Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Водный режим и режим воздухоносной пористости в орошаемых черноземах

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Водный режим и режим воздухоносной пористости в орошаемых черноземах"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М. В. ЛОМОНОСОВА

Факультет почвоведения

На правах рукописи УДК 631.43

ВАСИЛЬЕВА Марина Викторовна

ВОДНЫЙ РЕЖИМ И РЕЖИМ ВОЗДУХОНОСНОЙ ПОРИСТОСТИ В ОРОШАЕМЫХ ЧЕРНОЗЕМАХ (при вегетационных поливах)

Специальность 03. 00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА - 1991

Работа выполнена на .кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета имени М. К Ломоносова

Научный руководитель доктор биологических наук, с. н. с. Е. В. Шеин

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук А. Г. Бондарев кандидат биологических наук Е Г. Зборищук

Ведущее учреждение: институт почвоведения и фотосинтеза АН СССР, г. Пущино

Защита состоится "У" (ХПреЛЯ 1992 г. в 15 чае. 30 мин. в аудитории М-2 на заседании Специализированного совета по почвоведению К053.05.16 в МГУ им. М. В. Ломоносова по адресу: Москва, 119899,, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан " " _1992 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании Специализированного совета по почвоведению в МГУ. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному выше адресу.

Ученый секретарь ___

Специализированного совета Г. К Мотузова

■ Ага уальность проблемы. Главным результатом ирригационных ме-ponpmrft й является изменение природных, не всегда благоприятных длящее,® скохозяйственного использования, свойств почв и почвенных рёжймой"1 с целью повышения биологической продуктивности агроцено-зов. Однако под влиянием орошения нередко отмечаются нежелательные изменения почв, особенно в черноземной зоне (Ковда,1969,1986; Розанов и др.,1980; Гоголев,1986). Одна из причин этого явления -отсутствие оптимальных режимов орошения, которое иногда приводит к возникновению неблагоприятных периодов в водном, воздушном и газовом режимах почв. В сеязи с широким развитием ирригационного земледелия возрастает необходимость всестороннего исследования физических свойств и режимов орошаемых почв, их прогнозирования и оптимизации.

Цель работы. Исследование, прогноз и оценка водного режима и режима воздухоносной пористости черноземов в условиях орошения.

Задачи исследования. Соответственно указанной цели исследования были поставлены следующие задачи:

1. Определение структурно-гидрофизических характеристик для объектов исследования.

2. Экспериментальное получение in situ динамик влажности, давления почвенной влаги, воздухоносной пористости почв и агрегатов, газового состава почвенного воздуха

3. Характеристика воздушного режима в течение вегетационного сезона в терминах удельных объемов пор почвы и агрегатов, занятых воздухом.

4. Прогноз водно-воздушного режима орошаемых почв в зависимости от плотности пахотного горизонта.

Научная новизна. Проведена оценка режима воздухоносной пористости орошаемых почв с учетом процессов набухания и усадки. На основе экспериментально полученных структурно-гидрофизических характеристик при различной плотности почвы осуществлено поливариантное прогнозирование водно-воздушного режима орошаемого чернозема южного для условий широкого диапазона колебаний плотности поверхностного горизонта.

Практическая ценность. Проведена сравнительная оценка водного режима и режима воздухоносной пористости орошаемых почв, находящихся на территории 1-й очереди Нижне-Днестровской оросительной системы (НДОС) с учетом критических значений режимных параметров. Полученные данные позволяют разработать рекомендации по регулиро-

$анию водно-воздушного режима орошаемых земель на основе оптимизации структурно-гидрофизических характеристик почвы.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. Ломоносова (1990), на 7 Всесоюзном съезде общества почвоведов (Новосибирск, 1989), на Всесоюзном совещании по оросительным мелиорациям и химизации земледелия (Новочеркасск, 1989).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 180 страницах, включает 20 таблиц, 59 рисунков, состоит из введения,6 глав, выводов, списка литературы и приложения. Список литературы содержит наименований., в том числе иностранных.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводилсь в течение вегетационных сезонов 1988 и 1989 годов в производственных условиях на территории 1-й очереди НДОС в Одесской области на почвах, расположенных в различных гидрологических условиях. Исследовались почвенно-физические режимы чернозема южного в автоморфных условиях с уровнем грунтовых вод (УГВ) около 13 м ; чернозема южного вторично полугидроморфно-го с УГВ 7 м (в почвенном профиле отсутствуют видимые признаки гидроморфизма); чернозема южного вторично гидроморфного с УГВ 1.5 м, находящегося в зоне действия приканального купола грунтовых вод. Все почвенные разности характеризуются равнозначностью условий почвообразования, они близки по гранулометрическому составу и содержанию гумуса Почвы - черноземы южные тяжелосуглинистые сла-богумусные орошаются в течение 14 лет пресными гидрокарбонат-но-кальциевыми водами р. Днестр. Орошение территории проводится методом дождевания при помощи установки "Днепр".

