Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Природные условия Центрально - Черноземного региона 14
1.1. Климатическая характеристика и основные элементы водного баланса агроландшафтов 14
1.2. Геологическое строение и гидрогеологические условия 25
1.3. Почвы черноземной зоны и характерные черты их водного режима 40
1.4. Оценка влагообеспеченности и необходимости гидромелиоративных мероприятий 49
Глава II. Водный баланс как методическая основа исследований 55
2.1. Теоретические основы водного баланса 55
2.2. Применение метода водного баланса в гидромелиоративных и почвенных исследованиях 59
2.3. Методические вопросы воднобалансовых исследований 70
Глава III. Баланс влаги и водообмен в почвах агроландшафтов. Принципы регулирования водного баланса черноземов в неорошаемых условиях 82
3.1. Методика воднобалансовых расчетов и использованные материалы наблюдений 82
3.2. Количественная оценка водообмена в почвах малых водосборов для среднемноголетних условий 88
3.3. Оценка изменчивости водообмена во времени 92
3.4. Водообмен в почвах сельскохозяйственных угодий и принципы улучшения влагообеспеченности растений 96
3.5. Оценка глубокого подземного стока как элемента водного баланса ландшафтов в лесостепной и степной зонах 105
Глава IV. Наименьшая влагоемкость типичного чернозема и капиллярно-сорбционный потенциал как характеристика подвижности почвенной влаги 126
4.1. Методы определения наименьшей влагоемкости почвы 126
4.2. Экспериментальное определение наименьшей влагоемкости типичного чернозема при неоднородном строении почвенно-грунтового слоя 128
4.3. Изучение капиллярно-сорбционного потенциала влаги в типичном черноземе в режимах обезвоживания и увлажнения почвы 140
Глава V. Водный режим орошаемых почв и его оптимизация с учетом природоохранных требований 153
5.1. Природоохранные вопросы орошения в черноземной зоне 153
5.2. Водный баланс аллювиальных пойменных почв при орошении дождеванием 156
5.2.1. Условия и методика воднобалансовых исследований 156
5.2.2. Динамика элементов водного баланса в годы исследований... 166
5.2.3. Влияние орошения на урожайность многолетних трав 199
5.3. Воднобалансовые соотношения и их использование для норми рования орошения с учетом природоохранных требований 201
5.3.1. Новая форма уравнения водного баланса орошаемых почвв безразмерном виде 201
5.3.2. Оптимизация режима орошения автоморфных почв 225
5.3.3. Проектные режимы орошения многолетних трав в ЦЧР 236
Глава VI. Ресурсно-экологическая оценка умеренного режима орошения многолетних трав 242
Основные выводы 248
Предложения по практическому использованию результатов исследований 251
Список использованной литературы 253
Приложения 303
- Геологическое строение и гидрогеологические условия
- Применение метода водного баланса в гидромелиоративных и почвенных исследованиях
- Количественная оценка водообмена в почвах малых водосборов для среднемноголетних условий
- Экспериментальное определение наименьшей влагоемкости типичного чернозема при неоднородном строении почвенно-грунтового слоя
Введение к работе
В условиях неустойчивого естественного увлажнения, характерных для Центрально-Черноземного региона, регулирование водного режима почв, а тем более управление им в соответствии с потребностями сельскохозяйственных культур и экологическими требованиями, имеет важное теоретическое и практическое значение. Поэтому необходимость мелиоративных мероприятий здесь очевидна. Вопрос заключается в характере этих мероприятий, их масштабах, необходимых затратах, техническом осуществлении.
Основоположник мелиоративной науки в России А.Н. Костяков, развивая идеи В.В. Докучаева, А.А. Измаильского, В.Р. Вильямса в отношении борьбы с засухами, рассматривал задачу мелиорации как регулирование геологического и биологического круговоротов воды и химических веществ в целях прогрессивного повышения плодородия почв. При этом он указывал следующие принципы улучшения водного режима почв, располагая их в порядке очередности осуществления: 1) сокращение всех бесполезных расходных элементов водного режима и, прежде всего, непродуктивного испарения, 2) усиление приходных элементов водного режима и, в первую очередь, максимальное сохранение и использование естественных ресурсов влаги и атмосферных осадков не только летнего вегетационного, но и осенне-зимнего и весеннего вневегетационных периодов, 3) восполнение остающихся после этого дефицитов влаги до требуемой величины путем искусственного орошения, то есть введения в естественный водный режим дополнительного фактора [191].
В осуществлении первых двух принципов важная роль принадлежит агротехническим и лесомелиоративным средствам.
Важно, что мероприятия всех трех указанных групп А.Н. Костяков относил к мелиоративным, подчеркивая необходимость их комплексного применения.
