CC BY
6
УДК: 631.432.4 DOI: 10.34736^ЫС.2021.115.4.004.25-29
Влияние пастбищной растительности на водный баланс
лизиметрических моделей
Александр Сергеевич Хныкинм, м.н.с., theraan@mail.ru, ORCID: 0000-0001-8577-1960, Денис Игоревич Арчаков, м.н.с., лаборатория гидрологии агролесоландшафтов -Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук» (ФНЦ агроэкологии РАН), info@vfanc.ru, 400062, Университетский проспект, 97, г. Волгоград, Россия
В условиях Волгоградской области количество годовых осадков играет ключевую роль в формировании урожайности сельскохозяйственных экосистем. В связи с этим возникает необходимость проследить влияние растительности на водный баланс пастбищ на различных почвах. Для этого в крупногабаритных лизиметрах были созданы модели пастбищных экосистем на песчаных, супесчаных и суглинистых почвенных субстратах с использованием трав ставропольской селекции. В статье рассмотрены результаты экспериментальных исследований влияния пастбищных экосистем на водный баланс почв в лизиметрических моделях. Также приведены данные по годовому распределению осадков 2020/2021 гидрологического года, которые позволили проследить процесс изменения запасов влаги в почвенных субстратах. Указаны транспирационные коэффициенты для трёх моделируемых пастбищных экосистем. На лизиметрах с супесчаным и суглинистым наполнением около 50% поступающей и накопленной влаги тратится на транспирацию. В результате исследования определено, что при урожайности 0,41 т/га в пастбищных экосистемах на песчаных почвах грунтовый сток в первый год роста растений сокращается незначительно по сравнению с участками открытых песков. Также снижается количество почвенной влаги, затрачиваемой растениями на транспирацию.
Ключевые слова: пастбищные экосистемы, гравитационный сток, водный баланс, лизиметры, транспирация.
Работа выполнена в рамках государственного задания НИР ФНЦ агроэкологии РАН № 0713-2021-006 «Теоретические основы управления водными ресурсами при лесоаграрном освоении засушливых территорий РФ на основе динамической модели водного баланса региона, математического моделирования процессов формирования и динамики грунтовых и поверхностных вод, оценки влияния и изменения климата и антропогенных нагрузок на агроресурсный потенциал и лесорастительныеусловия».
Поступила в редакцию: 08.11.2021 Принята к печати: 06.12.2021
Запасы влаги являются лимитирующим фактором для роста и набора фитомассы растений в пастбищных экосистемах. Следовательно, получение данных о влиянии пастбищных травостоев на водный баланспочв является актуальным.
Новизна исследований состоит в получении экспериментальных данных о влиянии пастбищных многолетних трав на водный баланс почв различного гранулометрического состава. Для построения моделей пастбищных экосистем использовались крупногабаритные лизиметры гидрологического комплекса ФНЦ агроэкологии РАН.
Материал и методы. В 2021 году в экспериментальных целях на базе ФНЦ агроэкологии РАН был заложен опытпо изучению гравитационного стока под влиянием пастбищных трав на трёх лизиме-трах№3, №4 и №5. Площадь лизиметров составляет 6,3 м2, объём 20,5 м3. Все лизиметры имеют водовыпуск в подземную галерею, где ежедневно производятся количественные замеры стока воды, фильтрующейся через зону аэрации имитационных моделей пастбищных экосистем (рисунок 2). Осадки замерялись при помощи метеостанции Watch Dog 2000 series и дождемеров-накопителей. Лизиметры заполнены почвенными субстратами различного гранулометрического состава: №3 супесь, №4
суглинок, а №5 песок с Ергенинской возвышенности. В течение гидрологического года определялась влажность зоны аэрации через каждые 10см 4 раза за гидрологический год в двукратной повторности. Сроки определения: после снеготаяния, в начале тёплого периода (1 апреля), в середине тёплого периода (1 июля), в конце тёплого периода (30 октября).
Проведено изучение биоэкологических особенностей фитомелиорантов в составе пастбищных фитоценозов многолетних трав Ставропольской селекции, которые прошли первичную интродукцию и зарекомендовали себя как устойчивые в чистых монокомпонентных посевах. Были посеяны поли- а компонентные смеси: пырея среднего (Ставрополь- Н ский-1), пырея удлинённого (Ставропольский-10), г пырея солончакового, костреца безостого (Ставро- о польский-1, Вегур), житняка сибирского (Новатор), ° житняка гребенчатого (Викрав), овсяницы луговой | (Россиянка), овсяницы восточной. А также проведе- и ны исследования влияния растительного покрова на Ж водный баланс почв. р
В основу исследования положен опыт отечест- л венных [1-5] и зарубежных [7-14] исследователей, ^ изучающих отдельные элементы водного баланса 1 на лизиметрических моделях как почв без расти- 22 тельности (паров), так и под различными сельско- 1
^ - Для контактов / Corresponding author
хозяйственными и лесными культурами.
