научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ВНУТРИПОЧВЕННОГО ВЛАГООБМЕНА И ХИМИЗМА ПОРОВЫХ И ГРУНТОВЫХ ВОД Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ВНУТРИПОЧВЕННОГО ВЛАГООБМЕНА И ХИМИЗМА ПОРОВЫХ И ГРУНТОВЫХ ВОД»

ФИЗИКА ПОЧВ

УДК 631.4.:631.432

ОСОБЕННОСТИ ВНУТРИПОЧВЕННОГО ВЛАГООБМЕНА И ХИМИЗМА

ПОРОВЫХ И ГРУНТОВЫХ ВОД

© 2015 г. Н. А. Муромцев1, П. И. Пыленок2, Н. А. Семенов3, К. Б. Анисимов1

Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7 2Мещерский филиал ВНИИГиМим. А.Н. Костякова, 390021, Рязань, пос. Солотча, ул. Мещерская, 1а 3Институт кормов им. В.Р. Вильямса, 141055, Лобня Московской обл., ул. Научный городок, корп. 1

e-mail muromcev39@mail.ru Поступила в редакцию 04.04.2014 г.

Установлены закономерности инфильтрации и испарения грунтовых вод при различной глубине их залегания в дерново-подзолистой и темно-серой лесной почвах. Показано, что подпитывание почвы влагой из грунтовых вод уменьшается с понижением их уровня, а инфильтрация — возрастает. При высоком стоянии уровня грунтовых вод (70 см от поверхности) подпитывание дерново-подзолистой почвы составляет 86 мм, инфильтрация — 17 мм, а при 145 см — 13 и 51 мм соответственно. Содержание химических веществ в лизиметрах с более высоким уровнем грунтовых вод в 2—4 раза больше по сравнению с содержанием их в лизиметрах с более низким уровнем грунтовых вод.

Ключевые слова: водный баланс, осадки, суммарное испарение, инфильтрация, зона аэрации, грунтовые воды, лизиметр, испарение грунтовых вод, подпитывание почвы грунтовыми водами, внут-рипочвенный влагообмен, гидрохимия грунтовых, поровых и лизиметрических вод.

DOI: 10.7868/S0032180X15070084

ВВЕДЕНИЕ

Содержание и состав химических веществ в почве и грунтовых водах (ГВ) в значительной степени определяются особенностями внутрипоч-венного влагообмена [7, 8, 10, 11]. Внутрипочвен-ным влагообменом [1, 2, 4, 5] называется обмен влагой и растворенными в ней химическими веществами между отдельными почвенными слоями. Главными приходными и расходными статьями водного баланса внутрипочвенного влагообмена являются инфильтрация атмосферных осадков в почву и испарение грунтовых вод, то есть перенос влаги от грунтовых вод к фронту испарения почвы. Слабо изучены вопросы взаимосвязи вертикальных и горизонтальных потоков влаги в почве, происходящих под действием капиллярно-сорбционного потенциала, а также гидрохимия поровых вод [1, 2, 5, 10—12, 14, 15].

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Методической основой исследований является моделирование водного режима с использованием лизиметров. С гидрологической точки зрения лизиметр представляет собой устройство, в котором заключен элементарный участок почвы с имитацией уровня ГВ [1, 4, 5, 7].

В полном виде водный баланс расчетного слоя почвы (в мм слоя воды или м3/га) за определенный промежуток времени (обычно декада, месяц, сезон, год) может быть представлен в следующем виде:

W0 + Woc + Wr + WK + W6np + Wnnp = = E + E + W + W + W + W ,

-^исп 1 -^T 1 rr ин 1 rr пс 1 rr 6с 1 rr кз>

(1)

где W0 — запас влаги в почве в начале наблюдения, мм; Woс — атмосферные осадки и поливы, мм; Wr — приток влаги из грунтовых вод, мм; WK — конденсационная влага, мм; W^ — боковой внут-рипочвенный приток, мм; W^ — поверхностный приток, мм; Еисп — физическое испарение, мм; Ет — транспирация растений, мм; Wин — инфильтрация, мм; W^. — поверхностный сток, мм; W^ — боковой внутрипочвенный сток, мм; W^ — запас влаги в почве в конце наблюдения, мм.

