Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гидротермическое состояние почв (обзор литературы) 11
Глава 2. Объекты и методы исследований 48
2.1. Объекты 48
2.2. Методы исследований 52
2.3. Инструментальная база гидротермических исследований почвы 59
Глава 3. Физико-географические условия района исследования
3.1. Геоморфологическая характеристика территории 82
3.2. Современные особенности климата Алтайского региона 86
3.3. Водные ресурсы 104
3.4. Растительный покров 106
3.5. Почвенно-земельные ресурсы 108
Глава 4. Агрофизические свойства исследованных почв
4.1. Морфологические особенности 114
4.2. Гранулометрический состав 118
4.3. Физические и физико-химические свойства 130
Глава 5. Гидротермические свойства почв Алтайского края
5.1. Основная гидрофизическая характеристика 137
5.2. Профильные распределения гидрофизических параметров 147
5.3. Функция влагопроводности 153
5.4. Теплофизические свойства исследованных почв 163
5.5. Зависимость гидрофизических параметров от физических свойств исследованных почв
5.6. Зависимость гидрофизических параметров почвы от её реологических свойств
Глава 6. Моделирование гидротермического состояния почв
6.1. Моделирование теплофизических свойств почв 179
6.2. Моделирование гидрофизических свойств исследованных почв 192
6.3. Расчет основной гидрофизической характеристики с помощью 206 базовых свойств почвы
6.4. Моделирование гидротермического режима почвы 235
Выводы 248
Список литературы
- Инструментальная база гидротермических исследований почвы
- Современные особенности климата Алтайского региона
- Гранулометрический состав
- Зависимость гидрофизических параметров от физических свойств исследованных почв
Введение к работе
Актуальность исследований
Лимитирующими факторами продуктивности пахотных почв Алтайского края являются недостаток влаги в сухой степи и дефицит тепла в лесостепной почвенно-климатической зоне. Это делает актуальным разработку теоретических основ управления гидротермическим состоянием почв и поиск путей его оптимизации. В настоящее время при резко меняющихся погодных условиях изучение гидротермического состояния почв приобретает особую актуальность. Возрастающая частота аномальных климатических явлений заставляет по-новому взглянуть на проблемы тепло-гидрофизики почв.
С появлением современных приборов и устройств появилась возможность усовершенствовать существующие методы, и расширить границы их применимости. Поэтому совершенствование и создание приборов, которые позволили бы проводить долговременный гидротермический мониторинг в почвенном профиле, на сегодняшний день остаются актуальными.
В настоящей работе предложена и обоснована методика определения гидротермического режима почвы с помощью физически обоснованной прогнозной модели Hydrus. Изучена зависимость ошибки расчета режима влажности от краевых условий. Разработанная методика и инструментальная база была апробирована при изучении гидротермического состояния почв Алтайского края.
Цель работы: исследование региональных и зональных закономерностей тепло- и гидрофизических свойств почв и моделирование гидротермического режима почвенного покрова Алтайского края.
Задачи исследования:
изучить основные физические свойства почв Алтайского края, определяющие водный и тепловой режимы в системе их генетических горизонтов;
исследовать региональные и зональные особенности гидротермических функций и параметров почв исследуемого региона;
обосновать расчет гидрофизических свойств почвы по данным о её физических свойствах с применением педотрансферных функций;
обосновать экспериментальное обеспечение входных параметров математической модели влагопереноса;
обосновать выбор краевых условий математической модели тепловлагопереноса;
разработать и усовершенствовать методы и устройства для исследования гидротермических свойств и режимов почвенного покрова.
Научная новизна:
для прогнозного физически обоснованного моделирования гидротермического состояния почв Алтайского края впервые экспериментально получены входные гидротермические параметры, различного пространственного разрешения (региональные и зональные). Обоснован выбор краевых условий в виде гидротермических режимов на верхней и нижней границе почвенной толщи и их начальное распределение;
получены региональные педотрансферные функции, позволяющие рассчитывать гидрофизические параметры почв по их физическим свойствам;
для оценки гидротермического состояния почв теоретически обоснована и разработана совокупность инструментальных и вычислительных средств, а также методика исследований, которые позволяют получать почвенно-гидротермическую информацию в долговременном агрофизическом мониторинге.
