CC BY
63
УДК 631.432:631.544.7
Сидорова М.А., Борисова Е.О., Никифорова А.С.
Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова Е-mail: [email protected]
УПРАВЛЕНИЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ ПОЧВЫ КУЛЬТУРНОГО ЛАНДШАФТА РЕКРЕАЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
В настоящее время большое внимание уделяется инициации адаптационных процессов в системе «почва-растения» культурных ландшафтов рекреационного назначения. На дерново-подзолистой супесчаной почве проведен физический модельный полевой эксперимент, имеющий целью выявление закономерностей в трансформации гидрологического режима под влиянием мульчирования и некоторых планировочных решений.
Отмечены существенные измененияв объемной влажности почвы (6), запасах почвенной влаги (ЗВ) и доступности влагидля растений. В среднем за весь вегетационный период отмечен рост 6 и ЗВ в слое 0-50 см по сравнению с контролем под влиянием мульчирования почвы сосновым опадом на 28 и 21%, 6-40 и 9-23% в «сухом ручье», под элементамитропиночной сети (пошаговой дорожкой) на 5 и 4-9% соответственно. Гидрологические режимы в рокарии и локальных декоративных незапечатанных фрагментах почвы оказались весьма схожими: однако 6 и ЗВ достоверно снижались в первом случае на 13-18 и 6-29%, а во втором - на 2 и 4%. Гидрологический режим контрольного варианта опыта в условиях засушливого вегетационного периода 2014 г. благоприятен для роста ксеромезофитов.
Применение предложенных планировочных решений и мульчирования открывает возможность создания разнообразных устойчивых антистрессовых фитоценозов на одном типе исходной почвы в границах одной рекреационной зоны.
Ключевые слова: почва,почвенно-ландшафтное конструирование, планировочные элементы, агромелиоративные приемы, мульчирование, гидрологический режим почвы, категории почвенной влаги.
Гидрологический режим почв является одним из ключевых факторов, определяющих функционирование экосистем «почва-растение». Научные основы изучения водного режима почв и решения проблем его оптимизации были заложены В.В. Докучаевым и развивались его учениками и последователями [1], [2]. Регулирование водного режима почв достигается различными гидротехническими (открытый или закрытый дренаж, разнообразные способы орошения) и агротехническими мероприятиями (гребнева-ние, бороздование, снегозадержание с помощью стерни и кулис, формирование валов из снега и сети прудов, водоемов) с учетом специфических почвенно-климатических условий и потребностей растений в воде. В частности, накоплению и сохранениювлаги в почве способствуют поверхностное рыхление или боронование весной и мульчирование почвы растительными остатками. Мульчирование снижает испарение влаги из почвы в период от схода снежного покрова до смыкания посевов и после уборки урожая до наступления зимы. Накоплен большой экспериментальный материал, свидетельствующий о том, что под влиянием мульчирования существенно изменяется влажность почвы [4]-[7], являющаяся в свою очередь важнейшим экологическим фактором [8]. Например, в течение засушливых
вегетационных периодов 2011-2012 гг. мульчирование дерново-подзолистой почвы хвойнымо-падом поддерживало влажность верхнего слоя почвы на высоком и стабильном уровне [9].
В последнее время большое внимание уделяется инициации адаптационных процессов в системе «почва - растения» культурных ландшафтов рекреационного назначения. Основное содержание землеустроительного проектирования в этом случае заключается в создании и поддержании экологически стабильного, способного к самовоспроизводству ландшафта [ 10]—[ 12]. Требуется разработка новых систем землепользования, способных воздействовать на почвенные режимы (гидрологический, температурный, воздушный и газовый) и которые базируются на активно развивающемся в настоящее время инженерном почвоведении [13]—[15]. Для решения возникающих задач, возможно использование приемов почвенно-ландшафтного конструирования (разнообразные планировочные решения, применение органических и неорганических сыпучих материалов в качестве поверхностного покрытия) и агромелиоративных мероприятий (вспашка, профилирование поверхности, мульчирование и др.) [13].