Левая часть уравнения (1) включает приходные, а правая — расходные статьи водного баланса. По данным многих исследователей (в том числе А.А. Роде) в условиях гумидной зоны величина W пренебрежимо мала. Поверхностные приток и сток (W^p и W^) для выровненных пространств, а также боковые приток и сток влаги (W^ и №^с), обычно принимаются попарно равными, и их так-

851

6*

В

Комплект электродов и измеритель ОВП

Тензозонды

Полевой влагомер

Комплект для отбора почвенной влаги

Рис. 1. Схема лизиметрической установки (А) и устройства для автоматического регулирования уровня воды в лизиметре (Б). А — лизиметрическая установка: 1 — монолит почвогрунта (площадью 1 м2); 2 — бетонный заполнитель; 3 — поддон; 4 — заполнитель из битума; 5 — пьезометр; 6 — трубка для наблюдения за влажностью с помощью нейтронного влагомера; 7 — фильтр пьезометра; 8 — трубчатый фильтр с сеткой; 9 — песчаный фильтр; 10 — битумная изоляция; 11 — кассета; Б — устройство для автоматического регулирования уровня воды в лизиметре: 1 — стенка наблюдательного павильона; 2 — питающий бачок; 3 — соединительная трубка; 4 — регулирующая трубка; 5 — сливной стакан; 6 — сливная трубка; 7 — каркас поплавковой системы; 8 — поплавок; 9 — ось поплавка; 10 — чашечка поплавка; 11 — запирающий болт крепления пипетки; 12 — пипетка; 13 — шланг; В — приборное обеспечение для изучения гидрофизических и гидрохимических свойств почв.

же можно удалить из уравнения 1 [7]. Поэтому для практических целей в большинстве случаев используют следующее уравнение:

V + Ос + V = Еисп + Ет + + V (2)

или:

V = V + О + IV- Е - Е- IV (3)

к " о 1 "с 1 " г -*^исп -^т г'ин- V-"/

Водный баланс лизиметров для расчетного слоя почвы и выбранного временного интервала обычно записывают в виде [2]:

Ес = ОС + П + К - 1± АЖ, (4)

где Ес — суммарное испарение, мм; ОС — осадки, мм; П - поливы, мм; К — испарение ГВ, мм; I — инфильтрация; мм; ±А V — изменение запасов почвенной влаги за расчетный период времени, мм. На рис. 1 дана схема лизиметрической установки (А) и прибора автоматического регулирования уровня воды в лизиметре (Б).

Значение переноса (вместе с водой) балластных и питательных веществ через единичное сечение почвенного профиля в 1 м2 за расчетный период времени может быть определено по формуле [4, 5]:

Ь = СЛ, (5)

где Ь — масса перенесенных химических веществ через единичное сечение, мг/м2; С — концентра-

ция веществ в воде, мг/л; q — инфильтрация, л/м2 (мм).

В качестве сельскохозяйственных культур на дерново-подзолистой супесчаной почве использован картофель ранний суперэлитной репродукции сорта "Красавчик", а на темно-серой лесной тяжелосуглинистой почве экополигона Мещерского филиала ВНИИГиМ — рожь озимая. На дерново-подзолистой почве изучали варианты с уровнем (глубиной) грунтовых (лизиметрических) вод (УГВ) 70 см (лизиметры 1, 3, 5), 95 см (лизиметры 2, 4, 6), 120 см (лизиметры 7, 9, 11) и 145 см (лизиметры 8, 10, 12); повторность каждого варианта — трехкратная. На темно-серой тяжелосуглинистой лесной почве в вариантах с УГВ 80 см (лизиметры 1, 2), 100 см (лизиметры 3, 4), 120 см (лизиметры 5, 6) и 140 см (лизиметры 7, 8); повторность каждого варианта — двукратная. УГВ измеряли каждые 2—3 дня. Расход грунтовых вод на испарение (или подпитывание) определяли по количеству воды, доливаемой в лизиметр, а инфильтрацию — по количеству отливаемой из лизиметра воды после выпадения осадков.