Исходя из этих основополагающих принципов, в современных условиях требуется поиск путей для улучшения структуры существующего водного баланса черноземов путем вовлечения в биологический круговорот большего количества влаги. Это возможно на основе изучения закономерностей формирования всех элементов влагооборота сельскохозяйственных земель в течение круглого года, а не только в вегетационный период.
Принцип комплексности проведения, учета особенностей конкретных ландшафтов лежит и в основе современной экологической концепции мелиорации (КовдаВ.А., 1983, 1987; Кружилин И.П., 1992, 1993; Голованов А.И., 1993; Зимовец Б.А, Зайдельман Ф.Р. и др., 1993; Кирюшин В.И., 1993; Шумаков Б.Б., 1994; Айдаров И.П., 2003; Кирейчева Л.В., 2004). Мелиорация должна рассматриваться не как автономный комплекс гидротехнических мероприятий, а как необходимый элемент системы адаптивно-ландшафтного земледелия, обязательное условие высокой культуры сельскохозяйственного производства. Их взаимосвязь и взаимозависимость состоит в том, что мелиорация дает эффект лишь при высокой культуре земледелия, а возможности регулирования режимов агроландшафтов (прежде всего водного) без применения средств мелиорации весьма ограничены.
Все виды мелиорации должны применяться без противопоставления друг другу, с соблюдением требований экологической безопасности, которые лежат в основе концепции мелиоративного режима сельскохозяйственных земель (Айдаров И.П., Голованов А.И., 1986). Установление этих требований и разработка на этой основе норм регулирования водного режима
мелиорируемых почв для условий Центрально-Черноземного региона актуальны как с теоретической, так и с практической точки зрения.
Цели и задачи исследований
Цели работы - научное обоснование основных направлений в улучшении структуры водного баланса черноземных почв при сельскохозяйственном использовании, уточнение принципов повышения влагообеспеченности растений, направленных на усиление биологического круговорота воды в неорошаемых условиях, совершенствование методов нормирования орошения с учетом природоохранных требований в свете концепции мелиоративного режима сельскохозяйственных земель.
Задачи исследований:
количественная оценка водообмена в черноземных почвах лесостепи по сезонам года на основе водного баланса для среднемноголетних условий;
оценка изменения водообмена во времени;
оценка точности воднобалансового метода определения водообмена в почвах;
уточнение значений наименьшей влагоемкости типичного чернозема как величины, определяющей водоудерживающую способность почв;
изучение изменения капиллярно-сорбционного потенциала влаги в типичном черноземе в режимах обезвоживания и увлажнения как фактора, влияющего на водообмен в почве;
определение водообмена в гидроморфных и автоморфных почвах лесостепи за вегетационный период в орошаемых и неорошаемых условиях и установление количественных зависимостей водообмена от гидротермических условий;
разработка методики расчета режимов орошения, обеспечивающих сокращение потерь поливной воды на грунтовый отток, а также рациональное использование водных ресурсов.
Научная новизна. Впервые в условиях ЦЧР на основе водного баланса выполнена количественная оценка годового водообмена в почвах агроландшафтов для среднемноголетних условий. В результате этого получены принципиально новые представления о величине грунтового оттока влаги из черноземных почв - наименее изученного элемента водного баланса. Показано, что для почв агроландшафтов характерен значительный грунтовый отток. Обоснованы принципы улучшения влагообеспеченности растений на основе усиления биологического круговорота воды.
Впервые независимым методом выполнена оценка глубокого подземного стока в лесостепной и степной зонах центральной части Русской платформы (Сурско-Хоперский гидрогеологический район). С использованием этой величины среднемноголетний годовой водный баланс исследуемых водосборов замыкается с высокой точностью, невязки не превышают 2% от суммы осадков.
В приоритетном порядке в условиях ЦЧР выполнены экспериментальные определения наименьшей влагоемкости типичного чернозема известным, но неприменяемым методом капиллярного насыщения почвенных монолитов и последующего отсоса влаги воздушно-сухой почвой до равновесного состояния (по СВ. Долгову и А.А. Роде), позволившим получить новые оценки этой почвенно-гидрологической характеристики черноземов в почвенно-грунтовом слое до глубины 3 м.
Впервые в условиях ЦЧР изучено изменение капиллярно-сорбционного потенциала влаги в типичном черноземе в режимах обезвоживания и увлажнения почвы, дана оценка проявления гистерезиса основной гидрофизической характеристики в пределах тензиометрического диапазона.
Предложена новая форма уравнения водного баланса орошаемых почв в виде суммы безразмерных водобалансовых соотношений, установлены количественные связи между основными балансовыми соотношениями для
гидроморфных и автоморфных почв лесостепи, позволяющие выполнять оценку грунтового оттока влаги из почвы в зависимости от уровня увлажнения.
