CC BY
0УДК 631.4
DOI: 10.24412/cl-37200-2024-591-598
ТЕРМОГРАДИЕНТНОЕ ПЕРЕДВИЖЕНИЕ ВЛАГИ В ПАХОТНЫХ ПОЧВАХ
ЮГА СИБИРИ
THERMOGRADIENT MOVEMENT OF MOISTURE IN ARABLE SOILS
OF SOUTHERN SIBERIA
Кравцов Ю.В.
Kravtsov Yu.V.
Новосибирский государственный педагогический университет, Новосибирск, Россия Novosibirsk State Pedagogical University, Novosibirsk, Russia
E-mail: kravtsov60@mail.ru
Аннотация. Обобщены результаты изучения зимнего термоградиентного передвижения влаги в почвах юга Западной Сибири и Забайкалья, в том числе, и материалы авторских многолетних полевых наблюдений в Ишимской степи. По итогам обзора выделены основные факторы миграции влаги под воздействием температурного градиента в течение холодного сезона года - глубина проникновения 0°, гранулометрический состав почв и подпочвенных пород, уровень грунтовых вод и исходная влажность почв. Сформулировано предположение о преобладающих механизмах зимнего передвижения влаги в почвенно-грунтовых толщах Ишимской степи зависимости от близости залегания грунтовых вод и исходной влажности почв. При залегании грунтовых вод ниже критической глубины, но исходной влажности почвенно-грунтовых толщ на уровне наименьшей влагоемкости преобладает пленочное передвижение влаги; при неглубоком залегании грунтовых вод и влажности почв в промежутке от наименьшей до капиллярной влагоемкости усиливается роль термокапиллярного механизма; чем выше грунтовые воды и больше влажность почв и грунтов, тем значимее удельный вес термокапиллярной миграции в аккумуляции влаги в сезонно промерзающем слое. Представлен краткий обзор публикаций, в которых осуществлены попытки моделирования термоградиентного передвижения почвенной влаги. Необходимость продолжения изыскательских работ по проблеме миграции почвенной влаги под влиянием температурных градиентов обоснована современными изменениями окружающей природной среды в южных районах Сибири и важностью изучения миграции влаги при весенне-летнем прогревании почв.
Ключевые слова: почвенная влага, зимняя миграция, слой намерзания, механизмы передвижения, моделирование передвижения.
Abstract. The results of studying the winter thermogradient movement of moisture in the soils of the south of Western Siberia and Transbaikalia, including materials from the author's long-term field observations in the Ishim steppe, are summarized. Based on the results of the review, the main factors of moisture migration under the influence of a temperature gradient during the cold season of the year were identified - penetration depth of 0°, granulometric composition of soils and subsoil rocks, groundwater level and initial soil moisture. An assumption has been formulated about the prevailing mechanisms of winter moisture movement in the soil-ground strata of the Ishim steppe, depending on the proximity of groundwater and the initial soil moisture. When groundwater occurs below the critical depth, but the initial moisture content of the soil-ground strata is at the level of the lowest moisture capacity, film movement of moisture predominates; with shallow groundwater and soil moisture in the range from minimum to capillary moisture capacity, the role of the thermocapillary mechanism increases; The higher the groundwater and the higher the moisture content of soils and soils, the more significant the proportion of thermocapillary migration in the accumulation of moisture in the seasonally frozen layer. A brief review of publications is presented in which attempts were made to simulate the thermogradient movement of soil moisture. The need to continue research work on the problem of soil moisture migration under the influence of temperature gradients is justified by modern changes in the natural environment in the southern regions of Siberia and the importance of studying moisture migration during spring-summer soil warming.
Key words: soil moisture, winter migration, frost layer, movement mechanisms, simulation of movement.
Введение. Изучение содержания влаги и процессов ее перераспределения в почвах под влиянием факторов среды остается значимой практической задачей, результаты которой необходимы для программирования урожаев сельскохозяйственных культур [1].
Степная и лесостепная зоны Сибири представляют собой важный аграрный регион России. Однако, этот регион отличается обилием природных факторов, осложняющих получение высоких стабильных урожаев сельскохозяйственных культур в его пределах. Среди этих факторов: продолжительное выстывание и промерзание почв, позднее их оттаивание и
прогревание до активных температур, ограниченность и неравномерность распределения во времени и в пространстве ресурсов почвенной влаги. На этом основании мониторинг гидрологического состояния пахотных почв южных районов Сибири, в том числе, статей их водного баланса и процессов передвижения влаги, характеризуется непреходящей актуальностью.
