Влияние водопроницаемости иллювиального горизонта на водный режим дрениру е мых дерново-подзолистых почв
ФГОУ ВПО
Московский государственный университет природообустройства
На правах
рукописи
Корнеев Илья Викторович
Влияние водопроницаемости
иллювиального горизонта на водный режим
дренируемых дерново-подзолистых почв
Специальность 06.01.02 – мелиорация, рекультивация и охрана земель
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание степени
кандидата технических наук
Москва 2007
Работа выполнена на кафедре мелиорации и рекультивации земель
Московского государственного университета природообустройства
Научный руководитель:
Заслуженный деятель науки РФ,
доктор технических наук, профессор
Голованов Александр Иванович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Манукьян Давид Ашикович
кандидат биологических наук
Шваров Александр Петрович
Ведущая организация:
Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН
Защита состоится 15 мая 2007 г. в 15 часов в ауд. 201/1 на заседании совета Д.220.045.01 при Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, тел./факс:
8 (495) 976-10-46
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета природообустройства
Автореферат разослан 13 апреля 2007 г.
Ученый секретарь совета
к.т.н., профессор Сурикова Т.И.
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Нечерноземная зона России, занимающая площадь более 250 млн. га, является важным в сельскохозяйственном отношении регионом, в котором к 1980 г. мелиоративный фонд составлял 10,8 млн. га. Подъем и интенсификация сельского хозяйства в этом регионе требуют применения комплексных мелиораций, что вызвано особенностями умеренно континентального климата (в котором возможны как влажные, так и засушливые годы), а также широким распространением тяжелых переувлажненных почв.
Проф. А.И. Голованов применительно к землям сельскохозяйственного назначения сформулировал цель мелиорации, которая заключается в расширенном воспроизводстве плодородия почвы, получении оптимального урожая определенных сельскохозяйственных культур при экономном расходовании всех ресурсов, недопущении или компенсации ущерба природным системам и другим землепользователям (Основы природообустройства, 2001). Однако цели мелиорации земель могут быть достигнуты только при выполнении набора требований к управляемым факторам почвообразования, роста растений и воздействия на окружающую среду, которые должна обеспечивать система мелиоративных мероприятий. Этот набор требований А.И. Голованов и И.П. Айдаров назвали мелиоративным режимом. Мелиоративный режим земель в гумидной зоне должен предотвращать вторичное заболачивание территорий, усиливать аэрацию почв для активизации корневой деятельности и развития в почвах окислительных процессов, ослаблять промывной режим.
При сочетании подзолистого, глеевого и дернового процессов в гумидной зоне формируются недостаточно плодородные в естественном состоянии, но отзывчивые на мелиоративные воздействия почвы. Одна из особенностей таких почв – наличие сложно устроенного тяжелого суглинистого иллювиального горизонта, который часто образуется на мореных отложениях. Его пронизывают трещины, корневые ходы и червороины, обуславливающие особенности влагопереноса, которые влияют на почвообразование, водный режим и плодородие таких почв. Иллювиальный горизонт выполняет функцию локального водоупора, активно управляющего потоками влаги в почве. Низкая водопроницаемость вызывает застой влаги в корнеобитаемом слое, что меняет направленность почвообразовательного процесса и может иметь как позитивное (снижает промываемость и потери гумуса), так и негативное значение для роста и развития сельскохозяйственных растений (вызывает образование верховодки и подтопление корневой системы).
Цель работы: оценить влияние водопроницаемости сложно устроенного иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв на водный режим дренируемых земель и дать рекомендации по управлению им.
Задачи исследований:
- Выявить особенности строения трещиноватого макропористого иллювиального горизонта и его водопроницаемости.
- Изучить особенности формирования водопроницаемости дерново-подзолистых почв на моренных отложениях Московской области и ее влияние на водный режим земель.
- Разработать и оценить способы определения водопроницаемости почв.
- Изучить особенности восстановления водопроницаемости иллювиального горизонта, поврежденного при антропогенной деятельности.
- Оценить возможность образования верховодки на иллювиальном горизонте.
- Дать рекомендации по оптимизации водопроницаемости иллювиального горизонта для управления водным режимом дренируемых земель.
Работа выполнена на кафедре мелиорации и рекультивации земель Московского государственного университета природообустройства, эксперименты выполнены автором на стационаре кафедры «Дубна» (дер. Селково, Сергиево-Посадский район Московской области) в 2003 – 2006 годах.
Научная новизна
- Для иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв выявлено два вида водопроницаемости и предложено определять два различных коэффициента фильтрации: матричный при безнапорном впитывании и эффективный при напорном.
- Предложен способ определения водопроницаемости напорным впитыванием при переменном уровне воды из инфильтрометра с одиночным кольцом.
- Впервые предложен экспресс-метод определения дождеванием водопроницаемости моренного иллювиального горизонта при безнапорном впитывании.
- Разработана и апробирована модель влагопереноса для описания экспериментов по определению водопроницаемости почв.
- Расширены представления о пространственной вариации водопроницаемости иллювиальных горизонтов дерново-подзолистых почв на морене.
- Получены данные о восстановлении нарушенного иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв.
Практическая значимость работы
- Предложена комплексная методика оценки водопроницаемости дерново-подзолистых почв при напорном и безнапорном впитывании, позволяющая выявить величины эффективного и матричного коэффициентов фильтрации.
- Предложена процедура расчета верховодки при обильных дождях.
- Даны рекомендации по управлению водопроницаемостью иллювиального горизонта для оптимизации водного режима земель.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены автором на Юбилейной конференции «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям», посвященной 75-тилетию Почвенного института им. В.В. Докучаева (Москва, 2002), Всероссийской конференции молодых ученых аграрных вузов «Инновации молодых ученых – сельскому хозяйству» (Москва, 2006), Международных конференциях МГУП «Природообустройство и рациональное природопользование – необходимые условия социально-экономического развития России» в 2005 и «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем» 2006 годах, 2-й и 3-й Всероссийских конференциях молодых ученых «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации» (Коломна, ФГНУ ВНИИ «Радуга», 2005 и 2006), семинаре Департамента обустройства земель и водных объектов Сельскохозяйственного университета штата Пенджаб (Индия) в 2007 году. По результатам исследований подготовлено и опубликовано 5 статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения; изложена на 131 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 24 рисунка. Список использованной литературы включает 109 наименований, в том числе 12 иностранной.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой мелиорации и рекультивации земель МГУП, Заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., проф. А.И. Голованову; начальнику стационара «Дубна» Ю.М. Зыкову и его сотрудникам за помощь в организации экспериментов; преподавателям и аспирантам кафедры мелиорации и рекультивации земель МГУП за обсуждение работы и советы.
Содержание работы
Глава 1. Природные условия северо-запада Московской области
На основе обобщения опубликованных материалов анализируется геологическое строение области, климат региона, дается ландшафтная характеристика района исследований, описание водного режима дерново-подзолистых почв элювиальных фаций, обсуждаются сведения о водопроницаемости этих почв и их иллювиальных горизонтов, приводятся данные о почвах на участке исследований.