Основные защищаемые положения
Водоудерживающая способность почв юго-востока Западной
Сибири и влажность почвы при её максимальной температуропроводности
увеличиваются при переходе от сухой степи до предгорий Алтая (Салаира) с
одновременным уменьшением плотности почвы по всему профилю,
увеличением содержания органического вещества, снижением содержания песчаной фракции и возрастанием доли пыли и ила. В почвах сухой и засушливой степи изменение температуропроводности с увеличением влажности происходит более динамично и в более узком диапазоне увлажнения, чем в почвах колочной степи, лесостепи и предгорий Алтая (Салаира).
Полученные параметры гидротермических функций характеризуют диапазон изменения гидро- и теплофизических свойств почв в зависимости от влажности и их физических свойств. Идентификация и параметризация физически обоснованной модели тепловлагопереноса в почвах определяется прогнозируемыми задачами при приоритетном получении расчетных величин влажности и температуры почвы с минимально возможной погрешностью и/или минимизацией проводимой работы по экспериментальному обеспечению входных параметров.
Доказано, что наиболее адекватным экспериментальным обеспечением динамической модели тепловлагопереноса в почвах Алтайского края является использование зональных гидротермических параметров, региональных педотрансферных функций и верхнего граничного условия 1-рода.
Разработанная приборная база в совокупности с обоснованием экспериментального обеспечения модели тепловлагопереноса позволяет получать почвенно-гидротермическую информацию в долговременном агрофизическом мониторинге и является эффективным инструментом для оценки и моделирования гидротермического состояния почв, управления, адаптации к изменениям условий окружающей среды, применения решений в почвенно-мелиоративной практике.
Практическая значимость диссертации
Полученные результаты могут являться основой для мониторинговых исследований и прогнозирования почвенно-экологических изменений на территории Алтайского края. Предложенные и использованные в работе
методики могут быть использованы сельскохозяйственными предприятиями и научными организациями при разработке современных научно-обоснованных агротехнологий, при разработке проектов рационального природопользования, экологического мониторинга, создании управляемых агроценозов, при обосновании зональных систем земледелия и объектов мелиоративного строительства.
Проведение лабораторных исследований было поддержано РФФИ (№ 12-04-90862). Часть полевых исследований выполнена в рамках договора НИР с АНО «Центр экологических инноваций», г. Москва (№ 54-2011).
Апробация работы
Основные результаты работы представлены на VI и VII съезде Докучаевского общества почвоведов (Петрозаводск, 2012; Белгород, 2016); на международных, всероссийских и региональных конференциях «Антропогенное воздействие на лесные экосистемы» (Барнаул, 2002), «Гидроморфные почвы – генезис, мелиорация и использование» (Москва, 2002), «Южная Сибирь: проблемы взаимодействия природы и общества» (Барнаул, 2003), «Проблемы рационального природопользования в Алтайском крае» (Барнаул, 2005), «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (Барнаул, 2009, 2011, 2012, 2015, 2016), «Экологические проблемы природопользования в Сибири» (Барнаул, 2010), «Вавиловские чтения – 2010» (Саратов, 2010), «Региональные экологические проблемы» (Барнаул, 2011), «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий» (Владикавказ, 2011), «Устойчивое развитие АПК: рациональное природопользование и инновации» (Петрозаводск, 2011), «Проблемы и перспективы инновационного развития мирового сельского хозяйства» (Саратов, 2011), «Актуальные проблемы науки» (Тамбов, 2011), «Лес и изменение климата: адаптация, управление, финансирование» (Чемал, 2012), «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения» (Ульяновск, 2011), «Развитие устойчивого лесопользования в
России и его продвижение в Алтае-Саянском экорегионе» (Барнаул, 2013), «Перспективы развития научных исследований в 21 веке» (Махачкала, 2013), «Современные научные исследования: инновации и опыт» (Екатеринбург, 2014), «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства» (Краснодар, 2015), «Переход к зеленой экономике и устойчивому развитию в Алтайском крае: перспективы, механизмы, ключевые направления» (Барнаул, 2015), на заседаниях кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова (2012, 2016), на заседаниях кафедры физики АГАУ (2001-2016).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 93 печатные работы, в том числе 4 монографии в соавторстве, 33 статьи в изданиях, предложенных Перечнем ВАК, 55 в сборниках научных статей, материалах конференций, научно-практических семинаров, получен 1 патент РФ.
