УДК 630*114.122.519.24
Уточненная оценка эффективных запасов продуктивной влаги с учетом гистерезиса водоудерживающей способности почвы
В. В. Терлеев*, А. Г. Топаж**, В. Миршель***
Усовершенствован метод расчета эффективных запасов продуктивной влаги в почве с использованием почвенно-гидрологических констант. Расчет осуществлялся по компьютерной программе, разработанной на основе математической модели с физически интерпретированными параметрами, которая построена в рамках представлений о капиллярности и логнормаль-ном распределении эффективных радиусов пор и описывает главные, а также сканирующие ветви гистерезиса водоудерживающей способности почвы. Приведенный пример показал преимущество усовершенствованного метода, который позволяет минимизировать непроизводительный расход воды при орошении сельскохозяйственных культур.
Ключевые слова: эффективные запасы продуктивной влаги, гистерезис водоудерживающей способности почвы, почвенно-гидрологические константы, гидрофизические характеристики почвы.
Введение
Один из наиболее известных методов, которые используют для оценки запасов продуктивной влаги в почве, а также для расчета поливных норм, основывается на данных о почвенно-гидрологических константах (ПГК) или агрогидрологических свойствах почвы (АГСП) [3]. Они приведены, например, в таблицах ТСХ-5 почти для всех территориальных Управлений по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Росгидромета [8]. Как известно, ПГК соответствуют точкам на главной ветви иссушения водоудерживающей способности (основной гидрофизической характеристики (ОГХ)) почвы, которые разграничивают категории почвенной влаги [1]. Гистерезис водоудерживающей способности почвы проявляется в том, что эффективные запасы продуктивной влаги в течение вегетационного периода оказываются меньше максимального влагозапаса, который образуется после стекания свободной гравитационной воды из полностью влагонасыщенной почвы (например, после снеготаяния или влагозарядко-
* Санкт-Петербургский государственный политехнический университет; e-mail: Vitaly_ Terleev@m ail.ru.
** ** Агрофизический научно-исследовательский институт.
***Лейбниц-Центр исследования агроландшафтов, Мюнхеберг, Германия.
вых поливов). В соответствии с парадигмой гистерезиса водоудерживаю-щей способности почвы это явление описывается множеством так называемых сканирующих ветвей ОГХ. Все они, а также главная ветвь увлажне -ния расположены ниже главной ветви иссушения ОГХ, по которой определяются ПГК. Явление гистерезиса хорошо известно практикам-мелиораторам: с его учетом увеличиваются нормы вегетационного полива на 12—15% для тяжелосуглинистых и глинистых почв, а также на 6—9% для песчаных и супесчаных почв с целью увеличения эффективных запасов продуктив ной вла ги в почве.
Известны и негативные процессы, обусловленные завышением нормы полива. Во-первых, к ним относится уже отмеченное стекание свободной гравитационной влаги за пределы увлажняемого слоя почвы. Во-вторых, при увеличении эффективного запаса продуктивной влаги увеличивается промежуток времени, в течение которого почва имеет относительно большую влажность, вследствие чего увеличивается доля физического испарения воды в суммарной эвапотранспирации. И в-третьих, увеличение нисходя ще го тока вла ги в почвен ном про фи ле при водит к вы но су пи татель-ных веществ за пределы зоны обитания корней. Отсутствие способов прецизионной количественной оценки и минимизации последствий указанных негативных процессов представляет собой актуальную проблему.
Для получения адекватной оценки физического испарения воды и вы-но са эле мен тов ми не раль но го пи та ния рас те ний за пред е лы кор не о би та е-мого слоя почвы может быть применена, например, компьютерная система имитационного моделирования продуктивности сельскохозяйственных растений А§го1:оо1 [12, 13]. В данной статье предложено усовершенствование достаточно удобного в практическом использовании метода оценки эффективных запасов продуктивной влаги, опирающегося на данные об агрохимических свойствах почвы, с учетом гистерезисной ОГХ почвы. Осно ван ные на та ких оцен ках расче ты норм ве ге та ци он ных поли вов позволят минимизировать непроизводительный расход воды при образовании избытка свободной гравитационной влаги, стекающей за пределы увлаж-ня е мо го слоя почвы.
Использование почвенно-гидрологических
констант для оценки эффективных запасов продуктивной влаги в почве
При ня то счи тать, что запас продуктив ной вла ги опреде ляет ся максимальным количеством доступной растениям воды, которое способна удерживать почва капиллярно-сорбционными силами. Наиболее известной оценкой этого влагозапаса является разность НВ - ВЗ (НВ — наименьшая влагоемкость почвы, ВЗ — влажность устойчивого завядания). Разумеется, указанные почвенно-гидрологические константы не являются абсолютными константами. Для той или иной разновидности почвы по гранулометрическому составу характерны определенные значения капиллярного давления влаги, которым соответствуют ПГК. Тем не менее для почв разного гранулометрического состава значения капиллярного давления влаги
при НВ группируются относительно -330 см вод. ст. Для расчета НВ успешно применяется метод, который опирается на данные о плотности сложения и максимальной гигроскопичности почвы [2]. Другая косвенная оценка НВ основана на том, что при капиллярном давлении влаги, которому соответствует данная ПГК, функция дифференциальной влагоемкости почвы достигает максимума [7, 15]. Для почв разной текстуры некоторый разброс значений капиллярного давления влаги при ВЗ обусловлен, прежде всего, физиологическими различиями между влаголюбивыми и засухоустойчивыми растениями. Вместе с тем он локализован в окрестности -15 000 см вод. ст.