Район проведения экспериментов расположен к северо-западу от деревни Селково на территории с отметкой 200 м, приурочен к Дубнинскому ландшафту 6(13) (Ландшафты Московской области…, 1997) с отметками 200…250 м, представленному местностью (34) моренных равнин. Доминантные урочища – моренные холмы с плоскими вершинами и покатыми склонами, высотой 10…20 м. С поверхности сложены покровными суглинками мощностью 1,5…2,0 м, переходящими в нижней части в водноледниковые суглинки мощностью 1,3…2,0 м, которые подстилаются красно-бурой мореной. Почвы дерново-средне- и дерново-сильноподзолистые поверхностно-слабоглееватые. На старопахотных участках отмечается слабая окультуренность почв.
Профиль, который формируется при сочетании и чередовании подзолистого и дернового процесса в условиях промывного и застойно-промывного водного режима, состоит из двух четко дифференцированных по гранулометрическому составу, плотности, пористости зон. Первая зона включает в себя дерновый А0 и хорошо обособленный гумусный А1, а также подзолистый элювиальный А2 (вымытый) горизонты, они супесчаные, обладают высокой водопроницаемостью; вторая залегает ниже – это переходный языковатый горизонт А2– В, пронизанный затеками материала из верхних горизонтов в трещиноватый суглинок, который приобрел структуру в результате растрескивания моренных отложений Московского оледенения при высыхании и промораживании в гляциальный и постгляциальный периоды; под ним суглинистый вмытый иллювиальный горизонт В, самый плотный в профиле, с более низкой пористостью и водопроницаемостью, который формируется благодаря механическому поглощению, коагуляции и окислению вымытых из верхних горизонтов продуктов распада минеральной части почвы и органики. Иллювиальный горизонт пронизан трещинами, червороинами, корневыми ходами, создающими из слабопроницаемого слоя активную среду, которая снижает промываемость верхних горизонтов, задерживая в них влагу, но обильные инфильтрационные потоки перераспределяет в почвенном профиле за счет участия макропор во влагопереносе. В подзолистых оглеенных почвах возможно глубокое промачивание, причем не только весной или во влажные годы, но и в теплый период сухих лет, после дождей, вызывающих поверхностный сток. Это явление наблюдается и в неоглеенных подзолистых почвах, но в менее выраженной форме. При этом глубина миграции влаги в сухие периоды определяется длиной трещин, распространением корней древесной растительности и характером осадков. На участке исследований определены следующие свойства иллювиального горизонта: плотность 1,82…1,86 г/см3, пористость 0,30…0,33 м3/м3, максимальная гигроскопичность 0,06…0,07 м3/м3, максимальная высота капиллярного поднятия оценена по механическому составу 2,5 м.
Водный режим рассматриваемых почв достаточно сложен, есть как периоды иссушения, так и локальное периодическое переувлажнение, особенно заметное на глееватых почвах, вплоть до образования верховодки в дождливые периоды. Выраженное неоднородное макропористое строение иллювиального горизонта требуется учитывать при описании и оптимизации водного режима таких земель, а также при расчетах образования верховодки.
Управление водным режимом таких земель должно сочетать орошение на возвышенностях и дренаж понижений и оснований склонов для поддержания оптимальных условий роста и развития сельскохозяйственных растений, а также методы управления водопроницаемостью иллювиального горизонта для предотвращения периодического переувлажнения, которое может приводить к оглеению и прогрессирующему ухудшению водного режима земель.
Глава 2. Водопроницаемость иллювиального горизонта В дерново-подзолистых почв
В этой главе обсуждаются подходы к определению водопроницаемости почв. Во многих современных моделях влагопереноса в качестве характеристики водопроницаемости используется коэффициент фильтрации. Величины коэффициента фильтрации почв Нечерноземной зоны определяются генезисом и гранулометрическим составом почвообразующих пород, типовой генетической принадлежностью почв, степенью их заболоченности.
Сложное строение иллювиального горизонта и наличие макропор обуславливают различные режимы влагопереноса в зависимости от задействованных частей порового пространства. Предлагается понятие двух характеристик водопроницаемости иллювиального горизонта.
При безнапорном впитывании инфильтрация и влагоперенос обусловлены проводимостью микропористых блоков без участия макропор (трещин, червороин. корневых ходов), характеристику водопроницаемости при безнапорном впитывании предложено называть матричным коэффициентом фильтрации и определять при обработке экспериментов по дождеванию горизонта В. При напорном впитывании во влагопереносе участвуют как макропоры, так и микропористые блоки, такую характеристику водопроницаемости предложено называть эффективным коэффициентом фильтрации и определять его при обработке экспериментов по напорному впитыванию в горизонт.
Эксперименты по определению гидрофизических свойств почв и коэффициента фильтрации в том числе желательно проводить in situ, что наиболее адекватно отражает условия протекания влагопереноса. Важно, чтобы эксперимент был ориентирован на модель, которую применяют для описания влагопереноса. Это позволит воспроизводить эксперимент численным решением нелинейного дифференциального уравнения влагопереноса и подбирать параметры при начальных и граничных условиях, соответствующих эксперименту («обратная задача»). Для практических целей желательно использовать расчетные формулы.
Для безнапорного впитывания использовано малоинтенсивное дождевание, при котором фиксировали время начала поверхностного стока, поскольку этот момент соответствует исчерпанию впитывающей способности микропористых блоков. Время начала поверхностного стока, считая от момента начала дождевания, можно определять по формуле (1) А.И. Голованова, полученной решением линеаризированного уравнения влагопереноса,
при 
>1, где 
, (1)
где 
– время начала стока, сут; 
– расчетная объемная влажность, 
, 
=0,55…0,60; 
– капиллярный напор, соответствующий исходной влажности 
, определяемый по формуле
, (2)
где m – пористость, м3/м3; 
– максимальная гигроскопичность, м3/м3; 
– максимальная высота капиллярного поднятия, м; – коэффициент, зависящие от механического состава и структуры почвы, для суглинистых почв принято 
, коэффициент влагоемкости определяют соответственно по формуле (3)
, (3)
искомый коэффициент влагопроводности, а из него и коэффициент фильтрации определяют по формуле
, (4)
где для случая безнапорного впитывания при дождевании 
– матричный коэффициент фильтрации, м/сут.
По данным дождеваний получена средняя величина матричного коэффициента фильтрации 0,09 м/сут при коэффициенте вариации 0,60, что не противоречит имеющимся данным о водопроницаемости иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв на покровных суглинках моренного происхождения.
Для напорного впитывания использовали усовершенствованный способ налива в инфильтрометр с одиночным кольцом. Существующие способы, в том числе использования инфильтрометра с двумя кольцами и постоянным уровнем воды (прибор Н.С. Нестерова), не позволяют достоверно определять коэффициент фильтрации из-за недоучета влияния слоя воды в кольце, бокового растекания влаги в почве, влияния врезки кольца на скорость впитывания. Кроме того, для поддержания уровня в кольцах требуются сосуды Мариотта, эксперимент требует большого количества воды и времени для достижения установившейся скорости впитывания из центрального кольца.