В рекреационных ландшафтах целесообразны способы регулирования водного режима почв,
не требующие значительных материальных и трудовых затрат на эксплуатацию оросительных и осушительных систем. В связи с этим предстоит оценить степень их воздействия на гидрологический режим почвы и возможность частичного или полного отказа от традиционных оросительно-осушительных мероприятий. До сих пор научные основы имеющихся технологических решений и агромелиоративных приемов не достаточно разработаны, не велика и существующая достоверная база данных. Поэтому цель данных исследований — разработка научных основ управления элементами водного режима дерново-подзолистой супесчаной почвы с помощью ряда планировочных решений и агромелиоративного приема — мульчирования. Были поставлены следующие задачи: 1) осуществляя регулярный мониторинг, получить динамику режима влажности почвы до глубины 1 м в различных вариантах опыта; 2) оценить запасы почвенной влаги и достоверность полученных различий по вариантам; 3) оценить доступность почвенной влаги для групп растений, характеризующихся разной потребностью во влаге в соответствии с существующими научными представлениями в гидрофизике почв.
Объект и методы исследований
Физический модельный полевой эксперимент проводился в Ногинском районе Московской области, в 18 км от МКАД. Опыт был организован таким образом, чтобы снивелировать пространственную неоднородность почвы и возможные различия в инсоляции и физических свойствах сравниваемых вариантов. Некото-
рые физические и водно-физические свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы представлены в табл.1.
Плотность исследуемой почвы в слое 0-40 см оптимальна для супесчаных горизонтов (1.2-1.45 г/см3)[16], [17]. В нижних безгумус-ных песчаных горизонтах она увеличивается до 1.5 г/см3. НВ изучаемой почвы в слое 0-40 см равнялась 23-25% от объема почвы.
По существующему климатическому районированию Московскую область относят к зоне достаточного увлажнения, средний многолетний коэффициент увлажнения (КУ) за теплый период равен 1.05 [19]. Оценка климатических условий 2014 года по этому параметру показала, что год исследований оказался засушливым (КУ = 0.54). В качестве основных метеорологических параметров за вегетационный период 2014 года использовались данные об осадках (Ос), среднесуточной температуре ^ср) и относительной влажности воздуха. Измеренные параметры существенно отличались от средне-многолетних (табл. 2). При средней многолетней величине суммы осадков за теплые месяцы (май - сентябрь) 389 мм Ос в 2014 г. были ниже на 30% (273 мм), tср достигала 16.9°С (выше среднемноголетней на 1.7°С). В исследуемый вегетационный период суммарная испаряемость (Ео) была выше среднемноголетней на 10 %.
Полевой опыт представлен следующими вариантами: 1) контроль (черный пар); 2) мульчирующий материал (сосновый опад, слой 5 см), применяемый под ацидофильные растения (гортензия, рододендрон, хеномелес японский,
Таблица 1. Физические и водно-физические свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы
Горизонт Глубина, см Гранулометр. состав Плотность твердой фазы, г/см3 Плотность, г/см3 Пороз-ность, %объёмн. Влажность, (9), % объемн.
МГ ВЗ НВ
Апах 0-30 супесь мелкопесчаная 2.4 1.2 46.0 1.3 6.4 24.8
АЕ 30-40 супесь мелкопесчаная 2.5 1.3 48.4 0.8 6.5 23.0
Е 40-50 песок рыхлый 2.6 1.3 - 0.5 5.1 22.3
В1 50-80 песок связный 2.6 1.5 - 2.1 7.2 22.6
В2 80-130 песок рыхлый 2.6 1.5 - 0.6 7.5 15.4
Примечание:гранулометрический состав определяли методомлазернойдифрактометриисиспользованием лазерного анализатора размера частнцАпа^ейе 22 МюшТеср!ис (Германия).
вереск и пр.). На поверхность почвы укладыва-лислой геотекстиля плотностью 200 г/м2, а затем по нему — слой мульчи. Испытывались также планировочные и дизайнерские решения: 1) незапечатанный артфрагмент почвы площадью 0.25 м2 среди мощения искусственным тротуарным булыжником; 2) элемент тропиночной сети: пошаговая дорожка, организованная плита мик-варцита (златолит) площадью 0.1—0.3 м2 каждая и уложенными друг от друга на ширину шага, где определение влажности почвы (0) проводилось непосредственно под плитами, т. е. элементами пошаговой дорожки (ЭПД); 3) рокарий, с использованием златолита, оказывающимна почву внешнее давление Рвн = 54 бара образцы на W брали с вершины рокария); 4) «сухой ручей», где применялась отсыпка природными валунами диаметром d = 6—10 см, Рвн = 72 бара (бурение почвы на W производилось по дну ручья). Подробные схемы планировочных решений (рокарий и «сухой ручей») приведены в ранее опубликованной работе [18]. Технологии создания этих планировочных элементов были известны и ранее, но их научно-методическая основа до сих пор не разработана.
