (Димо, 1972). В дополнение к таблице 2 на рисунках 2А и 3А графически показан годовой ход температуры почвы на исследуемых участках на глубине 10-20 см (потенциально пахотный горизонт) в виде диаграмм, построенных по среднесуточным температурам с градацией в 5оС.
Таблица 3. Годовой температурный режим темно-каштановых почв на разных глубинах на полигонах Бор-Нур (BN-2) и Гачурт (GA). Table 3. Annual temperature regime of dark chestnut soils at different depths at the Bor-Nuur (BN-2) and Gachuurt (GA) sites.
>
'"d
S
M
3 «
о
о S
о
4 м
ю о
ю
н о
'Jl
о
Полигон Глубина замера, см Даты перехода среднесуточной т-ры через 0° С Температурные характеристики почвы
Безморозный (t> 0o C) период Холодный период (t< 0o C) Максимальна я среднесуточная т-ра / дата Минимальная среднесуточная т-ра / дата Средняя годовая т-ра. ° С
Кол- во дней Сумма т-р. ° С Средняя т-ра. ° С Кол- во дней Сумма т-р. ° С Средняя т-ра. ° С
весна осень
BN-2 20 30/IV 1/XI 184 2125.2 11.5 181 - 1460.0 -8.0 20.6 / 24.VII -16.0 / 12.II 1.8
50 7/V 16/XI 193 1828.7 9.4 172 -1272.6 -7.4 15.9 / 25.VII -23.5 / 12.II 1.5
100 13/V 6/XII 203 1510.4 7.4 162 -883.2 -5.4 13.0 / 20.VIII -9.5 / 17.II 1.7
GA 10 21/IV 28/X 189 2194.5 11.5 176 -1979.0 -10.6 20.7 / 24.VII -19.3 / 6.I 0.6
50 2/V 2/XI 183 1848.3 10.1 182 -1440.9 -7.9 16.3 / 24.VII -13.8 / 14.I 1.1
100 10/V 21/XI 194 1453.3 7.5 171 -752.4 -4.4 11.8 / 25.VII -7.8 / 19.II 1.9
150 26/V 1/XII 189 1146.0 6.0 176 -592.0 -4.0 9.2 / 19.VIII -6.0 / 21.II 1.5
Рис. 2. Годовой температурный режим темно-каштановой почвы на глубине 10-20 см на полигоне Бор-нур. Fig. 2. Annul temperature regime of dark chestnut soils at depth of 10-20 cm at Bor-Nuur site.
А. Годовой ход температуры тёмно-каштановой почвы А. Annual temperature distribution in the chirk-ehestnut soil
I I
2009
17,6
Y/y
/У/
УУ yy,
Шш
17
I
14,1
I
tï,1 1
7,8
УуУ/,
/у/ / / / 'Ш
19 12
IX 1
2,3
29
8 18
14
201 0
19
18 19
17,6
12.Д
7,fi
1,6
241 5
p
21
'УУУл
17
Ш
Ш
T—
■ 10 ■ 15
-20 -25
VII
Mil
XI
-2,0
I
I
I
Условные обозначения The Legend
)ЖИТЙ1ЬНЫ'
S suive : с 1111 : о трицатель negative temperature
8.0
f ' I положительные температурь:
1-1 nsi live temperature
I I Отрицательные температуры
Ml
17,6 среднесуточная температура
average daily tetnperautre VII месяц VIoiuli
-11,2
I I I I
I
.4V4V44 ..\\у\\ЧЧ wv\\ v*.