Для периода октябрь - март определение суммарного испарения (ИсС), включающего транспи-рацию и физическое испарение, проводилось по формуле:
ИсС = Ос - ДВ - ГрС
где: Ос - осадки за период октябрь - март, мм;
ДВ - изменение запасов воды в 2-метровом слое почвенного субстрата в лизиметрах, мм.
ГрС - гравитационный сток жидкой влаги из лизиметров, мм.
Для тёплого периода года транспирационный расход определяется по формуле:
Тр = Ос - ИсФ - ГрС + ДВ
где: ИсФ - испарение физическое, мм. Находится по формулам Н.Ф. Кулика [6].
Результат и обсуждение. Погодные условия холодного периода 2020/21 гидрологического года были характерными для региона исследования. За холодный период выпало 227,5 мм осадков (табл 1). Периодичность выпадения осадков и динамика грунтового стока представлены на рисунке 1.
Таблица 1 - Водный баланс на гидрологическом комплексе ФНЦ агроэкологии РАН с пастбищными многолетними травами за холодный период (31.10.2020 - 1.04.2021) 2020/2021 гг.
Лизиметр Осадки, мм Сток, мм Изменение влажности, мм Физическое испарение, мм
3 227,5 0,0 134,1 93,3
4 227,5 0,0 167,4 60,0
5 227,5 58,1 100,5 67,4
От 100 до 167 мм зимних осадков осеннего периода пошло на восполнение запасов почвенной влаги. Промывной тип водного режима наблюдался только в лизиметре №5 (сток составил 58 мм); выпавших осадков было недостаточно для насыщения зоны аэрации и возобновления грунтового
стока на лизиметрах №3 и №4.
Физическое испарение зимнего периода составило от 26 до 41% от выпавших осадков. Пик гравитационного стока пришёлся на конец холодного периода и составил 5,7 мм/сутки.
Сток, мм/сутки
7,0
6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0
* -
-
1 1 -
К s и il ill fir -
II 1 Î lilt \ kl а lnf 1 1111 1 ш i î ¡lh И U 1 1 № й- fM,' J II
о о о о т—
см см см см см
о о о о о
см см см см см
т— т— см см т—
о
(J3 о со т—
о см о Т— о
тг- т- см см о со о о о о о о
ООООООООО
(О (О 5) (J) О О О О
т-СМт-СМт-СМОСМО
(M
-■t о
CO CM tD
т- О T-
o со r-
CO T- CM
I Осадки -Лизиметр №4
-Лизиметр №3 Лизиметр Ыа5
Осадки, мм 100,0
оооооооооооооооооооо
0,0 Дата
О -cfr СО
т- см о
га 1
Рисунок 1. График выпадения осадков и величины стока в лизиметрических моделях пастбищных экосистем
В первой половине тёплого периода сумма осадков была 112,6 мм, тогда как вторая была значительно суше, осадки составили 63,1 мм. В сумме за весь период они составляют 175,7 мм (табл. 2). Физическое испарение 111,2 мм.
На лизиметре №3 (супесь) вся накопившаяся за холодный период влага израсходовалась на физическое испарение и транспирацию (173,7 мм), грунтовый сток не возобновился. При этом зона
аэрации потеряла 109,2 мм. На лизиметре №4 (суглинок) сток возобновился во второй декаде апреля и продолжался до конца гидрологического года, составив в итоге 34,2 мм. Растительность использовала на транспирацию 186,9 мм, иссушив зону аэрации на 156,2 мм. На лизиметре №5 (песок) сток составил 175,7 мм, влажность зоны аэрации снизилась на 127,8 мм. На транспирацию израсходовано 16,6 мм влажности.
Таблица 2 - Водный баланс на гидрологическом комплексе ФНЦ агроэкологии РАН с пастбищными многолетними
травами за тёплый период (1.04.2021-31.10.2021) 2020/21 гг.
