Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Динамичность условий гидроморфизма почв Ишимской степи
ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение
Автореферат диссертации по теме "Динамичность условий гидроморфизма почв Ишимской степи"
На правах рукрписи
Ф-
Кравцов Юрий Васильевич
ДИНАМИЧНОСТЬ УСЛОВИЙ ГИДРОМОРФЮМА ПОЧВ ИШИМСКОЙ СТЕПИ
03.02.13 - почвоведение
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
005058508
16МАЙ2Ш
Томск-2013
005058508
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный педагогический университет», на кафедре физической географии и туризма.
Официальные оппоненты:
Кулижский Сергей Павлинович, доктор биологических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», Институт биологии, экологии, почвоведения, сельского и лесного хозяйства (Биологический институт), директор
Дюкарев Анатолий Григорьевич, доктор географических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт мониторинга климатических и экологических систем» СО РАН, отделение экологических исследований, заведующий отделением
Татариицев Леонид Михайлович, доктор биологических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный аграрный университет», кафедра землеустройства, земельного и городского кадастра, заведующий кафедрой
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное
учреждение науки «Институт почвоведения и агрохимии» СО РАН (г. Новосибирск)
Защита состоится «06» июня 2013 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.267.09, созданного на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36 (Главный корпус).
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.
Автореферат разослан « _» ССИ^хНу2013 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук
Середина Валентина Петровна
Актуальность проблемы. Фациальная специфика почвообразования Западной Сибири связана со своеобразием природных условий и проявляется в генетических свойствах и в особенностях развития почв. Практически на всей территории Западной Сибири почвообразование осуществляется в условиях плоской слабо дренируемой земной поверхности. Полагается, что в такой обстановке внутригодовая и многолетняя динамика атмосферного увлажнения должна сопровождаться изменениями уровня грунтовых вод (УГВ) и, соответственно, колебаниями степени гидроморфизма почв [Горшенин, 1955; Градобоев и др., 1960; Богданов, 1976; Гаджиев, 1982; Гаджиев, Курачев, 1988; Хмелев, 1988; Гаджиев, Панфилов, 1990; Хмелев, Танасиенко, 2009 и др.]. В связи с этим во многих почвах аккумулятивных и трансаккумулятивных ландшафтов Западной Сибири отмечаются проявления их развития при разной степени гидроморфизма [Горшенин, 1955; «Почвы ...», 1966; «Структура ...», 1974; Гаджиев, 1982; Курачев, Рябова, 1988 и др.].
Особую актуальность имеют изменения условий формирования избыточного увлажнения почв степной зоны, являющейся важным сибирским регионом по производству зерна Предполагается, что в степях колебания гидроморфизма должны наиболее ярко проявляться в почвах тяжелого гранулометрического состава, распространенных на Ишим-Иртышском водоразделе. Эти почвы отличаются минимальной резервной водовместимостью, что предопределяет возможность быстрых изменений в них УГВ [Панфилов и др., 1988]. Этим и обусловлен выбор района исследования - Ишим-Иртышского степного водораздела (Ишимской степи).
Динамичность условий формирования избыточного увлажнения почв Ишимской степи и ее значение в изменчивости гидроморфизма этих почв к настоящему времени оказываются практически неисследованными. До сих пор нет обоснованных ответов на следующие вопросы. Динамикой каких параметров атмосферного увлажнения предопределены изменения УГВ, приводящие к смене водного режима почв и их принадлежности к ряду увлажнения? Насколько переходы почв из одного ряда увлажнения в другой значимы для агропромышленного производства? Каковы рекомендации по ликвидации неблагоприятных для сельского хозяйства последствий динамичности гидроморфизма степных почв?