Предложено для упрощения эксперимента делать экспресс-налив при переменном свободно снижающемся уровне воды в кольце. Перед наливом определяем исходную влажность почвы рядом с кольцом (диаметром 20…30 см и высотой 20 см), которое врезаем в почву на глубину 2…4 см. Начальный слой воды 150…170 мм, в ходе опыта строим интегральную кривую зависимости слоя впитавшейся воды от времени, снимая отсчеты понижающегося уровня в кольце; опыт заканчиваем при впитывании всей воды из кольца. После эксперимента берем образцы из кольца для определения плотности, пористости и максимальной гигроскопичности почвы.
Для описания зависимости слоя впитывания от времени использована формула проф. А.И. Голованова, которая получена на основе решения линеаризированного уравнения влагопереноса в сферических координатах (Лыков, 1952). Она учитывает боковое растекание впитавшейся воды под кольцом; после дополнительных уточнений позволяет учитывать размер кольца и врезку его в почву, а также переменный уровень воды в кольце при проведении эксперимента. Зависимость слоя впитавшейся воды (м) от времени эксперимента (сут) предложено описывать формулой
, (5)
где Квр – коэффициент врезки. зависит от диаметра кольца и глубины врезки, с достаточной точностью можно принять коэффициент врезки 0,88…0,93 для распространенных глубин врезки 2…4 см и диаметров кольца 18…30 см; 
– начальный слой воды в кольце, м; 
; 
– расчетная объемная влажность, 
, 
=0,66…0,7; 
- радиус кольца инфильтрометра, м. Аппроксимируя экспериментальную кривую слоя впитывания формулой (5), определяем влагопроводность, а затем и эффективный коэффициент фильтрации из (4).
Сравнение с точным численным моделированием нелинейного процесса впитывания из кольца с описанными выше размерами при различных сочетаниях исходной влажности, коэффициента фильтрации и максимальной высоты капиллярного поднятия показывают достаточную точность формулы (5).
По данной методике автором был выполнен 31 налив в иллювиальный горизонт, рассчитанные по ним величины эффективного коэффициента фильтрации КЭ варьируют в широком диапазоне (минимальное значение 0,03 м/сут отличается от максимального 2,91 м/сут на два порядка). Средняя величина составляет 0,89 м/сут при коэффициенте вариации 0,90. При наливах характерным размером зоны опробования можно считать величину порядка 20 см. Область инфильтрации включает в себя систему макропор и микропористые блоки, зона опробования значительно больше характерных размеров микропористых блоков и макропор. Так, характерные размеры трещин, разделяющих блоки, порядка десятых долей миллиметра, размеры микропористых блоков 5 – 15 мм (при разламывании руками воздушно-сухих образцов почвы), характерные диаметры ходов дождевых червей 3 – 5 мм, аналогичные или чуть меньшие размеры имеют каналы от выгнивших корней растений.
Анализ эмпирической кривой обеспеченности величин эффективного коэффициента фильтрации показал, что при обеспеченности 80% и более этот ряд схож с величинами матричного коэффициента фильтрации. Причиной этого может быть случайная вариация макропористости горизонта в масштабах поля с характерными размерами фильтрационных неоднородностей 20 см (в которых макропоры почти или полностью отсутствуют) и суммарной площадью неоднородностей порядка 20% площади поля с генетически однородным иллювиальным моренным горизонтом В.
Таким образом, водопроницаемость иллювиального горизонта В дерново-подзолистой почвы на рассмотренном участке возвышенной фации при напорном впитывании (характеризуемая эффективным коэффициентом фильтрации КЭ), на порядок больше водопроницаемости при безнапорном впитывании (матричного коэффициента фильтрации КМ).
При проведении наливов фиксировалось количество открытых в кольце червороин. Никаких специальных требований к установке кольца инфильтрометра не выдвигалось, поэтому можно считать, что число ходов червей в кольце при проведении опыта есть величина случайная, зависящая от среднего количества червей в почве, их активности в горизонте В, а также случайной неоднородности размещения ходов в толще почвы.
Между количеством ходов дождевых червей и эффективным коэффициентом фильтрации выявлена связь (рис. 1). Линия тренда (найденная в виде экспоненциальной зависимости методом наименьшей суммы квадратов отклонений) характеризует облако точек с достаточно высоким коэффициентом корреляции R=0,794.
Рисунок 1. Зависимость эффективного коэффициента фильтрации от количества открытых на днище шурфа червороин.
Интересно заметить, что, согласно полученной зависимости, при отсутствии ходов в кольце эффективный коэффициент фильтрации составляет 0,074 м/сут, что вполне похоже на ранее найденное среднее значение матричного коэффициента фильтрации 0,09 м/сут. При количестве ходов 150…200 шт/м2 коэффициенты фильтрации составляют 1,5…2,5 м/сут. Это число червороин вполне может наблюдаться при описании почв, причем почвы на участке исследований, по данным автора, могут быть населены дождевыми червями до глубины 1,6…1,9 м.
Для оценки влияния сложения и структуры иллювиального горизонта В на водопроницаемость был заложен длительный эксперимент in situ. На участке исследований 15 мая 2004 года был заложен шурф до верха горизонта В, глубиной 55…65 см. При откапывании шурфа дерн был вырезан и сохранен для последующей укладки. Ширина шурфа по дну составляла 0,7 м, длина 3,0 м. Описание шурфа позволило охарактеризовать почвенный профиль как типичный для дерново-подзолистых почв рассматриваемой возвышенной фации. Из горизонта В были взяты 8 образцов для определения плотности и пористости, которые составили 1,81 г/см3 и 0,33 м3/м3 соответственно.
На дне шурфа был уложен 5 см слой разрушенного иллювиального горизонта, после чего шурф был зарыт на срок более двух лет до июля 2006 года. После откапывания шурфа осмотрели разрушенный слой для выяснения степени восстановления структуры и выполнили налив в однокольцевой инфильтрометр для определения эффективного коэффициента фильтрации.
Оценка сложения и структуры показала, что разрушенный верхний 5 см слой иллювиального горизонта, залегающий на глубине 60 см, может быть освоен за 2 года дождевыми червями (обнаружено 30 шт/м2 ходов дождевых червей). При осмотре разрушенного горизонта обнаружено, что полного восстановления структуры почвы за это время не происходит. При опробовании нарушенного горизонта способом налива из инфильтрометра с одиночным кольцом (на участке без ходов дождевых червей) он характеризуется коэффициентом фильтрации 0,05 м/сут, что согласуется с наименьшими значениями эффективного коэффициента фильтрации горизонта при напорном впитывании, а также матричным коэффициентом фильтрации ненарушенного горизонта. Контрольные наливы вблизи шурфа, сделанные как в 2004, так и в 2006 годах, показывают среднюю величину эффективного коэффициента фильтрации 1,0 м/сут, что похоже на ранее найденную среднюю величину при напорном впитывании 0,89 м/сут. По-видимому, полного восстановления макропористости горизонта (и эффективной водопроницаемости порядка 0,9 – 1,0 м/сут) за два года не происходит.