Предложена новая методика расчета проектных оросительных норм с учетом природоохранных требований, направленных на минимизацию грунтового оттока влаги при орошении, рассчитаны оросительные нормы многолетних трав различной обеспеченности, отвечающие природоохранным требованиям.
Экспериментальными исследованиями в производственных условиях показано, что орошение многолетних трав в рекомендуемом рациональном, умеренном режиме обеспечивает достаточно высокий уровень урожайности и улучшение ресурсно-экологических показателей по сравнению с неорошаемыми условиями.
Основные защищаемые положения.
Среднемноголетний годовой водный баланс агроландшафтов в Центрально-Черноземной зоне характеризуется значительным грунтовым оттоком влаги, который составляет: 100... 130 мм (среднеквадратические ошибки определения ст = ± 20,2...23,1 мм) - в среднем на малых водосборах, находящихся в сельскохозяйственном использовании, и 89... 114 мм (а = ± 21,0...23,8 мм) в черноземных почвах пашни под яровыми и озимыми зерновыми культурами. Грунтовый отток практически полностью формируется во вневегетационный период.
Для увеличения количества воды, вовлекаемой в биологический круговорот, и улучшения влагообеспеченности растений необходимо, в первую очередь, повышение аккумулирующей, регулирующей роли почвы, что возможно на основе увеличения водоудерживающей способности
черноземов, как фактора, лимитирующего накопление в почве влаги вневегетационного периода.
3. Наименьшая влагоемкость (НВ) типичного чернозема, определенная
методом капиллярного насыщения почвенных монолитов с последующим
отсосом влаги воздушно-сухой почвой до равновесного состояния,
существенно меньше величины, получаемой при использовании
общепринятого метода залива площадок, и близка к влажности разрыва
капиллярных связей (ВРК). В условиях двучленного сложения почвенно-
грунтовой толщи, характерных для лесостепи, НВ, определяемая заливом
площадок, не соответствует полному оттоку свободной воды и не является
истинной наименьшей влагоемкостью.
4. Наименьшая влагоемкость, определяемая заливом площадок, не
характеризует водоудерживающую способность чернозема в процессе его
увлажнения. Из-за явлений гистерезиса значению НВ, определяемой методом
залива площадок (то есть в режиме обезвоживания почвы), на ветви
увлажнения ОГХ соответствует меньшая величина влажности, которая и
определяет водоудерживающую способность почвы в процессе ее
увлажнения. Разница в величинах влажности при этом потенциале для
генетических горизонтов типичного чернозема составляет 2,2...3,2% объема.
Для описания обеих ветвей функции водоудерживания чернозема в пределах
тензиометрического диапазона предложены расчетные зависимости.
Водный баланс орошаемых почв за период вегетации может быть описан предлагаемым уравнением в виде суммы безразмерных водобалансовых соотношений, представляющих собой относительные величины (нормированные на испаряемость) увлажнения, испарения, водообмена в почве и изменения влагозапасов.
Установленные для условий лесостепи количественные зависимости между водобалансовыми соотношениями и предложенная методика расчета
проектных оросительных норм позволяют обоснованно разрабатывать режимы орошения с учетом природоохранных требований.
Практическая значимость работы.
На основе выполненной количественной оценки грунтового оттока:
показано значение этого элемента в водном балансе черноземов как значительного потенциального резерва для улучшения влагообеспеченности растений и повышения их продуктивности;
уточнено основное принципиальное направление в преобразовании структуры водного баланса для усиления биологического круговорота воды, состоящее в повышении аккумулирующей, регулирующей роли почвы;
- определена задача мелиорации почв как средства увеличения
водоудерживающей способности черноземов, которая лимитирует
накопление в почве осадков вневегетационного периода.
Полученные уравнения, описывающие функцию водоудерживания типичного чернозема в режимах обезвоживания и увлажнения, могут быть использованы при разработке гидрофизических моделей передвижения влаги в почве.
Предложенное уравнение водного баланса в безразмерной форме, установленные связи между водобалансовыми соотношениями и разработанная на этой основе методика расчета оросительных норм позволяют проводить оценку грунтового оттока влаги, минимизировать этот отток, исходя из природоохранных требований.