Личный вклад автора
В диссертации нашли отражение результаты научных исследований,
проведенных в период с 2001 по 2015 гг. при непосредственном участии
автора в Алтайском государственном аграрном университете. Автор
принимал личное участие на всех этапах исследования. Автором
сформулированы цели работы, поставлены задачи исследования,
планирование экспериментов, сделаны итоговые выводы.
Экспериментальный материал получен лично автором или под его руководством в коллективных лабораторных, экспедиционных и стационарных исследованиях кафедры физики АГАУ и кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. В работе были также использованы материалы, полученные в соавторстве с соискателями, выполнявшими свои исследования под руководством автора. Доля личного участия в совместных публикациях пропорциональна числу авторов. Теоретические положения, математические модели и их решения, основная часть методов исследования разработана лично автором. Также в
работе использовались с соответствующими ссылками материалы, опубликованные в отечественных и зарубежных источниках.
Структура и объем диссертации
Диссертация изложена на 351 странице, состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы из 448 источников, в том числе 93 на иностранном языке, содержит 28 таблиц, 102 рисунка, 4 приложения.
Благодарности
Автор выражает глубокую признательность научному консультанту С.В. Макарычеву за помощь и активную поддержку при работе над диссертацией. Автор выражает благодарность своим друзьям и коллегам Ю.В. Беховых, С.Ю. Бондаренко, И.В. Гефке, А.А. Левину, Е.Г. Сизову, И.В. Шориной, за помощь при выполнении лабораторных и полевых экспериментов и поддержку при подготовке диссертации. Л.М. Татаринцеву за советы, которые помогли наметить программу исследований. С.И. Завалишину за помощь в описании морфологических особенностей горизонтов. Отдельная благодарность заведующему кафедрой физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова Е.В. Шеину за критику и поддержку идей, консультации и дискуссии, а также сотрудникам данной кафедры Е.Ю. Милановскому, Т.Н. Початковой, З.Н. Тюгай, А.В. Смагину, Д.Д. Хайдаповой, А.Б. Умаровой, Т.А. Архангельской, А.В. Дембовецкому за доброжелательность и помощь в работе и проведении лабораторных исследований, а также всем сотрудникам этой кафедры, принимавших участие в обсуждении диссертации.
Инструментальная база гидротермических исследований почвы
А.Б. Умаровой с соавторами (2010) проведены полевые эксперименты по изучению вертикального передвижения влаги в серой лесной почве Владимирского ополья в условиях напорного и не напорного впитывания. Показано, что при наличии напора на поверхности почвы происходит выраженное формирование преимущественных потоков воды, которые осуществляют значительный массоперенос. При мелкодисперсном поливе наблюдается постепенное увлажнение почвенного профиля, что в дальнейшем способствует лучшему сохранению влаги в корнеобитаемом слое (Умарова, Шеин, 2009; Умарова с соавт., 2010).