Глава 3. Оценка возможности образования верховодки
В этой главе приведены существующие критерии образования верховодки – временной и ограниченной по площади зоны полного насыщения, располагающейся, как правило, на слабопроницаемых прослойках, появляющейся обычно при обильной инфильтрации влаги в почву. Многие авторы указывают в качестве критериев образования верховодки инфильтрацию, превышающую коэффициент фильтрации, а также значение коэффициента фильтрации слабопроницаемой прослойки около 0,05 м/сут.
Для оценки возможности образования верховодки необходимы расчеты влагопереноса в почве с учетом как водопроницаемости раздельного слоя (иллювиального горизонта), так и информации о характерном инфильтрационном питании. Для учета инфильтрационного питания предложено использовать известный подход анализа продолжительности дождливых периодов (т.е. таких, когда дождь идет каждый день) и суточных интенсивностей осадков (Голованов, Караев, 1986). В первом приближении можно считать, что при малых уклонах поверхности, достаточной свободной пористости почвы и малом за дождливый период испарении все выпавшие осадки просачиваются через верхние горизонты к иллювиальному горизонту В. Это инфильтрационное питание (табл. 2) может вызывать появление верховодки.
1. Количество осадков за дождливые периоды (м-ст. Московская метеорологическая обсерватория им. Михельсона (ТСХА)) за 100 лет
| Повторяемость | Число случаев за 100 лет | Количество осадков за дождливый период, мм | |||||||
| За 1 сутки | За 2 суток | За 3 суток | За 4 суток | За 5 суток | За 6 суток | За 7 суток | За 8 суток | ||
| 1 раз в 100 лет | 1 | 99,9 | 93,4 | 99,9 | 86 | 97 | 81 | 90,3 | 81,6 |
| 1 раз в 50 лет | 2 | 56,7 | 66,4 | 69,6 | 79,6 | 78,5 | 75,6 | 70 | 71,2 |
| 1 раз в 20 лет | 5 | 46,7 | 56,6 | 63,6 | 68 | 63 | 51,6 | 49,7 | 42,4 |
| 1 раз в 10 лет | 10 | 32 | 42,4 | 53,4 | 60 | 53 | 39,6 | 28,7 | |
| 1 раз в 5 лет | 20 | 25,7 | 36,2 | 45,6 | 48 | 39,5 | 27 | ||
| 1 раз в 2 года | 50 | 19,3 | 29,6 | 33,6 | 35,6 | 11,5 | |||
| 1 раз в год | 100 | 14,8 | 22 | 23,4 | 20 | ||||
| 2 раза в год | 200 | 10,9 | 15,2 | 13,8 | |||||
| 5 раз в год | 500 | 6,0 | 6,2 | ||||||
| 10 раз в год | 1000 | 2,4 | |||||||
| 14 раз в год | 1400 | 1,0 | |||||||
2. Средняя интенсивность осадков за дождливые периоды, мм/сут (м-ст. Московская метеорологическая обсерватория им. Михельсона (ТСХА))
| Повторяемость | Число случаев за 100 лет | Средняя интенсивность осадков за дождливый период, мм/сут | |||||||
| За 1 сутки | За 2 суток | За 3 суток | За 4 суток | За 5 суток | За 6 суток | За 7 суток | За 8 суток | ||
| 1 раз в 100 лет | 1 | 99,9 | 46,7 | 33,3 | 21,5 | 19,4 | 13,5 | 12,9 | 10,2 |
| 1 раз в 50 лет | 2 | 56,7 | 33,2 | 23,2 | 19,9 | 15,7 | 12,6 | 10 | 8,9 |
| 1 раз в 20 лет | 5 | 46,7 | 28,3 | 21,2 | 17 | 12,6 | 8,6 | 7,1 | 5,3 |
| 1 раз в 10 лет | 10 | 32 | 21,2 | 17,8 | 15 | 10,6 | 6,6 | 4,1 | |
| 1 раз в 5 лет | 20 | 25,7 | 18,1 | 15,2 | 12 | 7,9 | 4,5 | ||
| 1 раз в 2 года | 50 | 19,3 | 14,8 | 11,2 | 8,9 | 2,3 | |||
| 1 раз в год | 100 | 14,8 | 11 | 7,8 | 5 | ||||
| 2 раза в год | 200 | 10,9 | 7,6 | 4,6 | |||||
| 5 раз в год | 500 | 6 | 3,1 | ||||||
| 10 раз в год | 1000 | 2,4 | |||||||
| 14 раз в год | 1400 | 1 | |||||||
Для расчета образования верховодки можно пользоваться подходом, при котором рассматривают потери напора фильтрационного потока во всех зонах влагопереноса. В зонах полного насыщения потери определяются исходя из закона Дарси, а в зонах неполного насыщения может быть использовано решение, полученное ранее А.И. Головановым и О. Паласиосом (1979). Это решение позволяют определить капиллярную составляющую напора (и соответствующую влажность 
) на одной из границ зоны неполного насыщения мощностью h. На другой границе зоны – насыщенный слой.
Примем, что через все зоны имеется нисходящий установившийся поток влаги q (принято, что q<0 при нисходящих токах). Можно получить зависимости для расчета образования верховодки на слабопроницаемом (раздельном) слое для принятой расчетной схемы (рис. 2).
Рисунок 2. Расчетная схема для определения возможности образования верховодки.
При основной гидрофизической характеристике (2) и зависимости для влагопроводности (4), приведенных выше, решение имеет вид
. (6)
Полученное выражение похоже по структуре на формулу Ю.Н. Никольского (Айдаров с соавт., 1990). Получим выражения для определения потенциала почвенной влаги и толщины слоя
, (7)
, (8)
где 
, 
, 
, 
.
Для учета реальных свойств раздельного слоя (иллювиального горизонта В), который может быть причиной образования верховодки, заметим, что в обычных по увлажнению условиях (без верховодки) горизонт В находится в состоянии неполного насыщения. По всей видимости, его водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации микропористых блоков КМ, который можно определять в эксперименте по безнапорному впитыванию. При образовании зоны полного насыщения над и в толще раздельного слоя водопроницаемость может увеличиться за счет макропор. Мы не имеем данных о механизме работы макропор при переходе от неполного насыщения горизонта к полному насыщению. Согласно имеющимся мнениям, перенос по макропорам возможен преимущественно в напорных условиях фильтрации (Шеин Е.В., 2005).
Известны способы учета вариации коэффициента фильтрации при дренаже. Согласно полученным автором данным, матричный коэффициент фильтрации иллювиального горизонта В составляет от 0,02 м/сут до 0,17 м/сут.
Эмпирическая кривая обеспеченности величин матричного коэффициента фильтрации (рис. 3) позволяет указать относительную площадь поля, на которой возможна верховодка при конкретном инфильтрационном питании.
Рисунок 3. Эмпирическая кривая (маркеры) обеспеченности матричного коэффициента фильтрации, аппроксимированная полиномом второй степени (линия). По вертикали – обеспеченность в долях, по горизонтали - матричный коэффициент фильтрации, м/сут.
