Изучение почвенного покрова в значительной мере связано с использованием структурно-функционального подхода, который предполагает тесную взаимообусловленность структуры почвенного покрова и аспектов функционирования составляющих его почв. При использовании данного подхода основное внимание уделяется перераспределению в почвенном покрове веществ и энергии, а также последствиям данного перераспределения. В первую очередь – это миграция влаги, как вертикальная, так и горизонтальная. Не менее важный фактор - температура почв и потоки энергии, поскольку практически все протекающие в почве процессы накладываются на непрерывные изменения температуры активного слоя почв, обусловленные суточной и годовой цикличностью. Температурные градиенты, возникающие при этом, в свою очередь определяют неоднородности функционирования почвенного покрова, которые могут быть вызваны как особенностями рельефа, так и различиями в тепловых свойствах входящих в них почв [1]. Все это определяет актуальность изучения латеральной изменчивости температуры почв, поскольку дает возможность полнее раскрыть все стороны функционирования почв и почвенного покрова.
Целью исследований являлось изучение особенностей температурного поля обусловленного рельефом на эродированных черноземах Предсалаирья. В задачи исследований входило:
- изучить и сопоставить гидротермические режимы активного слоя почв разной степени эродированности в суточной динамике;
- оценить роль пространственного распределения физических свойств почв в формировании температурного поля почвенного покрова склоновых поверхностей.
Объекты и методы исследований
Исследования проводились в лесостепной зоне, в пределах Буготакского мелкосопочника, являющегося частью Предсалаирской денудационно-аккумулятивной равнины, расположенной на юге Западной Сибири, в правобережной части бассейна Оби. Это возвышенная холмистая равнина с абсолютными отметками высот 200-350 м. Густота горизонтального расчленения составляет 1,5-2,2 км/км2 , вертикальное расчленение 75-100 м. Основными элементами рельефа являются склоны, преимущественно выпуклой формы. Климат Предсалаирья резко континентальный, характеризующийся холодной и продолжительной зимой, довольно жарким и коротким летом и короткой, порой с бурным снеготаянием, весной. Сумма осадков в среднем 400 мм с максимумами до 550 мм, из них осадков зимнего периода в среднем до 40%.
Почвообразующие породы – четвертичные лессовидные карбонатные суглинки мощностью до 10-15 м, среднего и тяжелого гранулометрического состава. Одна из особенностей данного типа суглинков заключается в их характерном микроморфологическом строении. Они имеют конгломеративно-ячеистую структуру, когда крупные пылеватые и даже песчаные частицы составляют ядро микроагрегата, вокруг которого глинистые частицы связывают пылеватые, образуя как бы конкреции губчатого обрастания [2]. Дальнейшая цементация происходит под действием минеральных растворов, перемещающихся в виде пленочной влаги или коллоидами. Такие структурные связи между частицами в лессовидном суглинке часто очень слабы и при достаточно длительном воздействии воды, вследствие выщелачивания карбонатного или размягчения глинисто-коллоидального цемента, начинают ослабевать и утрачиваться, что создает условия для легкой размываемости суглинков в верхних горизонтах и проявления эрозионных процессов.
Почвы. Хорошая дренированность Предсалаирья способствовала формированию автоморфных почв, которые занимают около 80% территории. Наибольшее распространение получили выщелоченные, оподзоленные черноземы и темно-серые лесные почвы. Для Буготакского мелкосопочника характерно преобладание черноземов оподзоленных. Вследствие значительной расчлененности рельефа, больших водозапасов в снежном покрове, короткого и интенсивного снеготаяния, большинство склоновых почв подвержено эрозионным процессам в той или иной степени [4].
Объекты и методы исследования
В качестве объектов исследований нами рассматривался и анализировался сопряженный ряд почв, расположенных на склоне юго-восточной экспозиции. Склон длиной 411м выпуклой формы с абсолютными отметками от 258 до 242 м (рис. 1). Уклоны от 10 в верхней части склона до 60 - в нижней.
Основу почвенного покрова склона составляют оподзоленные черноземы (60%), занимающие водораздельные участки, верхнюю и среднюю часть склона. Они геохимически сопряжены с темно-серыми почвами, приуроченными к нижней трети склона. На их долю приходится 39% площади. Минимальное распространение на шлейфе склона получили намытые луговые оподзоленные почвы [3]. Было выбрано 5 ключевых площадок с почвами: 1 – чернозем оподзоленный неэродированный; 2 – чернозем оподзоленный слабоэродированный; 3 – темно-серая лесная слабоэродированная; 4 – чернозем оподзоленный сильноэродированный; 5 – луговая средненамытая.