В 1988 г. все почвенные объекты находились в непосредственной близости друг от друга на расстоянии не более 400 м под посевами люцерны,а в 1989 г. - под посевами кукурузы на силос. Все участки, выбранные для режимных наблюдений, характеризовались равноценными агропроизводственными мероприятиями. В целом, физические свойства исследуемых почв являются благоприятными для орошения. Следует отметить повышенную от 1. 44 г/см*з до 1. 47 г/см*з плотность поверхностных горизонтов, наблюдаемую в 1988 г., что

-з-

связано, по-видимому, с длительным возделыванием в течение 3-х лет на этих участках люцерны и применяемой соответствующей агро-технологией. Глубже, до 2 м, плотность почвы - от 1. 40 г/см*з до 1.50 г/см*з. Фильтрация с поверхности неудовлетворительная (по оценочным категориям для орошаемых черноземов) - Кф=18-20 см/сут. И как результат этого - при поливе отмечалось образование на поверхности почв луж. Неблагоприятным свойством представляется содержание в поверхностном 20-см слое фракций агрегатов диаметром (d) > 10 мм и < 0.25 мм - их суша составляет 45-85 % . Наименьшая влагоемкость (KB) пахотного слоя достигает 23-26 Z (по весу), несколько снижаясь в последующих слоях до 21 % . Влажность завя-дания (ВЗ) в пределах 50 см толщи составляет 14-15 %, глубже уменьшается до 12 %. В 1989 г. после распашки пласта люцерны плотность поверхностных слоев почвы уменьшилась до величин благоприятных и оптимальных для орошаемых черноземов - 1.2-1.3 г/см*з (Бондарев, 1978; Ревут и др., 1987). Сумма фракций d > 10 мм и < 0. 25 мм резко снижена до 25-45 Z. Коэффициент фильтрации возрос до 120-200 см/сут. НВ в поверхностных горизонтах достигла величин 26-30 %. Плотность агрегатов практически не изменилась за 2 года

Методы исследования. Основные физические свойства и режимы почв исследовались традиционными методами (Вадюнина, Корчагина, 1983). Наблюдения за динамикой влажности осуществлялось термостатно-весовым методом, динамика давления почвенной влаги в полевых условиях оценивалась тёнзиометрами с ртутными манометрами (Судницын, 1979). Транспирация растений измерялась методом быстрого взвешивания (Иванов, 1950). Плотность почвы определялась методом "стержней" или "реперов" (Атаманюк, 1970; Судаков и др. ,1986); плотность почвеных педов - буровым методом (Вадюнина и др., 1986); плотность агрегатов d=3-5 мм (Qa) - методом гидростатического взвешивания в керосине (Fies, Stengel, 1931). Помимо полевого исследования зависимости плотности почвы от влажности (W) проводилось и лабораторное с помощью прибора набухания грунтов (ПНГ) (Глобус, 1983). Гидрофизические функции определяли с помощью мембранных прессов (Воронин и др. , 1987). Отбор проб почвенного воздуха осуществляли с помощью мембранных пробоотборников (Каспаров и др. , 1985), стационарно устанавливаемых на определенной глубине. Последующий анализ содержания в почвенном воздухе СО^ и О^ проводили методом газо-адсорбционной хроматографии.

ОСНОВШЕ ПАРАМЕТРЫ ОЦЕНКИ ВОДНО-ВОЗДУШНОГО РЕЖИМА

Для непрерывной и взаимосвязанной оценки водного и воздушного режимов почв представляется целесообразным использовать следующие параметры: в водном режиме - влажность почвы (VD и давление почвенной влаги (Р), а для характеристики воздушного режима использовать дифференциальную воздухоносную пористость в единицах удельных объемов пор почвы и агрегатов, занятых воздухом. Для наблюдения за величинами удельных объемов пор почву (Ф) и агрегатов (D) необходимо знать величины плотности почвы (фэ),агрегатов (да) и твердой фазы почвы ,(gs)' и. уже по ним рассчитывать Ф и D 4=l/gb - 1/дз ; IM/ga - 4/gs .

