Введение к работе
Актуальность темы. Сочетание обилия света и тепла с высоким плодородием черноземных почв способствовало превращению лесостепной и степной зон Русской равнины в высокопродуктивные агроландшафты. В этих зонах производится наибольшее количество товарного зерна и продуктов животноводства. Лимитирующим фактором продуктивности почв, особенно в степной зоне, является дефицит влаги. Засухи в этих регионах представляют обычное явление. А орошение во многих случаях без должного научного обоснования, прогностической оценки и оптимизации управления привело к локальному переувлажнению и засолению земель, что стало причиной деградации высокопродуктивных черноземов. Все это делает актуальным разработку теоретических основ управления гидрологическим режимом почв и поиск путей его оптимизации. Разразившийся в 2010 году кризис продовольствия на мировых рынках, приведший к резкому скачку цен на сельскохозяйственную продукцию, придает еще большую актуальность проблеме плодородия почв и обеспеченности их влагой.
Научные основы решения этих задач были заложены В.В. Докучаевым (1952) и развиты его учениками и последователями П.А. Костычевым (1940), А.А. Измаильским (1949), Г.Н. Высоцким (2009), А.Н. Костяковым (1933), А.А. Роде (1960), В.А. Ковдой (1973) и др.
Процессы, определяющие водный режим, характеризуются соотношением источников (осадки, орошение, подток грунтовых вод и др.) и стоков (испарение, транспирация, внутрипочвенный отток и др.) воды в почвенной толще и отличаются исключительно тесной взаимной обусловленностью. Поэтому расчет водного режима представляет собой сложную задачу.
Одним из современных и наиболее часто используемых методов изучения водного режима почв является моделирование. Модель, основанная на физических законах передвижения влаги в почве, способна с заданной точностью воспроизвести во взаимной связи все режимообразующие процессы. Все это диктует необходимость разработки и применения математической модели для расчета водного режима черноземов.
Цель и задачи исследований. Целью работы было научное обоснование экспериментального обеспечения модели, имитирующей водный режим черноземов обыкновенных.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
-
Определить физические и гидрофизические свойства черноземов обыкновенных Каменной степи: гранулометрический состав, плотность почвы, плотность твердой фазы, общую и дифференциальную порозность; почвенно-гидрологические константы (ПГК): максимальную гигроскопичность (МГ) и наименьшую влагоемкость (НВ); физико-механические константы (ФМК): предел пластичности (ПП) и предел текучести (ПТ); основную гидрофизическую характеристику (ОГХ);
-
Изучить в полевых условиях процессы фильтрации и инфильтрации воды в почву, как основную приходную статью водного баланса изучаемых почв.
-
Провести модельные эксперименты, имитирующие процессы фильтрации и инфильтрации в различные по гидротермическим условиям годы (2010 и 2011) с параметрами модели, вычисленными по различным педотрансферным функциям.
-
Провести модельные эксперименты, имитирующие водный режим изучаемых почв с различными параметрами.
-
На основе статистического анализа результатов моделирования и полевого эксперимента выявить оптимальный метод нахождения экспериментального обеспечения для моделей инфильтрации и водного режима изучаемых почв, позволяющий получить наиболее точные модельные расчеты.
Научная новизна работы. В резко контрастные по погодным условиям годы (2010 – 2011) исследованы физические и гидрофизические свойства черноземов обыкновенных Каменной степи с использованием современных методик. Впервые для характеристики физического состояния черноземов Каменной степи используется интегральный гидрофизический показатель ОГХ. Впервые исследована общая организация порового пространства обыкновенных черноземов Каменной степи с использованием классификации Р. Бревера. Выявлены особенности изменения порового пространства по профилю почв в контрастных гидротермических условиях.
Предложено и обосновано почвенно-гидрофизическое экспериментальное обеспечение моделей инфильтрации воды в почву и водного режима черноземов обыкновенных Каменной степи в различные по климатическим условиям годы. Показано, что при использовании модели HYDRUS для имитации процесса инфильтрации и последующего передвижения влаги в рассматриваемых гидротермических условиях удается добиться наибольшей точности в случае, когда входные параметры модели вычислены по «секущим Воронина» с последующей аппроксимацией данных функцией ван Генухтена.
Отмечается особенность ПТФ Hypres, которая не позволяет вести расчеты, связанные с передвижением воды, используя модель HYDRUS.
Практическое значение работы. Полученное гидрофизическое обеспечение для модели HYDRUS может быть использовано при изучении инфильтрационных процессов в обыкновенных черноземах Каменной степи, прогнозировании влажности почв и, соответственно, влагообеспеченности сельскохозяйственной продукции, а также при планировании различного рода агрохимических и мелиоративных мероприятий.
Результаты работы могут послужить основой при подборе педотрансферных функций для экспериментального обеспечения модели HYDRUS, исходя из трудоемкости работ и допустимой точности модельных расчетов.
Основные теоретические положения работы могут быть использованы в лекциях по дисциплинам «Почвоведение», «Физика почвы», «Гидрология почв», при проведении семинарских занятий, учебных и производственных полевых практик, при выполнении курсовых и дипломных работ на биолого-почвенном факультете Воронежского госуниверситета.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных сессиях Воронежского государственного университета в 2009 и 2010 годах, на научно-практической конференции «Актуальные проблемы почвоведения, экологии и земледелия» в 2010 году г. Курск, на IV Всероссийском с международным участием конгрессе студентов и аспирантов-биологов «Симбиоз Россия –2011» г. Воронеж, на VI-ом съезде общества почвоведов имени В.В. Докучаева (г. Петрозаводск, 13-18 августа 2012 г.).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 129 листах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, списка используемой литературы, включающего 190 литературных источников, из них 45 иностранных, и приложений. Работа содержит 10 таблиц и 34 рисунка.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность всем сотрудникам кафедры почвоведения и управления земельными ресурсами ВГУ, а также доктору биологических наук Ю.И. Чевердину и сотрудникам отдела почвоведения ВНИИСХ им. В.В. Докучаева за помощь в проведении полевых исследований и информационную поддержку.
Публикации. По теме диссертации в периодических изданиях опубликовано 7 работ. В том числе три в журналах перечня ВАК РФ.
