CC BY
41
3 Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов
УДК 631.432
ПОТЕНЦИАЛ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ В АЛАСНЫХ ПОЧВАХ
БЭТ: 10.24411/1728-323X-2019-15083
В. С. Макаров, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, научно-исследовательский институт прикладной экологии Севера Северо-Восточного федерального университета, [email protected], Г. Н. Саввинов, доктор биологических наук, главный научный сотрудник, научно-исследовательский институт прикладной экологии Севера Северо-Восточного федерального университета, [email protected]
Рассмотрен потенциал почвенной влаги в мерзлотных аласных болотных, луговых и остепненных почвах, отличающихся между собой по характеру и степени увлажнения. Величина потенциала почвенной влаги растет от центра к периферии аласа и за вегетационный период изменяется в широком диапазоне. В почвах нижнего и среднего поясов преобладает капиллярное движение влаги, причем наблюдается не только вертикальный, но и горизонтальный приток и отток влаги. В почвах верхнего пояса отсутствует боковой приток капиллярной влаги и степень увлажнения почвы всецело зависит от продолжительности и интенсивности атмосферных осадков. Знание особенностей распределения потенциала влаги в пространстве и времени позволит понять природу формирования гидротермических поясов аласной котловины.
The article discusses the potential of soil moisture in permafrost alas swamp, meadow and steppificated soils, differing in nature and moisture degree.
The magnitude of the soil moisture potential grows from the center to the periphery of the alas and during the growing season varies over a wide range. In the soils of the lower and middle zones, capillary movement of moisture prevails, and not only vertical, but also horizontal inflow and outflow of moisture is observed. In the soils of the upper belt there is no lateral inflow of capillary moisture, and the degree of soil moisture is entirely dependent on the duration and intensity of precipitation.
The knowledge of features for moisture potential distribution in space and time will allow us to understand the nature of hydrothermal belts of alas basin formation.
Ключевые слова: влажность, потенциал почвенной влаги, аласные почвы.
Keywords: soil moisture, potential of soil moisture, alas soils.
Введение. До настоящего времени исследование поведения воды в аласных почвах велось традиционными водоба-лансовыми методами, при этом оценка состояния воды базировалась на категориях почвенной влаги и почвенно-гидро-логических констант.
С развитием современных технологий в почвоведении растет термодинамический подход в изучении свойств почвенной влаги, при котором количественно оцениваются силы взаимодействия между водой и вмещающей ее твердой фазой почвы [1, 2]. На сегодня данный подход считается как наиболее перспективный и теоретически обоснованный, поскольку он не только позволяет описывать состояние и поведение воды в почве на данный момент времени, но и допускает количественный прогноз водообменных процессов, что особенно важно для суждений о водообеспеченности и водопотребле-нии растений.
Цель работы — изучить пространственное распределение потенциала почвенной влаги в аласных почвах и ее динамику в течение вегетационного периода.
Модели и методы. Объектом исследований был выбран алас «Атыытар», расположенный в середине Лено-Амгинско-го междуречья и представляющий собой термокарстовую котловину округлой формы. Площадь аласа равна 7,5 га, глубина — около 5—6 м. Центр котловины занят озером, площадь зеркала которого колеблется в зависимости от количества атмосферных осадков и в среднем равна около 3 га. В настоящее время алас огорожен, используется в качестве сенокосного угодья. Пастбищная нагрузка кратковременная, весной и осенью по отаве.
Нами исследованы мерзлотные аласные болотные, луговые и остепненные почвы, отличающиеся между собой по характеру увлажнения и приуроченные к определенному гидротермическому поясу. Выделяют 3 пояса: нижний гидротермический пояс (луг избыточного увлажнения); средний
гидротермический пояс (луг оптимального увлажнения); верхний гидротермический пояс (луг недостаточного увлажнения).
По гранулометрическому составу исследованные почвы классифицируются как легкие и средние суглинки. Здесь доминирующими механическими элементами являются фракции крупной пыли и мелкого песка.
Плотность сложения аласных почв постепенно увеличивается до глубины 30—40 см, ниже наблюдаются его незначительные колебания. Если рассматривать только гумусовые горизонты, то почвы аласа Атыытар характеризуются как рыхлые и нормальные. Самой рыхлой структурой выделяется остепненная почва (0,5—0,9 г/см3), а самой уплотненной структурой луговая почва (0,7—1,1 г/см3). Плотность в иллювиальных горизонтах колеблется в пределах от 1,2 до 1,4 г/см3.