Миграция влаги под воздействием температурного градиента в континентальных условиях Сибири является существенным элементом водного режима почв, а перераспределенная влага - заметной статьей их водного баланса. Этому способствует несколько обстоятельств: 1) часто близкое к земной поверхности положение грунтовых вод в пределах низменных слабо расчлененных равнин; 2) большая разница температур между поверхностью слоя сезонного выстывания и прогревания и подпочвенной толщей грунтов с постоянной температурой; 3) значительная вертикальная мощность слоя с сезонно изменяющимися температурами. В результате выстывания часть влаги из нижних подпочвенных толщ перераспределяется в сезонно промерзающий слой. В течение периода прогревания почв часть влаги перемещается вниз, что в итоге может приводить к изменениям запасов доступной растениям воды в корнеобитаемом слое.
Абсолютные величины сезонно перераспределяющейся влаги и пространственное положение слоя ее вертикальной миграции характеризуются различным практическим значением. Так, например, вследствие термоградиентного передвижения почвенно-грунтовой влаги может изменяться уровень грунтовых вод при отсутствии видимых статей прихода и расхода воды. Намерзающая влага может явиться дополнительным ресурсом доступной растениям воды или, наоборот, выступить фактором снижения пористости аэрации в корнеобитаемом слое; слой намерзания влаги может представлять собой «остров холода», задерживающий прогревание почв. В пределах возвышенных участков сезонно перераспределяющаяся влага может оказаться вовлеченной в формирование льдистого экрана в верхних слоях почвы, препятствующего инфильтрации влаги и обусловливающего развитие поверхностного стока и эрозии почв.
При столь очевидном практическом значении, однако, до сих пор отсутствуют обобщения по термоградиентной миграции влаги в своеобразных природно-климатических условиях юга Сибири. Среди этого своеобразия отметим только не по широте холодную и продолжительную зиму и короткое теплое лето, а также типичную для континентального климата выраженную межгодовую изменчивость метеоэлементов.
Цель работы - обобщить материалы по термоградиентному передвижению влаги в пахотных почвах юга Сибири и обосновать задачи дальнейшего изучения сезонной миграции почвенной влаги.
Район исследований - степная и лесостепная зоны Сибири.
Методы исследования. Методом обобщения систематизированы опубликованные материалы и данные собственных многолетних полевых наблюдений в Ишимской степи по термоградиентному передвижению влаги в пахотных почвах; отобраны работы по моделированию процессов передвижения влаги под влиянием разницы температур. На основе обобщений методом анализа выделены основные факторы сезонной миграции влаги в почвах юга Сибири, сформулированы предположения о соотношении различных потоков передвигающейся влаги в своеобразных условиях Ишимской степи и обоснована важность продолжения изучения миграции влаги в пахотных почвах региона. Методом проектирования сформулированы задачи по дальнейшему изучению термоградиентного передвижения почвенной влаги в динамичных условиях среды.
Результаты и их обсуждение. В пределах обширной территории степной и лесостепной зон Сибири изучение передвижения влаги в почвенно-грунтовых толщах под влиянием разницы в температурах осуществлялось только в отдельных их районах в течение второй половины ХХ столетия. При этом исследовалась, в первую очередь, зимняя миграция влаги. В результате этих работ установлено, что в аридной зоне Западной Сибири влажность сезонно промерзающего слоя суглинистых разностей увеличивается за счет подтягивания влаги на 2,3% [2].
В пределах Барабинской низменной равнины выявлено, что величина намерзания влаги составляет 102-182 мм в метровом слое лугово-болотной тяжелосуглинистой почвы против 13-29 мм в лугово-черноземной тяжелосуглинистой почве на гриве, горизонт капиллярного насыщения которой не охвачен сезонным промерзанием. Величина криогенной аккумуляции почвенной влаги резко (в 5-6 раз) возрастает, если капиллярная кайма грунтовых вод
охватывается сезонным промерзанием [3, 4]. При неглубоком залегании грунтовых вод влажность промерзающего слоя почв Барабинской равнины увеличивается на 30-70%, а нередко и вдвое [5].