В современном мире достаточно много статей, публикаций, научных трудов и исследований, касающихся вопроса моделирования режима влажности и теплопереноса почв, что говорит о повсеместном изучении данного вопроса. Решением проблемы моделирования процессов, происходящих в почве, занимаются математики, физики, геофизики, экологи, аграрии. Спектр территорий для построения моделей также достаточно широк, он включает в себя практически все сельскохозяйственные территории нашей страны от черноземов южных регионов до районов вечной мерзлоты севера. Инструментом изучения служат полученные эмпирические данные, которые анализируются теоретическим путем с построением модели. Указанная проблема достаточно давно изучается не только в нашей стране, но и за рубежом (Arya and Paris, 1981; Герайзаде, 1988; Глoбyс, Бoдpoв, 1982; Файбишенко, 1986; Пачепский, 1990, 1992; Branduk et al., 1994; Мильшин, 1998; Wosten et al., 1998; Лавров, 2000; Rosney et al., 2002; Шеин, 2001, 2005, 2006, 2012, 2013; Bradford et al., 2002, 2003; Кирста, 2004; Назаров, 2004;
Макарычев, 2005, 2010; Микайылов, 2007, 2009; Бакаленко, 2008; Хворова, 2009, 2011, 2013; Погорелов, Киселев, 2009; Гриневский, 2010, 2014; Сызганов, 2011; Ефремов, 2012; Русин, 2012; Васильев, 2013; Мурадов, 2013; Крылов, 2013; Кашперюк, 2013; Черенкова, 2013; Симанкин, 2013; Кащенко, 2013; Демченко, 2013; Болотов, 2014; Воронина, 2014; Воротынцев, 2014; Панина и Шеин, 2014; Старцев, 2014). Вопросам моделирования гидрофизических свойств почв посвящен ряд работ (Заславский и др., 1988; Терлеев, 1989; Полуэктов и др., 2006, 2007; Крылова, Терлеев, 2008, 2009; Терлеев и др., 2010, 2012, 2013; Баденко, 2011; Баденко и др., 2011, 2013; Баденко, Латышев, 2012; Латышев, 2013). При изучении водно-физических свойств и режимов почв немаловажное значение имеет применение имитационных моделей, позволяющих воссоздавать и прогнозировать протекание различных процессов в почве. Особенно активно в настоящее время развивается моделирование влагосолепереноса в почвенном профиле для различных типов почв и природных условий (Щербаков с соавт., 1986; Сысуев, 1986; Глобус, 1987; Чеботарев, 1987; Заславский, Полуэктов, 1988; Пачепский, 1992; Кудряшова, Чичулин, 1988, 1996; Губер, Шеин, 1997; Саранцев,1997; Шеин, Трошина, 2012; Шеин с соавт., 2013; Шеин, Торбик, 2014; Болотов с соавт., 2015).
Большинство почвенных свойств Е.В. Шеин с соавторами (2013) считает либо характеристиками, то есть зависимостями свойства от какого-либо фактора (например, плотность, физико-механические, электрические, теплофизические и другие свойства почвы зависят от влажности, адсорбционные от концентрации сорбента, температуры и пр.), либо распределениями (например, гранулометрический, агрегатный составы и пр.). Количественная оценка, сравнительный анализ, использование в прогнозных физически обоснованных имитационных моделях почвенных характеристик и распределений возможны лишь при их аппроксимации математическими функциями. Параметры аппроксимации при этом отражают специфику и особенности почвенных характеристик исследуемого объекта. За последние несколько десятилетий для расчета влагопереноса в насыщенных и ненасыщенных почвах и грунтах было разработано большое количество компьютерных моделей. Их применение часто ограничивается из-за отсутствия гидрофизической информации в виде кривой водоудерживания (основной гидрофизической характеристики) и ненасыщенной гидравлической проводимости (функции влагопроводности). Кроме того, из-за присущей временной и пространственной изменчивости гидрофизических свойств в полевых условиях, как правило, требуется большие размеры почвенных образцов, чтобы правильно характеризовать это пространственное распределение. Точная характеристика и оценка кривой водоудерживания была одним из основных направлений исследований в течение более чем полувека. Для расчета кривой водоудерживания был разработан широкий спектр эмпирических моделей (Gardner, 1958; Brooks and Corey, 1964; Brutsaert, 1966; Campbell, 1974; Clapp and Hornberger, 1978; D Hollander, 1979; van Genuchten, 1980; Hutson and Cass, 1987; Russo, 1988; Kosugi, 1996, 1999). К сожалению, оценка параметров с помощью этих моделей относительно сложна и трудоемка. В некоторых исследованиях, посвященных прогнозированию гидрофизических параметров, используются педотрансферные функции (ПТФ) (Пачепский с соавт., 1982; Николаева с соавт., 1988; Шеин с соавт., 1990; Дембовецкий, 1998; Furnival and Wilson, 1974; Cosby et al., 1984; Saxton et al., 1986; Bouma, van Lanen, 1987; Bouma, 1989; Vereecken et al., 1989; Wsten et al., 1995; Wsten, 1997; Rawls et al., 2001; Vereecken, Herbst, 2004; Pachepsky, Rawls, 2004), в том числе нейросетевого анализа (Pachepsky et al., 1996; Schaap, Bouten, 1996; Schaap et al., 1998; Minasny, McBratney, 2007), а также использование таблиц на основе структуры почвы (Rawls et al., 1982).