В процессе изучения водного.режима доступность влаги в почвенной толще для растений оценивалась с помощью гидрологических констант - ВЗ, HB и критериев оптимального влагосодержания, нижней границей которого принято значение влажности соответствующее 70 Z от HR При анализе динамики давления почвенной влаги научно обоснованной является величина "критического" давления влаги, при достижении которой желательно назначать полив (Taylor,1972; Суд-ницын,1979,1987; Шеин,1987). При давлении влаги меньше Ркр происходит снижение относительной транспирации и, • как следствие, снижение урожая растений. Для тяжелосуглинистых черноземов при глубоком залегании УГВ в зоне активного водообмена (20-40 см) Ркр составляет: для люцерны (на зеленый корм) - (-40)-(-50) кПа, для кукурузы - (-20)-(-30) кПа (Шзин и др;,1990). Верхним пределом оптимальной увлажненности почвы является капиллярное давление (-5) кПа, так как при. Р> -5 кПа развиваются анаэробные процессы (Судницын,1990).

Необходимым условием при количественной оценке воздушного режима почв является вычленение "критических" параметров.содержания в почве воздуха, а также процентное (%) "содержание в нем основных его газовых компонентов - кислорода и углекислого газа, при которых происходит явное ухудшение жизни-растений и почвенной биоты. Снижение урожая растений происходит по мнению различных исследователей при воздухоносной порозности менее 4-15 % (Вершинин и др. ,1954; Долгов, 1969; Зайдельман, 1984; Wesseling, 1974; Hadgson,1982 и др.). В исследованных черноземах за критическую величину воздухосодержания была принята величина меньше 0.1 см*з/г для почвы, что соответствует пористости аэрации в пределах

12-15 7. (с учетом изменения плотности почвы от И в горизонте А черноземов). При определении величины неблагоприятного содержания воздуха в агрегатах главным критерием, указывающим на процессы анаэробиозиса в агрегатах, послужило низкое значение удельного объема воздуха в почве, поскольку в условиях малого количества воздухопроводящих путей в почве, затрудняющих подток воздуха к отдельных агрегатам, могут развиваться процессы анаэробиозиса. Для черноземов величина критического воздухосодержания в агрегатах составила 0.025 см*з/г. В отношении газового состава почвенного воздуха угнетение большинства сельскохозяйственных растений начинается при содержании 02 в диапазоне 15-17 7. и при концентрации 002 более 1 % в течение достаточно длительного времени (Ревут, 1978; Зборишук,1980; Макаров, 1988 и др.).

СТРУКТУРНО-ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОРОШАЕМЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ

Подход к оценке воздушного режима почв в категориях дифференциальной пористости требует помимо знания динамики влажности почвы в течение периода исследований знание динамики плотности почвы и агрегатов. Анализ динамики плотности почвы на профильном уровне в течение вегетационного сезона (Рис.1) показывает, что плотность поверхностных (до 20 см) слоев почвы подвержена наибольшим колебаниям. По динамике плотностей всех составляющих почвенной структуры - почвы, педов, агрегатов - видно, что наибольшие изменения свойственны плотности агрегатов. Также большим колебаниям подвержена плотность почвенного фрагмента по сравнению с динамикой плотности почвы. Колебания плотностей па всех уровнях организации структуры для исследованных почв i: условиях отсутствия технологических обработок в первую очередь связаны с изменением влажности почвы (то есть с поливами или интенсивными осадками).

На основе режима влажности и динамик плотности почвы и агрегатов были получены зависимости удельных объемов пор почвы и агрегатов, занятых воздухом, от влажности для всех объектов по всему профилю почв. Эти зависимости близки для всех исследованных почвенных разностей (Рис.2). Для всех почвенных слоев зависимость удельного объема воздуха в почве от V близка к линейной за исключением поверхностного 20-см слоя, что обусловлено процессами на-

Рис. 1. ДИНАМИКА ПЛОТНОСТИ ПОЧВЫ / Рь /, ПОЧВЕННЫХ ФРАГМЕНТОВ / / И

АГРЕГАТОВ /до. I ДЛЯ СЛОЕВ 0-10 см /а/, 10-20 /б/ И ПЛОТНОСТИ ПОЧВЫ

II - псмиьы , осаЗки

«

Рис. 2. ЗАВИСИМОСТИ УДЕЛЬНОГО ОБЪЕМА ПОР ПОЧВЫ И АГРЕГАТОВ /Ф-Ь', СИ /г/, /Э-^, см3/г/, ЗАНЯТЫХ ВОЗДУХОМ ОТ ВЛАЖНОСТИ /Ь/ , г/г/ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ СДОЕВ ПОЧВЫ.