Измерения давления почвенной влаги проводились с помощью датчиков МР8-2, работающие на базе накапливающего регистратора ЕМ50 от компании DecagonDevises. Датчики устанавливались в почвах среднего и верхнего поясов северозападной части аласа, на глубинах 10, 40 и 70 см. Замеры проводились в теплое время с интервалом съемки 4 часа. В 2013 году потенциал влаги определяли в аласной болотной почве, в 2014 году в аласной луговой и остепненной почвах.
Результаты и обсуждение. Исследования якутских почвоведов показывают [3, 4], что почвы нижнего пояса аласа, расположенные узкой полосой вокруг озера, увлажнены до полной влаго-емкости (ПВ). Из-за высокой увлажненности эти почвы наименее восприимчивы к атмосферным осадкам и при незначительных изменениях площади озера трудно было уловить изменение влажности традиционными водобалансовыми методами. Однако наши датчики показали очень
хорошую чувствительность и зарегистрировали малейшие колебания увлажнения почвы, которые хорошо коррелируют с метеорологическими данными. Из рис. 1 видно, как на глубинах 10 и 40 см периоды постепенного снижения потенциала почвенной влаги чередуются с его резкими подъемами, которые совпадают по времени с началом атмосферных осадков. В нижних слоях (70 см) потенциал влаги менее изменчивый, но даже здесь отчетливо видим отклики почвы на атмосферные осадки. В целом, в нижнем поясе зафиксированные значения потенциала влаги лежат в очень узком диапазоне, и степень увлажнения почвенного профиля можно считать однородной.
Помимо колебаний потенциала влаги, связанные с динамикой увлажнения, наблюдаются и его суточные колебания, которые наиболее сильно заметны в органических горизонтах. По фазе и периоду эти колебания абсолютно схожи с суточными колебаниями температуры почвы. В литературе на тесную связь температуры воздуха и почвы с энергетическим состоянием почвенной влаги и интенсивностью ее потока указано в работах Нерпина, Чудновского (1975), Глобуса (1977), Муромцева и др. (2013), (2017) и др. Авторы данное явление объясняют повышением подвижности и активности почвенной влаги при повышении ее температуры.
В аласах оптимальным гидрологическим условием выделяются мерзлотные аласные луговые почвы. Эти почвы так же, как и почвы нижнего пояса, представляют собой аккумулятивный тип экосистемы, в котором запас влаги формируется за счет поверхностного стока весенней воды и после продолжительных атмосферных осадков в летнее время. Запас влаги в метровом слое почв среднего пояса в вегетационный период в основном держится на уровне выше наименьшей вла-
Рис. 1. Сезонная динамика потенциала влаги аласной болотной почвы
Рис. 2. Сезонная динамика потенциала влаги аласной луговой почвы
Рис. 3. Суточная динамика потенциала влаги в аласной луговой почве
гоемкости (НВ), и только наиболее засушливые годы опускается до влажности разрыва капилляров (ВРК).
Наши исследования показали, что потенциал почвенной влаги в среднем поясе за наблюдаемый период времени варьирует от —27 до —5 кПа (рис. 2). Как и ожидалось, самые высокие значения потенциала влаги были зафиксированы весной после протаивания почвы. Продолжительные дожди, начавшиеся еще в конце мая, почти на месяц удерживали высокую увлажненность луговой почвы. В этом промежутке времени наблюдаются незначительные колебания потенциала влаги, при этом разница потенциала между датчиками на разных глубинах не превышала 2 кПа.
С середины июня и до конца сентября наблюдаются более амплитудные колебания потенциала почвенной влаги, с общей тенденцией к понижению потенциала в конце вегетационного периода. Максимальный разброс потенциала по глубине составляет всего 5 кПа, и преимущественно он наблюдается в периоды иссушения почвы.