Русло "сухого ручья" сформировало особый микрорельеф: грунт, извлекаемый до глубины 30 см, шел на создание его боковых склонов. В условиях сложившегося микроклимата отмечено снижение испарения влаги из почвы [12]. В результате в почве создаётся особый гидрологический режим, позволяющий формировать фитоценоз, включающий более влаголюбивые растения, тем самым расширять возможный растительный ассортимент.
Рокарий создавался путем формирования на поверхности почвы насыпного холма высотой 30 см. В качестве грунта использовался слой Апах исследуемой почвы. Кладка камня
(златолит) была выполнена особенным образом: плиты ставились на ребро, близко и параллельно одна к другой. В результате между плитами создавались щели размером от нескольких мм до 2.5 см. Сланец укладывался широкой плоскостью на юг, что имело ряд неоспоримых преимуществ: во-первых, камни аккумулируют тепло, увеличивая годовую сумму положительных температур, которой не хватает многим растениям в условиях средней полосы России; во-вторых, конкуренция корневых систем растений, посаженных в образованных златоли-том нишах, минимальна. Таким образом, и в рокарии создаются особые микроклиматические условия, но наиболее благоприятные для засухоустойчивых и теплолюбивых растений. Влажность почвы определялась буровым и термостатно-весовым методами, измерение температуры воздуха и относительной влажности воздуха производили термохрон-датчиками марки Termochronviuwer с точностью 0.05оС. Точечная оценка существенностиразности по вариантам опыта производилась с помощью t — критерия Стьюдента [20].
Результаты и обсуждение
В модельном полевом эксперименте выявлена степень влияния ряда планировочных решений и агромелиоративных почвенно-ландшафтных приемов на режим объемной влажности (0) дерново-подзолистой супесчаной почвы до глубины 100 см (рис.1) и запасы влаги (ЗВ) (табл. 3). Мульчирование сосновым опадом достоверно(уровень значимости а = 0,05) увеличивало 0 в среднем в слоях 0—20, 0—50 и 0—100 см(глубина приведена от дневной поверхности) по сравнению с контролем соответственно на 32.2; 28.3; 22.1 %. Запасы влаги в этих слояхвозрастали в среднемна34.1; 20.9 и
Таблица 2. Метеорологические условия вегетационного периода 2014 г.
Параметр Месяцы Среднее (^ КУ) или сумма (Ос, Ео)
V VI VII VIII IX
^ °С 16,0 16,1 21,1 19,2 12,3 16,9
Ос 70,2 73,9 4,0 84,3 40,1 272,5
Ео 105,9 101,5 90,6 113,4 77,8 489,2
КУ 0,66 0,73 0,04 0,74 0,52 0,54
Примечание:Ос —осадки, ммводн.сл.;! — среднесуточная температура воздуха, °С;Ео — испаряемость, мм водн.сл.[Ео = 0,0018(25+^2(100 — А)], где А - относительная влажность воздуха, %;КУ — коэффициент увлажнения (КУ = Ос/Ео).
20.2 %, что связано со значительным снижением интенсивности испарения из верхних слоев почвы под влиянием мульчи (относительное испарение E/E из почвы было ниже в 3 раза, чем на контроле, где E/Eo не превышало 0.98).
Элемент пошаговой дорожки увеличивал 0 в среднем в слоях 0-20, 0-50 и 0-100 см на 6.8; 4.7 и 5.8 % соответственно. В целом в исследуемых слоях ЗВ возрастали на 4.0-9.0 %.
В незапечатанном артфрагменте среди мощения искусственным булыжником 0 в аналогичных слоях была в среднем на 1.7; 1.9 и 2.3 %выше, чем на контроле. Воздействие данного планировочного решения на свойства почвы наиболее интенсивно проявилось в период с
28.07 по 10.10, когда наблюдалась максимальная температура воздуха. Искусственный булыжник, характеризующийся более высоким коэффициентом температуропроводности 5,1Ф-7 м2/с [21], чем исследуемая почва 3,6Ф-7 м2/с, нагревал в дневные часы поверхность почвы и усиливал испарение влаги из нее. Таким образом, ЗВ уменьшались в слое 0-50 см на 4.0 %.
В рокарии 9 в слое 0-100 см в период с 10.07 по 10.10 была значительно ниже, чем в остальных вариантах опыта (на 4.0-11.0 %). По сравнению же с контролем 9 и ЗВ снизились соответственно на 13.0-18.0 и 6.0-29.0 %.
