Почвоведение, 2019, № 2, стр. 204-211

ВВЕДЕНИЕ

Задача моделирования водного режима агрочерноземов возникла в результате анализа полевых данных, полученных на экспериментальных участках Воронежской опытной станции – филиала ВНИИ кукурузы. Поля станции расположены на выровненном микротопографически однородном водораздельном участке с уклоном поверхности около 0°. Почвы станции начали распахивать 250–300 лет тому назад; с 1966 г., то есть в течение последних 50 лет, на интересующих нас соседних полях поддерживается бессменный черный пар и выращивается кукуруза в виде монокультуры [11]. На этих двух полях были заложены разрезы на расстоянии около 5 м друг от друга. В разрезе под кукурузой карбонаты были обнаружены начиная с глубины 140–160 см, под черным паром – с глубины 70–80 см [15].

Постепенный подъем карбонатов на участке под черным паром может быть связан с восходящими потоками влаги, существенно превосходящими восходящие потоки под кукурузой. О различии водного режима черноземов под целинной растительностью, под сельскохозяйственными культурами и под черным паром писали многие авторы.

В монографии Большакова [4] проанализирован водный режим мощных целинных черноземов на территории Центрально-черноземного заповедника и его изменение под влиянием обработки почвы. Показано, что благодаря менее развитой корневой системе культурных растений по сравнению с растительностью целинной степи в пахотных почвах уменьшаются расходы влаги на десукцию растениями, а в период парования пахотных почв расход бывает еще меньшим.

Исследования Коковиной [5] подтвердили, что в период расхода влаги степень иссушения почвенного профиля определяется растительностью, продолжительностью ее вегетационного периода и глубиной распространения корней, а после уборки осеннее парование почвы способствует накоплению влаги. По результатам исследований 1964–1968 гг., изменение влажности почвы под кукурузой происходило в основном в двухметровой почвенной толще. В засушливые годы слой иссушения почвы до влажности ниже влажности разрыва капилляров имел мощность 140 см. В этом слое расход влаги мог происходить только за счет корневого водопотребления без сколько-либо заметного передвижения влаги к поверхности. Напротив, под черным паром в жарком 1966 г. расход влаги на испарение с поверхности почвы происходил из толщи почвы не менее 2 м, что обеспечивалось большей влажностью почвы и передвижением подвижной влаги вверх против градиента потенциала почвенной влаги.

Влияние режима влажности черноземов и интенсивности восходящих токов карбонатных растворов на формирование карбонатного профиля подробно обсуждается в трудах Афанасьевой [2, 3]. В работе [2] на основе анализа большого количества полевых данных сделан вывод о том, что солевой профиль черноземов тесно связан с их водным режимом и даже позволяет судить о типе водного режима без проведения непосредственных наблюдений. В работе [3] отмечается, что в корнеобитаемом слое в летнее время восходящие токи растворов почти не выражены, поскольку основной перенос почвенной влаги из глубины профиля к поверхности почвы происходит по корням растений.

Помимо переноса растворенных веществ вместе с потоками влаги, еще один механизм перемещения карбонатов в профиле связан с диффузионным перемещением последних по обводненным порам [17]. Диффузионный перенос растворенных веществ в почвенном профиле возрастает с увеличением влажности почвы в силу увеличения общего сечения обводненных пор [12, 14]. Поэтому в более влажной почве под черным паром скорость диффузионного перемещения карбонатов должна увеличиваться, так же как и интенсивность их конвективного переноса непосредственно потоками влаги.

Подробный обзор современных представлений о биотических и абиотических факторах, контролирующих формирование и локализацию педогенных карбонатов в почвенном профиле, приведен в работе [20]. В обзоре подчеркивается роль климата, в первую очередь осадков и режима влажности почвы, роль гранулометрического состава и структуры почвы, определяющих водоудерживающую способность почв и движение влаги в почве, роль растительности, и особенно – глубины распространения корней в почвенном профиле.

