Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

Рис. X.1. Профильные распределения влажности в гомогенной почве за период наблюдения

Такойтиппредставленияданныхповлажностиудобенвтомслучае, если мы хотим уделить особое внимание нисходящим и восходящимпроцессамдвиженияводывпочве.Внашемпримересразупосле полива площадки насытился только верхний слой, влага не проникла глубже 20 см, но уже на вторые сутки фронт увлажнения захватил 20сантиметровую толщу, на 4-е всю рассматриваемую, при этом уже интенсивно иссушались верхние 10 см почвы. Можно предположить, что преобладало нисходящее движение, которое после 4 суток сменилось на восходящее.

Если перед нами стоит задача детально проанализировать, как изменялась влажность в отдельных слоях, то лучше всего использовать динамические кривые (рис.X.2).

В этом случае хорошо видно, что влажность нижнего слоя изменялась очень мало,постепенно увеличиваясь. А вотверхний слой, напротив, интенсивно иссушался. Этот способ представления незаменим,когдамыхотимсравнитьпослойнуюдинамикудвухобъектовили сравнить реальные данные с расчетными. Для таких ситуаций он самый наглядный.

Однако наиболее распространенным является изображение данныхповлажностиввидехроноизоплет.Хроноизоплеты линиисравнымизначениямивлажностивкоординатахY X:«глубина» «время».

Рис.X.2. Динамические кривые влажности гомогенной почвы за период наблюдения

Картахроноизоплетаналогичнакартеизогипс,илитопографической карте, на которой соединены горизонталями точки с одинаковой высотой. В нашем же случае хроноизоплетами соединены точки с одинаковой влажностью. На рис. X.3 приведена карта хроноизоплет с рассматриваемым нами случаем. При использовании хроноизоплет открываются широкие возможности для анализа: можно анализироватьформыхроноизоплет,проникновениевлаги,долюпростран- ственно-временного поля с определенным диапазоном влаги, видна границапроникновениявлагиипр.Хорошоэтовиднолишьдлягомогенной почвы. Иное дело, если у нас почва не гомогенная по текстуре и сложению, а имеется слой с другим гранулометрическим составом. Не чернозем (как в нашем исходном примере), а дерново-подзолистая с явно выделяющимся опесчаненным горизонтом А2. Опесчаненный в нашем случае означает, что он имеет более низкие значения влажности, однако вовсе не обязательно он будет более сухим. Пусть горизонт расположен на глубине от 15 до 21 см и имеет влажности, представленные в табл.Х.2.

Хроноизоплетывлажности,построенныедлягомогеннойислоистой почв, представлены на рис. X.3 а, б. Хроноизоплеты для слоистой почвы (рис. Х.3, б) являются трудно интерпретируемыми. Остается неясным, как двигалась вода, как шло испарение и т.д.

Рис.X.3. Хроноизоплеты влажности в гомогенной (а) и слоистой (б) почвах

Такое представление явно неудобно, недопустимо. Общепринятые подходы вэтом случаеследующие: либо использоватьпонятие относительнойвлажностипочвы,либонанестинахроноизоплетылиниис характернымизначениямигидрологическихконстантдляконкретных слоев. Используем первый подход, учитывая, что относительная влажность это отношение реальной влажности к наименьшей влагоемкости, а НВ для указанных слоев составляет 32, 12, 28 и 27 %. Тогда карта хроноизоплет будет иметь следующий вид (рис. X.4, а).

Теперь,каквидноизрис.X.4,б,можнодостаточноопределенно судить о наличии в почве доступной влаги, причем как в отношении мощности слоя со значениями от НВ до 0.7 НВ, так и длительности благоприятного для растений периода. Можно также судить и о глу-

Т а б л и ц а Х. 2

Влажности почв (% к весу) по слоям в период наблюдений (слоистая почва дерново-подзолистая)

Рис.X.4. Хроноизоплеты относительной влажности слоистой почвы (а) и хроноизоплеты влажности почвы с нанесенными гидрологическими константами (б)

бине, и длительности проявления периода анаэробиоза в почве. Его будетхарактеризоватьплощадь,окаймляемаяхроноизоплетойсвлажностью более ПВ-10, в % к объему (на рис.Х.4 не приведена, так как таких значений в опыте не было). Отметим здесь, что все категории влажностидолжныбытьвыраженылибоввидеобъемныхпроцентов, либо в весовых (массовых). Если использовать весовые %, то последняя градация должна быть представлена (ПВ 10% / b), где b – плотность рассматриваемого слоя, в ПВ выражена в % к абсолютно сухой массе почвы. Такого рода анализ хроноизоплет влажности позволяет судить о жизни почвы со всех сторон: со стороны наличия доступнойвлагидлярастений(агрофизическийаспект),состороныпротеканиявпочвеспецифическиханаэробныхпроцессов,атакжепериодов засухи(эволюционныйимелиоративныйаспекты).