В «сухом ручье» на протяжении всего вегетационного периода 9 достоверно возрастала
Рисунок 1. Метеорологические параметры (а), карта хроноизоплет по вариантам модельного полевого опыта на дерново-подзолистой супесчаной почве: контроль (б), мульча (в), ЭПД (г), незапечатанный артфрагмент (д),
рокарий (е), «сухой ручей» (ж), 2014 г. Примечание: О Iii 02- глубина почвы, где за 0 см принята поверхность почвы на контроле и дневная поверхность варианта опыта, соответственно;ИВ> HB, й£й= HB -ВРК, I 1= ВРК- ВЗ.
(уровень значимости а = 0,05) в слое 0—50 см на 6.0—40.0 %, чем на контроле. Запасы влаги при этом возрастали на 9.0—23.0 %, что связано со снижением интенсивности испарения из верхних слоев почвы под влиянием сплошного способа укладки натурального булыжника по поверхности русла (Е/Ео уменьшалось в отдельные периоды по сравнению с контролем в 2 раза).
Краткосрочное наличие гравитационной влаги (0> НВ) отмечено на всех вариантах опыта в начале эксперимента, что объясняется влажными погодными условиями весны.Под мульчей (рис. 1-в) область распространения этой категории влаги фиксировалась в течение
14 сут (Т) и до глубины 50 см (И). Под элементом пошаговой дорожки, на контроле и в «сухом ручье» (рис. 1-г, б, ж) Т= 10,9 и 7 сут., а h = 40,
15 и 40 см соответственно. Под мульчей, как и в «сухом ручье» категория легкодоступной влаги (НВ — ВРК) обнаружена в течение одинаково длительного периода (с 25.06 до конца вегетационного сезона). Вероятно, этот период определяли небольшие различия в испарении влаги из почвы: под мульчей и булыжником (Е/Ео не превышало 0.38 и 0.57). Но в «сухом ручье» обозначенная категория влаги фиксировалась не столь глубоко, как под мульчей, что связано, возможно, с теплофизическими свойствами булыжника. В рокарии (рис. 1-е) с 15.07 до 10.10 по всему профилю наблюдалась 0 от ВРК до ВЗ, т. е. влага характеризовалась как рыхлосвязанная.
Таким образом, проведенные исследования показали возможность управления гидрологическим режимом дерново-подзолистой супесчаной почвы посредством применения такого агромелиоративного приема как мульчирование сосновым опадом и некоторых планировочных решений, формирующих особый микрорельеф и позволяющих трансформировать параметры почвенных режимов исходной почвы.
Таблица 3. Средние запасы влаги (ЗВ) дерново-подзолистой супесчаной почвы по вариантам полевого модельного опыта, 11.06 - 10.10.2014 г.
Варианты опыта ЗВ, мм водн. сл. в слое, см
0-20 0-50 0-100
контроль 29.2 ± 8.1 63.1 ± 16.3 113.2 ± 18.5
мульча 35.9 ± 9.8 85.7 ± 20.3 135.1 ± 24.1
незапечатанный артфрагмент 28.1 ± 8.3 64.9 ±1 9.1 116.8 ± 28.0
ЭПД 31.8 ± 1.7 72.3 ± 23.7 123.2 ± 31.7
рокарий 24.2 ± 7.5 58.1 ± 22.2 88.0 ± 42.0
«сухой ручей» 28.1 ± 8.8 73.8 ± 21.7 141.9 ± 37.7
Заключение
Использование предложенных планировочных решений в условиях рекреационного ландшафта позволяет существенно влиять на влажность и запасы влаги исследуемой почвы, а также на распределение влаги по категориям ее доступности для растений: в рокарии складываются оптимальные условия для ксерофитов; в «сухом ручье»создается режим, благоприятный для декоративных растительных сообществ мезофитного ряда.
Мульчирование исследуемой почвы сосновым опадом мощностью 5 см позволяет культивировать декоративные растения ацидофилы (мезогигрофиты, и мезофиты).
В незапечатанном фрагменте среди мощения и в естественных природных условиях исследуемая почва пригодна для задач рекреационного озеленения мезоксерофитными растениями.
Применение предложенных планировочных решений и агромелиоративного приема открывает возможность создания разнообразных устойчивых антистрессовых фитоценозов на одном типе исходной почвы в границах одной рекреационной зоны.