В работах [2–5] приводятся многочисленные примеры расхождений между влажностью почв под различной растительностью и на парующих участках. В целом показано, что в летний период содержание влаги в почве уменьшается с увеличением количества корней. Наименьшие запасы влаги в верхнем метровом слое характерны для черноземов под целинной степной растительностью с многоярусной корневой системой, черноземы под сельскохозяйственными культурами с одноярусной корневой системой обладают средними запасами влаги, и наиболее влажными оказываются черноземы под черным паром, в профиле которых корневое водопотребление отсутствует. Наши данные подтверждают эту закономерность. В табл. 1 приведены результаты измерений влажности черноземов 16–17 июля 2013 г. на участке “Ямская степь” заповедника “Белогорье” (Белгородская область, 37°39′ E, 51°11′ N) и на примыкающей к заповедному участку пашне, которая в течение вегетационного сезона 2013 г. находилась под черным паром. Расстояние между разрезами под косимой заповедной степью и парующей пашней составляло 10–12 м; оба разреза были расположены в одинаковых литолого-геоморфологических условиях. В 2013 г. май и июнь были дождливыми: по данным ближайшей к Ямской степи станции “Богородицкое–Фенино”, в мае выпало 158.6 мм осадков, в июне – 198.1 мм [9]. В первой половине июля количество осадков было близко к многолетней норме: сумма осадков с 1 по 15 июля составила 42.8 мм [9], и, по-видимому, расходование ранее накопленной в почвах влаги заведомо превосходило ее поступление с осадками. В этих условиях влажность почвы под косимой степью была существенно меньше влажности почвы под черным паром на всех исследованных глубинах.

Таким образом, прямые измерения влажности черноземов различного гранулометрического состава под целинной растительностью, различными культурами и черным паром позволили установить общие закономерности водного режима черноземов, рассмотренные выше. К сожалению, организовать подробные режимные наблюдения за динамикой влажности почв на интересующих нас экспериментальных участках Воронежской опытной станции не представляется возможным в первую очередь в силу нежелательности неизбежного воздействия на объект исследований при многократном отборе образцов в течение вегетационного сезона. Поэтому мы решили использовать метод имитационного математического моделирования, позволяющий восстанавливать водный режим почв по данным об их физических свойствах, уровне грунтовых вод, наличии или отсутствии растительности на поверхности почвы и динамике погодных условий [18, 19].

Несомненным преимуществом метода имитационного моделирования является получение расчетных оценок влажности почв и интенсивности вертикальных потоков влаги практически для любой точки почвенного профиля и любого момента времени на протяжении всего расчетного периода. Возможность непрерывно отслеживать во времени динамический отклик водного режима почв на изменения погодных условий, в том числе на ливни и засухи, позволяет анализировать действие различных факторов и в значительной мере компенсирует неточность расчетной оценки влажности почвы.

Насколько сильно будут проявляться эффекты роста влажности и увеличения восходящих потоков в профиле почвы под черным паром зависит от гидрологических свойств почвы и погодных условий, в первую очередь от режима выпадения осадков. Поэтому была поставлена задача смоделировать водный режим почв на двух участках, используя входные данные по почвенным свойствам и метеорологическим условиям Воронежской опытной станции. Первые расчетные оценки расхождений в гидрологических режимах почв под черным паром и под монокультурой кукурузы были получены для сценарных погодных условий [1]. В модели использовались среднемноголетние климатические данные. Расчеты проводили для восьми сценариев выпадения осадков, включавших четыре варианта по количеству выпадающих осадков (полнормы, норма, две и три нормы) и два варианта распределения этих осадков во времени (выпадение всей месячной суммы за первые два дня месяца либо равномерное распределение месячной суммы между первым, одиннадцатым и двадцать первым днями месяца). Расчетные эксперименты с помощью свободно распространяемого программного продукта HYDRUS-1D [18] показали, что сценарные гидрологические режимы на двух участках существенно различались: под кукурузой почва была в целом более сухой, и восходящие потоки влаги во время периодов иссушения были существенно меньше [1].