Современные особенности климата Алтайского региона
Исследования реологических свойств почв были проведены на модульном реометре MCR-302 (Anton-Paar, Австрия), с использованием программного обеспечения RHEOPLUS/32 V3.60. При этом использовалась измерительная система «пластина-пластина» РР25 с расстоянием между пластинами 2 мм. Для поддержания постоянной температуры образца во время опыта применялась система термостабилизации на элементах Пельтье P-PTD200.
Теплофизические свойства почв исследованы на многоканальном измерительном комплексе на основе модуля АЦП/ЦАП ZET 210 (ЗАО «Электронные технологии и метрологические системы», РФ) (Болотов, 2012b). Изделия, производимые предприятием, сертифицированы и внесены в Госреестр средств измерений (Каталог продукции, 2013). В полевых условиях ТФХ определены мобильным прибором (Болотов, 2003, Патент РФ).
Капиллярно-сорбционное давление в зависимости от влажности (ОГХ) и коэффициент влагопроводности в зависимости от капиллярно-сорбционного давления (ФВ) по данным о кинетике дренирования определены методом центрифугирования (Смагин и др., 1998; Смагин, 2001) на центрифугах TG-16WS и Eppendorf 5804с. В тонкодисперсных почвах произведен учет дополнительного давления на воду со стороны скелета почвы при сжатии образца в центрифужном поле.
Изучение теплового режима проведено с помощью полевого измерителя температуры, основанного на технологии 1-Wire с применением датчиков DS18B20, производства фирмы "Dallas Semiconductor - Maxim", США (Болотов, 2012a). Данный тип датчиков зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под №23169-02 и допущен к применению в Российской Федерации. Полевая влажность по массе определена термостатно-весовым способом, с пересчетом в объемную, и электронным диэлькометрическим FD (Frequency Domain) влагомером-логгером E+Soil MCT-sensor, производства фирмы Eijkelkamp Agrisearch Equipment (Нидерланды), измеряющим непосредственно объемную влажность.
Моделирование гидротермического режима почв проводилось с помощью прогнозной модели Hydrus-1D, разработчики И. Симунек и Р. ван Генухтен (Департамент экологических наук Калифорнийского университета Риверсайд, Калифорния, США). Hydrus-1D является свободно распространяемой Windows-средой моделирования анализа расхода воды и растворенных веществ транспортом в переменно насыщенных пористых средах. Программный пакет включает одномерно конечно-элементную модель Hydrus для имитации движения воды, тепла и растворенных веществ переменно насыщенных средах. Модель поддерживает интерактивную графику-интерфейс для предварительной обработки данных, дискретизации почвенного профиля, и графическое представление результатов (Simunek, van Genuchten, 2008).