Установленное в последние десятилетия подмачивание первично-автоморфных почв в южных районах Восточной Европы вследствие климатических флуктуаций и деятельности человека не дает возможности получить ответ на вопрос об особенностях динамики условий гидроморфизма в Ишимской степи. Понимание же региональных закономерностей изменчивости условий избыточного увлажнения почв, механизмов ее влияния на урожайность сельскохозяйственных культур позволяет разрабатывать оптимальные технологии эксплуатации земельных ресурсов в крупном аграрном регионе Сибири.
Цель работы — установление динамичности условий гидроморфизма как фактора изменчивости принадлежности почв Ишимской степи к рядам увлажнения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучить особенности пространственной и внутригодовой динамики условий избыточного увлажнения исследуемых почв;
- выявить характерные черты межгодовой и многолетней изменчивости условий гидроморфизма степных почв Ишим-Иртышского водораздела;
- установить региональную специфику динамичности факторов формирования повышенного увлажнения почв Ишимской степи;
- дать агропроизводственную оценку ишимским степным почвам при их переходе из автоморфного режима в полугидроморфный;
- представить положения о динамичности гидроморфизма почв Ишим-Иртышского степного водораздела.
Научная новизна. Изучение изменчивости условий формирования избыточного увлажнения почв послужило основой для создания положений о динамичности гидроморфизма почв степной зоны Ишимской равнины. В рамках этих представлений:
• изучена изменчивость природных и антропогенных факторов формирования повышенного увлажнения почв Ишимской степи;
• установлена динамика условий почвообразования, приводящая к изменениям принадлежности ишимских степных почв к рядам увлажнения;
• выявлены особенности водного и температурного режима почв, динамика урожайности сельскохозяйственных культур при изменениях степени гидроморфизма почв Ишим-Иртышского степного водораздела;
• дана агропроизводственная оценка почвам Ишимской степи при их переходе из одного ряда увлажнения в другой и предложены рекомендации по рациональному использованию гидрологического состояния ишимских почв.
Защищаемые положения.
1. Динамичностью условий почвообразования создаются предпосылки для изменений принадлежности почв к рядам увлажнения.
2. Межгодовые колебания степени гидроморфизма характерны для почв, в которых УГВ расположен у критической глубины, и проявляются в зависимости от количества осадков холодного сезона (ноябрь - март включительно).
3. Многолетняя динамика принадлежности почв к рядам увлажнения связана с постепенным подъемом УГВ до критической глубины на плакорных участках в результате функционирования новообразованных приемников поверхностной воды.
Реализация результатов работы и практическая значимость. В автоморф-ных и полугидроморфных почвах установлены: баланс влаги и температурный режим при различных метеоусловиях основных сезонов года, динамика расхода влаги под посевами сельскохозяйственных культур, урожайность культурных растений в разные по гидротермическим условиям периоды вегетации.
Выявлены механизмы внутригодовых, межгодовых и многолетних изменений гидроморфизма почв вследствие динамичности природных и антропогенных условий почвообразования. Установлены особенности баланса влаги,
динамики ее расхода и урожайности культурных растений при изменениях принадлежности почв к рядам увлажнения.
Определена роль лесополос и приподнятых полотен дорог в формировании гидрологического состояния почв Ишимской степи и в обратимых переходах этих почв из автоморфного режима в полугидроморфный. По результатам исследования сформулированы рекомендации по рациональному использованию почв при изменениях их гидроморфизма.
Материалы по межгодовым и многолетним изменениям гидрологического состояния степных почв Ишим-Иртышского водораздела служат основой при разработке систем агротехнических мероприятий при долгосрочном планировании хозяйственного использования земель региона.
Материалы многолетних круглогодичных гидрологических наблюдений на ишимских степных почвах разных рядов увлажнения позволяют уточнить представления об особенностях гидроморфного почвообразования в степной зоне Западной Сибири.
