Почвоведение, 2019, № 2, стр. 212-219

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время требования практики земледелия, мелиорации, ландшафтного земледелия, а также различных типов землепользования неизбежно приводят к вопросам оптимизации водного режима почв. Прежде чем решать задачи регулирования водного режима почв необходимо представить его нынешнее состояние и суметь рассчитать (прогнозировать) условия и способы его оптимизации для конкретных почвенных условий агроландшафтов. До настоящего времени основными гидрологическими параметрами, позволяющими оценить почвенные гидрологические условия, были почвенные гидрологические константы: наименьшая (или предельно полевая, или просто полевая) влагоемкость, влажность завядания, а также полная влагоемкость (водовместимость) и коэффициент фильтрации. К сожалению, использование указанных гидрологических свойств почв нередко ограничено при управлении водным режимом в связи с трудоемким и нередко малообоснованным (особенно в гидроморфных и слоистых почвах) их экспериментальным определением; постоянным экспериментальным слежении за динамикой влажности; условиями одновременного контроля за поступлениями и расходами влаги на верхней (осадки, испарение, транспирация и др.) и нижней границах (притоки/отток влаги, наличие и глубина грунтовых вод). В последнее время для прогнозной оценки водного режима, его оптимизации при различном количестве обеспеченности осадков, в поливном земледелии, при расчетах режима орошения сельскохозяйственных культур с разным водопотреблением, а также сопутствующего движению влаги переносу веществ и энергии все больше применяется физически обоснованный подход. Прежде всего, вследствие определенной прогнозной ограниченности, а также из-за трудозатратности определения указанных гидрологических констант, современная гидрология пошла по пути физически обоснованного математического моделирования [7, 13, 16, 17, 19–21, 27]. Практическое использование и необходимость управления водным режимом почв для получения устойчивых урожаев приводят к количественному изучению и расчетным методам оптимизации водного режима. В основе этого подхода центральное место в почвенных характеристиках принадлежит водоудерживающей и водопроводящей функциям почв, то есть основной гидрофизической характеристике (ОГХ) и функции влагопроводности. Обе функции позволяют рассчитывать водный режим при различных условиях на верхней и нижней границах почв, и в дальнейшем оценивать его в отношении целевой оптимальности (для орошения, дренажа, смены сельскохозяйственных культур и др.). Следовательно, современная гидрологическая оценка почв, включая почвенный покров регионов, должна основываться на количественном определении и последующем использовании ОГХ и влагопроводности. Проблема при гидрофизической количественной оценке региональных почв распадается на ряд задач: 1) выделить основные почвы региона, для которых необходима целенаправленная гидрологическая оценка, прежде всего, почвы, активно используемые в земледелии: 2) определить ОГХ и влагопроводность для основных гидрологических горизонтов (слоев) почвенной зоны активного водообмена (или зоны аэрации) до глубины не менее 1–1.5 м; 3) получить гидрофизические параметры почв, которые в перспективе будут использоваться в качестве информации об основных почвах региона.

Последняя задача очень важна, так как известно, что генетическое различие почв, как правило, не проявляется в форме их ОГХ, а существенное влияние оказывают базовые физические свойства, такие как гранулометрический состав, плотность почв, содержание органического вещества и др. Именно это положение лежит в основе создающихся национальных банков почвенно-гидрофизической информации [2, 3, 25]. Этим объясняются схожие закономерности изменчивости водно-физических свойств почв с глубиной при однородном гранулометрическом составе, что позволяет ожидать и соответствующих относительно незначительных вариаций параметров ОГХ для почв, близких по гранулометрическому составу [4, 26]. В связи с этим, для решения проблемы количественного распределения гидрофизических свойств почв Алтайского края исходили из нескольких принципов: 1) разделения почвенного покрова на основе зональных принципов с учетом гранулометрического состава основных почвенных представителей, 2) информация о гидрофизических функциях основных зональных типов почв должна быть информативно сжатой, свернутой, то есть доведена до вида ее использования при составлении баз данных и дальнейшего практического применения. Последняя задача может быть решена благодаря использованию параметрических подходов описания и хранения информации о почвенных функциях, в частности, используя уравнения ван Генухтена и Муалема [21, 27]. Эта модель наиболее часто применяется для аппроксимации ОГХ, а в нынешнее время заняла лидирующее место при расчетных процедурах по оценке и прогнозу водного режима почв, расчетах режимов орошения, моделях расчета экологического риска [14, 15, 18, 22, 23]. С другой стороны, такой параметрический подход дает возможность разрабатывать и использовать педотрансферные функции, позволяющие по известным традиционно определяемым базовым свойствам (гранулометрический состав, плотность, содержание органического вещества и др.) восстанавливать основные гидрофизические параметры, что будет являться необходимым и востребованным элементом в ближайшее время при интенсивном развитии агротехнологий в Алтайском крае.