В супесчаных почвах Кулунды при глубоком залегании грунтовых вод (на глубине 5,2 м) и невысокой исходной влажности почвенно-грунтовой толщи процесс накопления влаги в верхнем метровом слое за зимний период выражен очень слабо - прибавка влаги в слое 0-1,0 м составляет 4,7 мм за счет снижения влажности в слое 1,0-2,0 м на 6,7 мм. Если же уровень грунтовых вод осенью фиксируется на глубине 2,7 м, в слое 0-50 см с ноября по март намерзает до 50 мм влаги [6]. В верхнем метровом слое суглинистой разности чернозема Кулундинской степи накопление влаги с октября по март при уровне грунтовых вод 3,5-6,0 м, по данным метеорологической станции «Родино», составляет 28-72 мм [7].
В среднесуглинистых луговых почвах Кулунды при осеннем уровне грунтовых вод 1,5 м установлена криогенная аккумуляция почвенной влаги в объеме 100 мм; в супесчаных лугово-каштановых почвах при исходном уровне грунтовых вод 3,2 м - 30 мм. При снижении уровня грунтовых вод на одной катене выявлено одновременное заглубление пространственного положения слоя намерзания влаги и возрастание расстояния между грунтовыми водами и нижней границей слоя морозной аккумуляции. Так, при уровне грунтовых вод 1,5 м слой намерзания зафиксирован в промежутке глубин 25-80 см; расстояние между грунтовыми водами и нижним краем слоя криогенной аккумуляции составило 70 см. При уровне грунтовых вод 312 см слой намерзания оказывается на глубинах 125-160 см, его удаленность от уровня грунтовых вод достигает 140 см. Установлено, что при близком залегании грунтовых вод (менее 3 м на третью декаду октября) аккумуляция влаги в мерзлом слое не вызывает эквивалентного иссушения подмерзлотных слоев, где ее изъятие частично или полностью компенсируется притоком капиллярной влаги. Расход влаги капиллярной каймы в зону криогенной аккумуляции сопровождается понижением уровня грунтовых вод [8].
В Восточном Забайкалье в лугово-лесных мерзлотных почвах приращение влаги за счет зимней термомиграции может достигать 78 мм [9]. Для метрового слоя целинных лугово-черноземных мерзлотных почв Бурятии в годы с высоким предзимним увлажнением профиля выявлена криогенная аккумуляция влаги в объеме 80 мм [10] и в очередной раз констатировано, что при очень низкой влажности почвы (при наличии в ней лишь прочносвязанной воды) передвижение влаги в жидком виде невозможно, а скорость миграции рыхлосвязанной воды очень мала. Поэтому при очень низкой влажности передвижение воды происходит на крайне малые расстояния, только при очень больших градиентах температуры и чрезвычайно медленно, т.е. микроскопически.
Представим результаты собственных полевых наблюдений за зимней миграцией влаги в почвах Ишимской степи. Исследуемые почвенно-грунтовые толщи характеризуются, как правило, идентичным тяжелосуглинистым гранулометрическим составом с высоким содержанием илистой фракции (до 45% веса) и постоянно повышенной влажностью подпочвенной толщи (на уровне наименьшей влагоемкости (НВ)) независимо от уровня грунтовых вод и положения почв в рельефе. В холодный сезон года почвенно-грунтовые толщи испытывают длительное (в течение 5-6 мес.) охлаждение и промерзание. Глубина проникновения отрицательных температур практически не зависит от положения почв в рельефе и от близости капиллярной каймы грунтовых вод к фронту промерзания, а определяется, главным образом, суровостью зимы и мощностью снежного покрова и составляет 170-240 см в разные годы. В ходе промерзания почв и подстилающих пород в их профиле проявляется перераспределение влаги и формирование зоны ее намерзания. Глубина расположения и мощность зоны криогенной аккумуляции влаги находятся в прямой зависимости от глубины проникновения отрицательных температур. Эта зона формируется в промежутке от 80 до 180 см, т.е. за пределами слоя эваподесуктивного иссушения по яровым зерновым культурам. Верхняя граница зоны намерзания в почвах, где грунтовые воды лежат ниже критической глубины, отмечается на одном уровне - 70-80 см от поверхности. Это связано с тем, что передвижение влаги к промерзающему слою и намерзание в нем осуществляется лишь при достаточно высокой его исходной увлажненности, превышающей или близкой к НВ. Выше же указанной глубины происходит ежегодное иссушение почв до уровня влажности завядания (ВЗ). Если грунтовые воды осенью фиксируются на глубинах, превышающих критические, верхняя граница слоя намерзания может отмечаться на отметках 40-80 см от земной поверхности; положение нижней границы зоны криогенной аккумуляции практически не зависит от глубины залегания грунтовых вод.