Следует обратить внимание на пилообразный характер динамики потенциала влаги, где периоды постепенного понижения потенциала сменяются с их резким ростом, причем минимальные и максимальные пики на разных глубинах практически совпадают по времени. Для того чтобы более четко уловить и сравнить для разных глубин почвы время проникновения влаги от атмосферных осадков, рассмотрим график суточных изменений потенциала почвенной влаги (рис. 3). По данным метеорологической станции Чурапча (расположена в 30 км от объекта исследования), в первой половине августа стояли сухие дни, которые понизили потенциал влаги до его минимального значения. В полдень 21 августа после выпадения осадков в сумме 37 мм в почвах среднего пояса фиксируется резкий скачок потенциала влаги на глубине 10 см. Спустя 9 часов, практически одновременно, но с разной скоростью начинают расти потенциалы влаги на глубинах 40 и 70 см. Интересно отметить, что потенциал почвенной влаги на глубине 70 см был выше потен-
А кПа
-10 см--40 см
■ 70 см
Рис. 4. Суточная динамика потенциала влаги аласной остепненной почвы
циала на глубине 40 см, однако он начал расти еще до того, как сравнялись их влажности, что противоречит основному закону переноса массы, где вода в почве передвигается в направлении понижения потенциала [8]. По видимому, поступление воды в нижние слои произошло не сверху вниз, а через боковые стенки от более увлажненных почв, лежащих ближе к озеру аласа. Во время сильных осадков происходит не только промачи-вание поверхностных слоев почвы, но и образование поверхностного стока воды, которое способствует увеличению зеркало воды в озере. В результате этого увеличивается горизонтальный градиент влаги и усиливается передвижение влаги в этом направлении. Особенно высокая передача влаги может происходить в нижних слоях аласных почв, так как у них более ярко выражено листоватое сложение, которое, на наш взгляд, имеет более высокую влагопроводность в горизонтальном направлении, чем в вертикальном.
В верхнем поясе аласа развиваются наименее обеспеченные влагой остепненные почвы. Весной, вследствие высотного местоположения, эти участки очень рано освобождаются от снега и почвы не успевают полностью впитать в себя поверхностные талые воды. Запас влаги остепнен-ных почв даже в первой половине лета очень редко превышает ВРК, поэтому ко второй половине лета чаще всего иссушается до влажности завяда-ния (ВЗ) и ниже ВЗ.
По динамике потенциала влаги остепненные почвы можно разделить на 2 гидрологических слоя (рис. 4). Первый — это активный слой, представляющий органические горизонты, где наблюдаются колебания потенциала влаги в очень широком диапазоне. В начале лета после про-таивания почвы и в период сильных атмосферных осадков потенциал влаги растет до —10 кПа,
в период наибольшего иссушение падает ниже — 1000 кПа. Также отметим высокую амплитуду суточных колебаний потенциала в органических горизонтах, которая в наиболее теплые и сухие дни достигает до 300 кПа. Второй — пассивный слой, представляющий минеральные горизонты, где в отличие от луговой почвы потенциал влаги практически не реагирует на атмосферные осадки и в течение лета медленно и монотонно падает от —42 до —72 кПа. Очевидно это связано с оттоком парообразной влаги в поверхностные слои почвы.
Заключение
Наши исследования показывают, что абсолютная величина потенциала почвенной влаги растет от центра к периферии аласа и за вегетационный период изменяется в широком диапазоне.
Наибольшей однородностью по степени увлажнения и наименьшей динамичностью из представленных почв характеризуются почвы нижнего пояса. Здесь потенциал почвенной влаги в теплое время года варьирует в пределах от —26 до —5 кПа, а максимальный разброс потенциала по глубине составляет всего 5 кПа и наблюдается в период наибольшего иссушения почвы.
По характеру изменения потенциала влаги по профилю почвы и во времени можно предположить, что в почвах нижнего и среднего поясов преобладает капиллярное движение влаги, причем наблюдается не только вертикальный, но и горизонтальный приток и отток влаги.
В почвах верхнего пояса отсутствует боковой приток капиллярной влаги и степень увлажнения почвы всецело зависит от продолжительности и интенсивности атмосферных осадков. Максимальные изменения степени увлажнения наблюдаются в органогенных горизонтах остепненной
почвы, где потенциал влаги варьирует в широких пределах от —1400 до —10 кПа. В минеральных горизонтах отсутствуют колебательные процессы, здесь потенциал влаги в течение лета монотонно падает от —42 до —72 кПа.
Статья подготовлена в рамках выполнения Государственного задания Минобразования РФ № 5.8169.2017/БЧ на выполнение проекта «Исследование сукцессий экосистем Севера под воздействием антропогенных факторов».
Библиографический список
1. Глобус А. М. Экспериментальная гидрофизика почв. — Л.: Гидрометеоиздат, 1968. — 272 с.
2. Судницын И. И. Движение почвенной влаги и влагопотребление растений. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979. — 254 с.
3. Десяткин Р. В., Семенова Т. Н., Слепцов В. И. Пространственная структура водообильности и температурный режим почв таежно-аласных ландшафтов // Климат и мерзлота: комплексные исследования в Якутии. — Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2000. — С. 114—122.