Цель работы – исследование зональных закономерностей гидрофизических свойств почв Алтайского края. Задачи исследования: 1) изучить основные физические свойства почв Алтайского края, определяющие водный и другие режимы в системе их генетических горизонтов; 2) исследовать основные гидрофизические функции почв Алтайского региона; 3) провести характеристику созданной базы количественных гидрологических параметров основных почв Алтайского региона на основе их зонального распространения, с перспективой ее использования в интенсивном сельскохозяйственном производстве.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования являлись почвы территории Алтайского края, рельеф которого представлен равнинными территориями и предгорьями Алтая. Общая дифференциация почвенного покрова определяется климатическими условиями, несмотря на однотипность происхождения и относительную литолого-химическую однородность почвообразующих пород – лёссовидных суглинков.

Для исследования физических и гидрофизических свойств почв в лабораторных условиях использовали образцы, отобранные стандартным способом из генетических горизонтов типичных почвенных разрезов, заложенных в четырех почвенно-климатических зонах Алтайского края и характеризующих следующие типы почв различного гранулометрического состава от супесчаного до тяжелосуглинистого (образцы отбирали в 2015–2016 гг.): каштановые, черноземы южные, черноземы обыкновенные, черноземы выщелоченные (табл. 1).

Для гранулометрического состава, плотности почв, морфологических характеристик использовали традиционные и некоторые современные методы [1, 11].

В пределах предалтайских равнин общая пространственная закономерность гранулометрического состава заключается в уменьшении содержания песчаной фракции и увеличении доли пыли и ила по мере продвижения от зоны сухой степи к предгорьям Алтая, что отмечено ранее [5, 8–10, 12]. Дифференциация профиля по тонкодисперсным фракциям возрастает от супеси к глинам легким, а в пределах разновидности от каштановых почв к черноземам. Исключение составляют черноземы обыкновенные (Haplic Chernozems (Loamic)) среднесуглинистые колочной степи, где тонкодисперсная фракция распределена равномерно по профилю. Степень неоднородности фракции увеличивается при переходе от зоны от супесчаных почв сухой степи к тяжелосуглинистым почвам предгорий Алтая.

Каштановые почвы (Cambisols) на территории Алтайского края в основном имеют супесчаный и легкосуглинистый гранулометрический состав, но встречаются и среднесуглинистые разновидности. Супесчаные почвы распространены на склонах боровых террас и приборовой полосе, а также на западной окраине Кулундинской степи. В составе каштановых почв фракции песка (50–1000 мкм) являются преобладающими, при этом их содержание достигает 80–85% в супесчаных, 50–60% легкосуглинистых и 30–40% среднесуглинистых почвах. В супесчаных почвах содержится до 10% илистых частиц, в легкосуглинистых 15–20%, в среднесуглинистых их доля увеличивается до 20–30%. Верхние горизонты каштановых почв, в которых активно протекают процессы почвообразования, обогащены глинистой фракцией, однако поверхностный слой (гор. А пах), как правило, содержит меньше глины, что связано с выдуванием иловатых и пылеватых частиц в процессе дефляции [9]. Иллювиальный горизонт практически не выделяется по гранулометрическому составу. Илистая фракция каштановых почв представлена в основном гидрослюдами и монтмориллонитом. В составе более крупных частиц преобладает кварц (более 35%) и полевые шпаты (до 30%) [10]. Микроагрегированность легких каштановых почв на фоне низкого содержания органо-минеральных коллоидов слабо выражена. Удельная поверхность каштановых почв по нашим данным (метод десорбции паров воды) составляет 3–30 м²/г. При этом каштановые почвы, особенно в верхнем гумусовом слое, имеют высокую общую пористость (50–60%), но в лугово-каштановых почвах ее величина снижается до 40%.