чернозем южный, УГВ-13 м

Ф-У/ о.Ч-

0.3

<22-

0.1

С/юи:

—I-

0.1

10 см

—I— 0.2

чернозем южный вторично полугидроморфный, УГВ-7 и

0.4-

аз-

02-

0.1-

1-

0.3

----20 см

'V

0.1

_____40 см

0.2 0.5 —V—V— 60 СМ

чернозем южный вторично гидроморфный, УГВ-1,5 м

<24-

,аз-

0.1 0.2 0.$

г.- 1988г. 2-1989г. -(Ф-И 3. - Со- К)

бухания и усадки. Для более глубоких слоев этот процесс маю заметен из-за давления вышележащих слоев. Процессы набухания и усадки в большей степени проявляются в агрегатах: зависимость воздухосодержания (Д-У) от X близка к Э-образной форме. Эти зависимости не являются постоянными, а зависят от состояния поля и агротехнических мероприятий.

В 1988 г. в поверхностном (20 см) слое почв воздухосодержание изменялоь от 0.07 см*з/г до 0.22 см*з/г, а в 1989 г. - от 0.15 см*з/г до 0. 37 см*з/г в одинаковом диапазоне влажностей от 0.1 г/г до 0. 25 г/г. С глубиной воздухосодержание при одной и той же влажности уменьшается, что связано с более высокой плотностью глубинных слоев почвы. На основе этих структурных зависимостей, имея реальную динамику влажности почвы, можно достаточно полно характеризовать воздухосодержание в любой момент времени.

Знание структурных зависимостей и гидрофизических характеристик почв, и прежде всего ОГХ и функции влагопроводности, являются необходимым условием при характеристике существующего водно-воздушного режима, а также при прогнозировании изменений и оптимизации этих почвенных режимов при орошении. По полевым данным о синхронных профилях влажности и давления почвенной влаги для различных слоев почвы была определена основная гидрофизическая характеристика для всех исследованных почв (Рис. 3). Для более глубоких слоев кривые ОГХ смещены в сторону низких влажностей. Изменение плотности почвы поверхностных горизонтов в результате распашки 1989 г. повлияло на форму ОГХ - для всех трех объектов в поверхностных горизонтах (до 40 см) водоудерживаемость в области высоких давлений возросла в 1989 г. по сравнению с 1988 г.. Для более глубоких слоев вид ОГХ естественно остался неизменным.

ВОДНО-ВОЗДУШНЫЙ РЕЖИМ ОРОШАЕМЫХ ПОЧВ

Режимы влажности почвы для исследованных объектов, которые послужили исходной информацией для расчетов воздухосодержания в почве и агрегатах, приведены на рис.4 . В 1988 г. за период наблюдений водный режим заметно отличался для трех участков. Различия обусловлены, в первую очередь, гидрологическими условиями (УГВ), нормами и сроками поливов, поскольку структурно-гидрофизические характеристики для изученных почвенных объектов схожи.

3-

U

Wr/r

0.2 0.3

Рис. 3 Основная гидрофизическая характеристика почв

а) чернозема южного с УГВ 13 м

б) чернозема южного вторично полутидроморфного с УГВ 7 м

в) чернозема южного вторично гидроморфного с УГВ 1.5 м для глубин: 1 - 10 см, 2 - 20 см, 3 - 40 см, 4 - 60 см,

5 - 120 см. Вегетационные сезоны 1988г. ( — ) и 1989г. (- -).

Рис. 4. ХРОНОИЗОПЛЕТЫ ВЛАЖНОСТИ /V/ , г/г/, УДЕЛЬНЫХ ОБЪЕМОВ ВОЗДУХА В ПОЧВЕ /СР-Чл/, см3/г/ И

АГРЕГАТАХ /Т)-\л/, см /г/ В ИССЛЕДОВАННЫХ ПОЧВАХ.