Величины намерзания влаги невелики и достигают 15-30 мм при залегании грунтовых вод ниже критической глубины и 25-50 мм при положении грунтовых вод выше критической глубины. Источниками криогенной аккумуляции влаги служит влага нижележащих непромерзающих слоев и влага грунтовых вод в случае, если расстояние между фронтом промерзания и уровнем грунтовых вод меньше 250 см. Роль криогенной аккумуляции в погашении дефицита влажности в корнеобитаемом слое почв Ишимской степи ничтожна, однако ее генетико-мелиоративная роль как процесса, создающего и поддерживающего условия анаэробиозиса в почвах, весьма значима.
На основе краткого обзора особенностей зимнего передвижения влаги в южных районах Сибири возможно выделить основные факторы термоградиентного движения влаги в холодный промежуток года.
Важнейшим фактором термоградиентного передвижения влаги является глубина проникновения 0° в почвенно-грунтовые толщи. Эта глубина зависит от различных условий, и, в первую очередь, предопределяется противоречивым влиянием средних температур воздуха и мощностью снежного покрова. В южных районах Сибири глубина проникновения 0° может быть разной (до 250 см), однако она всегда охватывает характеризующуюся повышенным влагосодержанием подпочвенную толщу под слоем летнего суммарного иссушения по доминирующим в регионе посевам яровых зерновых. Глубиной проникновения 0° предопределяется вертикальная мощность зоны намерзания влаги.
Другим важным фактором является гранулометрический состав почвенно-грунтовых толщ, которым обусловлены формы, доминирующей в почвах и породах влаги. При тяжелосуглинистом высокоилистом гранулометрическом составе в почвах преобладает пленочная, стыковая и сорбционно-замкнутая влага. Поэтому для таких почв характерно минимальное содержание капиллярной и свободной гравитационной воды. Следовательно, объем сезонной миграции влаги при прочих равных условиях в таких почвах будет небольшим. Наоборот, в супесчаных почвах содержание прочно- и рыхлосвязанной влаги невелико. Зато при близком расположении грунтовых вод удельный вес капиллярно-подпертой воды будет большим. При названных условиях размер криогенной аккумуляции может быть весьма значимым при проникновении 0° в горизонт капиллярного насыщения над грунтовыми водами.
Следовательно, еще одним важным фактором термоградиентного передвижения влаги является глубина залегания грунтовых вод и исходная влажность почвенно-грунтовой толщи. Чем ближе грунтовые воды и чем выше исходная влажность почвенно-грунтовых толщ, тем больше величина термоградиентной миграции влаги.
Следующий момент связан с необходимостью понимать, в какой форме и под воздействием каких сил происходит передвижение влаги из незамерзающей толщи пород в сторону сезонно промерзающего слоя почв. Как известно, существует два варианта промерзания почв: с миграцией и без миграции влаги. Замерзание почвы без выраженной миграции влаги встречается либо в случае с их очень низкой исходной влажностью или в результате весьма быстрого продвижения фронта промерзания вглубь почвы [11]. Обычно замерзание происходит достаточно медленно, что предопределяет возможность миграции воды в охлаждающийся и промерзающий слой. Позднее замерзшая часть почвы выступает причиной для передвижения влаги под воздействием температурного градиента. Температурный градиент связан с градиентом термодинамического потенциала воды и градиентом давления водяного пара. Эти движущие силы и вызывают движение жидкости и водяного пара в направлении от более высокого потенциала влаги к более низкому, т.е. в направлении от слоев с более высокой температурой к слоям с более низкой. В результате влага мигрирует из незамерзшей части почвы в сезонно замерзающую ее часть. Незамерзающая часть профиля является, таким образом, определенным резервуаром влаги для сезонно промерзающего слоя.