На выбранных площадках закладывались разрезы, в которых отбирались образцы для определения физических свойств, устанавливались автономные регистраторы температуры DS-1921G “Thermochron” до глубины 50 см через каждые 5 см, начиная с поверхности. Датчики были запрограммированы на фиксацию температуры через каждые полчаса. Влажность почв определяли термостатно-весовым методом. Образцы отбирались один раз в декаду буром через 10 см до глубины 50 см в трехкратной повторности. Проводились наблюдения за температурой воздуха и осадками. Период наблюдения по всем параметрам с 1 июля по 15 августа.
Результаты исследования и их обсуждение
Определение плотности выделенных почв показало, что наибольшая плотность пахотного горизонта отмечалась в неэродированном черноземе оподзоленном и в луговой намытой почве. Подпахотный горизонт наиболее плотным также оказался в черноземе оподзоленном неэродированном, тогда как в луговой намытой почве этот горизонт отличался неравномерностью уплотнения от 1,21г/см3 до 1,40 г/см3, что свидетельствует о своеобразии формирования профиля намытых почв. В целом следует отметить – чернозем оподзоленный неэродированный, расположенный на плакоре, оказался сильно и равномерно уплотнен. Луговая намытая почва в нижней части склона также в целом более уплотнена. Почвы в средней части склона характеризовались относительной рыхлостью пахотного горизонта (1,15-1,21 г/см3) и равномерной плотностью подпахотного в пределах 1,31-1,36 г/см3.
Определение влажности в начале периода наблюдений показало, что 50-сантиметровый слой почти всех выделенных почв иссушен практически одинаково до 62-64% от НВ. В луговой средненамытой почве увлажнение было несколько выше – около 70%НВ. Условия атмосферного увлажнения периода наблюдений характеризовались неравномерностью выпадения осадков. Выпавшие в первой декаде осадки (55 мм) полностью разместились в наблюдаемом слое практически всех почв. Гравитационной влаги не было зафиксировано по всей катене кроме луговой средненамытой почвы. Там на момент определения (10 июля) содержалось 20 мм свободной влаги. Следует отметить, что повышенный уровень увлажнения (>НВ) отмечался в профиле луговой средненамытой почвы в течение всего периода наблюдений.
С 27 июля по 15 августа при малом количестве атмосферных осадков (8 мм) шел активный расход влаги во всех выделенных почвах. В конце наблюдений черноземы содержали в среднем 70% влаги от НВ. В темно-серой лесной и луговой средненамытой почвах содержалось 83 и 88% от НВ соответственно (рис. 2).
Для характеристики суточного хода температур было выбрано два периода по 5 дней, различающихся по погодным условиям. Первый (с 5 по 10 июля) был жарким и влажным. Средняя температура воздуха составила +20,90С; максимальная поднималась до +28,10С, минимальная – +14,60С; обильные осадки. Второй, с 5 по 10 августа, был теплым и сухим со средней температурой воздуха +18,70С. В один из дней периода ночная температура воздуха снижалась до +100С; осадков практически не было. Суточные колебания температуры наблюдались до глубины 35 см, на глубине 40 см они были почти незаметны, на глубине 50 см не зафиксированы. Суточный ход температур в трех почвах наиболее контрастных по влажностному режиму – черноземе оподзоленном неэродированном (черная линия на графике), серой лесной почве слабоэродированной (зеленая линия) и луговой средненнамытой почве (красная линия) представлен на рисунке 3.