чернозем южный, УГВ-13 м

чернозем южный, УГВ-7 м

чернозем южный, УГВ-1,5 м

1988г

Ф-и/

более 0,25 0,25-0,2 0,2-0,15 менее 0,15 V/

менее 0,075 0,075-0,1 0,1-0,15 0,15-0,2 более 0,2 ф-М

менее 0,025 0,025-0,05 0,05-0,075 0,075-0,1 более 0,1 у/

Для чернозема южного с УГВ 13 м в нижних слоях профиля влажность всегда практически была ниже 70 7. от НВ, за исключением начала вегетационного сезона, когда профиль почвы был более влажным. В поверхностных слоях лишь в отдельные периоды до 3-5 суток после поливов или интенсивных осадков VI приближалась к НВ. Анализ динамики давления почвенной влаги (Р) показал, что в межполивные периоды Р в верхних слоях почвы составляло в среднем (-30)-(-50) кПа, перед поливом достигая и снижаясь менее Ркр. После поливов Р в верхних 40 см почвенного профиля превышало непродолжительное время верхний предел оптимальной увлажненности (-5) кПа. К началу августа произошло значительное иссушение почвенного профиля.

На участке с УГВ 7 м влажность по всему профилю почвы не опускалась ниже 70 % от НВ в течение всего периода наблюдений. Поеле поливов или выпадения осадков в толще до 60 см наблюдались периоды до 4-8 суток с V близкой или выше НВ. Распределение давления влаги в черноземе южном с УГВ 7 м перед поливом и в межпо-лшной период в целом аналогично распределению Р на участке с УГВ 13 м. Но глубже 150 см Р возрастает до (-10) кПа, что свидетельствует о наличии подвижной влаги. Эти условия указывают на возможность глубинного оттока воды при повышенных нормах полива (Шеин,1931).

На участке с УГВ 1.5 м влажность в нижних слоях профиля почвы находилась в диапазоне от НВ до ПВ (полная влагоемкость), а в верхних слоях на уровне 65-80 % от НВ. После интенсивных осадков и поливами нормами выше 500 м*з/га грунтовые воды поднялись до 1 м и Р по профилю довольно продолжительное время составляло величины равные и выше (-5) кПа.

В целом, различия в водном режиме определили заметные различия в воздушном режиме этих участков. На участке с УГВ 13 м практически не наблюдались периоды с недостаточным (менее 0.1 см*з/г) содержанием воздуха в почве. Критических значений воздухосодержа-ние в поверхностных слоях почвы достигало после поливов, их длительность составляла 1-3 суток. Эти явления обусловлены повышенной плотностью горизонтов, но не сказалось на содержании воздуха в агрегатах. Оно было достаточно высоким - более 0.025 см*з/г.

На участке с УГВ 7 м периоды с критическим воздухосодержани-ем в почве также были не продолжительны до 2-5 суток. Содержание воздуха в агрегатах не опускалось ниже 0.025 см*а/г. В черноземе южном вторично гидроморфном вся почвенная толпе* глубже 50 см име-

)(гоц 30.6 10« щг

И

поливы и осадки

Содержание 02 в почвенном воздухе в % : 1 I > 19

19-17

17-15

< 15

Рис.5 Хроноизоплеты содержания 02 (%) в почвенном воздухе:

а) чернозема южного вторично гидроморфного, 1988 г.

б) чернозема южного. УГВ 13 м , 1989 г.

в) чернозема южного вторично полугидроморфного, УГВ 7 м , 1989 г.

ла воздухосодержание ниже критических величин. А в отдельные периоды после поливов недостаточное воздухосодержание в почве и агрегатах отмечалось по всему профилю. Доказательством неблагоприятного воздушного режима в периоды после интенсивных осадков и поливов служит снижение содержания 02 менее 15 7. , а содержание С02 в почвенном воздухе достигало величин 1 % и более (Рис. 5).

После распашки полей в 1989 г. и внесения гипса (2 т/га) под посевами кукурузы на силос колебания влажности в профиле каждой из рассмотренных почв в целом были аналогичны режимам VI в предшествующий год (Рис. 4). За счет снижения плотности почвы поверхностного горизонта произошло улучшение воздушного режима. В профиле почв с УГВ 13 м и 7 м не наблюдалось периодов с неблагопри-

ятным, менее 0.1 см*з/г, воздухосодержанием (за исключением слоя 30-40 см в черноземе южном с УГВ 13 м, который характеризовался повышенной до 1.48 г/см*з плотностью). За счет накопления влаги почвенной толщей при поливах наблюдается возрастание глубины про-мачивания к концу вегетационного периода, что определило увеличение длительности периодов с пониженным воздухосодержанием. Полив кукурузы в конце сезона нормами выше 400 м*з/га на участке с УГВ 13 м вызвал резкое увеличение содержания 00% - от 1-2 7. и выше, а также уменьшение содержания в почвенном воздухе до 15 7. и ниже (Рис.5).