Однако использованные сценарии имитировали заведомо искусственный и слишком равномерный режим погоды: в течение всех пяти расчетных месяцев количество выпадающих осадков было одинаковым образом либо увеличено, либо уменьшено по сравнению с многолетней нормой. Кроме того, распределение осадков внутри каждого месяца было однотипным для всего вегетационного сезона в каждом сценарии. Поэтому следующим нашим шагом стало моделирование гидрологического режима почв на двух участках с использованием срочных метеоданных для двух контрастных по обеспеченности осадками вегетационных сезонов. Целью работы было сопоставление расчетных гидрологических режимов агрочерноземов под черным паром и под кукурузой при естественном чередовании периодов увлажнения и иссушения.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ

Гидрологический режим агрочерноземов моделировали с помощью программного пакета HYDRUS-1D [18], имитируя условия опытных делянок Воронежской опытной станции (Хохольский район Воронежской области, 38°58′ Е, 51°36′ N). Описание площадок, физические и гидрологические свойства почв, основные уравнения, алгоритм расчетов потенциального испарения и потенциальной транспирации приведены в работе [1].

Расчеты проводили для вегетационных сезонов 2013 и 2014 гг. При моделировании использовали срочные данные о количестве осадков, температуре воздуха и парциальном давлении водяного пара на высоте 2 м, скорости ветра на высоте 10 м по ближайшей к опытному полю метеостанции “Воронеж, агро” за 2013 и 2014 гг. [9], а также среднемноголетние величины радиационного баланса по актинометрической станции “Нижнедевицк” [8]. Моделирование проводили для периода с мая по сентябрь с шагом 1 сут, осредняя срочные данные по температуре воздуха, парциальному давлению водяного пара и скорости ветра и суммируя поступившие за сутки осадки. Суточный интегральный поток тепла в почву полагали равным нулю в соответствии с рекомендациями ФАО [13]. Потенциальную эвапотранспирацию рассчитывали методом эталонной культуры [13]. Для участка под кукурузой потенциальную эвапотранспирацию разделяли на потенциальную транспирацию растений и потенциальное испарение с поверхности почвы, учитывая, что при отсутствии дефицита влаги доля испарения в общей эвапотранспирации засеянного кукурузой участка составляет 90% в мае, 65% в июне и 25% в июле–сентябре [16]. На нижней границе задавали условие свободного дренажа. Начальное распределение влажности в почвенном профиле задавали в соответствии со среднемноголетними данными о послойных запасах влаги в агрочерноземах весной [7].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Вегетационные сезоны 2013 и 2014 гг. были в целом несколько теплее климатической нормы. В 2013 г. май и июнь были на 4–5°С теплее многолетней нормы; показатели для июля, августа и сентября отклонялись от нормы не более чем на 2°С. В 2014 г. июнь и сентябрь были близки к норме; май, июль и август были теплее среднего на 2–4°С (табл. 2).

Сумма осадков за май–сентябрь была равна 427 мм в 2013 г. и 195 мм в 2014 г. при среднемноголетней сумме осадков за эти месяцы 284 мм. Распределение осадков в течение двух вегетационных сезонов тоже различалось. В 2013 г. сумма осадков в мае была на 19% меньше среднемноголетней, в июне – почти в два раза меньше среднемноголетней, а июль, август и сентябрь были на 19, 47 и 211% влажнее климатической нормы. В 2014 г. сумма осадков в мае составила 83% от многолетней нормы, в июне – 170% от нормы. Затем наступил экстремально сухой июль, в течение которого выпало лишь 2 мм осадков. Сумма осадков за август составила 81% от нормы; сентябрь тоже был экстремально сухим с количеством осадков менее 5 мм.