Например, если верховодка образуется при матричном коэффициенте фильтрации раздельного слоя 0,04 м/сут и конкретной инфильтрации, то этот процесс охватит 1 – P0,04 = 1 – 0,8 = 20% площади поля. Выполнены расчеты для осадков разной интенсивности и коэффициентов фильтрации разной обеспеченности (для КМ=0,01 м/сут – табл. 3, остальные результаты в тексте). Число в ячейке таблицы показывает глубину от поверхности земли до верховодки при наименьшей необходимой для её образования инфильтрации (по данным таблицы 2). Во всех строках, расположенных выше отмеченной, инфильтрация больше и поэтому верховодка тоже образуется. Информация о расстоянии от поверхности земли до верховодки может быть полезна для оценки временного подтопления корневой системы сельскохозяйственных растений.
Разработанная процедура расчета верховодки применена к описанию этого процесса на элювиальных фациях Дубнинского ландшафта. Сделаны выводы о вероятности появления верховодки на определенной территории в течение дождливых периодов различной продолжительности. При рассмотренных дождливых периодах и полученной автором водопроницаемости иллювиального горизонта получено, что за 100 лет возможно 230 случае верховодки разной продолжительности на 5% площади поля в слое 0 – 60 см, 22 случая на 15% площади, 3 случая на 25% и 1 случай на 50% площади поля.
В отличие от существующих подходов предложенный способ позволяет определять расстояние от поверхности земли до верховодки в зависимости от величины инфильтрационного потока, а также относительную площадь распространения по полю и вероятную частоту появления верховодки.
3. Наибольшая возможная повторяемость верховодки при ГГВ=4,0 м. Коэффициент фильтрации КМ=0,01 м/сут (PКм=95%), относительная площадь верховодки на поле 5%
| Повторяемость | Число случаев за 100 лет | Продолжительность дождливых периодов | |||||||
| 1 сутки | 2 суток | 3 суток | 4 суток | 5 суток | 6 суток | 7 суток | 8 суток | ||
| 1 раз в 100 лет | 1 | 0,49 | |||||||
| 1 раз в 50 лет | 2 | 0,02 | |||||||
| 1 раз в 20 лет | 5 | 0,02 | |||||||
| 1 раз в 10 лет | 10 | 0,43 | |||||||
| 1 раз в 5 лет | 20 | 0,15 | |||||||
| 1 раз в 2 года | 50 | 0,32 | |||||||
| 1 раз в год | 100 | 0,35 | Всего за 100 лет возможно 230 случаев образования верховодки на периоды от 1 до 8 суток | ||||||
| 2 раза в год | 200 | 0,37 | |||||||
| 5 раз в год | 500 | ||||||||
| 10 раз в год | 1000 | ||||||||
| 14 раз в год | 1400 | ||||||||
Условные обозначения к таблице 3: темно-серый – возможно образование верховодки, число – расстояние от поверхности земли до верховодки, м; светло-серый – участок обильно переувлажнен при соответствующих интенсивностях (таблица 2).
Глава 4. Прогноз водного режима переувлажненных подзолистых почв
В этой главе изложен современный подход кафедры мелиорации и рекультивации земель МГУП к описанию гидрологических, солевых и геохимических процессов в геосистемах. Для расчетов водного режима и гидрологических процессов на водосборе А.И. Головановым разработана двумерная модель влагопереноса, описывающая процессы на различных фациях катены как элементарного водосбора: элювиальной, трансэлювиальной фации склонов (транзитной для водных потоков) и супераквальной пониженной (пойменной). Модель, использованная для расчетов, описана в работе, представляет собой уравнение истинно двумерного потока влаги, реализованное в виде конечно-разностной численной схемы.
Такая схематизированная катена включает в себя земли с разными типами водного питания по А.Д. Брудастову (1955): атмосферным, намывным делювиальным, грунтовым. Она также включает набор зональных и азональных почв, учитывает размеры и формы рельефа, геологическое сложение. Автором были выполнены расчеты для условий типичной катены Дубнинского ландшафта (2006). Общая ширина катены равна 4000 м, элювиальной фации – 820 м, трансэлювиальной – 2180 м, супераквальной – 1000 м, разность высот на катене составляет 60 м. Левой границей катены является русло реки Дубны, на границе супераквальной и трансэлювиальной фаций протекает притеррасная речка Шурумка, играющая роль естественной ловчей дрены. Объем стока талых вод оценивался по зависимости:
,
где Осз и Из – осадки и испарение в холодный период года; – коэффициент поверхностного стока, это трудно определяемая величина, зависящая от многих факторов и условий (Костяков, 1931): крутизны склонов, водопроницаемости почв и подстилающих грунтов, их увлажненности перед снеготаянием или обильными дождями, состояния поверхности (распаханной или залуженной), от наличия леса, микрорельефа в виде замкнутых понижений, интенсивности оттаивания почвы, интенсивности дождя и др. В данных условиях коэффициент весеннего поверхностного стока принят равным для элювиальной и супераквальной фаций с малыми уклонами – 0,36, а для трансэлювиальной со средними уклонами – 0,52.
4. Влияние мелиорации на составляющие стока, среднемноголетние показатели в мм
| Годовые осадки | Годовое испарение | Годовой сток | Сток половодья | Меженный сток | |||||
| По карте | Модель | По карте | Модель | По карте | Модель | По карте | Модель | ||
| Естественный режим | 606 | 409 | 399 | 197 | 207 | 102 | 106 | 95 | 101 |
| Мелиорация | 606 | 392 | 214 | 93 | 121 | ||||
Использованы данные по метеостанции г. Дмитров за 42 года (1959…2000). Критерием правильности схематизации природных условий, в том числе и коэффициентов поверхностного стока, явилось хорошее согласие слоя среднемноголетнего годового местного стока и стока весеннего половодья за 42 года со значениями, приведенными на официальных картах стока: по модели 207 и 106 мм, а по картам 197 и 102 мм, соответственно (табл. 4). Согласуется также многолетняя их изменчивость: коэффициент вариации годового стока по расчетам 0,27 и 0,34, а по картам – 0,25 и 0,46.
Высотное положение фаций по разному формирует их среднемноголетний годовой водный баланс: для элювиальных фаций осадки равны 606 мм, испарение только 288 мм (с учетом испарения в холодный период, равного 75 мм), сток талых вод – 65, а подземный отток – 252 мм, т.е. суммарный отток влаги на пониженные фации составляет при наличии хорошо проницаемых супесчаных почв 52% годовой суммы осадков. У транзитной фации склонов испарение возрастает до 405 мм, боковой отток превышает приток на 67 мм, весенний и летний сток равен 133 мм, т.е. суммарный отток влаги равен 200 мм или 33% осадков. Пониженная супераквальная фация испытывает значительный дополнительный приток влаги – 353 мм или 58% годовых осадков, что при недостаточной естественной дренированности вызывает подъем уровня грунтовых вод, сильное переувлажнение почвы, рост поверхностного стока. Именно при таком детальном анализе водного баланса проявляются предложенные А.Д. Брудастовым типы водного питания и следующие из них методы осушения, в данном случае: ограждение от притока подземных вод со склонов, углубление водоприемника, систематический горизонтальный дренаж для увеличения оттока подземных вод и понижения их уровня.