Лизиметр Осадки, §§ Сток, §§ Изменение влажности, §§ Физическое испарение, §§ Транспирация §§
3 175,7 0,0 -109,2 111,2 173,7
4 175,7 34,2 -156,2 111,2 186,9
5 175,7 175,7 -127,8 111,2 16,6
В целом за 2020/21 гидрологический год выпало 403,2 мм осадков (табл. 3). Физическое испарение на занятых пастбищной растительностью лизиметрах было в пределах 42-51%. Водный режим в лизиметре №3 не переходил в периодически промывной, сквозного промачивания не наблюдалось. Вся сумма осадков была израсходована на испарение, увлажнение зоны аэрации и транспирацию
растениями. На лизиметре №4 сток возобновился при влажности зоны аэрации 14,64% и снизился до 0,007 мм/сутки в конце вегетационного периода и составил 34,2 мм, запасы влаги увеличились на 10,9 мм. На физическое испарение израсходовано 171,2 мм. На лизиметре №5 сток не прекращался и составил 233,9 мм, при этом зона аэрации иссушилась на 27,4 мм.
Таблица 3 - Годовой водный баланс на гидрологическом комплексе ФНЦ агроэкологии РАН с пастбищными многолетними травами.
Лизиметр Осадки, §§ Сток, §§ Изменение влажности, мм Физическое испарение, мм Транспирация мм
3 403,2 0,0 24,9 204,5 173,7
4 403,2 34,2 10,9 171,2 186,9
5 403,2 233,9 -27,4 178,7 16,6
В конце вегетационного периода определена урожайность, которая на лизиметрах №3, №4 и №5 составила 2,95 т/га, 3,24 т/га и 0,41 т/га, транспи-рационные коэффициенты - 588, 576 и 435 соответственно. На указанных лизиметрах растениями за 2020/21 гидрологический год было израсходовано 173,7 и 186,9 мм осадков на формирование 1860 г и 2042 г биомассы. На лизиметре №5 из-за почвенных условий биомасса растений составила 260 г, израсходовав 16,6 мм воды на её формирование. При урожайности 0,41 т/га грунтовый сток в пастбищных экосистемах на песчаных почвах сокращается незначительно по сравнению с открытыми песками. Вследствие низких показателей влажности почв в лизиметрах №3 и №4 (4,4% и 8,7% соответственно), сток с них был либо очень низким (34,2 мм), либо полностью отсутствовал.
Выводы. 1. На суглинистых почвах грунтовый сток возобновляется при влажности зоны аэрации 14,6%, что на 2,4% ниже НВ.
2. При годовой величине осадков в 400 мм паст- у бищные травы, посеянные по пару в первый год н
о
жизни, расходуют на транспирацию от 174 до 187 мм г
влаги на суглинистых и супесчаных почвогрунтах. о
3. При урожайности 0,41 т/га в пастбищных эко- § системах на песчаных почвах грунтовый сток сокра- | щается не существенно по сравнению с открытыми | песками. Ж
Литература: О
1. Астапов С.В., Долгов С.И. Методы изучения водно-физических свойств почв и грунтов // Почвенная съем- ( ка. - М.: Академия наук СССР, 1959. С. 299 5
2. Гаель А.Г., Смирнова Л.Ф. Пески и песчаные почвы. - 22 М.: ГЕОС, 1999. 252 с. 8
3. Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта. - М.: Колос, 1985. 352 с.
4. Кулик, А.К., Власенко М.В. Стационарные исследования на гидрологическом комплексе ФНЦ агроэкологии РАН / Пути повышения эффективности орошаемого земледелия, 2016. №4(64). С. 6-12.
5. Кулик А.К., Хныкин А.С. Водно-балансовые исследования на лизиметрическом комплексе ВНИАЛМИ / Защитное лесоразведение, мелиорация земель, проблемы агроэкологии и земледелия в Российской Федерации: матер. Междунар. науч.-практ. конференции, посвященной 85-летию создания ВНИАЛМИ. Волгоград, 19-23 сент. 2016. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 2016. С. 147-151.
6. Кулик, Н.Ф. Водный режим песков аридной зоны. -Л: Гидрометеоиздат, 1979. 280 с.
7. Babaee M., Shokat-Naghadeh A., Ahmadpari H., Nabi-Jalali M. Comparison of different methods with lysimeter measurements in estimation of rice evapotranspiration in Sari Region. lngeneria UC. 2019. T/ 26. Vol. 2. pp. 175-184.
8. Dabrowska D., Soltysiak M., Biniecka P. et al. Application of hydrogeological and biological research for the lysimeter experiment performance under simulated municipal landfill condition. Journal of Material Cycles and Waste Management. 2019. T.21, Vol. 6. pp. 1477 - 1487.
