ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 631.436
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОГО РЕЖИМА КОМПЛЕКСНОГО ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ВЛАДИМИРСКОГО ОПОЛЬЯ
© 2012 г. Е. В. Шеин, О. А. Трошина
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: evgeny.shein@gmail.com Поступила в редакцию 04.10.2011 г.
Предложен методический подход к физически обоснованному математическому моделированию гидротермического режима комплексного почвенного покрова в масштабе сельскохозяйственного поля. Для осуществления подхода необходимо: (1) на основании экспериментально полученных теплофизических и гидрофизических характеристик с помощью физически обоснованной математической модели восстановить гидротермический режим двух контрастных вариантов почв;
(2) адаптировать и оптимизировать модель по известным экспериментальным режимным данным,
(3) с помощью педотрансферных функций получить гидрофизические и теплофизические свойства для всего исследуемого участка и (4) восстановить гидротермический режим всего почвенного участка, используя математическую модель и метеоданные за конкретный период. Предложенная методика позволяет моделировать гидротермический режим комплекса агросерых почв Владимирского ополья с нормированной среднеквадратичной ошибкой около 8%. Анализ гидротермического режима почвенного покрова исследуемого участка, рассчитанного по метеоданным с мая по август 2009 г., показал, что более низкие значения температуры приурочены к ареалам агросерых почв со вторым гумусовым горизонтом: в среднем их температура ниже температуры агросерых почв на глубинах 20, 40 и 70 см на 0.44, 0.93 и 1.32°С, а разницы сумм активных температур за рассматриваемый период 2009 г. на глубинах 20 и 40 см для указанных почв достигают 89 и 74°С.
ВВЕДЕНИЕ
Физические свойства и режимы (водный, тепловой, воздушный) почв определяют их плодородие и оказывают существенное влияние на развитие растений. В связи с этим большое внимание уделяется вопросам оптимизации физических свойств и режимов почв. Изучению температурного режима почв и почвенно-климатическому районированию посвящено много работ [8—10, 27, 28]. До недавнего времени количественная оценка температурного режима и теплофизиче-ских характеристик почв проводилась в масштабах почвенного профиля [2, 14, 19, 21—23]. В последние годы развитие почвоведения и физики почв, в частности, направлено на введение количественных методов изучения почвенного покрова на уровни исследований отдельного сельскохозяйственного поля, полипедона [11, 26]. Связано это как с практическими вопросами современного землепользования, с распределением агропри-емов в пространстве поля, так и с новыми теоретическими подходами оценки неравномерности почвенных свойств в пространстве и распространением трехмерных моделей тепло- и влагопере-носа. Актуальной проблемой является создание методических основ измерения, мониторинга и
количественного прогноза физических свойств и режимов почвы на уровне полипедона.
При решении задачи оценки гидротермического режима почвенного покрова почвенная карта является фундаментальной качественной основой постановки исследований, а не базовой основой для количественного непрерывного описания распределения влажности и температуры в почвенном покрове. Неоднородность физических свойств, нередко обусловленная причинами, не связанными с особенностями генезиса и факторами почвообразования (воздействие техники, неоднородность влажности поля и др.), определяет иные принципы и подходы при оценке температурного режима почвенного покрова.
Остроумовым и Макеевым [16] для описания распределения температуры почвы в пределах ограниченного участка было предложено понятие "температурное поле" почв. Температурное поле не является формой материи, а лишь отражает пространственно-временное распределение температур. В почвах можно выделить и другие поля, которые различаются по составляющим свойствам и процессам формирования. Наглядным отображением пространственного изменения, например температуры почвы, является функциональная поверхность температурного
поля [25]. При таком подходе необходимы иные методы сбора экспериментальной информации, использование прогнозных математических моделей расчета и анализа температуры и влажности в пространстве, разработка методов экстраполяции данных по результатам точечных наблюдений, которые позволяют характеризовать всю исследованную площадь и, наконец, получение динамических данных, описывающих изменение этой "функциональной поверхности" в интересующем временном масштабе.
В настоящей работе предложена методика моделирования и оценки гидротермического режима комплексного почвенного покрова в масштабе сельскохозяйственного поля и показаны результаты ее применения на комплексе агросерых почв Владимирского ополья.
ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ
Объект исследования — комплекс агросерых почв Владимирского ополья (опытное поле ВНИИСХ РАСХН г. Суздаль Владимирской обл.). Основными структурообразующими компонентами почвенного покрова ополья являются агро-серые типичные почвы (АС), агросерые почвы со вторым гумусовым горизонтом (АСвгг), а также остаточно-карбонатные, оподзоленные (АСоп), и оглеенные агросерые почвы. Широко распространено мнение, что комплексность почвенного покрова Владимирского ополья обусловлена па-леокриогенным микрорельефом [6, 15]. В микропонижениях древнего криогенного рельефа были сформированы агросерые почвы со вторым гумусовым горизонтом (ВГГ), залегающим на глубине 25—40(60) см в виде линзы серовато-черного гу-мусированного материала. Этот горизонт, как правило, менее плотный, имеет повышенное содержание гумуса и лучше агрегирован по сравнению с вышележащим гумусовым горизонтом. Наличие второго гумусового горизонта влияет на пространственную неоднородность физических свойств почв, что должно сказаться на гидротермическом режиме почвенного покрова ополья.
Агрофизическое обследование комплекса аг-росерых почв проводилось на участке опытного сельскохозяйственного поля Владимирского НИИСХ в июле 2006 г. Общая площадь обследованного участка, находившегося в период исследований под паром, составила 0.96 га. На этой территории по регулярной сетке с шагом 20 м было заложено 56 точек опробования, в каждой из которых в слоях 10—15, 25—30 и 40—45 см определен комплекс физических свойств, проводилось морфологическое описание почв. В каждой точке опробования определяли плотность почвы, коэффициент впитывания, приближающийся к значению коэффициента фильтрации, наименьшую влагоемкость, сопротивление пенетрации, грани-
цы пластичности, содержание органического углерода. Для определения указанных физических свойств использовались как традиционные методы [5, 20], так и их модификации для агрофизических масштабных исследований (для коэффициента впитывания и наименьшей влагоемкости) [20]. Содержания органического углерода определяли методом сухого сжигания в токе кислорода на экспресс-анализаторе углерода АН—8012 [12]. Морфологическое описание и наличие основных физических свойств позволило для каждой из 56 точек сформировать собственный профиль экспериментального обеспечения, максимально учитывая специфику физических свойств именно этой почвы в почвенном покрове.
Для наиболее различающихся по почвенно-физическим свойствам почв (агросерой и агросе-рой со вторым гумусовым горизонтом) экспериментально исследован температурный режим с 13 мая по 16 августа 2009 г. с помощью термодатчиков "Термохрон" и зависимость температуропроводности от влажности методом регулярного режима нагрева [13, 18]. Уравнения аппроксимации экспериментальных данных основной гидрофизической характеристики (ОГХ) и теплофизи-ческих функций представлены в табл. 1.
Статистический анализ данных и моделирование гидротермического режима агросерых почв проведены с помощью пакета 81а1АзИса 6.0. и математической прогнозной модели HYDRUS-1D [30]. Для построения топоизоплет почвенных свойств, карт-схем динамики пространственного изменения запасов влаги и температуры использовалось программное обеспечение ArcGIS 8.3.1.
Методика моделирования режимов влажности и температуры комплексного почвенного покрова на примере комплекса агросерых почв Владимирского ополья. Предыдущие исследования физических свойств почвенного покрова Владимирского ополья [1, 4, 7] показали, что доминирующее значение в функционировании почвенного покрова принадлежит агросерым почвам и агросерым почвам со вторым гумусовым горизонтом. Остальные почвы: агросерые разной степени оподзоленности, остаточно карбонатны и занимают подчиненное промежуточное положение. Поэтому для моделирования температурного режима всего экспериментального участка сначала был имитирован гидротермический режим для двух основных почв: агросерой и агросе-рой со вторым гумусовым горизонтом, и по известной экспериментальной почвенной информации в виде данных влажности и температуры режимных наблюдений произведена адаптация модели HYDRUS (рис. 1). Затем, используя педо-трансферные функции (ПТФ) зависимости параметров аппроксимации ОГХ уравнением Ван Ге-
Таблица 1. Уравнения, описывающие ОГХ и теплофизические функции
Уравнение Эмпирические параметры Автор, год
е, - е, 1 0, 0Г, а, п van Genuchten, 1980 [31]
е* - е, [1 + (aPj )n J1-17"
X = ъ + ъ2е + b3(90-5) Ьь b2, Ьз Chung, Horton, 1987 [29]
i1" (r! 2 '
к = к0 + a exp - 0.5 100 J 00, к0, а, Ь Архангельская, 2008 [1]
b \
9;, Р[ — соответствующие значения объемной влажности и капиллярно-сорбционного давления, X — теплопроводность почвы, к — температуропроводность почвы, 9 — объемная влажность почвы.
нухтена и температуропроводности уравнением Т.А. Архангельской от почвенных свойств (плотности почвы, содержания органического углерода), были получены параметры ОГХ и основной теплофизической характеристики (ОТХ, К(9)) для всех 56 точек опробования экспериментального поля. После чего, располагая водно-физическими и теплофизическими параметрами в каждой точке, а также метеоданными метеостанции ВНИИСХ, было осуществлено моделирование гидротермического режима участка исследования.
Р
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.