ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2009, № 2, с. 144-151
К 100-ЛЕТИЮ В.Н. ДИМО =
УДК 631.436
ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ КОМПЛЕКСНОГО ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА НА ПРИМЕРЕ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ВЛАДИМИРСКОГО ОПОЛЬЯ
© 2009 г. Е. В. Шеин, М. В. Банников, О. В. Трошина, О. А. Чуркина
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: shein@physics.soils.msu.su Поступила в редакцию 24.04.2008 г.
Проблемы оценки температурного режима почвенного покрова на уровне полипедона во многом остаются нерешенными. Предложен подход, состоящий из 1) характеристики и прогноза водного режима, как фундаментальной основы формирования температурного режима; 2) получения тепло-физических функций и распространения их на изучаемый комплексный покров и 3) расчета и оценки температурного режима комплексного почвенного покрова, итогом которых являются функциональные поля топоизоплет температуры почвенного покрова. Рассмотрен пример использования подхода для оценки температурного режима почвенного покрова сельскохозяйственного поля во Владимирском ополье. Показано, что в комплексном почвенном покрове, включающем среднесу-глинистые агросерые лесные, лесные со вторым гумусовым горизонтом и в разной степени оподзо-ленные почвы, в начале вегетационного периода более холодные зоны приурочены к контурам аг-росерых почв со вторым гумусовым горизонтом (разница температур на глубине 20 см до 1°С, а сумм активных температур - до 20°С). В дальнейшем эта разница может существенно изменяться вплоть до изменения знака. Функциональное поле температур в комплексном покрове оказывается очень динамичным, разнообразным по температурным характеристикам вследствие варьирования водно- и теплофизических свойств почв в почвенном покрове.
ВВЕДЕНИЕ
Работами В.Н. Димо доказана необходимость использования ряда физических критериев, способных количественно характеризовать энергообеспеченность почвенного покрова. В частности, для районирования территории СССР по теп-лообеспеченности В.Н. Димо было предложены физические параметры климата почв, их классификация и количественная оценка [4-6]. Более того, она предложила термические критерии для фациально-провинциального разделения почв [5]. Эти работы положили начало количественной оценки климата почв в масштабе крупных единиц - страны, региона, водосбора. В последние годы развитие почвоведения и физики почв в частности было направлено на введение количественных методов в иные масштабы изучения почвенного покрова - на уровни исследований отдельного сельскохозяйственного поля, полипедона. Связано это как с практическими вопросами современного землепользования и развитием так называемого "точного земледелия", с вопросами распределения агроприемов в пространстве поля, так и с новыми теоретическими подходами оценки неравномерности почвенных свойств в пространстве и распространением трехмерных физически-обоснованных моделей тепло-, влагопере-носа [8, 11].
Безусловно, оценка температурного режима почвенного покрова представляет собой задачу совсем иного научного уровня, чем оценка температурного режима почв по некоторым климатическим данным, по усредненным почвенным характеристикам в виде почвенной карты. При решении задачи оценки температурного режима почвенного покрова почвенная карта может быть фундаментальной качественной основой постановки исследований, но не базовой основой для количественного непрерывного описания распределения температуры в почвенном покрове. Действительно, неоднородность физических свойств, нередко обусловленная причинами, не связанными с особенностями генезиса и факторов почвообразования (воздействие техники, неоднородность поля влажности и др.), определяет иные принципы и подходы при оценке температурного режима почвенного покрова. Было предложено использовать понятие "функциональной поверхности" того или иного свойства, в данном случае, функциональной поверхности температурного поля [1, 13]. При таком подходе необходимы иные методы сбора экспериментальной информации, использование прогнозных математических моделей расчета и анализа температуры в пространстве, разработка методов экстраполяции данных по результатам точечных наблюде-
ний, которые позволяют характеризовать всю исследованную площадь и, наконец, получение динамических данных, описывающих изменение этой "функциональной поверхности" в суточном, вегетационном, годовом или ином временном масштабе.
В связи с этим целью данной работы явилась разработка подходов к оценке температурного режима комплексного почвенного покрова в условиях его интенсивного сельскохозяйственного использования. Задачи: 1) разработка подходов и методов пространственной оценки температурного режима почвенного покрова, 2) параметризация и адаптация модели водного режима почвенного покрова, 3) экспериментальная оценка необходимых физических и теплофизических характеристик и параметризация модели тепло-влагопереноса в почвенном покрове и 4) количественная оценка температурного режима почвенного покрова с помощью динамических функциональных поверхностей температуры.