Теплофизические установки и приборы использумые нами основаны на нестационарных методах теплофизики. Так характерной особенностью любого импульсного метода является наличие максимума температуры (tm) исследуемой точки среды, находящейся на расстоянии (х) от нагревателя, после прекращения действия источника тепла (тн). Время (тт) наступления (Ср максимума и его величина (tm) зависят от теплофизических параметров среды ,к) и определяются на основе решения уравнения Фурье с известными граничными условиями. В общем случае (при тн —»0, сн —»0) взаимосвязь величин гм, х и к имеет простой вид: х2 (2.1) Т zz m \ 2K А.И. Луниным (1972) на основе решения системы дифференциальных уравнений: dt . d2t фЄ = К + W от ох (2.2) „ dt . d2t Ср— = Я— dr дх получены формулы для определения температуропроводности (к) и объемной теплоемкости (Ср) с учетом времени действия нагревателя и собственной теплоемкости нагревателя (С„): (2.3) Q О Ср = St m \CuKj Sxt Сн X2 ( С Л (2.4) к = к 4 SxCp 0,5 + 0,968 где рн; р - плотности материала нагревателя и среды; Я„; Я -теплопроводности нагревателя и среды; tH; t - температуры нагревателя и среды; Жи S - удельная мощность и площадь нагревателя.
Использование импульсных методов при определении теплофизических характеристик дисперсных сред подразумевает наличие нагревателя, размещенного в толще исследуемого образца, и датчика температуры, расположенного на некотором расстоянии от него. Поэтому определение теплофизических характеристик (ТФХ) почвы в полевых условиях с использованием импульсных методов весьма затруднительно. В связи с этим определение теплофизических характеристик почвы в полевых условиях нами проведено методом цилиндрического зонда, который основывается на аналитическом описании температурного поля, создаваемого действием постоянного бесконечно длинного линейного источника тепла в неограниченной среде.
Гранулометрический состав
Согласно В.П. Панфилову (1973), Приобское плато представлено системой крупных грядово-увалистых возвышенностей, ориентированных в юго-западном направлении и отделенных друг от друга широкими (в русловой части 6-10 км, между верхними бортами до 30-40 км) и глубокими (до 80-100 м) ложбинами древнего стока. У данных возвышенностей плоские вершины и террасовидные склоны, по которым расположены мелкие реки, овраги и балки.
Процессы древней и новейшей эрозии в значительной мере определяют современные черты рельефа плато (Герасимов, 1975; Занин, 1958), при этом густота расчленения, обусловленного эрозией достигает 0,9-2,0 км/км2 (Кравцова, 1959).
Благодаря сильному развитию эрозии поверхность Северо-восточной Приобской и Приалейской частей плато расчленена сетью долин, балок и оврагов, густота которых достигает более 2 км/км2, а крутизна склонов доходит до 12, что обусловливает явления смыва. По днищам ложбин древнего стока, отличающимися бугристо грядовым рельефом, расположены водно-аккумулятивные отложения, подвергнувшиеся эоловым процессам, при этом часть ложбин (Барнаульская, Алейская и Касмалинская) образуют обширную область песчаных дельт, занятых ленточными борами. Западнее Приобского плато распложена Центрально-Кулундинская низменность, представляющая собой плоскую озерную и озерно-аллювиальную равнину на уровне порядка 125 м, имеющую слабую вогнутость в центральной части (до 100 м). На этой низменности сохранились крупные остаточные озера.
На формирование ее рельефа значительное влияние оказали два фактора: крупное последовательное сокращение четвертичного водного бассейна и деятельность речных вод. В результате чего образовалась система расположенных на разных уровнях концентрических террас (Занин, 1958; Панфилов, 1973). При смещении в южную часть депрессии, можно отметить ее относительное возвышение над центральной частью (125-150 м), и большое количество мелких остаточных озер и высохших озерных котловин, которые тянутся вдоль русла цепочками.
В Центрально-Кулундинской депрессии наблюдается сильная засоленность понижений рельефа, ей присуща бессточность, а также данная депрессия представляет собой район аккумуляции твердого и жидкого стока.