Для более точного расчета величин испарения ГВ и инфильтрации была использована зависимость, полученная из балансового уравнения, лимитированного в лизиметре водоносного горизонта [4, 5]:

±д = 10ц (И,- И,) - Нд + Ас, (6)

25

20

15

м

о 10

«

и 5

Я

а

^ 0

л

л и 13

-е я -5

и

и л -10

л1Ш . п.п.П. П.П. П. п. ,y,íl,ílll,Lflnm,ílL , . П. ,П,П, ,fl ,

мая 14 июня 5 июля 28 июля |

о S Я

се <ч

s с

ч о

П

20 г 15 10 5

0

13 -5

10 L

мая

В

J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_L

■П. I

14 июня

5 июля

28

ию

20

15

10

5

0 13 -5

10

15

20

15

10

5

0 13 -5

10

15

мм i i Г, mi......

ДМ ilili i

14 июня

5 июля

я

lili.........

мая

14 июня

......................I Irlfll I I I

5 июля 28

ию

Рис. 2. Соотношение подпитывания (+) грунтовыми водами и инфильтрации (—) при среднем за вегетацию уровне грунтовых вод, см: А - 70, Б - 95, В - 120, Г - 145.

мая

где ±д - инфильтрация (+) или испарение (-) грунтовых вод, мм; ц - недостаток водонасыще-ния или водоотдача, Н1 H¡ - уровни воды в лизиметре, измеренные до регулирования в начале и конце расчетного периода, см; Нс = 10Кс/Е - слой долитой воды в (г -1) срок наблюдений, мм; Нс = 10Ус/Е - слой слитой воды в (/) срок наблюдений, мм; ¥л,¥с - объем долитой и слитой воды, мл.

Для зоны аэрации инфильтрация имеет знак "минус", а подпитывание - "плюс".

Пробоотбор поровых вод осуществляли с помощью комплекта приборов (рис. 1, В), включающего тензозонд, шланги с запорной арматурой, водосборный сосуд и вакуумную помпу). Тензозонды устанавливались на глубину 50 см от поверхности почвы (в них создавалось разрежение 70 кПа). Прибор работает по типу капилляриметра. Под действием созданного разрежением градиента потенциала в системе почва - тензозонд поток влаги направлен из почвы в сборную емкость. Полученный раствор анализировали в лаборатории с использованием обычных в химии почв методов. Возможную сорбцию веществ в керамическом тензозонде не определяли и не учитывали.

Картофель был посажен 7 мая, полные всходы - 3 июня, начало бутонизации - 4 июля, на-

чало цветения - 8 июля, начало увядания ботвы -21 июля.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате снегомерной съемки, проведенной в 14 марта 2013 г., на лизиметрической площадке установлено, что средняя высота снежного покрова была равна 45.5 см, средняя плотность снега - 0.267 г/см3, а запасы воды в снеге - 123 мм (1230 м3/га). Одновременно был произведен отбор пробы снега на лизиметрической площадке для химического анализа. Результаты наблюдений за инфильтрацией и испарением грунтовых вод приведены на рис. 2, 3.

Наиболее интенсивные осадки имели место во второй декаде марта (54.1 мм), второй декаде мая (60.6 мм) и в первой декаде июля (53.5 мм). Самыми дождливыми месяцами оказались март (сумма осадков 69.1 мм), май (64.8 мм) и июль (118 мм), а самыми сухими - август (9.5 мм), июнь (19.6 мм) и апрель (24.1 мм). Сумма осадков за весь период опыта составила 383.6 мм. В условиях засушливого вегетационного периода во всех вариантах опыта подпитывание почвы водой из грунтовых вод превалировало над инфильтрацией в течение всего периода наблюдений, особенно в августе.

120

Рис. 3. Содержание макро- и микроэлементов в поро-

вых водах темно-серой лесной почвы в зависимости

от глубины грунтовых вод, см: 1 — 100, 2 — 120.

Объемы подпитывания прямо зависели от УГВ. При относительно близком к поверхности почвы их пол

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Сельское и лесное хозяйство»