Относительная урожайность определялась расчетами по формулам В.В. Шабанова. После осушения и орошения земель ожидается некоторое увеличение годового местного стока с данной катены с 207 до 214 мм, уменьшение стока весеннего половодья за счет большего впитывания талых вод в осушенную почву – со 106 до 93 мм и увеличение меженного стока за счет усиления дренированности территории – со 101 до 121 мм. Если же из местного меженного стока вычесть забор воды на орошение при среднемноголетней норме, приведенной ко всей площади катены 66·820/4000 = 14 мм, то и меженный сток увеличится незначительно – на 6 мм, а годовой даже слегка уменьшится – на 7 мм. Такую направленность изменения речного стока в результате водных мелиораций в гумидной зоне подтверждают многие авторы. Незначительное, но благоприятное для водосбора изменение речного стока объясняется небольшой мелиоративной нагрузкой.
Больше всего изменяется водный режим осушаемой супераквальной фации: углубление ловчей дрены провоцирует некоторое увеличение бокового притока на нее – с 353 до 371 мм, (при сравнении водообмена между фациями, выраженном в мм слоя воды, надо иметь в виду их разную ширину), суммарный отток подземных вод с фации в углубленное русло Дубны, в Шурумку и в систематический дренаж вырастает значительно – до 45+256+128=429 мм по сравнению с естественным 32+250=282 мм или в 1,66 раза.
Осушение способствует увеличению впитывания талых вод – с 48 до 99 мм, а также объема впитавшихся осадков (с 282 до 348 мм), вследствие этого прекращается поверхностный сток летом. Среднегодовая глубина грунтовых вод при этом увеличивается с 0,98 до 1,43 м, а среднегодовая минимальная – с 0,29 до 0,82 м, т.е. обеспечивается требуемая норма осушения. Это объясняет существенный, практически в 2 раза, прирост продуктивности фации за счет оптимизации водного режима. Негативной является смена выпотного типа водного режима, т.е. капиллярного подпитывания, в среднем равном 64 мм в год, на промывной тип, с интенсивностью 69 мм/год, полученное при моделировании значение промываемости подтверждается полевыми исследованиями с помощью лизиметров (В.В. Пчелкин, 2003). Это приведет к вымыванию из почвы питательных веществ и растворенного гумуса, а также загрязнению речных вод биогенами. Компенсировать вымыв можно повышенным внесением удобрений, но это не защищает речные воды. Оптимальным может быть некоторое снижение интенсивности дренирования и связанное с ним уменьшение продуктивности (урожайности).
Водный режим трансэлювиальной фации, судя по осредненным показателям, изменился незначительно, но углубление ловчей дрены до 1,6…1,7 м привело к осушению прилегающих к ней земель и к заметному увеличению урожайности. В среднем относительная продуктивность катены в результате водных мелиораций возрастает с 0,46 до 0,78, т.е. в 1,7 раза. Этот рост нужно обеспечить повышенными нормами удобрений, в основном, органическими, как экологически менее опасными.
На высоко- и вдалеке расположенную элювиальную фацию осушение не сказалось, изменения вызваны только поливами в засушливые годы, из 42 лет 2 и более полива нормами по 30 мм понадобилось в 27 годах, в среднем это увеличивает урожайность картофеля в 0,93/0,72=1,29 раза. Среднемноголетняя оросительная норма составила 66 мм, из-за легкого механического состава почв (супеси) часть поливной воды даже при незначительных нормах все таки просочилась вниз, увеличив промываемость метрового слоя почвы на 29 мм и боковой отток на 24 мм, суммарное испарение возросло на 42 мм. Компенсировать рост промываемости надо дополнительным внесением удобрений. Оценена возможность риск образования верховодки: на площади 5% поля – до 230 раз и на площади 15% – до 22 раз за 100 лет из-за естественных дождливых периодов разной продолжительности, на больших площадях вероятность образования верховодки мала. Отметим, что без орошения урожайность картофеля на возвышенности во влажные годы составляет 0,93, тогда как в сухие 0,53, что свидетельствует о позитивном влиянии на рост растений некоторого застоя влаги в пахотном слое над слабопроницаемым иллювиальным горизонтом.
Иная ситуация на склоне, что подтверждается сравнением урожайности многолетних трав на склоне во влажные и сухие годы. До мелиорации эти показатели составляли 0,67 и 0,13, разница в пять раз ясно свидетельствует о решающей роли переувлажнения в снижении урожаев. После углубления ловчей дрены негативное влияние переувлажнения не ликвидировано, хотя урожайность повысилась, средняя относительная урожайность в сухие годы составляет 0,89, а во влажные годы 0,54.
Данные о незначительном изменении годового, стока половодья и меженнего стока говорят о том, что загрязнение реки Дубны биогенами после мелиораций практически не увеличится, так как площадь пахотных земель не изменится, а сокращение поверхностного стока в половодье на 106 – 93 = 13мм и уменьшение летнего поверхностного стока с супераквальной фации на 66 мм приведет к уменьшению смыва биогенов в реку, рост подземного питания и соответственно меженнего стока при осушении с учетом использования части дренажного стока на орошение составит только 6 мм. Для закрепления этого эффекта необходимы простейшие природоохранные мероприятия по извлечению биогенов из дренажных вод: биоплато в устье осушительных каналов и установка фильтрующих пакетов с сорбентами, извлекающих гербициды и тяжелые металлы, содержащиеся в минеральных удобрениях.
На основе выполненных прогнозных расчетов водного режима катены в бассейне р. Дубны рекомендованы следующие мелиоративные мероприятия: оптимизация глубины русла р. Шурумка (ловчей дрены в основании склона), осушение пойменной пониженной фации горизонтальным дренажем, заложенным на глубине 1,2…1,3 м с междренным расстоянием 30 м, орошение сельскохозяйственных угодий на возвышенности со среднемноголетней нормой 66 мм (при возделывании картофеля). Для обеспечения оптимального водного режима на склоне, особенно в нижней трети, необходимо применять методы ускорения поверхностного стока и перевода его во внутрипочвенный, применяя закрытые собиратели, кротовые дрены; эффективность дренирования земель может быть повышена улучшением структуры иллювиального моренного горизонта.
А.Д. Брудастов (1955) отмечает, что для осушения суглинистых земель имеет большое значение введение правильных севооборотов, в результате действия которых почвы постепенно приобретают комковатое строение не только в пределах пахотного горизонта, но и значительно глубже. Обычно севооборотов недостаточно для оструктуривания пахотного и подпахотного горизонтов. Для снижения рисков, связанных с периодическим переувлажнением дерново-подзолистых почв на суглинках, существует ряд агромелиоративных мероприятий. При осушении земель атмосферного типа водного питания для ускорения внутрипочвенного стока применяют три способа – кротование (отметим, что кротовины (созданные кротованием) и кротовый дренаж (кротовые земляные дрены) различаются), глубокое мелиоративное рыхление и чизелевание.