4. Дмитриев А. И. Особенности гидротермического режима и агрофизических свойств аласных почв // Климат. Почва. Мерзлота: Комплексные исследования в районах Сибири и Дальнего Востока. — Новосибирск: Наука, 1991. — С. 49—54.
5. Нерпин С. В., Чудновский А. Ф. Энергомассообмен в системе растение—почва—приземный воздух. — Л.: Гидро-метеоиздат, 75. — 358 с.
6. Муромцев Н. А., Анисимов К. Б. Особенности формирования водного режима дерново-подзолистой почвы на различных элементах почвенной // Бюл. Почв. ин-та им. В. В. Докучаева. — 2015. — Вып. 77. — С. 78—93.
7. Муромцев Н. А., Анисимов К. Б., Семенов Н. А., Грибов В. В. Потенциал влаги в условиях фазового перехода почвенного раствора и в течение года в дерново-подзолистой почве // Бюл. Почв. ин-та им. В. В. Докучаева. 2017. — Вып. 87. — С. 114—127.
8. Воронин А. Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984. — 204 с.
ALAS SOILS MOISTURE POTENTIAL
V. S. Makarov, Ph. D. (Biology), Senior Researcher, Research Institute of Applied Ecology of the North of the Northeast Federal
University, [email protected];
G. N. Savvinov, Ph. D. (Biology), Dr. Habil., Chief Researcher, Research Institute of Applied Ecology of the North of the Northeast
Federal University, [email protected]
References
1. Globus A. M. Eksperimentalnaya gidrofizika pochv [Experimental soil hydrophysics]. Leningrad,Gidrometeoizdat, 1968. 272 p. [in Russian]
2. Sudnitsyn I. I. Dvizhenie pochvennoj vlagi i vlagopotreblenie rastenij [Movement of soil moisture and moisture consumption of plants]. Moscow, Izd-vo Mosk. un-ta, 1979. 254 p. [in Russian]
3. Desyatkin R. V., Semenova T. N., Sleptsov V.I Prostranstvennaya struktura vodoobilnosti i temperaturnyj rezhim pochv-taezhno-alasnyh landshaftov[Spatial structure of water abundance and temperature regime of soils in taiga-alas landscapes]. Klimat i merzlota: kompleksnyeissledovaniya v Yakutii [Climate and Permafrost: Comprehensive Studies in Yakutia]. Yakutsk, Izd-vo IMZ SO RAN, 2000. P. 114-122. [in Russian]
4. Dmitriev A. I. Osobennosti gidrotermicheskogo rezhima i agrofizicheskih svojstv alasnyh pochv [Features of the hydrothermal regime and agrophysical properties of alas soils]. Klimat. Pochva. Merzlota: Kompleksnyeissledovaniya v rajonahSibiri i Dalne-goVostoka [Climate. The soil. Permafrost: Comprehensive studies in areas of Siberia and the Far East]. Novosibirsk, Nauka, 1991. P. 49-54. [in Russian]
5. Nerpin S. V., Chudnovskiy A. F. Energomassoobmen v sistemerastenie-pochva-prizemnyjvozduh [Energy-mass exchange in the plant]. Leningrad, Gidrometeoizdat, 75. 358 p. [in Russian]
6. Muromtsev N. A., Anisimov K. B. Osobennosti formirovaniya vodnogo rezhima dernovo-podzolistoj pochvy na razlichnyh elementah pochvennoj [Features of the formation of the water regime of sod-podzolic soil on various soil elements]. Byul. Pochv. in-ta im. V. V. Dokuchaeva [Bulletin of V. V. Dokuchaevsoil science institute]. 2015. No. 77. P. 78—93. [in Russian]
7. Muromcev N. A., Anisimov K. B., Semenov N. A., Gribov V. V. Potencial vlagi v usloviyah fazovogo perehoda pochvennogo rastvora i v techenie goda v dernovo-podzolistoj pochve [The moisture potential under the conditions of the phase transition of the soil solution and during the year in sod-podzolic soil] Byul. Pochv. in-ta im. V. V. Dokuchaeva [Bulletin of V. V. Dokuchaevsoil science institute]. 2017. No. 87. P. 114—127. [in Russian]
8. Voronin A. D. Strukturno-funkcionalnaya gidrofizika pochv [Structural and functional soil hydrophysics]. Moscow, Izd-vo Mosk. un-ta, 1984. 204 p. [in Russian]