Результаты исследований автора вошли в «Рекомендации по выращиванию сельскохозяйственных культур на орошаемых землях в условиях Курской области» (1990), внедрены в производство при проектировании и эксплуатации оросительных систем, используются при чтении курса лекций в Курской ГСХА.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: научных конференциях профессорско-преподавательского состава Курской ГСХА (1997,1999,2000,2002,2004 гг.); межрегиональной научной конференции «Агроэкологические проблемы в земледелии Северного Кавказа и Центрально-Черноземной зоны России» (Краснодар, КубГАУ, 2001); научно-практической конференции Курского отделения Докучаевского общества почвоведов (Курск, ВНИИЗиЗПЭ, 2003); международных научно-практических конференциях: «Агроэкологические проблемы современности» (Курск, Курская ГСХА, 2001); «Экология -образование, наука, промышленность» (Белгород, БелГТАСМ, 2002); «Модели и технологии оптимизации земледелия» (Курск, ВНИИЗиЗПЭ 2003); «Агроэкологическая оптимизация земледелия» (Курск, ВНИИЗиЗПЭ 2004); «Экология, окружающая среда и здоровье населения Центрального Черноземья» (Курск, КГМУ, 2005); научной сессии по фундаментальному почвоведению (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2004); Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, Академия наук о Земле, 2004), всероссийской научно-практической конференции «Инновационно-технологические основы развития земледелия» (Курск, ВНИИЗиЗПЭ, 2006).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 38 научных работах.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту члену-корреспонденту РАСХН, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Н.Н. Дубенку и заведующему кафедрой экологии и охраны природы Курской ГСХА, Заслуженному деятелю науки РФ, доктору сельскохозяйственных наук, профессору А.И. Стифееву за доброжелательную помощь и поддержку при работе над диссертацией. Автор признателен доктору сельскохозяйственных наук, профессору В.И. Лазареву
за практическую помощь при проведении экспериментальных исследований. Автор благодарен Заслуженному деятелю науки РФ, доктору сельскохозяйственных наук, профессору В.Д. Мухе и доктору сельскохозяйственных наук, профессору В.В. Захарову за полезные советы при обсуждении отдельных аспектов работы, а также сотрудникам кафедры экологии и охраны природы Курской ГСХА, оказавшим содействие в выполнении работы.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 347 стр. компьютерного текста, состоит из введения, 6-ти глав, выводов и предложений. Работа включает 47 таблиц, 72 рисунка, 45 стр. приложений. Список использованной литературы включает 424 источника, в том числе 30 зарубежных.
Геологическое строение и гидрогеологические условия
Геосфера является одним из звеньев, через которые осуществляется большой геологический круговорот воды на Земле. Знание геологического строения и гидрогеологических условий необходимо для правильной оценки факторов, влияющих на такие важные элементы круговорота, как поверхностный и подземный сток, а также на водный баланс в целом. Характеристика геологического строения и гидрогеологических условий территории ЦЧР дана в работах [63,70,153,202,203,363,365]. На рис. 9 показано расположение некоторых геологических разрезов на территории ЦЧР, а на рис. 10,11,12,13,14,15,16 приведены сами геологические разрезы по данным СВ. Хруцкого и др. [363]. Условные обозначения к разрезам приведены на рис. 17 и 18. Территория Центрально-Черноземной зоны находится в пределах Воронежской антеклизы и отчасти ограничивающих ее прогибов. Здесь отчетливо выделяются два структурных этажа. Нижний из них представлен сильно дислоцированными и метаморфизованными породами архея и протерозоя, образующими кристаллический фундамент - Воронежский кристаллический массив. Верхний этаж сложен относительно спокойно залегающими осадочными породами среднего и верхнего девона (на севере и востоке), нижнего и среднего карбона (главным образом на юге), средней и верхней юры, обоих отделов меловой системы, многих горизонтов палеогена, неогена и четвертичной системы. На крайнем северо-западе и северо-востоке присутствуют породы рифейского и вендского возраста, а на юго-западе Наименьшая мощность осадочного чехла (до 100-150 м) отмечается в пределах свода Воронежской антеклизы в полосе шириной около 40 км, вытянутой в северо-западном направлении между пос.