Гранулометрический состав черноземов Алтайского края легко- и среднесуглинистый, за исключением черноземов южных, обыкновенных и выщелоченных, приуроченных к дельтам ложбин древнего стока Приобского плато и зоне перехода Бие-Чумышского плато к долине р. Обь, имеющих гранулометрический состав от песчаного до легкосуглинистого. Пахотный слой черноземов предгорий Алтая представлен тяжелыми суглинками и легкими глинами. В исследованных черноземах фракция крупной пыли является преобладающей, при этом количество илистых частиц значительно (от 15 до 25%). Песчаная фракция может содержаться в некоторых профилях черноземов (особенно легкосуглинистых), в пахотном слое ее величина может достигать 30%, а в нижележащих слоях – 40%.

Плотность пахотного слоя профиля супесчаных каштановых почв составляет 1.5 г/см³, что говорит о его повышенной уплотненности. Легко- и среднесуглинистые почвы имеют меньшую плотность. Как правило, с глубиной плотность увеличивается, достигая в почвообразующей породе 1.5–1.7 г/см³. При этом каштановые почвы, особенно в верхнем гумусовом слое, имеют высокую общую пористость (50–60%), но в лугово-каштановых почвах ее величина снижается до 40%. Плотность сложения черноземов умеренно-засушливой и колочной степи изменяется от 1.1 до 1.5 г/см³ в метровой толще. Пористость в верхних горизонтах превышает 50%, снижаясь при переходе к более уплотненным нижним горизонтам. Наименьшая плотность сложения пахотного горизонта (около 1 г/см³) отмечена в тяжелосуглинистых черноземах предгорий.

Для изучения ОГХ применяли капилляриметрический метод в лабораторных условиях [11]. Полученные экспериментальные ОГХ нарушенных образцов (кривые водоудерживания в режиме иссушения) для основных диагностических горизонтов почв Алтайского края были сгруппированы по разновидностям от супесчаной до тяжелосуглинистой, аппроксимированы функцией модели ОГХ ван Генухтена в программном пакете RETC [24, 26]. Процедуру аппроксимации проводили для ОГХ отдельных образцов с последующей их группировкой и получения средних величин M_i соответствующих параметров с расчетом среднеквадратичного отклонения ${{\delta }_{i}}$ и коэффициента вариации V_i (табл. 2). При этом во внимание принимали различие водоудерживающей способности нарушенных и ненарушенных образцов в области высоких влажностей ОГХ, которое не учитывается при регулировании водного режима почв, так как данный участок кривой водоудерживания соответствует гравитационной влаге, при которой растения испытывают недостаток воздуха.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Как указывалось выше, водоудерживание почв в первую очередь связано с их гранулометрическим составом. Поэтому оно увеличивается при переходе от зоны супесчаных почв сухой степи к тяжелосуглинистым почвам предгорий Алтая. Найденные параметры: полного влагонасыщения θ_s; остаточной влажности θ_r; α, обратный величине давления барботирования и n, характеризующий распределение пор по размерам использованы при сравнительном анализе свойств почв. Из табл. 2 видно, что параметр θ_r закономерно увеличивается при переходе от каштановых почв сухой степи к черноземам предгорий Алтая, что связано с увеличением содержания гумуса и содержания илистой фракции. Характер поведения кривых профильного распределения параметра θ_r различен для зональных почв и в основном соответствует распределению гранулометрических фракций, органического вещества и илистой фракции. Для черноземов южных засушливой степи характерен недифференцированный тип распределения данной величины, а для каштановых почв сухой степи и легкоглинистых черноземов предгорий Алтая параметр θ_r дифференцирован по профилю. Потеря гумуса и тонкодисперсного материала в пахотном горизонте в результате эрозионных процессов приводит к более низким значениям данной величины в нем по сравнению с иллювиальным горизонтом. Эта особенность также была отмечена ранее [6, 10] для величины максимальной гигроскопичности при дефляции каштановых почв. Наибольшие значения θ_r черноземов обыкновенных среднесуглинистых колочной степи и тяжелосуглинистых предгорий Алтая характерны для пахотного горизонта и соответствуют типу распределения органического вещества

Параметр θ_s также увеличивается, хотя характер его изменения не так выражен, как изменение параметра θ_r, а его распределение по профилю каштановых почв, черноземов обыкновенных среднесуглинистых колочной степи, а также тяжелосуглинистых и легкоглинистых луговой степи предгорий и низкогорий Алтая выражено в более высоких значениях данного параметра в пахотном горизонте по сравнению с остальными. В верхнем горизонте черноземов южных величина θ_s меньше, чем в нижележащих слоях, что, вероятно, связано с уплотнением пахотного горизонта и снижением величины общей пористости.