Рис. 1. Расположение разрезов на склоне
Таблица 1
Плотность деятельного слоя эродированных почв Предсалаирья (2016 г., июль)
|
Слои, см |
Чернозем оподзоленный неэродированный |
Чернозем оподзоленный слабоэродированный |
Серая лесная слабоэродированная |
Чернозем оподзоленный сильноэродированный |
Луговая средненамытая |
|
0-10 |
1,24 |
1,14 |
1,04 |
1,07 |
1,30 |
|
10-20 |
1,23 |
1,29 |
1,25 |
1,24 |
1,30 |
|
Среднее пахотный горизонт |
1,24 |
1,21 |
1,15 |
1,15 |
1,30 |
|
20-30 |
1,29 |
1,32 |
1,25 |
1,32 |
1,21 |
|
30-40 |
1,44 |
1,35 |
1,34 |
1,37 |
1,40 |
|
40-50 |
1,42 |
1,42 |
1,32 |
1,32 |
1,31 |
|
Среднее подпахотный горизонт |
1,38 |
1,36 |
1,31 |
1,34 |
1,31 |
|
Среднее по всему слою |
1,31 |
1,28 |
1,23 |
1,25 |
1,30 |
Таблица 2
Средние за период наблюдения (1.07 – 15.08) температуры профиля эродированных почв Предсалаирья, 0С
|
Слой, см |
Чернозем оподоленный неэродированный |
Чернозем оодзоленный слабоэродированный |
Серая лесная слабоэродированная |
Чернозем оподзоленный сильноэродированный |
Луговая средненамытая |
|
0-20 |
20,8 |
20,6 |
20,3 |
20,7 |
19,7 |
|
20-50 |
19,6 |
19,7 |
19,4 |
19,3 |
17,9 |
|
0-50 |
20,2 |
20,2 |
19,9 |
20,0 |
18,8 |
Рис.2. Хроноизоплеты влажности в эродированных черноземах в слое 0-50 см за период с 1 июля по 15 августа, % от веса
1 – чернозем оподзоленный неэродированный; 2 – чернозем оподзоленный слабоэродированный; 3 – темно-серая лесная слабоэродированная; 4 – чернозем оподзоленный сильноэродированный; 5 – луговая средненамытая
А Б
Рис.3. Суточный ход температур в профиле эродированных почв Предсалаирья; А - 5-10 июля; Б – 5-10 августа; 1ый ряд – на поверхности; 2ой ряд – на глубине 10 см; 3ий ряд – на глубине 20 см
В обеих сериях наблюдений наряду с суточными колебаниями фиксировались устойчивые тренды повышения температур в первой серии и снижения во второй. Размах колебаний дневных и ночных температур различался по периодам наблюдений. В первом периоде на поверхности почвы он составил в среднем 150, на глубине 10 см – 80 и на глубине 20 см - 40, причем по почвенным разностям практически не различался. Выпадающие осадки приводили к заметному уменьшению теплового потока. Размах колебаний снижался до 110 . В более сухом периоде картина изменилась. Снизился размах колебаний между дневными и ночными температурами и, соответственно, снизились среднесуточные температуры. Кроме того, почвенные разности четко разграничены по температурному режиму. Так поверхность чернозема оподзоленного теплее серой лесной слабоэродированной почвы порой на 60, а луговой намытой - даже на 80. На глубине 10 см чернозем и серая лесная почвы абсолютно идентичны по температурному режиму, а вот луговая намытая в среднем на 50 холоднее. На глубине 20 см опять фиксируется четкое разграничение – чернозем оподзоленный неэродированный теплее серой лесной слабоэродированной почвы на 20 и луговой намытой – на 40.
Анализ средних значений температуры почв за весь период наблюдений (42 дня) подтвердил выводы, сделанные выше. В пахотном горизонте исследуемых почв более низкие температуры, в среднем на 1,10С, отмечены в темно-серой лесной слабоэродированной почве и в луговой средненамытой почве. В подпахотном горизонте отличие луговой средненамытой почвы от других почвенных разностей увеличилось до 1,80С. Причину этого, на наш взгляд, следует искать в своеобразии сложения ее профиля: неравномерное уплотнение, наличие прослоек с низкой плотностью, а, следовательно, с более низкой температуропроводностью, тормозящих проникновение температурной волны. Кроме того, луговая средненамытая почва обладает мощной гумусовой толщей, что также способствует снижению температуропроводности. Черноземы оподзоленные как более плотные и равномерно сложенные, особенно на плакоре, значительно теплее. Таким образом, пространственная неоднородность свойств почв, с одной стороны, и метеорологических условий на поверхности – с другой, приводит к возникновению и развитию пространственных неоднородностей в температурном режиме почвенного покрова.
Заключение
Температурное поле пахотных почв, формирующееся в комплексном почвенном покрове склоновых поверхностей Предсалаирья, является закономерно латерально неоднородным. В течение вегетационного периода серая лесная слабоэродированная и луговая намытая почвы в отличие от черноземов характеризуются более низкой температурой, особенно в подпахотном горизонте. Расхождения в температурах сопряженных почв составляют 0,5-20С. Это проявляется в наблюдениях как за суточным ходом температур в почвах при разных погодных условиях, так и за их сезонными колебаниями. В условиях однотипной агрогенной растительности изменчивость температурного поля в почвенном покрове объясняется различиями в строении профиля составляющих покров почв и в физических свойствах различных горизонтов, в первую очередь их температуропроводности. Задача ближайшего будущего подобного рода исследований, на наш взгляд – это создание математических моделей эволюции сопряженных почв, основанных на количественных оценках интенсивности протекания различных внутрипочвенных процессов при различной температуре. Такие модели востребованы в самых разных областях, например при экологическом прогнозировании развития эрозионных процессов или прогнозировании продукционного процесса сельскохозяйственных экосистем.