Конечно, вслоистых почвах такого рода анализ с привлечением почвенно-гидрологических констант и характерных диапазонов влаги весьма показателен. Более того, если величины почвенной влаги представленывовлажностях,онединственновозможен.Однакопредставительной (и легко читаемой) является карта хроноизобар, т.е. изолинийвтойжеплоскости«глубина–время»,соединяющихравные значения давления влаги. В этом случае уже нет нужды привлекать аппаратотносительныхвлажностейилинаноситьдополнительнока-

А это дает возможность однозначно говорить и о направлении движенияпочвенной влагивпределах каждогоотрезка времени(анализ проводить по вертикальной оси для одного и того же времени): влага будет двигаться от точек с меньшим pF в сторону больших значений.

По-видимому,представлениеводногорежимапочвыввидехро- ноизобар предпочтительнее. Эти картины можно построить, если иметьосновнуюгидрофизическуюхарактеристикудлякаждогослоя почвы,чтобыперевестизначениявлажностивзначениякапиллярносорбционногодавления.

Длязавершения картиныводногорежимапочв (вспомним,водный режим процессы поступления влаги в почву, перераспределения и расходования влаги из почвы, т.е. надо указать поступающие осадкиирасходводынаиспарение)необходимодобавитьнаверхней границе почвы динамику осадков, температуры, влажности воздуха, испаряемости. Тогда картина водного режима почв будет достаточнополной.Онаприведенанарис.X.6.

Есть несколько общих принципов анализа карты хроноизоплет влажности или давления почвенной влаги. Первый мы уже обсуждали это выделение неблагоприятных в отношении содержания воздухаивлагипочвенныхзонипериодов.Накартехроноизоплетнадо выделить площади, соответствующие внутренней части хроноизоплеты (ПВ10%) или хроноизобары pF 1.7. Это зоны с недостатком воздуха. Если эти зоны находятся в корнеобитаемой толще и их длительность несколько суток, то можно ожидать снижения продуктивности растений вследствие недостатка воздуха.

Отметим, впрочем, что это касается лишь мезофитных растений,неимеющихспециальныхприспособленийдляпреодоленияанаэробных периодов (например, аэренхимы). Надо также выделить зоны с хроноизоплетами влажности (0.7 НВ) и ВЗ или хроноизобарами с pF 3.0 и 4.18. Они укажут пространственное распространение в профиле почвы и длительность неблагоприятных, засушливыхпериодов. Еслихроноизоплетыс0.7 НВиpF 3.0характеризуют труднодоступнуювлагуивозможныепотери продуктивностивследствие недостатка влаги, то с ВЗ (с pF 4.18) условия гибели растений вследствие почвенной засухи. Так анализируютсяводно-воз- душные условия почвы по карте хроноизоплет. Однако на карте можно обнаружить и ряд особых моментов, указывающих на специфику переноса влаги в этой в почве. Это второй важный момент при анализе хроноизоплет. К примеру, на карте в глубинных слоях обнаруживается замкнутая область, ограниченная хроноизоплетой со значениями выше или ниже окружающих ее значений.

Рис. X.6.Картыхроноизоплет влажности(а)идавлениявлаги вединицах pF (б) в почве с указанием метеоусловий – наиболее полные характеристики элементов водного режима почв

Замкнутая зона может указывать на то, что сюда особым образом, специфическимтолькодляпочвыизповерхностныхслоев,проникло некоторое количество влаги, что и повысило здесь ее давление. Повидимому,этопроизошлопоспецифическимпочвеннымобразованиям, трещинам и макропорам, что позволило влаге проникнуть через почвенный слой, практически его не увлажняя. В результате это отразилось в увлажнении слоя почвы на некоторой глубине, которое может существовать в более сухих зонах верхнего и нижележащего слоев.Графическинакартехроноизоплетэтопроявилосьввидезоны сзамкнутымиизоплетами,характеризующимиболеевысокуювлажностьвокружениинизкихзначений(какнекотороевозвышение,холм, натопографическойкартеравнины).Напротив,наблюдатьвнутрипочвы зону более сухую, чем выше- и нижележащие, практически не удается или в весьма специфических случаях и кратковременно.

10

Рис. X.7. Топоизоплеты относительной влажности чернозема (а) после полива капельным способом (0 положение капельницы) и влажности серой лесной почвы на участке сельскохозяйственного поля 70 80 м на глубине 35 40 см (б)

Трудно себе представить, что на какой-то глубине имеется повышенное скопление корней, которые интенсивно потребляют влагу именно из этого слоя. Это физически маловероятно, учитывая, что давление влаги в корневой системе выравнено. Поэтому появление такого рода «пятен» на карте скорее всего связано с ошибками в исходных данных, определениях НВ (если данные представлены в виде относительной влажности) или в особенностях автоматизированной прорисовки хроноизоплет влажности, где такие процедуры сглаживания, как «кригинг», «метод обратного расстояния» или «сплайн», принятые в картографии, малопригодны. Более «физична» в этом случае процедура линейного сглаживания. Характерными ошибками являются также незамкнутость или прерывание хроноизоплет, их пересечение. Это явные ошибки графического представления водного (да и любого другого) режима.