9. Del Vecchio T., Welker A., Wadzuk B.M. Exploration of Volume Reduction via Infiltration and Evapotranspiration for Different Soil Types in Rain Garden Lysimeters. Journal of
Sustainable Water in the Built Environment. 2020. T. 6, Vol. 1.
10. Gutierrez-Gines MJ., Mishra M., McIntyre C. et al. Risks and benefits of pasture irrigation using treated municipal effluent: a lysimeter case study, Canterbury, New-Zealand. Environmental Science and pollution Research. 2020. pp 11830-11841.
11. Haselow L., Meissner R., Rupp H., Miegel K. Evaluation of precipitation measurements methods under field conditions during a summer season: A comparison of the standard rain gauge with a weighable lysimeter and a piezoelectric precipitation sensor. Journal of Hydrology.
2019.T. 575. pp. 537-543.
12. Lehmann P., Berli M., Koonce JE., Or D. Surface Evaporation in Arid Regions: Insights FromLysimeter Decadal Record and Global Application of a Surface Evaporation Capacitor (SEC) Model. Geophysical Research Letters. 2019. T/46, Vol. 16. pp.9648-9657.
13. Sanchez JM., Lopez-Urrea R., Caselies V., Galve JM. Lysimeter assessment of the Simplified Two-Source Energy Balance model and eddy covariance system to estimate vineyard evapotranspiration. Agricultural and Forest Meteorology. 2020. T. 274. pp. 172-183.
14. Sawadogo A., Tim H., Gundog-du KS. et al. Comparative analysis of the PySEBAL model and lysimeter for estimating actual evaportranspiration of soybean crop in Adana, Turkey. International Journal of Engineering and Geosciences.
2020. T. 5. Vol. 2. pp. 60-65.
DOI: 10.34736/FNC.2021.115.4.004.25-29
Pasture Plants Influence on Lysimetric Models Water Balance
Alexander S. Khnyckin™, junior researcher, theraan@mail.ru, ORCID: 0000-0001-8577-1960, Denis I. Archakov, junior researcher, laboratory of hydrology of agroforest landscapes -Federal State Budget Scientific Institution «Federal Scientific Centre of Agroecology, Complex Melioration and Protective Afforestation of the Russian Academy of Sciences» (FSC of Agroecology RAS), e-mail: info@vfanc.ru, 400062, Universitetskiy Prospekt, 97, Volgograd, Russia
In the Volgograd region conditions, the amount of annual precipitation plays a key role in shaping the yield of agricultural ecosystems. In this regard, it becomes necessary to trace the influence of vegetation on the water balance of pastures on various soils. For this purpose, models of pasture ecosystems on sandy, sandy loam and loamy soils using herbs of the Stavropol selection were created in large-sized lysimeters. The article considers the results of studies of the pasture ecosystems influence on the water balance of soils in lysimetric models. The data on the ^ annual precipitation distribution of the 2020/2021 8 hydrological year are also presented, which made i it possible to trace the process of changing the ^ gravitational flow on lysimetric models. Transpiration C coefficients for three simulated pasture ecosystems £ are given. On lysimeters with sandy loam and loamy * filling, about 50% of the incoming and accumulated
<u Received: 08.11.2021
T
° Reference:
a. 1. Astapov S.V., Dolgov S.I. Metody izucheniya vodno-
? fizichesskih svojstv pochv I gruntov [Water-physical
jf properties of soils and grounds studying methods]
« Pochvennaya s'yomka [Soil survey]. M.: Academy of Sciences
moisture is spent on transpiration. With a yield of 0.41 t/ha in pasture ecosystems on sandy soils, soil runoff in the first year of growth decreases slightly compared to areas of ungrown sands and the amount of precipitation spent by plants on transpiration is significantly reduced.
Keywords: pasture ecosystems, gravity runoff, water balance, lysimeters, transpiration
The work carried out within the state task of the FSC of Agroecology RAS № 0713-2021-006 «Theoretical foundations of water resources management in the forest-agrarian development of the Russian Federation arid territories on the dynamic model of the regional water balance basis, mathematical modeling of the groundwater and surface waters formation and dynamics processes, assessment of the impact and climate change and anthropogenic loads on the agro-resource potential and forest growing conditions».