Комаричами (Брянская область) и г. Павловском (Воронежская область). К северо-востоку и юго-западу отсюда, а также на крайнем востоке и западе территории мощность осадочных пород постепенно увеличивается до 700-1000 м и более. Наиболее древние докембрийские породы вскрыты буровыми скважинами в Курской и Орловской областях, а также в районе г. Павловска и Верхнего Мамона на Дону. Они залегают в наиболее приподнятой части Воронежского кристаллического массива и по его южному склону. Докембрий представлен изверженными и метаморфическими породами. Поверхность докембрийского кристаллического массива образует два приподнятых купола. Северный из них расположен у г. Тима Курской области и имеет абсолютные отметки поверхности 86...99 м. Южный купол находится в окрстностях г. Павловска Воронежской области и абсолютные отметки его поверхности составляют 38.. .79 м. Отложения девона широко развиты на северо-западе территории. Они занимают большую ее часть в пределах верховьев рек Дона и Оки и образуют южную часть Центрального девонского поля. Каменноугольные отложения развиты на севере рассматриваемой территории - частично Орловской и Липецкой областей. На юго-западе они распространены в Белгородской области, а на крайнем юго-востоке - в пределах Доно-Медведицкого вала. Отложения пермских и триасовых пород на рассматриваемой территории почти полностью отсутствуют. Отложения юрского возраста широко представлены на территории Центрального Черноземья. Для центральной части территории, бассейнов рек Воронеж, Цна, Ворона, Савала, Битюг, Хопер характерно сплошное их распространение. Мощность юрских отложений в этом районе 6...30 м. Абсолютные отметки поверхности юры составляют 21...96 м. Минимальные отметки отмечены у г. Моршанска, максимальные - в бассейнах рек Битюга, Эртиля, Плавны, Байгоры. На западе и северо-западе территории отложения юрского возраста приобретают все более широкое распространение, увеличивающееся по мере продвижения на запад. Поверхность юрских отложений здесь имеет абсолютные отметки от + 238 м до - 104 м, причем понижение кровли этих пород происходит с северо-востока на юго-запад и с севера на юг. Наиболее широкое распространение на рассматриваемой территории имеют меловые отложения, представленные нижним и верхним отделами. Они вскрыты многочисленными скважинами, а также во многих местах выходят на поверхность.
Нижнемеловые отложения широко развиты и наиболее полно представлены в западной и юго-западной частях территории ЦЧЗ - в пределах рек Северского донца, Оскола. На востоке территории - в бассейнах рек Вороны, Хопра, верховьев Медведицы, Цны и Мокши. Нижнемеловые отложения представлены двумя толщами: нижняя -чередование глин и глинистых песков; верхняя - преимущественно пески. Нижняя толща по возрасту относится к апт-неокому, имеет мощность 40...60 м, абсолютные отметки от 90...100 м (в бассейнах рек Цны и Вороны) до 170...220 м (в верховьях р. Дона). Верхняя толща относится к альбскому ярусу и представлена, в основном, средне- и тонкозернистыми песками, переслаивающимися крупнозернистыми песками. Мощность альбских песков до 20...25 м, а на водоразделах - до 60 м. Широкое распространение толща альбских пород имеет на востоке в бассейнах рек Цны и Вороны, в верховьях р. Битюга, а также на западе по бассейнам рек Нугри, Неполоди, Труды, Цона, Кромы.
Применение метода водного баланса в гидромелиоративных и почвенных исследованиях
Уравнение водного баланса служит для описания влагооборота в пределах определенной территории. На его основе проводится анализ надежности полученных данных наблюдений за элементами влагообмена. Особенно это важно на мелиорируемых землях, характерной особенностью которых является значительные антропогенные изменения водного режима. Необходимо использовать водные ресурсы так, чтобы при этом не нарушалось бы равновесие в системе "почва - окружающая среда", которое может возникнуть при неправильных мелиоративных воздействиях. Результатом этого является активизация вертикального влагообмена между почвой и более глубокими слоями зоны аэрации [14,398,401]. При этом возрастает опасность вымывания питательных веществ из корнеобитаемого слоя, загрязнения грунтовых вод вносимыми удобрениями, переувлажнения почв, вплоть до заболачивания отдельных массивов. Причиной нарушения равновесия водного баланса как правило является применение поливных режимов, не соответствующих реальным потребностям сельскохозяйственных культур в конкретных физико-географических и гидрометеорологических условиях. Метод водного баланса для целей мелиорации земель впервые был применен А.