Водно-воздушные режимы 1988-1989 г. г. в черноземе южном вторично гидроморфном аналогичны, различия наблюдаются в поверхностных слоях за счет уменьшения плотности почвы в 1989 г. Периоды с пониженным воздухосодержанием в профиле почвы меньше по длительности по сравнению с предыдущим годом и обусловлены, в первую очередь, режимом орошения и региональным подъемом УГВ.

Таким образом, для поддержания оптимального воздушного режима орошаемых почв необходимы мероприятия по профилактике и борьбе с повышенной плотностью, которая является одной из главных причин неблагоприятного воздушного режима почв, помимо явлений переувлажнения почв в результате переполивов и близкого залегания к дневной поверхности грунтовых вод. Однако научно-обоснованная оптимизация воздушного режима возможна лишь при наличии прогнозов поведения чочвы в различных условиях. Для этой цели широко используются прогностические математические модели.

ПРОГНОЗ ВОДНО-ВОЗДУШНОГО РЕЖИМА ОРОШАЕМЫХ ПОЧВ

ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ПЛОТНОСТИ ПАХОТНОГО ГОРИЗОНТА

Плотность почвы и влагообеспеченность оказывают взаимное влияние на урожай сельскохозяйственных культур. В конкретных условиях увлажнения - оптимальная плотность почвы различна (Ата-манюк,19б8; Долгов,1969; Макаров,1987). В связи с этим мы попытались проанализировать изменения водно-воздушного режима почв с различной плотностью горизонта А чернозема южного при существующем режиме орошения. Поскольку получение данных о влиянии различных физических свойств пахотного горизонта на водный режим и режим воздухоносной пористости в орошаемых почвах' при натурных наб-

Рис. б Основные структурно-гидрофизические характеристики гор. А чернозема южного при различной плотности почвы. Диапазоны плотности почвы: 1 - 1.06-1.18 г/см*з, 2 - 1.19-1.30 г/см*з, 3 - 1.31-1.40 г/см*з, 4-1. 41-1. 55 г/см*з.

людениях длительно и трудоемко, наиболее целесообразным было использование методов математического моделирования. С целью выявления влияния плотности почвы на процесс передвижения влаги для различных диапазонов плотности почвы (полученные материалы не могут характеризовать какую-либо определенную заданную плотность почвы из-за процессов набухания и усадки) были определены структурно-гидрофизические характеристики - ОГХ, ненасыщенная гидравлическая проводимость (НГП) и зависимости воздухосодержания в почве и агрегатах от влажности (Рис. 6). Функции водоудержания и влагопроводности (НГП) были апроксимированы по формулам, предложенными рядом авторов ( Пачепский и др. ,1980; Щербаков и др. ,1981; Rijiema, 1965; Wesseling, 1981 ): для ОГХ - 8=Go/(l+(^*)rni), для НГП - К=а*(¥*(-Ь)).

При апроксимации этих функций выяснено, что параметры (эмпирические коэффициенты Во, т, У*, а, Ь) в этих формулах закономерно изменяются для различных диапазонов плотности почвы. Параметр Во, близкий к значению влажности (в объемных %) при полном насыщении, уменьшается при увеличении плотности почвы; параметр У* увеличивается, а параметрm имеет максимум в диапазоне плотностей от 1.19 г/см*з до 1.30 г/см*з . В формуле, описывающей зависимость коэффициента влагопроводности от всасывающего давления, значение апроксимационного параметра а уменьшается при увеличении плотности (зависимость lg( а)=f(д) носит линейный характер), а параметр Ь имеет максимум в диапазоне (£>=1.19-1.30 (г/см*з).