Accepted: 06.12.2021
of USSR Publ. house, 1959. p. 299. (In Russian)
2. Gayel A.G., Smirnova L.F. Peski i peschanye pochvy [Sands and sandy soils]. M.: GEOS Publ. house, 1999. 252 p.
3. Dospekhov B.A. Metodika polevogo opyta [Field experiment methodology]. M.: «Kolos»Publ house, 1985.
352 p. (In Russian)
4. Kulik A.K., Vlasenko M.V. Statsionarnyye issledovaniya na gidrologicheskom komplekse FNTS agroekologii RAN [Stationary research on the hydrological complex of FSC of Agroecology of RAS] Puti povysheniya effektivnosti oroshayemogo zemledeliya [Ways of the irrigated agriculture efficiency improvement], 2016. №4 (64). pp. 6-12. (In Russian)
5. Kulik A.K., Khnyckin A.S. Vodno-balansovye issledovaniya na lisimetricheskom komplekse VNIALMI [Water balance researches on the lysimetric complex of VNIALMI] Zashchitnoye lesorazvedeniye, melioraciya zemel, problem agroekologii i zemledeliya v Rossiyskoj Federacii [Protective afforestation, land reclamation, problems of Agroecology and agriculture in the Russian Federation].Volgograd. 1923 sept. 2016. Volgograd: VNIALMI, 2016. pp. 147-151. (In Russian)
6. Kulik N.F. Vodnyj rezhim peskov aridnoj zony [Arid zone sands water regime]. L: Hydrometeoizdat Publ. house, 1979. 280 p. (In Russian)
7. Babaee M., Shokat-Naghadeh A., Ahmadpari H., Nabi-Jalali M. Comparison of different methods with lysimeter measurements in estimation of rice evapotranspiration in Sari Region. Ingeneria UC, 2019. Issue 26. Vol. 2. pp. 175-184.
8. Dabrowska D. ,Soltysiak M., Biniecka P. et al. Application of hydrogeological and biological research for the lysimeter experiment performance under simulated municipal landfill condition. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2019. Issue 21, Vol. 6. pp. 1477 - 1487.
9. Del Vecchio T., Welker A., Wadzuk B.M. Exploration of
Volume Reduction via Infiltration and Evapotranspiration for Different Soil Types in Rain Garden Lysimeters. Journal of Sustainable Water in the Built Environment, 2020. Issue 6. Vol. 1.
10. Gutierrez-Gines M.J. Mishra M., McIntyre C. et al. Risks and benefits of pasture irrigation using treated municipal effluent: a lysimeter case study, Canterbury, New-Zealand. Environmental Science and pollution Research. 2020. pp. 11830-11841.
11. Haselow L., Meissner R., Rupp H., Miegel,K. Evaluation of precipitation measurements methods under field conditions during a summer season: A comparison of the standard rain gauge with a weighable lysimeter and a piezoelectric precipitation sensor. Journal of Hydrology. 2019.Vol. 575. pp. 537-543.
12. Lehmann P., Berli M., Koonce J.E., Or D. Surface Evaporation in Arid Regions: Insights FromLysimeter Decadal Record and Global Application of a Surface Evaporation Capacitor (SEC) Model. Geophysical Research Letters, 2019. Issue 46, Vol. 16. pp.9648-9657.
13. Sanchez J.M., Lopez-Urrea R., Caselies V., Galve J.M. Lysimeter assessment of the Simplified Two-Source Energy Balance model and eddy covariance system to estimate vineyard evapotranspiration. Agricultural and Forest Meteorology. 2020.Vol. 274. pp. 172-183.
14. Sawadogo A., Tim H., Gundog-du K.S. Et al. Comparative analysis of the PySEBAL model and lysimeter for estimating actual evaportranspiration of soybean crop in Adana, Turkey. International Journal of Engineering and Geosciences, 2020. Issue 5. Vol. 2. pp 60-65.
Рисунок 2. Крупногабаритные лизиметры гидрологического комплекса ФНЦ агроэкологии РАН: а) лизиметры заполнены почвенными субстратами различного гранулометрического состава; б) все лизиметры имеют водовыпуск в подземную галерею
Цитирование. Хныкин А.С., Арчаков Д.И. Влияние пастбищной растительности на водный баланс лизиметрических моделей // Научно-агрономический журнал. 2021. №4(115). С. 25-29. DOI: 10.34736/FNC.2021.115.4.004.25-29 Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования, ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Citation. Khnyckin A.S., Archakov D.I. Pasture Plants Influence on Lysimetric Models Water Balance. Scientific Agronomy Journal. 2021. 4(115). pp. 25-29. DOI: 10.34736/FNC.2021.115.4.004.25-29
Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