Увеличение параметра α происходит при переходе от черноземов предгорий Алтая к каштановым почвам сухой степи. Определение данного гидрофизического параметра особенно важно при изучении формирования водно-воздушных условий в почвах при их вероятном переувлажнении. При этом пахотные и подпахотные горизонты средне- и тяжелосуглинистых почв отличаются более низкими значениями этого параметра по сравнению с нижележащими горизонтами, что также объясняется значительным содержанием гумуса. Содержание гумуса в легкоглинистых почвах незначительно превышает значения в тяжелосуглинистых, поэтому характер распределения величины давления барботирования по горизонтам в целом похож изменение этого параметра в тяжелосуглинистых почвах. Однако глинистые почвы встречаются в основном в зоне луговой степи предгорий и низкогорий Алтая. В связи с этим в выборке присутствовали почвенные образцы легкоглинистого гранулометрического состава преимущественно из этой зоны; уменьшенное значение давления барботирования может свидетельствовать о физической деградации данных почв. Параметр α каштановых супесчаных почв сухой степи, черноземов обыкновенных среднесуглинистых колочной степи и черноземов выщелоченных тяжелосуглинистых предгорий Алтая имеет меньшие значения в пахотном горизонте, а для черноземов южных легкосуглинистых засушливой степи характерен недифференцированный тип распределения.

Параметр n максимален для супесчаных почв и закономерно уменьшается при увеличении содержания тонкодисперсных фракций, что объясняется увеличением угла наклона капиллярной области ОГХ. По параметру n все почвы имеют недифференцированный тип распределения за исключением супесчаных, что говорит о том, что угол наклона ОГХ практически не изменяется по профилю.

Анализ гидрофизических параметров позволяет сделать вывод о том, что характеристика гранулометрического состава почв, унаследованного почвами от материнских пород региона, оказывает наибольшее значение на гидрофизические параметры исследованных почв. В связи с этим, задача гидрофизического районирования, гидрологического прогнозного моделирования почвенных условий Алтайского края связана с подробным исследованием гранулометрического состава почв, прежде всего, почв сельскохозяйственных угодий для разработки режимов орошения и рационального природообустройства.

Отметим, что наибольший коэффициент вариации имеет параметр θ_r. Однако при расчетах водного режима он не оказывает существенного значения на результат прогнозного расчета, и в некоторых случаях им можно даже пренебречь. Напротив, параметры θ_s, α и n, наиболее чувствительные в модели расчета влагопереноса, варьируют в пределах выделенных почв при экспериментальных повторностях незначительно, в редких случаях коэффициент вариации достигает величин, больших 10%. Это низкая вариабельность обусловлена экспериментальными погрешностями и практически не связана с природным пространственным варьированием указанных параметров. Оценка природного варьирования – отдельная весьма сложная и затратная задача.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОГХ основных почв Алтая определяется не только зональными особенностями эволюции почв, но и физическими свойствами почв: гранулометрическим составом, плотностью, а также содержанием органического вещества, что может являться обоснованием для использования педотрансферных функций при гидрологических исследованиях и использовании гидрофизических параметров для расчетов водного режима почв. Гидрофизические параметры в почвах Алтая имеют недифференцированный тип распределения по профилю, либо распределены по характерным для зональных особенностей почвообразовательного процесса типам. Увеличение параметра, обратного величине давления барботирования, происходит при переходе от черноземов предгорий Алтая к каштановым почвам сухой степи. Определение данного гидрофизического параметра особенно важно при изучении формирования водно-воздушных условий в почвах в поливных условиях, при их вероятном переувлажнении. Параметр n, характеризующий крутизну ОГХ, максимален для почв зоны сухой степи и уменьшается для почв засушливой степи, колочной степи, лесостепи и предгорий Алтая. Приведенные основные гидрофизические параметры могут быть использованы при разработке режимов орошения для основных почв и сельскохозяйственных культур региона.

Благодарность. Работа осуществлена при частичной финансовой поддержке РФФИ (проекты № 16-04-01624, 16-04-01851, 16-04-00949).