" V_Li
111
IV
VI
■2,4
-16,5
-13,1
I I
I
Сумма положительных температур почвы за год £ = 2194,5 Annual amount of the soil positive temperature
Сумма отрицательных температур почвы за год £ =- 1979
Annual amount of the soil negative leniperature
17 дата окончания периода со среднесуточной температурой 17,6°
The date of ending period with average daily temperature of 17,6 0
Б, Годовой ход вертикального температурного градиента тёмно-каштановой почвы В, Ann list I distribution of Vertical Thermal Gradient (VTG) in the dark-chestnut soil
i3,o
14
10,0
20
20 10
I I
21.03 16.04 31.04
7,0
21
I
2.6
~16
10,0
:5,o 2.SI-1-
Ш 10
Ш
Усланные обозначения l ite Legend Вертикальные температурные градиенты почвы VTG uf soil
VI
направленные сверху вниз (летние) !пр-ич%\п тгес1еа(5ип1тег
I ■ ] направленные снизу вверх (зимние)
Ьоиот-ир (Итёс^еа (мцМег ¡еахоп)
I- ■ -.-I нрустановившегося направления ите-аере/шет шгеспоп
мес. month
Ю.о среднее значение вертикального ш VTG а е температурного градиента почвы
X месяц, - Month
jq дата окончания периода с вертикальным температурным градиентом Ш,0град./м The dote of ending period with VTG o f 10,0 C/rn
12.10 16.04
05.99 21.09
12.10 31.04
Даты смены направления вертикального температурного градиента почвы The dure of change VTG direction
Даты начала активного снижения вертикального температурного градиента почвы The starting date of the soil VTG lowering
Даты начала активного роста вертикального температурного градиента The Starting date of the soil VTG growth
Рис. 3. Годовой температурный режим темно-каштановой почвы на глубине 10-20 см на полигоне Гачурт. Fig. 3. Annul temperature regime of dark chestnut soils at depth 10-20 cm at Gachuurt site.
На обеих диаграммах видно, что верхний горизонт с середины июня и до середины августа имеет достаточно высокие среднесуточные температуры почвы (17.6-17.8° С). Ближе к концу августа температуры начинают падать, но не равномерно, а имеют ступенчатый характер падения (рис. 2А и 3 А).
Со второй декады сентября и до конца октября снижение температур проходит очень плавно. И лишь начало зимнего периода (первая декада ноября) знаменуется быстрым снижением температуры почвы, которая уже к середине декабря опускается до -12-16.5о С. Рост ее снова быстро возобновляется в конце февраля - начале марта, но с конца марта -начала апреля он снова замедляется. Лишь в первой декаде мая начинается активный рост среднесуточных температур, который достигает своих максимумов (17.6-17.8о С) к концу второй декады июня.
Как следует из приведенного анализа быстрый рост или быстрое снижение температуры почвы на глубине 10-20 см наблюдается лишь в начале и конце зимы и лета, в то время как для значительной части года характерны плавные изменения почвенных температур. Установлено, что времена года сильно различаются по вертикальному температурному градиенту почв. Как показано на рисунках 2В и 3В зимой и летом наблюдается значительная дивергенция температур на разных глубинах, и вертикальный температурный градиент (ВТГ) достигает 9-10о С/ м и даже больше. Осенью и весной, напротив, температуры почвы из разных глубин сближаются (конвергируют), причем в какой-то момент вертикальное температурное поле почвы перестраивается, и ВТГ меняет свое направление с летнего на зимнее.
Общая картина годового хода ВТГ почвы хорошо видна на диаграммах, построенных для обоих полигонов и приведенных к тому же масштабу, что и диаграммы годового хода температур (рис. 2В и 3В). На этих диаграммах показаны даты смены направления ВТГ почвы осенью и весной. Установлено, что с начала сентября и до конца октября ВТГ почвы колеблется в пределах всего 1.5-3о С/ м (максимум 4о С/ м). Весной такой же низкий ВТГ почв наблюдается с середины - конца марта и вплоть до начала мая. Таким образом, довольно длительное время - от 40 до 60 дней осенью и примерно столько же весной температура в метровом слое почвы по всему профилю почти одинакова.
Таблица 4. Температурные характеристики темно-каштановых почв на разных глубинах на полигонах Бор-Нур (BN-2) и Гачурт (GA) в теплый период 2009-2010 гг. Table 4. Temperature characteristics of dark chestnut soils at different depths at the Bor-Nuur (BN-2) and Gachuurt (GA) sites in the warm period of 2009-2010.