10.05.2016
Список литературы:
1. ЗайдельманФ.Р. Деградация почв как результат антропогенной трансформации их водного режима и защитные мероприятия // Почвоведение. - 2009. - N1. - С. 93-105 .
2. СудницынИ.И. Движение почвенной влаги и водопотребление растений. М.: МГУ, 1979.-432 с.
3. ИнишеваЛ.И. Почвенно-экологическое обоснование комплексных мелиораций: монография. Томск. Изд-во: Том.гос. ун-та, 1992 - 270 с.
4. Massee T., Cary J. Potential for reducing evaporation during summer fallow // J. Soil and water Concerv.1978. Vol. 33, №3. P. 126-129.
5. Смолин Н.В. Мульчирование почвы в зерновой системе земледелия. Саранск: Изд-во Мордов. Ун-та, 1997. - 116 с.
6. Андерсен Р. Л., Косолап Н. Растительные остатки и контроль сорняков в технологии No-till.// Зерно. 2008.-№ 4.-C. 31-44.
7. Сидорова М. А., Чернова А. Д. Мульчирование органическими материалами как эффективный агромелиоративный прием на дерново-подзолистой почве в условиях засушливых вегетационных периодов//Тр. Международной конференции. Санкт-Петербург, 2012.-С. 391-395.
8. МанучароваН.А., Ярославцев А.М., Степанов А.Л., СудницынИ.И., КожевинП.А. Влажность как экологический фактор формирования почвенного гидролитического микробного комплекса.//Вестник Моск. Ун-та. Серия 17: Почвоведение. 2012. -№ 1 .-С.29-36.
9. СидороваМ.А.,Борисова Е.О. Особенности режима влажности модельной дерново-подзолистой почвы при мульчировании еловым опадом //Вестн. Моск. ун-та. Сер.17: Почвоведение. 2014. -№2.-C. 34-39.
10. Исаченко А.Г. Оптимизация природной среды. - М.: Мысль, 1980. - 264 с.
11. Волков С.Н.Землеустроительное проектирование и организация землеустроительных работ/С.Н.Волков, Н.Г. Конокотин, А.Г.Юнусов.-М.: Колос, 1998. - 632 с.
12. Голованов А.И., Ландшафтоведение. - М: Колос, 2007. - 216 с.
13. Исаченко А.Г. Введение в экологическую географию. - СПб.: Изд-во СПбГУ 2003. - 192 с.
14. Ковалев Н.О, Ковалева И.В. Инженерное почвоведение и почвенно-ландшафтный инжиниринг // Сб.: Почвы в биосфере и жизни человека: монография.- М.: Изд-во ФГБОУ ВПО МГУЛ, 2012, с. 447-469.
15. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Функции почв в биосфере и экосистемах. - М.: Наука, 1990. - 261 с.
16. Бондарев А.Г. О значении физических свойств почв в адаптивно ландшафтном земледелии // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2007. № 60. - С. 71-74.
17. ГаельА.Г., Смирнова Л.Ф. Пески и песчаные почвы. -М.: ГЕОС, 1999. - 252 с.
18. СидороваМ.А.,Борисова Е.О., Никифорова А.С.Технология трансформации гидрологического и температурного режимов дерново-подзолистой почвы ландшафта рекреационного назначения. // Материалы Всероссийской конференции с междуна-роднымучастием. Москва, 9-11 ноября 2015. - М.: Почвенный им. В.В Докучаева, 2015. - С. 230-233.
19. Лекции по сельскохозяйственной метеорологии / Под ред.М. С. Кулик, В. В. Синельщиков.Л.; Гидрометеоиздат, 1966.- 340 с.
20. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта.-5-е изд.-М.: Агропромиздат, 1985.- 351с.
21. Яворский Б.М., ДетлафА.А., Лебедев А.К. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. -Изд-во Оникс, 2006. -1056 с.
Сведения об авторах
Сидорова Марина Александровна, доцент кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова, кандидат биологических наук, доцент 119991, г Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ им.Ломоносова , ф-т почвоведения, каф. физики и мелиорации почв E-mail: [email protected] Борисова Екатерина Олеговна, аспирант факультета почвоведения Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова E-mail: [email protected] Никифорова Алла Сергеевна, доцент кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова, доктор биологических наук, доцент 119991, г Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ им.Ломоносова , ф-т почвоведения, каф. физики и мелиорации почв E-mail: [email protected]