Прогнозирование режима влажности осуществлено с помощью модели одномерного влагопереноса, основанной на применении закона Дарси и уравнения сохранения массы влаги (Аверьянов идр. ,1974; Щербаков и др.,1981; Feddes et al,1976 и др.). Экспериментальным обеспечением для такого расчета являются гидрофизичесике функции (ОГХ, Кн); начальные условия распределения влажности или давления почвенной влаги в профиле почвы; водно-физические свойства почвенных горизонтов (Кф, плотность почвы, общая порозность); условия на границах почвенной толщи (величина градиента давления на нижней границе, испарение с поверхности почвы и транспирация растений, поливы и осадки - их величина, интенсивность, длительность) , а также интенсивность потребления влаги корнями растений. Была построена адекватная, проверенная по опытным данным модель водного режима почв. При расчетах по программе "M3IST", разработанной ИПиФ АНСССР (Щербаков и др. ,1981), использовались полевые

материалы 1988-1989 г.г.: параметры апроксимации экспериментальных гидрофизических зависимостей, полученных для чернозема южного с УГВ 13 и. Адекватность модели оценивалась по отклонению влажности, вычисленной по модели от замеренной в поле. Сравнение расчетных профилей V с данными натурных наблюдений показало, что отклонения соответствовали допустимой точности порядка 15 7. (в полевых условиях точность определения Ч > 15 % ). На основе воспроизведенных режимов V по структурно-гидрофизическим зависимостям чернозема южного были рассчитаны режимы воздухоносной пористости в почве и агрегатах. Расчетные и экспериментально полученные режимы совпадают, что говорит о хорошей идентификации модели.

На следующем этапе по программе "МЛЕЛ" на основе апроксима-ционных зависимостей гидрофизических функций, полученных для различных диапазонов плотностей пахотного горизонта, были рассчитаны хроноизоплеты влажности (Рис. 7) и давления почвенной влаги по режимам орошения чернозема южного с УГВ 13 м под люцерной и кукурузой. Из анализа расчетных режимов следует вывод, что в диапазоне плотностей меньше 1.19 г/см*з и больше 1.30 г/см*з увеличиваются глубины промачивания почвенной толщи от 80 см до 140-200 см для чернозема под люцерной, а под кукурузой - от 100 см до 160-200 см. Также в этих диапазонах плотностей возрастает отток влаги за пределы 200-см толщи. При плотности пахотного горизонта от 1.19 г/см*з до 1.30 г/см*з, для которого параметры пгхи Ь в апроксима-ционных зависимостях имеют максимум, по сравнению с другими диапазонами плотности почвы, наблюдается меньшая глубина промачивания и отток влаги за пределы 200 см толщи.

По режимам влажности с учетом структурных зависимостей для соответствующего диапазона плотности была рассчитана динамика воздухосодержания в почве и агрегатах. Ее анализ показывает, что воздушный режим почв начинает складываться в неблагоприятном направлении для развития сельскохозяйственных культур в диапазоне плотностей выше 1.30 г/см*з. Периоды с критическим воздухосодер-жанием в поверхностных слоях проявляются при плотности почвы выше 1. 40 г/см*з. Длительность таких периодов возрастает от 3-5 и более суток. В этом же диапазоне плотности содержание воздуха в агрегатах уменьшается до неблагоприятных величин.

Таким образом, выявленные закономерности позволяют установить пути оптимизации водно-воздушного режима орошаемых почв -одним из направлений, которого является создание благоприятных

Рис..7 Хроноизоплеты влажности (У,г/г), удельных объемов воздуха почве (Ф-У/, см*з/г) и агрегатах (Б-И, см*з/г), рассчитанн по программе "МЭ13Т", при различной плотности почвы в гор

Ф-У

^ = 1 ,41-1 ,54 г/см3

Продолжение рис.7

Ю и ¿01 1Л26 0. 20

¿ацШ f *а6 2Р ^ г?£- 'ЧМ

ф-и

1,06-1,18 г/см3

И ■ И , , »

^¿=1 ,19-1,30 г/см

¿0. на. иа.

,31-1,40 г/см;

уь=1,41-1,5А Г/СМ 3

агрофизических параметров - структуры порового пространства и плотности почвы поверхностных горизонтов, а также обосновать возможность нахождения диапазонов плотностей поверхностных горизонтов различных почв, при котором складывающийся водно-воздушный режим будет оптимальным. Результаты исследований связи водного и воздушного режимов с плотностью пахотного горизонта объясняют причины возникновения узкого диапазона плотностей для оптимального роста сельскохозяйственных культур.

ВЫВОДЫ

1. В условиях исследования ( 1-я очередь НДОС Одесской области ) орошаемые южные черноземы под люцерной 4-го года характеризуются удовлетворительными водно-физическими свойствами: Кф=18-2-см/сут, повышенной плотностью поверхностных слоев до 1.46 г/см*з, суммой агрегатов <1=10-0.25 мм в черноземе южном с УГВ 13 м - < 40 %,а в черноземе южном вторично полугидроморфном с УГВ 7 м и в черноземе южном вторично гидроморфном - < 60 %. Эти же орошаемые почвы под кукурузой имеют благоприятные физические свойства Кф=120-200 см/сут, плотность 40-см слоя от 1.15 г/см*з до 1.30 г/см*з, сумму агрегатов <1=10-0.25 мм - > 60 7..