Полигон Глубина замера, см Температурные характеристики почвы
Период с температурами > 5 ° С Период с температурами > 10° С
Граничные даты / кол-во дней Сумма т-р. ° С Средняя т-ра. ° С Граничные даты /кол-во дней Сумма т-р. ° С Средняя т-ра. ° С
BN-2 20 11.V - 11.X / 153 2067.6 13.5 25.V - 19.IX / 117 1794.3 15.3
50 17.V - 18.X / 154 1733.2 11.25 15.VI - 21.IX / 98 1302.0 13.3
100 4.VI - 30.X / 148 1383.6 9.35 9.VII - 22.IX / 75 849.5 11.3
GA 10 6.V - 14.X / 160 2165.8 13.5 21.V - 19.IX/121 1862.1 15.4
50 15.V - 18.X / 155 1822.3 11.75 2 .VI - 21.IX/111 1478.9 13.3
100 3.VI - 30.X / 149 1341.6 9.0 24.VII - 13.IX /53 580.4 10.95
150 29.VI - 1.XI / 125 974.8 7.8 - - -
Сопоставив диаграммы годового хода температурного градиента и годового хода среднесуточных температур на глубине 10-20 см в осенний и весенний периоды, нетрудно заметить, что если осенью смена направления градиента с летнего на зимний на обоих
полигонах происходит при положительных температурах, то весной смена зимнего направления градиента на летнее совершается при отрицательных температурах. В это время почва еще проморожена по всему профилю, а направление температурного градиента в ней уже сменилось на летнее.
Заключение
Проведенные исследования режима влажности и влагозапасов темно-каштановых почв на пастбищах и богарных землях показало гораздо большую убыль почвенной влаги в весенний засушливый период на пашне и залежи по сравнению с пастбищными участками. Таким образом, с хозяйственной точки зрения огромная убыль почвенной влаги в весенний период на пашне и на залежи, особенно в регионах с ее хроническим дефицитом, является крайне негативным фактором производительности почв. Для выправления ситуации, возможно, следовало бы производить распашку под яровые культуры не осенью (как это делается сейчас), а непосредственно перед посевными работами. Непроизводительную потерю влагозапасов почв на залежах можно было бы снизить путем засевания их кормовыми травами. С другой стороны, вспаханная весной почва быстрее прогревается до нужных для посевов температур. Это позволяет производить посевы в более ранние сроки, что в условиях рискованного земледелия является весьма существенным фактором.
Как отмечалось, осенью в почвах всех трех полигонов происходит восполнение утраченных за лето запасов влаги. При этом если осенний прирост влагозапасов на пашне составил чуть больше летних потерь, то на залежи и пастбище осенний прирост создал запас влаги, превосходящий по своей величине влагозапас прошедшей зимы.
В годовом цикле зимние запасы влаги в почве по приведенным данным являются максимальными. При промерзании почвы парообразная и жидкая почвенная влага под воздействием ВТГ активно и быстро мигрирует в верхние горизонты к фронту промерзания. Разумеется, зимой в мерзлых почвах никакой заметной миграции влаги при любом температурном градиенте не происходит. Также и в начале весны миграция влаги минимальная, даже когда направление ВТГ уже сменилось с зимнего на летнее, но при этом почвы еще мерзлые. Однако, летом с его большими ВТГ, направленными сверху вниз, приток парообразной влаги вглубь почвы в периоды отсутствия дождей, очевидно, достигает максимума, а влагосодержание в почвах растет с глубиной.
Осенью влияние температурного градиента почвы на миграцию влаги в профиле осложняется тем, что в первой половине осени (сентябрь, иногда и часть октября) температурный градиент мал, но направлен еще по-летнему (вниз), вследствие чего влага не проникает глубоко в почву, а ее максимум смещен к средней части профиля. В этот период года влага в почве сохраняется еще и за счет снижения ее расходов на испарение, а также из-за резкого снижения влагопотребления растениями.
Таким образом, изучение годового гидротермического режима темно-каштановых почв показало, что сезоны года выражены не только в годовом ходе самих температур, но и в годовом ходе ее ВТГ - в сезонной смене его величины и направления. В связи с этим представляется, что осень и весна в гидротермическом режиме почвы играют важнейшую роль, так как именно в эти периоды происходит смена направления ВТГ, а вместе с ним - и направление миграции влаги по почвенному профилю. Следовательно, годовой ход ВТГ почвы играет определяющую роль в сезонной миграции влаги по почвенному профилю каштановых почв.