Ускорение внутрипочвенного стока – благоприятный процесс только с точки зрения земледельца. При этом ликвидируется переувлажнение, но одновременно усиливается промывной режим почв, что способствует истощению и так ограниченных запасов гумуса и питательных веществ.
Иллювиальный горизонт в почве возник и сформировался как биогеохимический барьер, препятствующий интенсивным потокам воды и растворенных веществ из дерново-подзолистых почв в подстилающие грунты и грунтовые воды. Его разрушение при специальной обработке трудно признать экологически обоснованным. С другой стороны, трудно обеспечить интенсивное земледелие на угодьях с дерново-подзолистыми почвами, испытывающими периодическое переувлажнение. Кроме того, при обработке почвы во влажном состоянии с использованием тяжелой техники возможно образование антропогенных переуплотненных горизонтов.
Можно признать, что агромелиоративные мероприятия могут быть применены как средство борьбы с периодическим переувлажнением земель сельскохозяйственного назначения для обеспечения лучших условий для роста растений. Важно учитывать, что отрицательными эффектами могут быть повышение промываемости почвы и повышенные нормы удобрений для компенсации снижения плодородия, а также загрязнение грунтовых вод. Агромелиоративные мероприятия должно проводиться после соответствующих обоснований, подтверждающих реальное негативное влияние верховодки на рост и развитие конкретной сельскохозяйственной культуры.
Применение тех или иных технологий во многом зависит от свойств осушаемых почв. Так, чизелевание разрушает уплотненные слои до глубины 40 – 45 см что недостаточно на описанных фациях.
Кротовый дренаж предназначен прежде всего для тяжелых по механическому составу минеральных почв и торфяных почв. Его прокладывают кротодренажными машинами с уклоном 0,02…0,002. Длина дрен может быть равна 50…200 м, диаметр 6…10 см. Глубина закладки кротовых дрен до 1 м, что позволяет их использовать на рассматриваемой территории. Стабильность дрен зависит от генезиса и структурности почв, для подзолистых почв на моренных суглинках составляет 1…3 года, разработаны технологии армирования стенок дрен для повышения этого срока. Создание кротовых дрен можно проводить при влажности, превышающей ППВ, что повышает их применимость для переувлажненных земель. Для рассмотренной территории можно рекомендовать эту технологию.
Кротование подпахотного слоя проводят как самостоятельную операцию или одновременно со вспашкой, применяют как на землях, осушенных закрытыми собирателями, так и без них. Эта технология предполагает создание полостей на глубине 30…35 см сетью поперек расположения дрен для отвода избыточной воды по подпахотному слою. Расстояние между кротовинами рекомендуют делать 1…2 м, срок службы их составляет, по разным данным, 1…3 года. Принципиальное отличие от кротовых дрен в том, что кротовины не имеют постоянного уклона, их форма следует за формой поверхности земли. На рассмотренной территории отсутствуют слабопроницаемые прослойки на глубине до 35 см, что делает кротование бесполезным.
Глубокое мелиоративное рыхление изменяет неблагоприятные физические свойства подпахотных горизонтов на глубину 0,6…1,0 м, переводит поверхностный сток во внутрипочвенный и ускоряет его. Рекомендуется на суглинистых и глинистых почвах, коэффициент фильтрации которых в слое 30 – 80 см менее 0,2…0,3 м/сут. Глубокое мелиоративное рыхление не практикуют при большом количестве камней крупнее 0,3 м. Иногда предварительно выполняют кротование для ускорения стока гравитационной влаги и подсушивания почвы (Зайдельман, 1991), поскольку рыхление не рекомендуют проводить при объемной влажности почвы свыше 0,25…0,35 м3/м3.
Как сообщает Г.Г. Гулюк (2004), B.C. Печенина на опытно-производственном участке «Михневский» Московской области показала, что глубокое рыхление тяжелых суглинистых почв, осушаемых закрытым дренажем, оказывает положительное воздействие на улучшение водно-физических свойств почв и грунтов. После глубокого рыхления плотность почвы в слое 20-60 см уменьшилась на 10…15%, а порозность разрыхленной почвы в этом слое увеличилась на 14…18%. Коэффициент фильтрации почвогрунта под действием глубокого рыхления в слое 30-50 см увеличился в 7…12 раз. Через два года после глубокого рыхления водопроницаемость разрыхленного слоя на этой же глубине была в 2,5…4,0 раза выше, чем водопроницаемость на контроле.
Иногда глубокое мелиоративное рыхление дополняют внесением структурообразователей. Известкование не только устраняет кислую реакцию почвы, но улучшает и ее физические свойства, благодаря коагуляции илистых частиц и, вероятно, путем рыхления породы выделяющимся углекислым газом. По имеющимся данным, рыхление с известкованием подпахотного слоя увеличили его водопроницаемость в 500…600 раз (с 0,001 до 0,6 м/сут).
Последействие глубокого мелиоративного рыхления почв на моренных суглинках может сохраняться до 12…14 лет (Зайдельман, 1991), при использовании тяжелой техники рекомендуется рыхление на глубину 0,4 м каждые 4…5 лет между полнопрофильными рыхлениями для разрушения переуплотненной плужной подошвы. На склоновых фациях при наличии обильного стока рыхление ухудшает водный режим тяжелосуглинистых почв на карбонатном глинистом элювии, поскольку создает дополнительную емкость порового пространства, приводящую к аккумуляции стока и переувлажнению вплоть до заболачивания. Ф.Р. Зайдельман отмечает (1991), что рыхление приемлемо для автоморфных фаций без склонового намывного питания, тогда как наличие притока с водосбора может значительно ухудшить мелиоративное состояние почв в нижних частях склона.
Судя по отсутствию крупных камней (более 0,3 м) в слое 50…100 см на рассмотренном автором участке на территории Дубнинского ландшафта, а также матричному коэффициенту фильтрации иллювиального горизонта 0,09 м/сут можно рекомендовать глубокое мелиоративное рыхление для улучшения структуры иллювиального горизонта и повышения его водопроницаемости, проводя его на фоне систематического дренажа закрытыми собирателями или кротовыми дренами. Земли склонов, почвенный профиль которых свидетельствует о глееватости, подвергать рыхлению без дренажа нежелательно (по крайней мере, без дополнительного обоснования этого мероприятия). Кроме того, можно применять альтернативные способы увеличения внутрипочвенного стока, повышения водопроницаемости и общей пористости почв, снижения их плотности. Эту роль может сыграть система биологических методов мелиорации.
Биологические методы мелиорации переувлажненных тяжелых почв.