По-видимому, впервые вопрос о зимнем перераспределении влаги в почвенном профиле поднял Г.Б. Близнин. В результате наблюдений, проведенных на Елисаветградской метеорологической станции, он пришел к выводу, что движение влаги из глубоких непромерзающих слоев в верхние промерзающие осуществляется в виде пара. Исследования [12, 13] подтвердили эту точку зрения. Однако М.И. Сумгин [14] пришел к заключению, что влага продвигается к фронту промерзания в основном в жидком виде, хотя нельзя сбрасывать со счетов и миграцию ее в виде пара. Н.А. Качинский [15] также не придавал первостепенного значения пародиффузионному механизму передвижения влаги. S. ТаЬег [16] выдвинул концепцию пленочной миграции, по которой на место вымерзающей на кристаллах льда влаги
поступают новые ее порции вследствие прочных межмолекулярных связей в воде. А.П. Федосеева [17] показала несостоятельность положения о диффузии пара как основного механизма зимней миграции влаги.
При изучении водного режима почв в Ленинградской области получены данные, свидетельствующие о миграции влаги преимущественно под действием термокапиллярных сил [18]. Положение о передвижении почвенной влаги к фронту промерзания в жидком виде было подтверждено в работах [19, 20]. В итоге установлены три составляющих в потоке почвенной влаги к фронту промерзания: 1) пародиффузионный поток; 2) термокапиллярный поток и 3) поток, обусловленный резким уменьшением потенциала влаги при замерзании [21]. Пародиффузионный поток передвижения влаги к фронту промерзания преобладает при низких влажностях почвы, а два других - при высоких [22].
С учетом представленных обобщений попробуем разобраться с механизмом зимней миграции влаги в почвах Ишимской степи по материалам наших наблюдений. Зимнее термоградиентное передвижение влаги из ниже лежащих слоев грунта и ее аккумуляция в сезонно промерзающем слое уверенно определяются полевыми методами наблюдений только при достаточно высокой исходной влажности почв и подпочвенных пород. В почвенно-грунтовых толщах Ишимской степи эти процессы проявляются при влажности, близкой уровню НВ или превышающей ее. В горизонтах интенсивного (с влажностью в промежутке ВЗ - 80% НВ) и полного (ниже уровня ВЗ) летнего эваподесуктивного иссушения, сохраняющихся в почвах в течение холодного сезона, зимнее перераспределение влаги полевыми методами не фиксируется. На основании этого полагаем, что пародиффузионный механизм передвижения влаги в тяжелосуглинистых высоко илистых почвенно-грунтовых толщах Ишимской степи не является ведущим. Если бы ему принадлежала сколько-нибудь значимая роль, в горизонтах сильного и полного летнего иссушения отмечалась бы различимая с помощью полевых методов наблюдения прибавка влаги в течение зимнего сезона. Следовательно, в исследуемых почвах заметная роль принадлежит термоградиентному передвижению пленочной и капиллярной воды. Движение воды в какой форме преобладает?
Для почв тяжелосуглинистого высокоилистого гранулометрического состава характерно преобладание микропор (диаметром менее 3 мкм) в структуре пористости. На их долю приходится 45-60% порового пространства в пахотном слое (20-35% объема почвы) и 60-70% порового пространства в горизонте С (28-38% объема почвы). Поэтому доля капиллярной влаги, особенно в глубоких горизонтах исследуемых почв, чрезвычайно скромна при влажности как ниже НВ, так и выше ее.
Пористость аэрации при НВ наиболее высока в слое 0-50 см, где изменяется от 15 до 25% объема. С глубиной пористость аэрации при НВ уменьшается до 12-20% объема в слое 50-100 см и 9-18% в слое 100-150 см. Низкие величины пористости аэрации подгумусовой части профиля и всей подстилающей толщи свидетельствуют о малой разнице между величинами НВ и капиллярной влагоемкости (КВ) и даже полной влагоемкости (ПВ). В подпахотных частях почвенного профиля и в подпочвенной толще водоотдача при ПВ составляет только 4-6% объема почв. Следовательно, в диапазоне влажности 30-36% объема отмечаются величины КВ и ПВ. КВ в подгумусовой части профиля и в подпочвенной толще составляет 32-33% объема. Небольшое различие в значениях НВ и ПВ является региональной генетической особенностью почв Ишимской степи.