ОБОСНОВАНИЕ ПОДХОДА ПО КОЛИЧЕСТВЕННОМ ОЦЕНКЕ ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Вполне понятно, что сбор экспериментальной информации в пределах сельскохозяйственного поля с неоднородным почвенным покровом, с варьирующими в пространстве физическими свойствами и функциями почв, представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Необходимо устраивать сбор экспериментальной динамической информации в пространстве поля по определенной сетке или на основе иных принципов сбора латерально пространственно распределенной информации, а также по глубине почв, составляющих исследуемый почвенный покров. Известны геостатистические методы интерполяции почвенных данных, касающиеся относительно стабильных во времени свойств, таких как гранулометрический состав, содержание органического вещества, плотность почв и др. В этом случае используются принципы кригинга, сплайн-функций и другие, применение которых, видимо, должно быть обосновано в каждом конкретном случае. Сложнее обстоит дело с такими динамичными свойствами, как влажность и температура. Сбор пространственной динамической информации по этим свойствам чрезвычайно трудоемок, в ряде случаев мы не имеем возможности детально наблюдать за пространственным изменением влажности в одних и тех же наблюдательных точках пространства, по площади существенно различаются и количество осадков, и испарение с поверхности почв. Нередко различны и условия на нижней границе почв, что также требует исполь-
зования различных методов для оценки водного и связанного с ним теплового режима почв в почвенном покрове. Наиболее распространенным приемом в физике почв является использование педотрансферных функций, с помощью которых можно рассчитать пространственное распределение гидро- и теплофизических характеристик на основе стабильных и легкоопределяемых физических свойств, таких как плотность, содержание органического вещества [8, 9]. Безусловно, требуется не только значительный массив экспериментальных данных, который и определит, в конечном счете, точность восстанавливаемых в пространстве почвенного покрова теплофизических характеристик. Главное, на наш взгляд, необходимость фундаментального физического обоснования выбранных в качестве аргумента свойств почв. Исходя из теории физики почв, в основе такого рода аргументов должны лежать фундаментальные свойства твердой фазы, такие как гранулометрический состав, плотность почв, содержание органического вещества, а также свойства, отражающие характеристики проводимости порового пространства, например, коэффициент фильтрации, величины, близкие к гидрологическим константам. Кроме того, следует учитывать, что некоторые физические явления обладают свойством аддитивности, то есть суммирования составляющих рассматриваемое явление свойств в соответствие с их долей. Аддитивными являются плотность твердой фазы, которая может определяться долями и плотностями составляющих минералов и органической части. Для нас важна и аддитивность теплоемкости, что позволяло бы ее рассчитывать по данным о содержании минеральной и органической частей, а также влажности почвы. В этом случае, подход по оценке водно-тепловых режимов почвенного покрова будет включать следующие этапы: 1) создание почвенной карты-схемы изучаемого участка, характеризующей специфику исследуемой природной ситуации; 2) исследование пространственного распределения и количественное описание с помощью функциональных поверхностей обоснованных фундаментальных физических свойств в виде плотности почв, содержания органического вещества, коэффициента фильтрации и др.; 3) экспериментальное получение и расчет основных гидро- и теплофизических параметров переноса, таких как основная гидрофизическая характеристика, коэффициент фильтрации, зависимость теплопроводности и температуропроводности от влажности для изучаемой территории; 4) изучение водного и теплового режимов в некоторых характерных точках исследуемого почвенного покрова. Обоснование выбора точек наблюдения за водно-тепловым режимом
м 300
Б
В
200
100
I_I_I_I
0 30 60 90
I_I_I_I
0 30 60 90
I_I_I_I
0 30 60 90
I_I_I_I
0 30 60 90
м
Рис. 1. Картосхема почвенного покрова (А) и топоизоплеты плотности (г/см3) (Б), содержания органического углерода (%) (В) и коэффициента фильтрации (см/мин) (Г) исследованного участка на глубине 40 см.
Г
0
возможно на основе почвенной карты-схемы, а также карт функциональных поверхностей физических свойств. Подобная экспериментальная динамическая информация необходима для адаптации физически обоснованных математических моделей тепло-, влагопереноса, которые являются основой для расчета водного и теплового режимов; 5) параметризация модели на основе экспериментальной информации об основных гидро-и теплофизических параметрах переноса, распространение их на исследуемый участок с помощью аддитивных подходов или педотрансферных функций; адаптация модели по экспериментальным данным наблюдения за водным и тепловым режимом в конкретных точках пространства. Эта процедура адаптации модели необходима, по нашему мнению, в связи с вероятнос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.