Н. Костяковым в 1919 г. Им составлено уравнение водного баланса, разработаны способы его применения. Для орошаемых земель это уравнение имеет вид [191]: Если dW 0, то запас влаги в почвенно-грунтовой толще повышается и в конце рассматриваемого периода становится равным W + dW. Если этот запас оказывается больше предельной полевой влагоемкости Wo, то весь избыток влаги в количестве dG = W + dW - W0 поступает в грунтовые воды и повышает их уровень или увеличивает их отток. Если dW 0, то содержание влаги в толще почвогрунта уменьшается и при неглубоком залегании грунтовых вод их уровень понижается. В этом случае необходимо восполнение возникающего дефицита влаги до требуемых величин путем орошения. Количество подаваемой оросительной воды должно соответствовать потребностям растений. Значительный вклад в совершенствование метода водного баланса применительно к мелиорируемым землям внес С.Ф. Аверьянов [1,2,3,4,6]. Им указано, что для целей мелиорации необходимо составлять балансы поверхностных вод, вод зоны аэрации и подземных вод. Только в этом случае вскрывается вертикальный влагообмен, являющийся важнейшим показателем баланса. В общем водном балансе земель взаимодействие почвы, зоны аэрации и подземных вод взаимоисключается и не может быть учтено. Уравнения водного баланса по С.Ф. Аверьянову имеют следующий вид: AWn0B, AWn04B, AW - соответственно изменения запасов поверхностных, почвенных и грунтовых вод за соответствующий промежуток времени, Ос - атмосферные осадки, Ор - оросительные воды,
И - испарение, Ппов, Опов - соответственно приток и отток поверхностных вод, Вп - количество воды, впитавшейся в почву, Тр - транспирация растений, g -водобмен зоны аэрации с грунтовыми водами, П , Оф - приток и отток грунтовых вод, р - водообмен между грунтовыми и нижележащими подземными водами. Метод С.Ф. Аверьянова наиболее полно учитывает особенности мелиорируемых земель. Очень важным его достоинством является принципиальный учет взаимодействия между грунтовыми и подземными водами, что полностью соответствует принципу единства всех природных вод Земли, сформулированному В.И. Вернадским. Данный метод оказал значительное влияние на развитие воднобалансовых исследований в нашей стране. Так уравнение водного баланса почвы, предложенное А.А. Роде [286], является частным случаем уравнений С.Ф. Аверьянова: Вч-Во = Ос - (И +Д) + К + (ППр - ПОтт) + (ВППр - ВПОтт) + (ПГВ - ОГВ), где Во, Bi - соответственно начальный и конечный запасы влаги в почве, Ос - сумма осадков, И - физическое испарение влаги из почвы, Д - десукция влаги из почвы растительностью, К - конденсация парообразной воды в почве, ППр и ПОтт - поверхностный приток и отток влаги соответственно, ВППр и ВПОтт - внутрипочвенный приток и отток влаги соответственно, ПГВ и ОГВ - соответственно приток и отток грунтовых вод. В этом уравнении величина (ПГВ - ОГВ) соответствует величине ± g в уравнениях (4) и (5). Относительно величин ВППр и ВПОтт А.А. Роде отмечает, что во многих случаях без большой погрешности их можно исключить из водного баланса. То же самое можно отнести и к величине конденсации влаги в почве. В итоге уравнение баланса почвенной влаги по А.А.
Роде полностью идентично уравнению (5) по С.Ф. Аверьянову. Принципы составления частных водных балансов, наряду с общим балансом, впервые сформулированные С.Ф. Аверьяновым, в дальнейшем были применены в системе ГГИ. Это позволило получить качественно новые и более детальные оценки водного баланса речных бассейнов и мелиорируемых земель в Нечерноземной зоне [25,280,281]. Метод В.В. Колпакова [182] разработан применительно к засушливым районам Европейской части страны. В его основе лежат устойчивые зависимости между элементами водного баланса по сезонам года. Дефицит почвенной влаги для расчетного года определяется по формуле:
Количественная оценка водообмена в почвах малых водосборов для среднемноголетних условий
В табл. 3 приведены расчеты среднемноголетнего водного баланса почвы и водообмена для слоя 1 м на рассматриваемых малых водосборах. Для условий водосборов Ппов = 0. Величина AWn0B показывает изменение Полученные данные по водообмену являются средними для площади водосборов без детализации по угодьям. Результаты показывают, что в целом за год водообмен в почве характеризуется значительным грунтовым оттоком, на который расходуется 18...21% годового количества осадков. Наибольшие его величины характерны для осенне-зимнего и весеннего периодов. В течение осени и зимы идет накопление влаги в почве и ее запасы приближаются к наименьшей влагоемкости. В таких условиях в весенний период почвенные влагозапасы не увеличиваются и грунтовый отток близок к величине выпадающих осадков. Как результат, ежегодно весной происходит подъем уровней грунтовых вод на водосборах. В 70-80%) лет отмечается их подъем и зимой, что подтверждает наличие грунтового оттока в этот период [223,229]. Это бывает, в основном, в годы с оттепелями. В летний период водообмен невелик. Точность расчета влагообмена зависит от точности определения остальных элементов водного баланса. Измерение осадков существующими осадкомерами, как уже отмечалось, из-за влияния ветра дает заниженные величины. На ВБС Нижнедевицкая и Каменная Степь осадки измеряются в нескольких пунктах с различной степенью защиты осадкомеров. Поэтому в расчет принимались осадки по защищенным от влияния ветра приборам без корректировки.