Кромехроноизоплетнередкоиспользуютитопоизоплетывлажности или давления влаги. В этом случае поле хроноизоплет имеет только пространственные координаты для какого-либо конкретного момента времени. Примером может служить распределение относительнойвлажностипочвыпослеполивакапельныморошением.Этот способ полива заключается в том, что из специально устроенной капельницыпокаплямвтечениенекотороговремени(обычнооколо1 1.5 суток) вода поступает в почву. Она перераспределяется в почве, образуя область увлажнения, хорошо совпадающую с корневой сис-

темой растений. Рис.Х.7, а изображает топоизоплеты относительнойвлажностипослекапельногополива,гдеположениекапельницы обозначено точкой «0» на оси расстояния. Обычно положение капельницы совпадает сположениемстволадерева, кустарникахлопчатника,куста томатови пр.На рис.Х.7, апоказано, что влагаочень равномерно распределяется в пространстве при таком локальном увлажнении, когда и поверхность почвы остается сухой, и глубоко вниз влага тоже не проникает. Используют топоизоплеты влажности или давления, для того чтобы изучить не только профиль смоченности в осях «глубина расстояние по горизонтали», но и пространственное распределение влажности на какой-то конкретной глубине по изучаемому пространству. Примером может служить рисунок распределения влажности на глубине 35 40 см по участку сельскохозяйственного поля 70 80 м, полученного во Владимирской области, во Владимирском ополье недалеко от г. Суздаля.

На участке поля, на одной и той же глубине видны зоны, заметно различающиеся по влажности (рис.Х.7, б), что, безусловно, указывает на ее пространственную неоднородность. Связано это преждевсего снеоднородностьюпочвенного покрова,материнских пород, с микро- и мезорельефом. Более подробно мы это обсудим в части XVIII.

Водный режим почв процессы поступления влаги в почву, ее перераспределения и расходования.

Водный режим почв послойная динамика содержания воды и/или энергетического состояния воды (влажности и/или давления влаги) в рассматриваемой почвенной толще, выраженная с учетом послойного изменения почвенно-гидрологических констант (относительная влажность) и метеоусловий за определенный период в рассматриваемой толще почвы.

Хроноизоплеты влажности линии равных значений влажности (давления влаги) в поле координат «глубина почвы–вре- мя» с указанием динамики метеоусловий за рассматриваемое время.

Топоизоплеты линии равных значений влажности в координатах «глубина почвы расстояние по горизонтали» в определенный момент времени.

2.Водный баланс почв

2.1.Составляющие и уравнение водного баланса

Процессы поступления, расходования воды в почве весь-

ма разнообразны. На рис.Х.8 схематично все они представлены. Этоуже знакомые процессы поступления и перераспределения влаги в виде осадков и последующего процесса инфильтрации (впитывания). Процессы внутрипочвенных вертикальных перетоковвлаги в виде подтока влаги из глубинных слоев или грунтовых вод, или внутрипочвенногостока, которые могут происходит как внасыщенной (фильтрация), так и в не насыщенной влагой почве. В гидрологическомциклепредставлены идругиеважныепроцессы, такиекак испарение и испаряемость, транспирация растений. На них, их физических особенностях мы остановимся чуть позже. А пока попытаемся составить водный баланс, т.е. найти соответствие приходных и расходных статей всех этих разнообразных гидрологических процессов в почве и на ее границах.

Для любой точки, участка на поверхности почвы можно составить баланс влаги, учитывая поступающие и расходные статьи водного баланса. Надо только всегда иметь в виду, что при составлении баланса воды необходимо четко оговаривать три условия: 1) для какой толщи составляется баланс, 2) для какого промежутка времени и 3) использовать одни и те же единицы (размерности) для различных составляющих водного баланса.

Первое условие вытекает из данного ранее определения почвы как объекта изучения физических свойств и процессов, второе важно для понимания гидрологии почвы, ее сезонных, годовых и прочих периодов, а без третьего просто невозможны никакие расчеты в физике почв. Именно из-за этого водный баланс нередко называют количественным выражением водного режима почв.

Водный баланс оценка прихода и расхода воды в определенном слое почвы за конкретный период. Складывается из поступления воды с осадками, конденсации воды из воздуха, в том числе почвенного, подтока из грунтовых вод. Расходные статьи баланса поверхностный и внутрипочвенный сток, транспирация,испарение.

Водный баланс это количественное выражение водного режима почв.