2."При существующих нормах полива ( в частности, люцерны - 400-500 м*з/га, кукурузы -300-400 м*з/га ) водный режим черноземов южных характеризуется кратковременными периодами' ( до 3-5 суток )

, с влажностью меньше ВЗ, в основном в нижних слоях чернозема южного с УГВ 13 м, в черноземе южном вторично гидроморфном с УГВ 1.5м таких периодов не наблюдается. Глубина промачивания при поливах люцерны на черноземе южном достигала 100-120 см, в черноземе южном вторично гидроморфном - до грунтовых вод, а при поливах кукурузы - 60-80 см и до грунтовых вод, соответственно.

3. Воздушный режим орошаемых почв в целом характеризуется благоприятным воздухосодержанием в поверхностных слоях - от 0.1 до 0.2 см*з/г в 1988 г. и в 1989 г. - от 0.15 см*з/г и выше. Периоды с недостаточным воздухосодержанием (< 0.1 см*з/г) отмечаются в поверхностных слоях в течение 2-4 суток под люцерной и приурочены к поливам или интенсивным осадкам. В черноземе южном вторично гидроморфном вся почвенная толща глубже 50 см имеет воздухосодержание ниже критического, вследствие повышенной

влажности. Содержание кислорода в почвенном воздухе в эти периоды опускается ниже 15-17 7. . фи снижении плотности поверхностных горизонтов южных черноземов в 1989 г. периоды с критическим воздухосодержанием не наблюдаются, что указывает на доминирующее значение плотности почвы в формировании основных элементов воздушного режима почв.

4. Математическое моделирование элементов, водно-воздушного режима почв при изменении плотности поверхностных горизонтов и неизменных граничных условиях почвенной толщи основано на экспериментальном получении основных структурно-гидрофизических функций - ОГХ, Кн, Щ\Г) и 1X4). фи увеличении плотности почвы от 1.06 г/см*з до 1.55 г/см*з параметры апроксимации ОГХ и Кн изменяются: 0о, а - уменьшается, - увеличивается, а параметры Ш и Ь имеют максимум в диапазоне плотностей от 1.19 г/см*з до 1. 30 г/см*з.

5. Прогнозные расчеты водного и воздушного режимов по программе "МОХЭТ" показывают, что при существующем режиме орошения люцерны и кукурузы при плотности поверхностного 40-см слоя в диапазонах < 1.19 г/см*з и > 1.30 г/см*з увеличиваются глубины про-мачивания почвенной толщи от 80 см до 140-200 см - для чернозема южного с УГВ 13 м под люцерной и - от 100-120 см до 160-200 см под кукурузой, возрастает отток влаги за пределы 200-см толщи. В воздушном режиме периоды с недостаточным воздухосодержанием длительностью 5 суток и более присущи поверхностным горизонтам с плотностью > 1.40 г/см*з.

По теме диссертации опубликованы работы:

1. Особенности водного и солевого режимов и изменения физических свойств чернозема южного при капельном орошении в условиях степного Крыма // Тез. докл. Всес. конф. "Итоги и перспективы орос. мелиор. в Крыму".-Симферополь, 1987,с. 68(в соавт.).

2. Передвижение влаги и режим воздухоносной пористости чернозема обыкновенного при капельном орошении// Тез. докл. конф. "Мелиор. и химиз. земледелия Молдавии".-Кишинев, 1988,с. 113(в соавт.).

3. Оценка водного и аэрационного режимов орошаемых почв//Тез. докл. научн. конф.: Молодые ученые - развитию агропромышленного комплекса. - Ереван, 1988, с. 4.

4. Режимные исследования в орошаемых почвах// Тез. докл. 8 Всесоюзн. съезда почвоведов.-Новосибирск, 1989,т. 1,с. 22 (в соавт.).

5. Теоретические подходы и методы исследования водного, воздушного и солевого режима орошаемых почв//Повышение эффективности водных ресурсов в с/х /Тез. докл. Всесоюзн. н/т конф. .-Новочеркасск, 1989,ч. 1,с. 37 (в соавт.).

6. Принципы и методы мониторинга физических свойств почв// Вестник МГУ-М. ,1990,N4 (в соавт.).