При таких характеристиках пористости становится очевидным, что термоградиентное передвижение и капиллярной, и пленочной влаги будет весьма незначительным. Еще раз обращаемся к результатам полевых наблюдений. Если грунтовые воды осенью залегают глубоко (на глубине более 4 м), их капиллярная кайма не охватывается процессом промерзания и объем криогенной аккумуляции влаги составляет 15-30 мм. Полагаем, в такой ситуации доминирует передвижение пленочной влаги. Если осенью грунтовые воды отмечаются выше критической глубины (менее 4 м), часть капиллярной каймы охватывается процессом промерзания, содержание влаги в сезонно промерзающем слое увеличивается на 25-50 мм. Предполагаем, что при такой ситуации проявляется передвижение капиллярной влаги, за счет которого объем воды в слое намерзания возрастает, по меньшей мере, на 10-20 мм. Следовательно, в почвах Ишимской степи преобладающий ток влаги в сторону сезонно промерзающего слоя зависит от осенней влажности расположенных под слоем летнего иссушения толщ и, следовательно, от глубины залегания грунтовых вод. Если грунтовые воды отмечаются ниже критической глубины и их капиллярная кайма не охватывается сезонным промерзанием, движение влаги под воздействием
температурного градиента осуществляется преимущественно в пленочном виде. Если грунтовые воды фиксируются выше критической глубины и их капиллярная кайма охватывается сезонным промерзанием, к пленочному передвижению добавляется и капиллярный ток: чем выше уровень грунтовых вод, тем больше удельный вес капиллярного передвижения влаги. Предполагаем, что максимальное участие капиллярного передвижения влаги приходится на случай, когда уровень грунтовых вод во второй декаде октября наблюдается на глубине 2,1 м. Прибавка влаги в слое намерзания за счет капиллярного тока составляет, вероятно, 40% суммарной.
К настоящему времени накоплен значительный опыт моделирования передвижения почвенно-грунтовой влаги под влиянием температурных градиентов. Еще в конце ХХ столетия составлен обзор методов математического анализа для характеристики передвижения тепла и влаги в ненасыщенных почвах [23]. Создана простая модель, описывающая тепло- и влагоперенос в почве под влиянием современных колебаний климата на основе использования минимума переменных и данных о погоде [24]. Адаптирована компьютерная программа для установления профиля влажности почв, водопроницаемости и влагоемкости в результате инфильтрации влаги в промерзающую и непромерзающую почву [25].
Одним из основных современных трендов исследований является изучение процессов тепло- и массопереноса в сезоннопромерзающих почвах. Разработана физическая модель гидротермического режима сезонно замерзающих почв. Модель описывает процесс тепло- и влагопереноса через однородную ненасыщенную замерзающую почву и позволяет вычислить влияние фазовых переходов воды. В модели задействованы водные свойства почвы, фазовые переходы воды в замерзающей почве, которые, в свою очередь, предопределены базовыми почвенными характеристиками. Модель создана для предсказания стока в пределах территории России с сезонно промерзающими почвами [26]. Моделирование передвижения тепла и влаги и деформации промерзающих почв осуществлено в целях решения ряда инженерных проблем в холодных регионах. В модели, основанной на уравнении Клайперона, описана миграция влаги в промерзающей зоне под влиянием температурного градиента [27]. Показано, что движение тепла и почвенной влаги особенно сложны в период промерзания и оттаивания почв в пределах высокогорных холодных регионов. Создана модель регионального влияния почвенных свойств и процессов сезонного промерзания-оттаивания почв в пределах Тибетского нагорья для выявления пространственного распределения влажности и температуры почв в течение холодного и теплого сезонов года [28]. Представлена числовая модель передвижения тепла и влаги в частично промерзающих почвах. Эта модель включает передвижение влаги, аккумуляцию снега и его таяние, промерзание и оттаивание почв. Модель создана для предсказания температурного поля почв и поля влажности почв на большой территории в системе «почва-атмосфера» [29].