Территории предгорных равнин (до 400 м) слаборасчленены, в некоторых местах имеют выходящие на поверхность невысокие округлые сопки палеозойских отложений. Внешний вид предгорий (до 500 м) представлен совокупностью мягких увалов, поверхность которых имеет слабое расчленение и чередующихся с ними широких долин и глубоко врезанных логов (Бурлакова с соавт., 1988). При этом предгорья не являются сплошной полосой, а имеют несколько отдельных массивов, абсолютные высоты которых колеблются от 350 до 500 м. в предгорьях также можно встретить прерывающиеся гряды сопок, имеющие различную высоту и крутизну склона (Карманов, 1965).
Эрозионно-денудационная деятельность играет определяющую роль в формировании современного рельефа низкогорной части Алтая. Для него характерны, разделенные глубоковрезанными речными долинами ( 10 м), водораздельные участки с плоскими вершинами и слабой холмистостью.
Хорошо выраженная гидрографическая сеть территории представлена реками Алей, Чарыш, Ануй, относящимися к бассейну Оби и питающимися различными видами влаги: дождями, снегом, грунтовой и ледниковой водой. Глубина залегания грунтовых вод на равнинной территории порядка 20 м и более, что не оказывает существенного влияния на почвообразование. Местами можно наблюдать выход коренных пород и резкую выраженность рельефа.
Высоты Бие-Чумышского плато, схожего с волнистой равниной, колеблются от 280 м на севере до 400 м на юге. Эрозионная сеть данной территории значительно расчленяет ее (более 2 км/км2). Участки водного раздела представлены в виде отдельных увалов, ориентированных между крупными балками и долинами на северо-восток, имеющих ширину 1-3 км и глубину 80-100 м со склонами различной крутизны до 12. Относительно однородный почвенный покров развился благодаря хорошо дренированной территории плато.
В.А. Хмелев (1989) описывает общее развитие поверхности морфоструктур на территории Юго-Восточной части Западно-Сибирской равнины тремя определяющими этапами: озерно-аллювиальной седиментации, эрозионно-субаэрально-аккумулятивный этап и новейший этап – эрозионно-денудационный.
Согласно его работам, субаэрально-лессовые отложения, обусловленные эоловым переносом пыли, делювиальным литогенезом и процессами выветривания и почвообразования в засушливом климате, способствовали формированию современных лессовых почв.
«В настоящее время под лессом понимают особое осадочное (субаэральное) позднеплейстоценовое сиалитно-карбонатное образование холодных степей, которое отличается большой мощностью, не слоистостью и весьма выраженной однородностью на громадном пространстве» (Хмелев, 1989).
По поводу источника эолового материала для субаэральных эоловых процессов, которые играют значительную роль в образовании лессовых отложений, существует ряд мнений.
Некоторые исследователи (Малолетко, 1963; Архипов, 1971; Адаменко, 1974) считают, что этим источником является мелкозем, выносимый из Казахстана; другие (Вдовин и Малолетко (1969)) придерживаются мнения, что эоловая субстанция поступала во время самаровского оледенения из центральных районов Кулунды, которые характеризуются высокой сухостью почв в результате образования пыльных бурь. С точки зрения В.А. Хмелева (1989) в Кулундинской степи почвы и образующие их породы имеют супесчаный гранулометрический состав благодаря развитию отложений дельтовых территорий Кулунды и ложбин древнего стока Приобского плато.
В настоящее время эоловый перенос пыли в большей степени происходит весной после таяния снега и высыхания распаханных земель, что приводит к процессу накопления субаэральных отложений.
Лессовые черноземы, занимающие значительную часть территории юго-Западной Сибири, в основе своего образования содержат верхнюю часть лессовых отложений.
Аллювиально-пролювиальная и эоловая аккумуляция мелкозернистых осадков лежат в основе происхождения покровных лессовых пород Кулунды (Никитенко, 1963). Действие эоловых факторов усиливалось в периоды, когда изменение климата и обводненности территории вызывало замирание аллювиальных процессов; смыв и переотложение лёсса происходили в связи с усиливающимися аллювиальными и эрозионными процессами (Панфилов, 1973).