Можно полагать, что осадки, использованные в расчетах, не содержат существенной систематической погрешности. Это подтверждается хорошим совпадением их годовых сумм с величинами исправленных всеми поправками осадков, определенных по карте, составленной ГГИ [235]. Суммарное испарение, использованное в расчетах, определяется на ВБС весовым методом: в теплый период года почвенными испарителями, в холодный период - снегоиспарителями. По Каменной степи испарение за холодный период определено расчетным методом по методике ГГИ [234]. Правильность определения испарения контролировалась расчетами по Для контроля частных водных балансов составлялись общие балансы в соответствии с уравнением (7) для среднемноголетних условий (табл. 5). В этом случае изменение запасов влаги AW = 0 и уравнение (7) применительно к водосборам преобразуется в известное трехчленное уравнение Пенка-Оппокова с дополнительным членом, характеризующим глубокий подземный сток и обусловленную им невязку баланса. Малые водосборы относятся к так называемым «висячим» водосборам [235]. Измеряемый на них сток - это лишь поверхностная часть полного стока. Подземная же часть стока дренируется крупными водотоками. Поэтому балансы составлялись для речных водосборов, на территории которых находятся станции. Для Нижнедевицкой ВБС это р. Девица (створ - с. Товарня), для ВБС Каменная Степь - р. Битюг (на участке п. Мордово -г. Бобров). Для последнего водосбора испарение принято средним из определений методами М.И. Будыко и А.Р. Константинова. Из таблицы видно, что невязки общего баланса невелики и составляют менее 6% от годовой суммы осадков. Однако для обоих водосборов невязка имеет положительный знак. Ее величина характеризует недренируемую часть подземного стока в соответствии с уравнением (3). Вопрос о необходимости учета в водобалансовых расчетах глубокого подземного стока впервые был поставлен Б.И. Куделиным [202]. Рассматривая бассейн р. Сейм как область питания Днепровско-Донецкого артезианского бассейна, он оценил такой сток величиной примерно 50 мм (для створа с. Лебяжье). Глубокому подземному стоку в этом регионе способствуют гидрогеологические условия, наличие гидравлической связи между водоносными горизонтами и перетекания вод из вышележащих водоносных слоев в более глубокие, что обусловлено соответствующим снижением пьезометрических уровней [63]. Наличие глубокого подземного стока, недренируемого речной сетью, характерно и для других регионов [58,59,60]. Так, для Молдавии его величина составляет 20-40 мм. [131].
Учитывая эти факты, можно считать, что водный баланс водосборов (табл. 3) замыкается хорошо. Далее в разделе 3.5 приведена количественная оценка глубокого подземного стока в лесостепной и степной зонах, полученная автором независимым методом [345]. Она подтверждает достаточно высокую точность определения годовых величин водного баланса, использованных нами. В табл. 6 приведена оценка точности расчета влагообмена в целом за год, обусловленной случайными погрешностями. Поскольку среднемноголетняя годовая величина водообмена определяется величинами осадков, суммарного испарения и стока, среднеквадратическая ошибка расчета водообмена определена по формуле [282]: где: оос, сЕ, сс - среднеквадратические ошибки определения осадков, суммарного испарения и стока соответственно, рассчитанные по многолетним рядам наблюдений этих величин. Из таблицы видно, что среднеквадратические ошибки расчета водообмена невелики. Это, наряду с данными табл. 3, подтверждает достоверность использованных данных и полученных результатов. На основании годовых значений водообмена в почвах указанных малых водосборов нами выполнена оценка изменчивости водообмена во времени (Приложения 6, 18). На рис. 25 и 26 приведены кривые обеспеченности годовых величин водообмена.