Одним из вариантов является система фитомелиоративных мероприятий, основанная на применении нетрадиционных многолетних трав с мощной корневой системой. Эффект значительного увеличения водопроницаемости суглинистой почвы под посевами многолетних трав отмечал А.Н. Костяков (1960), приводя данные А.А. Артемьева (СевНИИГиМ)). В качестве биомелиорантов на всех почвах независимо от их гранулометрического состава используют посевы козлятника восточного и сильфии пронзенолистной. Наиболее перспективным оказалось применение сильфии пронзенолистной, корневая система которой проникает на глубину до 60…70 см. Растения высевают один раз, а их вегетация продолжается затем на протяжении 10 лет и более. Ежегодно производят два укоса этих культур. Корни сильфии пронзенолистной на 3…6-й годы жизни достигают мощного развития и оказывают весьма существенное влияние на физические свойства почв. На 5…7-й годы жизни этой многолетней травы в 2…3 раза увеличивается содержание органического вещества в подпахотных горизонтах (в том числе и в почвах легкого гранулометрического состава), снижается их плотность на 0,1…0,3 г/см3, в несколько раз увеличивается Кф (Зайдельман, 2003).
Положительное последействие корней многолетних трав на физические свойства почв прослеживается на протяжении длительного периода. Использование сильфии пронзёнолистной и других нетрадиционных трав с мощными корневыми системами должно осуществляться на минеральных гидроморфных почвах (например, на дерново-подзолистых, глееватых, глеевых) после осушения и создания благоприятных гидрологических условий для роста и развития этих растений, для чего может быть применен, например, кротовый дренаж.
Недостаточно внимания уделяется возможному способу управления водопроницаемостью иллювиального горизонта культивированием сообществ дождевых червей. Их биологические и экологические особенности достаточно хорошо изучены. Со времен Ч. Дарвина (Образование растительного слоя деятельностью дождевых червей, 1881) широко распространено мнение, что дождевые черви улучшают структуру и плодородие почвы. Наши данные показывают, что при плотности червороин 150…200 шт/м2 эффективные коэффициенты фильтрации составляют 1,5…2,5 м/сут; эта величина вероятно, относительно стабильна, поскольку водостойкие выделения червей укрепляют червороины и не дают им заплывать и смыкаться при обильном увлажнении. Значительная макропористость и водопроницаемость будет способствовать лучшей аэрации почвы и перераспределению по глубине обильных осадков. Эти сведения подтверждают возможность биологической мелиорации переувлажненных дерново-подзолистых почв поддержанием популяций дождевых червей. Для решения этой задачи необходимы дополнительные исследования совместимости различных систем земледелия с условиями жизни этих популяций.
Выводы
- Выявлены два механизма инфильтрации и влагопереноса в поровом пространстве сложно устроенного иллювиального горизонта В дерново-подзолистых почв на покровных суглинках моренных отложений: при безнапорном впитывании влагоперенос происходит в микропористых блоках, их водопроницаемость предложено характеризовать матричным коэффициентом фильтрации; при напорном впитывании влагоперенос происходит как в микропористых блоках, так и в макропорах (трещинах, корневых ходах, червороинах), водопроницаемость при этом предложено характеризовать эффективным коэффициентом фильтрации.
- Матричный коэффициент фильтрации предложено определять в эксперименте по безнапорному впитыванию, например, при малоинтенсивном дождевании днища шурфа, вскрывающего кровлю иллювиального горизонта В. Эффективный коэффициент фильтрации предложено определять в эксперименте по напорному впитыванию, например, при наливе в однокольцевой инфильтрометр при переменном уровне воды по усовершенствованной нами методике. Для рассмотренной территории получено отличие на порядок величин эффективного и матричного коэффициентов фильтрации (0,89 и 0,09 м/сут соответственно).
- Установлена зависимость (с коэффициентом корреляции 0,79) эффективного коэффициента фильтрации от количества ходов дождевых червей, показывающая закономерный рост водопроницаемости до 1,5…2,5 м/сут при возрастании количества червороин до 150…200 шт/м2.
- Анализ эмпирической кривой обеспеченности величин матричного коэффициента фильтрации позволил выявить случайную вариацию макропористости иллювиального горизонта с характерными размерами фильтрационных неоднородностей 20 см (в которых макропоры почти или полностью отсутствуют) и суммарной площадью неоднородностей порядка 20% площади поля с генетически однородным иллювиальным моренным горизонтом В.
- В результате двухлетнего эксперимента in situ по восстановлению разрушенного 5-см слоя иллювиального горизонта обнаружено, что он освоен за это время дождевыми червями (до 30 шт/м2 червороин). Полного восстановления структуры горизонта за 2 года не происходит. Водопроницаемость при напорном впитывании из кольца характеризуется величиной коэффициента фильтрации 0,05 м/сут (в кольце без червороин).
- Разработана процедура расчета верховодки с учетом вариации по площади матричного коэффициента фильтрации и фактических интенсивностей осадков, а также вероятности появления дождливых периодов. Сделаны выводы о вероятности появления верховодки на элювиальных фациях Дубнинского ландшафта: в слое 0 – 50 см за 100 лет возможно 230 случаев верховодки разной продолжительности на 5% площади поля, 22 случая на 15% площади, 3 случая на 25% и 1 случай на 50% площади поля.
- Расчеты водного режима катены до и после мелиорации показывают, что возвышенные фации в целом находятся в условиях дефицита влаги (что не исключает периодического переувлажнения корнеобитаемого слоя, особенно при затяжных дождях), нижняя треть склоновых фаций испытывает переувлажнение. Рекомендовано орошение на возвышенности со среднемноголетней нормой для картофеля 66 мм и дренаж нижней части склона.
- Рекомендовано глубокое мелиоративное рыхление на фоне дренажа на элювиальных фациях с дерново-подзолистыми почвами для снижения негативного влияния периодического переувлажнения пахотного слоя. На этих участках перспективными являются биологические способы мелиорации (выращивание трав с мощной глубокой корневой системой, а также поддержание сообществ дождевых червей). Результатом мероприятий должна стать выраженная водопрочная структура трещиноватого иллювиального горизонта, величины эффективного коэффициента фильтрации порядка 1,5…2,5 м/сут, количество червороин и корневых ходов на глубине 60…100 см порядка 150…200 шт/м2.
Публикации по теме диссертации
- Голованов А.И., Корнеев И.В., Впитывание воды в почву из инфильтрометра с одиночным кольцом: теория и результаты // Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции Московского государственного университета природообустройства «Природообустройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России». – М., 2005
- Корнеев И.В. Влияние изменчивости водопроницаемости иллювиального горизонта на водный режим дерново-подзолистых почв возвышенных фаций // Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции Московского государственного университета природообустройства «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем», – М., 2006
- Корнеев И.В. Инфильтрометр с одиночным кольцом: теория и практика // Сборник научных докладов (статей) 2-й Всероссийской конференции молодых ученых «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации», Ассоциация организаций водохозяйственного комплекса; ФГНУ ВНИИ «Радуга». – Коломна, 2005
- Корнеев И.В. Обоснование мелиоративного режима с помощью модели влагопереноса на сопряженных фациях // Сборник научных докладов (статей) 3-й Всероссийской конференции молодых ученых «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации», Ассоциация организаций водохозяйственного комплекса; ФГНУ ВНИИ «Радуга». – Коломна, 2006
- Корнеев И.В. Расчет верховодки в дерново-подзолистых почвах // Мелиорация и водное хозяйство, 2007, №2