Суммарная потенциальная эвапотранспирация эталонной культуры за май–сентябрь, рассчитанная методом ФАО56 [13], составила 456 мм в 2013 г. и 481 мм в 2014 г. (табл. 3). Реальная эвапотранспирация, рассчитанная с учетом влажности почвы, была существенно меньше. И в 2013, и 2014 гг. рассчитанное актуальное испарение с поверхности почвы под черным паром было существенно больше, чем актуальное испарение с поверхности почвы под кукурузой. Суммы актуальных потоков через поверхность почвы за май–сентябрь под черным паром были отрицательными (направленными вниз) во влажном 2013 г. и положительными (направленными вверх) в сухом 2014 г. Суммы актуальных потоков через поверхность почвы за май–сентябрь под кукурузой были отрицательными и в 2013 г., и в 2014 г. (рис. 1).

Рис. 1.

Полученная при моделировании динамика потоков влаги через поверхность почвы, см/сут, под черным паром (Iа) и под кукурузой (IIа), динамика корневого водопотребления, см/сут, (IIIа), нарастающие суммы этих потоков, см, (I–III б), для мая–сентября 2013 и 2014 гг.

Однако разница между поступившей с осадками и физически испарившейся влагой на кукурузном поле с избытком компенсировалась транспирацией растений, которая в июле 2014 г. достигала почти 4.5 мм/сут. Суммарное корневое водопотребление за май–сентябрь составило 26 см в 2013 г. и почти 23 см в 2014 г., или около 61% от осадков во влажный год и около 117% от осадков в сухой год. В результате полученная при моделировании влажность почвы под кукурузой оказалась меньше, чем под черным паром.

На рис. 2 представлена сезонная динамика среднесуточной температуры воздуха, суточных сумм осадков и рассчитанной влажности почвы в слое 0–2 м под черным паром и под кукурузой в 2013 и 2014 гг. Начиная с июня влажность почвы под кукурузой была стабильно ниже, чем под черным паром, почти во всем профиле.

Рис. 2.

Среднесуточная температура воздуха (Т), суточные суммы осадков (Р) и рассчитанная влажность почвы (θ) под черным паром (I) и под кукурузой (II) в течение мая–сентября 2013 и 2014 гг.

Рассмотрим влажность почвы в верхнем слое 0–70 см, который не содержит карбонатов ни на участке под монокультурой кукурузы, ни под бессменным черным паром. В этом слое влажность почвы существенно менялась в течение расчетного периода, особенно сильно увеличиваясь после обильных осадков в сентябре 2013 г. К концу сентября до влажности 0.34 см³/см³, соответствующей наименьшей влагоемкости (НВ) чернозема на делянке под монокультурой кукурузы [6], под кукурузой промачивался слой 0–75 см, под многолетним паром – слой 0–110 см. В течение летних месяцев 2013 г. влажность почвы в слое 0–70 см на разных глубинах менялась от 0.10 до 0.27 см³/см³ под паром и от 0.08 до 0.26 см³/см³ под кукурузой. В 2014 г. соответствующие диапазоны влажности составили 0.08–0.28 и 0.08–0.27 см³/см³. Таким образом, влажность почвы в слое 0–70 см на обеих делянках практически никогда в течение лета не превышала влажности разрыва капиллярной связи (ВРК), которая для исследованных почв меняется от 0.25 см³/см³ в слое 0–30 см до 0.27 см³/см³ в слое 50–100 см [6]. Это значит, что влага в почве была малоподвижной и либо весьма труднодоступной для растений, либо в целом труднодоступной по классификации Роде [10]. При формально сходных диапазонах изменения влажности на двух участках сезонное иссушение профиля было более ярко выражено в почве под кукурузой и захватывало более мощный слой. Например, в августе 2014 г. полученная при расчетах влажность почвы под кукурузой во всем слое 0–70 см не превышала влажности завядания (ВЗ), которая составляет от 0.16 до 0.19 см³/см³ [6], а под паром влажность почвы на глубинах 50–70 см стабильно держалась на уровне ВРК. Запас влаги в слое 0–70 см к концу августа 2013 г. составлял 9.3 см под паром и 8.6 см под кукурузой, к концу августа 2014 г. – 8.8 см под паром и лишь 7.1 см под кукурузой.