Зависимость гидрофизических параметров от физических свойств исследованных почв
В данной работе определены ветви иссушения гистерезисной петли кривой водоудерживания, т.к. в естественных условиях в почвах обычно быстро протекающий процесс их увлажнения (при осадках или поливах) сменяется сравнительно длинным периодом иссушения (Воронин, 1984).
Полученные экспериментальные ОГХ (кривые водоудерживания) Р(кПа) = /{б} для основных диагностических горизонтов зональных почв
Алтайского края сгруппированы по разновидностям от песчаной до легкоглинистой, аппроксимированы функцией модели ОГХ ван Генухтена (сплошная линия) и представлены в полулогарифмическом масштабе (рис.5.1-5.10). Аппроксимация проведена в программном пакете RETC (van Genuchten et al. 1991).
Рассмотрим ОГХ основных типов почв Алтайского края с различным гранулометрическим составом от песчаного до легкоглинистого. ОГХ дерново-подзолистых песчаных почв имеют ярко выраженную -образность с очень слабой дифференциацией по горизонтам в области выше капиллярной влаги (рис.5.1), что объясняется небольшим изменением содержания гранулометрических фракций по профилю. В области капиллярной и гравитационной влаги кривые дифференцированы по горизонтам, при этом наибольшие значения давления влаги соответствуют верхнему гумусово-аккумулятивному горизонту, а наименьшее гор. Ск. В дерново-подзолистых почвах практически вся влага удаляется уже при давлении 20-30 кПа, а переход влаги из гравитационной в капиллярную проиходит при значениях давления около 1 кПа, что обусловлено низким содержанием органического вещества, высоким содержанием песка и бесструктурностью.
В связи с низкими значениями рассмотренных гидрологических параметров, а также со значительной глубиной промерзания и повышенной кислотностью использование этих почв в сельском хозяйстве малоэффективно, и становится возможным лишь после проведения агротехнических и мелиоративных мероприятий, устраняющих перечисленные недостатки.
Далее рассмотрим кривые водоудерживания каштановых почв. На рис.5.2 приведены ОГХ основных горизонтов супесчаной каштановой почвы сухой степи. На рисунке видно, что максимальная водоудерживающая способность характерна для пахотного горизонта, а его кривая водоудерживания расположена достаточно близко к горизонту АВ, что можно объяснить физической деградацией гор.Ап. Вниз по профилю почвы кривые ОГХ смещаются в сторону меньших влажностей, не пересекаясь друг с другом в области насыщения (около 0-4 кПа). По мере уменьшения влажности кривые водоудерживания супесчаных каштановых почв пересекаются в районе капиллярной и пленочно-капиллярной области (5-20 кПа). При этом объемная влажность области перехода от капиллярной к капиллярно-сорбционной области равняется 0,05 см3/см3. Давление барботирования соответствует значению капиллярно-сорбционного давления близкого к 1 кПа, а влажность насыщения для основных горизонтов изменяется от 0,38 до 0,40 см3/см3, увеличиваясь от почвообразующей породы до верхнего горизонта.
ОГХ легкосуглинистых каштановых почв расположены правее ОГХ супесчаных почв (рис.5.3). В целом характер поведения данных кривых сходный с ОГХ супесчаных почв. Значения полной влагоёмости находятся в пределах 0,40-0,45 см3/см3 увеличиваясь от почвообразующей породы до верхнего горизонта. В капиллярно-гравитационной области кривые водоудерживания горизонтов не пересекаются друг с другом, а их дифференциация проявляется больше, чем для супесчаных почв. Переход капиллярно-гравитационной влаги в капиллярную (по А.Д. Воронину) 139 происходит в диапазоне 0,20-0,25 см3/см3. Область перехода капиллярной влаги в пленочно-капиллярную соответствует объемной влажности 0,18 см3/см3. Из пленочно-капиллярной в пленочно-стыковую влага в легкосуглинистых каштановых почвах переходит при влажности 0,15 см3/см3.