ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2008, № 3, с. 311-320
УДК 631.436
ФИЗИКА ПОЧВ
ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТЬ И ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВ В БОЛЬШИХ ЛИЗИМЕТРАХ ПОЧВЕННОГО СТАЦИОНАРА МГУ*
© 2008 г. Т. А. Архангельская, А. Б. Умарова
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: arhangelskaia@rambler.ru Поступила в редакцию 23.07.2006 г.
Температуропроводность верхних горизонтов модельных дерново-подзолистых почв меняется с влажностью в пределах 2.1-4.32 х 10-7 м2/с для гор. A пах, 1.59-3.99 х 10-7 м2/с для гор. B1, 1.28-3.74 х 10-7 м2/с для гор. B2 пах, 1.12-4.10 х 10-7 м2/с для гор. B2. Зависимость температуропроводности от влажности представляет собой опрокинутую параболу для гор. A пах, выраженно S-образную кривую - для гор. B1 и B2, и кривую переходного вида - для гор. B2 пах. Температурные режимы модельных почв с различным строением профиля мало различаются между собой и близки к температурному режиму почв на площадках метеостанции МГУ, находящихся в естественных условиях.
ВВЕДЕНИЕ
Лизиметрические установки используются в экспериментальном почвоведении главным образом для изучения водного баланса почвы и исследований выноса различных веществ и ионов из отдельных почвенных горизонтов или всего почвенного профиля. На опытных площадках Почвенного стационара МГУ такие исследования ведутся более 40 лет [24, 27, 35]. Большие лизиметры Почвенного стационара представляют собой открытые цементные емкости, заполненные почвой или грунтом, глубиной 1.75 м и площадью поверхности около 8 м2. Лизиметры заглублены в грунт, так что уровень поверхности модельных почв практически совпадает с уровнем поверхности естественных почв на опытных площадках Почвенного стационара. Под лизиметрами располагается подземная галерея, где происходит сбор фильтрационных вод.
Хорошо известно, что гидрофизические характеристики почвы меняются при изменении ее температуры [32]. От температуры зависят величины коэффициентов инфильтрации [33] и ненасыщенной гидравлической проводимости [31]. Кроме того, температурные градиенты могут быть причиной термопереноса почвенных растворов [1, 10, 15, 29, 30, 34, 36] и газов [2]. И, наконец, температура влияет на скорости внутри-почвенных химических реакций [7], а значит, и на интенсивность протекания процессов сорбции и десорбции растворенных веществ. Поэтому информация о температурном режиме модельных почв оказывается весьма востребованной при планировании лизиметрических экспериментов и
* Работа выполнена при поддержке РФФИ, проекты №№ 07-04-00131, 06-04-48298.
последующей интерпретации их результатов, в том числе при сопоставлении данных, полученных для модельных почв с различным строением профиля.
Помимо собственно лизиметрических экспериментов по изучению динамики и состава лизиметрического стока, на лизиметрах Почвенного стационара МГУ ведутся всесторонние исследования различных аспектов функционирования и эволюции почв: от кратковременных быстрых внутрипочвенных процессов до долговременных медленно накапливающихся структурных изменений. На лизиметрах, заполненных породой, изучаются закономерности первичного почвообразования в городских условиях под различными видами растительности [6, 9, 18, 19, 25]. На лизиметрах с модельными дерново-подзолистыми почвами ведется многолетний эксперимент по изучению процессов трансформации твердой фазы почвы [8, 27, 28, 35]. Кроме того, высокая степень латеральной однородности модельных почв делает их удобными объектами для тестирования и настройки одномерных математических моделей переноса тепла, влаги и химических веществ [11, 15, 22].
При обсуждении результатов, полученных для модельных почв, обычно возникает вопрос о том, насколько условия их функционирования отличаются от естественных. Общеизвестно, что лизиметрический метод подразумевает изменение условий дренажа и соответственно гидрологического режима изучаемой почвы. Менее очевидно, что и температурный режим модельных почв, вообще говоря, может существенно отличаться от температурного режима почв естественных, в первую очередь благодаря различиям в их тепловых свойствах. Кроме того, дно лизиметров и рас-
положенная под ними галерея представляют собой преграду для вертикальных внутрипочвен-ных потоков тепла, а значит, тоже могут в какой-то степени влиять на формирование температурного поля. Тем не менее, вопрос о температурном режиме почв в больших лизиметрах и степени его близости к естественному до сих пор практически не рассматривался.
В предлагаемой статье обсуждаются и сравниваются температуропроводность и температурный режим модельных почв с различным строением почвенного профиля. Температура модельных почв в лизиметрах сопоставляется с температурой почвы на площадках метеостанции МГУ.
ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ
Исследования температуропроводности и температурного режима модельных средне- и тяжелосуглинистой дерново-подзолистых почв проводили для двух лизиметров, заполненных почвой в 1961 г. в соответствии с планом лизиметрического опыта, разработанным Качинским [27]. В варианте I строение почвенного профиля при закладке имитировало обработку почвы по методу глубокого плантажа, при котором на поверхность выносится потенциально плодородный иллювиальный горизонт: В2 (0-43 см), В1 (43-65), Е (65-80), А пах (80-100), В2 (100-120), В3 (120-150 см). В настоящее время в верхней части почвенного профиля в этом варианте выделяется гор. В2 пах, формирование которого обусловлено проведением агротехнических и почвенно-мелиоративных мероприятий [8, 27]. В варианте II почва была заложена в соответствии со способом мелиоративной вспашки по Мосолову, при которой меняются местами горизонты В1 и Е: А пах (0-20 см), В1 (20-45), Е (45-60), В2 (60-120), В3 (120-150 см). Ниже глубины 1.5 м в обоих лизиметрах располагается 25-сантиметровый песчано-гравийный слой.
Образцы из пахотных и подпахотных горизонтов были отобраны перед весенней обработкой 1998 г. Вертикальные почвенные монолиты высотой 10.0 см и диаметром 3.8 см вырезали с помощью тонкостенных металлических цилиндров. Температуропроводность отобранных монолитов определяли в лаборатории, применяя метод, основанный на теории регулярного режима Кондратьева [14]. Подробное описание методики проведения измерений и обработки результатов приведено в ранее опубликованной статье [4]. Для каждого образца определяли зависимость температуропроводности от влажности в диапазоне от полной водовместимости до воздушно-сухого состояния. При каждом значении влажности измерения температуропроводности проводили в трехкратной повторности; в случае большого разброса полученных значений число повторных
измерений увеличивали до пяти. Теплоемкость почвы оценивали расчетным методом де Фриза [12, 26], суммируя теплоемкости минеральной, органической и жидкостной составляющих. Использовали данные о плотности, содержании органического углерода и текущем значении влажности. Удельную теплоемкость минеральной части твердой фазы полагали равной 0.75 кДж/кг К, органической части - 1.93 кДж/кг К, жидкой фазы - 4.19 кДж/кг К [12]. Содержание органического углерода определяли методом сухого сжигания в токе кислорода с использованием экспресс-анализатора АН-8012 [13]. Гранулометрический состав определяли пипет-методом с применением кислотно-щелочной диспергации, плотность твердой фазы - пикнометрически с применением часового кипячения [5].
Температуру почвы в двух вариантах измеряли с помощью почвенного электротермометра АМ-29 типа А, датчики которого были стационарно установлены на глубинах от 1 до 130 см. Измерения проводили в течение года с 16.12.1996 по 13.12.1997 раз в неделю в 13 ч по среднему солнечному времени. Три 36-часовые серии ежечасных измерений проводили 4-5.04, 28-29.04 и 30.06-1.07 с 900 утра до 2100 вечера следующего дня. На протяжении бесснежного периода обе лизиметрические площадки находились под чистым паром; зимой - под естественным снежным покровом.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Лабораторные исследования показали, что температуропроводность верхних горизонтов модельных дерново-подзолистых почв меняется примерно в тех же пределах, что и ранее определенная температуропроводность естественных дерново-подзолистых почв сходного гранулометрического состава [23]. Характер изменения температуропроводности с влажностью варьирует от почти параболического до выра-женно 8-образного (рис. 1, 2).
Полученные экспериментальные характеристики были аппроксимированы регрессионной зависимостью к(ж), предложенной одним из авторов [3]:
к = к0 + а ехр
-0.5
Л ( ж 1п
■ Жо
где ж - объемная влажность почвы, к - соответствующая ей температуропроводность, ко, а, и Ь - параметры аппроксимации. Эти параметры имеют ясный физический смысл (рис. 1): к0 - температуропроводность абсолютно сухой почвы;
- влажность, при которой достигается максимум температуропроводности; к0 + а - максимальная температуропроводность при м> = w0. Параметр Ь характеризует ширину пика кривой и определяется диапазоном влажности, в котором происходит активный термоперенос почвенной влаги. Чем меньше величина параметра Ь и чем выше w0, тем сильнее выражена 8-образность кривой (табл. 1; рис. 1). Таким образом, параметры аппроксимации позволяют численно охарактеризовать не только пределы изменчивости температуропроводности изученных горизонтов с влажностью, но и форму полученных кривых.
Самые низкие значения параметра Ь в сочетании с высокой w0 характерны для подпахотных гор. В2 и В1; в этих горизонтах зависимость температуропроводности от влажности имеет выра-женно 8-образную форму (рис. 2, В). При изменении влажности от воздушно-сухого состояния до 0.20 см3/см3 температуропроводность почти не меняется, слегка уменьшаясь в области 0.07-0.15 см3/см3, затем резко возрастает в диапазоне влажностей 0.25-0.30 см3/см3 и выходит на постоянный уровень. Наличие длинного пологого участка в области малых влажностей свидетельствует о том, что в этой области рост теплопроводности с увеличением влажности полностью компенсируется ростом теплоемкости или даже несколько от него отстает - и тогда на кривой образуется локальный минимум
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.