В контексте поставленной задачи для нас более интересен слой 70–140 см, в котором под монокультурой кукурузы карбонаты отсутствуют, а под бессменным черным паром содержание углерода карбонатов достигает около 120 т/га [15]. В слое 70–140 см полученная при моделировании влажность почвы под черным паром была стабильной, не ниже 0.26 см³/см³, приближаясь к ВРК, при которой подвижность почвенной влаги скачкообразно меняется. Под кукурузой влажность почвы в слое 70–100 см к началу августа снижалась до 0.17 см³/см³, что соответствует ВЗ. Таким образом, под кукурузой влажность почвы в процессе летнего иссушения опускалась до нижней границы интервала ВЗ–ВРК, а под паром – стабильно почти достигала верхней границы этого интервала.

Наиболее сухие слои с наименьшей влагопроводностью почвы формировались на глубинах 70–120 см. Наибольшие расхождения во влажности почвы между участками наблюдались в конце вегетационных сезонов после длительных периодов без осадков. К концу августа 2013 г. наибольшая разница во влажности почв между участками была получена для глубины 92 см и составила 0.10 см³/см³; к концу сентября 2014 г. – для глубины 82 см и составила 0.09 см³/см³. Этим расхождениям во влажности соответствовали значительные, более чем на два порядка, расхождения в коэффициентах влагопроводности почвы на двух участках. В конце сентября 2014 г. на глубине 82 см коэффициент влагопроводности был равен 2.7 × 10^–3 см/сут под черным паром и лишь 9.8 × 10^–6 см/сут под кукурузой. Полученные расхождения в коэффициентах влагопроводности отвечают за большую интенсивность конвективного переноса карбонатов с восходящими потоками влаги под черным паром. Кроме того, можно предположить, что и диффузионный перенос карбонатов является более интенсивным в более влажной почве, то есть в почве под черным паром.

Полученные при моделировании отрицательные (направленные вниз) потоки влаги после выпадения осадков были чуть больше в почве под кукурузой, скорее всего из-за меньшего испарения с поверхности почвы. Положительные (направленные вверх) потоки в почве под черным паром существенно превосходили соответствующие потоки под кукурузой и были получены для более мощного слоя почвы. Уменьшение восходящих потоков влаги под кукурузой объясняется перехватом корнями растений поступившей с осадками воды, которая возвращается обратно в атмосферу преимущественно через корневую систему, а не по почвенным порам. В почве под черным паром влага движется исключительно через почву; в итоге восходящие потоки влаги превосходят аналогичные потоки под кукурузой. Например, в конце сухого июля 2014 г. полученные при моделировании восходящие потоки влаги на глубине 50 см составили 0.58 см/мес. под черным паром и лишь 0.01 см/мес. под кукурузой. Эти результаты также подтверждают представления о том, что расхождения в гидрологии почв на двух участках благоприятствуют подъему карбонатов в профиле под черным паром.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Моделирование с использованием срочных метеоданных подтвердило, что под “вечным” черным паром и под кукурузой гидрологический режим исследованных черноземов существенно различается. При одинаковых погодных условиях влажность почвы и коэффициент влагопроводности почвы под паром увеличиваются по сравнению с участком под кукурузой. При естественном чередовании периодов увлажнения и иссушения наибольшие расхождения в гидрологических режимах почв под черным паром и под кукурузой наблюдаются после длительных периодов без осадков. Можно предположить, что именно длительные периоды без осадков играют ключевую роль в более существенном подъеме карбонатов в почвенном профиле на участке под черным паром.

Благодарность. Авторы выражают признательность РФФИ (проекты № 16-05-00669 и 16-04-01851) за поддержку работы.