Таким образом, к настоящему времени подобраны данные по параметрам неизотермического внутрипочвенного влагообмена при промерзании почв, установлены основы возможных механизмов движения почвенной влаги под действием градиентов температуры, описаны методы и представлены результаты математического и физического моделирования, позволяющие определить условия преобладания тех или иных механизмов. Наработан обширный экспериментальный материал, на основе которого выявлена связь неизометрического внутрипочвенного влагообмена со свойствами почвы и внешними условиями. Выделены закономерности термоградиентного внутрипочвенного влагообмена в почвах.
Суммируя вышесказанное, можно сделать вывод, что по вопросу передвижения влаги под влиянием температурного градиента накоплен обширный фактический материал, созданы продуктивные обобщения и построены многие математические модели. Вместе с тем, дальнейшее изучение термоградиентной миграции влаги в пахотных почвах Сибири остается важной для настоящего времени задачей. Необходимость продолжения изыскательских работ обусловлена фрагментарностью предыдущих исследований (основное внимание уделялось изучению зимнего перераспределения почвенной влаги), скромным охватом районов проводимых полевых наблюдений за криогенной аккумуляцией влаги, современными изменениями окружающей среды, наблюдаемыми в течение последних десятилетий. Среди этих изменений для южных районов Сибири можно назвать: подъем грунтовых вод до критических глубин, во многом антропогенной природы [30]; повышение средней температуры воздуха зимних месяцев; снижение содержания илистой фракции в пахотном слое многих почв; дифференциацию почв в зависимости от их хозяйственного использования (лесополосы, пашня,
залежи, пастбища; в пределах пашни - специализация на выращивании зерновых, кормовых или технических культур) [31].
Направления дальнейших работ возможно конкретизировать через формулировку следующих задач:
- установление современных особенностей сезонной миграции влаги в пахотных почвах юга Сибири, в том числе, и в теплый сезон года; их сравнение с результатми исследований второй половины ХХ столетия;
- агропроизводственная оценка результатов термоградиентного передвижения влаги;
- прогноз величин и пространственного расположения зоны почвенной миграции влаги;
- создание моделей процесса термоградиентного передвижения влаги в сложных многокомпонентных системах.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 26-24-00104.
Список литературы
1. Dopper Veronica, Alby Duarte Rocha, Katja Berger, Tobias Granzig, Jochem Verrelst, Brigit Kleinschmit, Michael Forster. Estimating soil moisture content under grassland with hyperspectral data using radiative transfer modelling and machine learning // International Journal of Applied Observation and Geoinformation. 2022. No 110. P. 102817. DOI: 10.1016/j.jag.2022.102817.
2. Гиличинский Д.А. Сезонная криолитозона Западной Сибири. М.: Наука, 1986. 144 с.
3. Орловский Н.В. Исследование по генезису, солевому режиму и мелиорации солонцов и других засоленных почв Барабинской низменности // Труды Почвенного института им. В.В. Докучаева. 1955. Т. 47. С. 226-409.
4. Сребрянская Г.А. Явления сезонного промерзания и оттаивания почв Центральной Барабы // Труды Почвенного института им. В.В. Докучаева. 1954. Т. 42. Ч. 2. С. 172-232.
5. Невечеря В.Л. Сезонное промерзание почв и проблема мелиорации Барабы // Вопросы мелиорации Барабинской низменности. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1970. С. 89-93.
6. Панфилов В.П. Физические свойства и водный режим почв Кулундинской степи. Новосибирск: Наука, 1973. 258 с.
7. Мосиенко В.С. Промерзание и оттаивание почвы в условиях Кулундинской степи // Почвоведение. 1957. № 1. С. 45-51.
8. Сеньков А.А. Водный режим гидроморфных и полугидроморфных почв Кулунды при промерзании // О почвах Сибири/к XI Межд. конгр. почвоведов/. Новосибирск: Наука, 1978. C. 187-191.
9. Киссис Т.Я. Водный режим пахотных мерзлотных лесостепных почв. М.: Наука, 1969. 134 с.
10. Куликов А.И., Панфилов В.П., Дугаров В.И. Физические свойства и режимы лугово-черноземных мерзлотных почв Бурятии. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1986. 136 с.