Следует отметить, что метод оценки запаса продуктивной влаги по разности НВ - ВЗ не в полной мере соответствует нуждам орошаемого земледелия. Что касается НВ, то данная константа характеризует значение влажности почвы при максимальном запасе доступной растениям влаги, поскольку большее количество воды почва не может удерживать в капиллярно-подвешенном состоянии. При ВЗ по мере иссушения почвы и приближения значений влажности почвы к указанной почвенно-гидрологичес-кой константе сельскохозяйственные культуры испытывают стресс и, следовательно, продуктивность агроценозов может резко уменьшиться. При-чи на за ключа ет ся в том, что при от но си тель но низ кой влаж нос ти почвы ди на ми ку почвен ной вла ги в кор не о би та е мой зоне ли ми ти рует низ кая гидравлическая проводимость почвы [5]. В связи с этим для характеристики нижней границы диапазона влажности почвы, характеризующего эффективный запас продуктивной влаги, предпочтительно использовать константу, которая называется влажностью разрыва капиллярной связи (ВРК). Соответствующее этой константе значение капиллярного давления влаги характеризует границу капиллярной сомкнутости почвенной влаги: именно здесь происходит скачок подвижности воды как жидкости [4]. Для глинистых почв значения капиллярного давления влаги при ВРК достигают -1000 см вод. ст. и ниже, а для суглинистых и супесчаных почв они могут превышать указанное значение. Исходя из вышесказанного, оценивание эффективного запаса продуктивной влаги (точнее — легкодоступной влаги [4]) в почве и расчеты поливных норм осуществляют по разности НВ -- ВРК.
В реальных условиях орошаемого поля предполивная влажность почвы почти всегда менее ВРК, и поэтому поливная норма оказывается больше разности НВ - ВРК. Увеличение нормы полива резонно мотивируется тем, что более низкой предполивной влажности соответствует и более низкая ветвь увлажнения гистерезисной основной гидрофизической характеристики почвы. Это находит подтверждение в работе [9]. В частности, в ней отмечается, что значение НВ, которое определяют в режиме обезвоживания почвы (например, методом залива площадок), не характеризует водо-удерживающую способность чернозема при увлажнении. На ветви увлажнения гистерезисной основной гидрофизической характеристики данному значению НВ соответствует меньшая влажность почвы. Разность между НВ и влажностью почвы на ветви увлажнения гистерезисной ОГХ при од-
ном и том же капиллярном давлении влаги для генетических горизонтов чернозема достигает 2,2—3,2% объема [9].
Следовательно, чтобы свести к минимуму стекание свободной гравита-ци он ной воды за пред е лы увлаж няе мо го слоя почвы, пред поч ти тель но рассчитывать нормы вегетационных поливов по разности между значением влажности почвы на ветви увлажнения гистерезисной ОГХ, которое соответствует капиллярному давлению влаги при НВ, и значением предпо-ливной влажности почвы. Однако в практических условиях указанные зна-че ния влаж нос ти почвы на ветви увлаж не ния ОГХ не всегда дос туп ны, и по э тому нормы поли ва рас счи ты ва ют ся по раз нос ти НВ - ВРК или по разнос ти НВ и пред полив ной влаж нос ти почвы. Оче вид но, что та кая практика не может не приводить к образованию избытка свободной гравитационной воды. По этой же причине отмеченное выше увеличение поливной нормы, с одной стороны, позволяет достичь большего эффективного запаса продуктивной влаги, с другой стороны — сопряжено с еще большим избытком свободной гравитационной воды.
Предот вра ще ние это го не гатив но го про цес са и ми ни ми за ция не про изводи тель но го расхода полив ной воды пред став ля ют ся впол не реали зуе мы-ми при наличии достоверных данных относительно гистерезисной ОГХ. Однако для получения таких данных необходимо провести достаточно трудоемкие почвенно-гидрофизические измерения, причем при большом количестве вариантов иссушения — увлажнения. В качестве альтернативы трудоемким измерениям в данной статье предлагается использовать адек-ват ную модель гис те ре зи са водоудер жи ва ю щей спо соб нос ти почвы с физически интерпретированными параметрами, которые могут быть идентифицированы по ограниченному набору опытных данных (например, по АГСП и ветви увлажнения гистерезисной ОГХ).
Модель гистерезиса водоудерживающей способности почвы
В рамках физических представ
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.