Экспериментальное определение наименьшей влагоемкости типичного чернозема при неоднородном строении почвенно-грунтового слоя
Нами в 2003 г. изучалась наименьшая влагоемкость типичного мощного чернозема на том же поле Курского НИИ АПП, где ранее Т.П. Коковиной проводилось ее определение путем залива монолита [333,335,347]. Был заложен почвенный разрез глубиной 3 м, в котором определены следующие генетические горизонты и их мощность: Апах (0-25 см) пахотный горизонт темно-серого цвета, однородной окраски, в верхней части рыхлый, в нижней уплотненный, тяжелосуглинистый. Структура комковато-зернистая. Встречаются корни растений. Переход в следующий горизонт заметный. А (25-75 см) гумусовый горизонт темно-серого цвета, однородной окраски, комковато-зернистой структуры, уплотненный, тяжелосуглинистый. Имеются ходы червей и землероев. Заметен псевдомицелий СаСоз, слабое вскипание от НС1 наблюдается с 30 см. Переход к следующему горизонту постепенный. АВ] (75-100 см) переходный по гумусу горизонт, плотный, буровато-серой Неоднородной окраски, тяжелосуглинистый. Структура ореховато-призматическая. Имеются ходы червей и землероев. Повсеместно наблюдается псевдомицелий СаСоз, весь горизонт вскипает от НС1. Переход к следующему горизонту отчетливый. Bi (100-140 см) переходный по гумусу горизонт буровато-коричневой окраски, плотный, тяжелосуглинистый. Структура ореховато-зернистая. Повсеместно наблюдается псевдомицелий СаСоз, весь горизонт вскипает от НС1. Имеются ходы червей и землероев. Переход в следующий горизонт отчетливый по цвету, граница волнистая. С (140-280 см) палево-коричневый, карбонатный горизонт. Плотный, тяжелосуглинистый лессовидный суглинок. Имеется псевдомицелий СаСоз, горизонт вскипает от НС1. Почва: чернозем типичный мощный тяжелосуглинистый с повышенным вскипанием на карбонатном лессовидном суглинке. Данный вид типичного чернозема является характерным для почвенного покрова
Курского НИИ АПП. Вариант мощного чернозема с повышенным вскипанием встречается здесь в сочетании с мощным черноземом с обычным вскипанием. По основным агрофизическим и агрохимическим показателям эти разновидности чернозема не имеют существенных отличий [97]. В таблице 11 приведена характеристика гранулометрического состава почвы на данном поле. Из таблицы видно, что почвы относятся к тяжелосуглинистым. По имеющимся данным, различные подтипы мощного чернозема на территории Курского НИИ АПП по гранулометрическому составу существенно не отличаются [97]. Для определения НВ нами применялся метод капиллярного насыщения образцов почвы ненарушенного сложения, отобранных режущими кольцами объемом 100 см , с последующим отсосом избытка влаги такой же, но воздушно-сухой почвой до равновесного состояния. Этот метод рекомендован А.А. Роде для условий неоднородного сложения почвенно-грунтовой толщи. Он позволяет определить НВ, свойственную каждому элементарному почвенному слою без искажающего влияния общего строения почвенного профиля [101,286]. Образцы отбиралсь послойно в 10-кратной повторности до глубины 3 м, в верхнем метровом слое через 10 см, далее через 20 см. Одновременно из этих слоев отбирались пробы для определения влажности термостатно-весовым методом и расчета плотности сложения сухой почвы. Определение влажности, расчет плотности, а также капиллярное насыщение образцов проводились в соответствии с рекомендациями по применению почвенного бура АМ-27 [290]. По окончании насыщения образцы взвешивались для расчета их влажности. Затем они закрывались крышками для предотвращения испарения и устанавливались на отсос влаги: 4 образца из каждого слоя - на 1 сутки, и по 3 образца - на 3 и 7 суток, после чего определялась их влажность термостатно-весовым методом. Для отсоса влаги, согласно имеющимся рекомендациям [101,286], использовалась почва из тех же горизонтов, доведенная до воздушно-сухого состояния и пропущенная через сито с диаметром отверстий 1 мм. Эта почва слоем 10..12 см помещалась в цилиндрические сосуды диаметром 20 см. монолиты почвы устанавливались сверху по 4 - 6 шт. в каждом сосуде. Для определения времени достижения равновесного состояния влаги рекомендуется периодическое взвешивание образцов [101,286]. Однако повторная установка образцов на сухую почву после взвешивания безусловно изменяет условия их контакта и, следовательно, оттока влаги по сравнению с первоначальными. Поэтому образцы из каждого слоя были разделены на 3 партии, и каждая партия взвешивалась один раз - по окончании установленного срока. Установлено, что в динамике оттока влаги имеются различия по глубине почвенного профиля. На рисунке 37 показано изменение влажности почвы в образцах различных генетических горизонтов. В слоях глубже 140 см состояние влаги, близкое к равновесному, наблюдалось уже через 1 сутки. в дальнейшем происходил очень медленный отток, характерный для передвижения пленочной влаги. В почвенных горизонтах А, АВ] и В] до глубины 140 см основной отток свободной влаги имел место тоже в течение первых суток, но в меньшей степени. За последующие двое суток также происходило заметное снижение влажности почвенных монолитов. Как видно из рис. 34, отток влаги из образцов за эти двое суток достаточно велик и влажность почвы через 1 сутки после начала оттока нельзя считать равновесной. Близкое к равновесному состояние влаги достигнуто через 3 суток после начала отсоса.
Более позднее достижение такого состояния в гумусовом слое можно объяснить влиянием макроструктуры, замедленным оттоком некоторой части капиллярной влаги, заключенной в макроагрегатах. Небольшое снижение влажности образцов в результате перемещения пленочной влаги отмечено и через 7 суток. Таким образом, в качестве величины НВ принята близкая к равновесной влажность образцов, которая установилась через 3 суток после начала отсоса - для слоев почвы до глубины 140 см и через 1 сутки - для слоев, расположенных глубже 140 см.