11. Zhu W., Zhang C.L., Abraham C.F. Chiu Soil-Water Transfer Mechanism for Solidified Dredged Materials // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2007. Vol. 133. Iss. 5. P. 588-598. DOI: 10.1061/(ASCE)1090-0241(2007)133:5(588).
12. Лебедев А.Ф. Почвенные и грунтовые воды. М.: Изд-во АН СССР, 1936. 316 с.
13. Самбикин М.М. Влияние изменения хода накопления влаги в почве в зависимости от почвенных температурных градиентов // Научно-агрономический журнал. 1926. № 5. С. 15-18.
14. Сумгин М.И. Вечная мерзлота почв в пределах СССР. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1937. 379 с.
15. Качинский Н.А. Замерзание, размерзание и влажность почвы в зимний сезон в лесу и в полевых участках. М.: Изд-во МГУ, 1927. 134 с.
16. Taber S. The mechanism of frost heaving // Journal of Geology. 1930. Vol. 38. No 4.P. 12-18.
17. Федосеева А.П. О перераспределении влаги в почве зимой // Метеорология и гидрология. 1941. № 2. С. 12-20.
18. Годун Г.Г., Рожанская О.Д. Исследование зимнего режима садов на валах // Вопросы агрономической физики. М.: Сельхозгиз, 1957. С. 28-35.
19. Боженова А.П., Бакулин Ф.Г. Экспериментальные исследования механизмов передвижения влаги в промерзающих грунтах // Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов. М., 1957. Вып. 3. С. 117-128.
20. Biermans M.B.G.M., Dijkema K.M., De Vries D.A. Water movement in porous media towards an ice front // Journal of Hydrology. 1978. Vol. 37. Iss. 1-2. P. 137-148. DOI: 10.1016/0022-1694(78)90102-6.
21. Глобус А.М., Нерпин С.В. О механизме передвижения почвенной влаги к промерзающему горизонту // Доклады АН СССР. 1960. Т. 133. С. 1422-1424.
22. Глобус А.М. Физика неизотермического внутрипочвенного влагообмена. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 279 с.
23. Thomas H.R. Nonlinear analysis of heat and moisture transfer in unsaturated soil // Journal of Engineering Mechanics. 1987. Vol. 113. Iss. 8. P. 1163-1180. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9399(1987)113:8 (1163).
24. Maha Chalhoub, Michel Bernier, Yves Coquet, Mikael Philippe. A simple heat and moisture transfer model to predict ground temperature for shallow ground heat exchangers // Renewable Energy. 2017. Vol. 103. P. 295-307.. DOI: 10.1016/j.renene.2016.11.027.
25. Van der Ploeg. Simulation of Moisture Transfer in Soils One-Dimensional Infiltration // Soil Science. 1974. Vol. 118. Iss.6. P. 349-357.
26. Gelfan A. Physically-based model of yeat and water transfer in frozen soil and its parameterization by basic soil data // Predictions in Ungauged Basins (Proceedings of symposium S7 held during the seventh IAHS Scientific Assembly, Brasil, 2005). IAHS Publ. 2006. 303. P. 293-304.
27. Min He, Xiaopeng Feng, Ning Li. Modeling of Coupled Heat-Moisture Transfer and Deformational Behavior of Frozen Soil // Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2018. Vol. 55. P. 153-161. DOI: 10.1007/s 11204-018-9519-z.
28. Deng M., Meng X., Lu Z., Zhao L., Hu Z., Chen H., Shang L., Wang Sh., Li Q. Impact and Sensitivity Analysis of Soil Water and Heat Transfer Parameterizations in Community Land Surface on the Tibetan Plateau // Journal of advances in modeling Earth systems. 2021. Vol 13. Iss. 9. DOI: 10.1029/2021MS002670.
29. Xu Huining, Spitler Jeffrey D. The relative importance of moisture transfer, soil freezing and snow cover on ground temperature predictions // Renewable Energy. Elsevier, 2014. Vol. 72(C). P. 1-11.
30. Кравцов Ю.В. Подъем грунтовых вод в Ишимской степи // Сибирский экологический журнал. 2009. Т. 16. № 2. С. 217-222.
31. Кравцов Ю.В., Смоленцева Е.Н. Особенности современного генезиса плакорных почв Ишимской степи // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2022. № 111.С. 116-156. DOI: 10.19047/0136-1694-2022-111-116-156.