В заключение следует отметить, что годовой ход ВТГ почв изучен пока слабо, в том числе и в Монголии. Поэтому, описанные закономерности и особенности годового гидротермического режима почв были выявлены пока только для темно-каштановых почв супесчано-суглинистого состава. У почв совсем иного состава, например, песчаных или щебнистых, также широко распространенных в Монголии, закономерности годового
гидротермического режима, несомненно, будут отличаться от приведенных в данной работе. В условиях отсутствия в стране плотной сети метеорологических станций использование технологии измерения температурных параметров почв с помощью датчиков iBDL, устанавливаемых на длительный срок на разных глубинах почвенных профилей, поможет дальнейшему изучению этих важных характеристик почв Монголии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Глобус А.М. 1962. О термоградиентных механизмах миграции почвенной и грунтовой влаги и
передвижении воды в промерзающем грунте // Почвоведение. № 2. С. 7-18. Глобус А.М., Нерпин С.В. 1960. О механизме передвижения подвижной влаги и промерзающим
горизонтам // Доклады АН СССР. Т. 133. № 6. С. 1422-1424. Даважамц Ц. 1974. К изучению массы корней пустынно-степных сообществ МНР // Структура и
динамика степных и пустынных экосистем МНР. Л.: Наука. С. 76-80. Димо В.Н. 1972. Тепловой режим почв СССР. М.: Колос. 236 с.
Максимович С.В. 1986. Степные почвы (гидротермические режимы, динамика рН, запасы гумуса) //
Степи Восточного Хангая. М.: Наука. С. 43-47. Максимович С.В. 1990. Криогенез и палеокриогенез в почвах и ландшафтах Монголии // разнообразие почв и биоты северной и центральной Азии. Мат-лы II Межд. научн. конф. Улан-Удэ. Изд-во БНЦ СО РАН. Т.1. С. 92-94. Национальный атлас МНР. 1990. Улан-Батор - Москва.: ГУГК МНР, ГУГК СССР. 144 с. Ногина Н.А. 1989. Своеобразие почв и процессов почвообразования в Центральноазиатской фации
(тайга, степь, пустыня) // Почвоведение. № 9. С. 5-14. Панкова Е.И. 1974. Генетические свойства каштановых почв Центральноазиатской почвенно-
географической провинции (на примере почв МНР) // Почвоведение. № 12. С. 42-53. Почвенный покров основных природных зон Монголии. 1978. /Ногина Н.А., Рубцова Л.П.,
Худяков О.И., Андроников В.Л., Шершукова Г.А., Умаров К.У., Якунин Г.Н./ М.: Наука. 275 с. Роде А.А. 1960. Методы изучения водного режима почв. М.: Изд. АН СССР. 244 с. Роде А.А. 1965. Основы учения о почвенной влаге. Л.: Гидрометеоиздат. 665 с. Худяков О.И. 2009. Почвы лесостепи Внутренней Азии. М.: РАСХН. 325 с.
Убугунова В.И., Убугунов Л.Л., Баатар Р., Меркушева М.Г. 1995. Водно-физические свойства и гидротермический режим аллювиальных дерновых почв Монголии // Почвоведение. № 10. С. 1262-1270.
EXPERIENCE OF INVESTIGATION OF THE HYDROTHERMAL REGIME IN DARK CHESTNUT
SOILS OF CENTRAL MONGOLIA
© 2012 S.N. Bazha, P.D. Gunin, S.V. Kontsov
A.N. Sevetrtsov Institute of Ecology and Evolution Russian Academy of Sciences 119071, Leninskijprosp., 33. Moscow, Russia. E-mail: monexp@mail.ru
The annual moisture and temperature dynamics of three model experimental areas in Central Mongolia pertaining to the zone of risky agriculture, is described in the article. The comparative analysis of basic characteristics of the hydrothermal regime (natural moisture, moisture content, negative and positive temperature sums, and soil temperature gradients) made it possible to differentiate in detail the annual soil hydrothermal regime by periods of expenditure, accumulation, and preservation of heat and moisture.
Against the background of change in the direction of vertical temperature gradients, the critical cycles in dynamics were educed, which in general determine the efficiency of functioning of vegetation communities for this type of soil.
Keywords: Central Mongolia, dark chestnut soils, moisture content, moisture migration, hydrothermal regime, vertical temperature gradient, moisture content dynamics, herbal-cereal steppe.