Результаты исследования нашли применение в учебных пособиях и в учебных курсах, читаемых автором в Новосибирском государственном педагогическом университете с 1989 г. по настоящее время.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на VIII Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск, 1989) и на IV и V съездах Всероссийского докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004; Ростов-на-Дону, 2008); на девяти Международных конференциях: Пу-щино (1992), Томск (2002), Санкт-Петербург (2005), Гурзуф (2006, 2007, 2007), Владивосток (2007), Манжерок (2009), Тамбов (2009); на конференции стран содружества (Пущино, 1992); на Всесоюзной конференции (Пущине, 1989); на восьми Всероссийских конференциях: Томск (2005, 2010), Красноярск (2007), Новосибирск (2002, 2008, 2010), Пущино (2009, 2010); на Межреспубликанской конференции (Новосибирск, 1992); на десяти региональных научно-практических конференциях: Омск (1987), Абакан (1992), Новосибирск (1997, 2005,2006,2007, 2010,2011), Иркутск (2007), Челябинск (2008).
По теме диссертации опубликованы 56 печатных работ, в том числе 2 авторские монографии, разделы в 2 коллективных монографиях и 9 статей в научных журналах списка ВАК России.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Ю.В. Кравцов определил задачи работы, принимал непосредственное участие во всех этапах исследования и сформулировал положения о динамичности гидроморфизма почв Ишим-Иртышского степного водораздела. Ему принадлежит основная роль в сборе полевых материалов по водному и температурному режимам автоморфных и гидроморфных почв, по урожайности сельскохозяйственных культур на исследуемых почвах, по интерпретации полученных результатов. Под руководством Ю.В. Кравцова в полевых исследованиях по обозначенной проблематике принимали участие студенты ФГБОУ ВПОНГПУ.
Определение физических и водно-физических свойств ишимских почв
проведено сотрудниками Института почвоведения и агрохимии (ИПА) СО РАН И.В. Слесаревым и С.Я. Кудряшовой [1988 а; 1988 б]. Формирование ионно-солевых профилей изучаемых почв исследовано сотрудником ИПА СО РАН А.А. Сеньковым [2002; 2004]. Динамика месячных сумм атмосферных осадков, среднемесячных температур воздуха и уровня грунтовых вод в стационарных водомерных скважинах приводится по материалам метеостанций Обь-Иртышского межрегионального территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (УГМС).
Благодарности: автор выражает признательность учителю - [Виктору Пет-| [ровичу Панфилову!, доктору биологических наук, профессору, заведующему лабораторией физики и мелиорации почв ИПА СО РАН. Искренняя благодарность выражается всем сотрудникам ФГБОУ ВПО НГПУ за поддержку во время работы.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, восьми глав, выводов, библиографического списка. Рукопись содержит 87 рисунков, 47 таблиц. Основное содержание изложено на 366 страницах машинописного текста. Список литературы включает 332 наименования, в том числе 59 - на иностранных языках.
1. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ДИНАМИЧНОСТИ УСЛОВИЙ ГИДРОМОРФИЗМА НА ЮГЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Анализ публикаций по особенностям почвообразования в южных районах Западной Сибири позволяет сделать следующие обобщения.
1. На юге Западной Сибири сложилась благоприятная природная обстановка для развития почв в условиях избыточного увлажнения.
2. Изменчивость степени гидроморфизма многих почв региона не подвергается сомнению.
3. Главным фактором изменений принадлежности почв к рядам увлажнения считается динамичность соотношения тепла и влаги в приземной атмосфере [Горшенин, 1955; Орловский, 1946, 1955; «Структура ...», 1974, 1976; Курачев, Рябова, 1988; Хмелев, 1988; Гаджиев, Курачев, 1988 и др.].
4. Полагается, что тектонические движения [Неуструев, 1925; Гиличин-ский, 1986; Хмелев, 1988 и др.] и подтопления территории приледниковыми водоемами [Волков и др., 1969] могли также предопределять прошлое почвообразование на юге Западной Сибири в условиях повышенного, по сравнению с современным, увлажнения.
Обзор литературы дает основание заключить, что динамичность условий гидроморфизма почв юга Западной Сибири остается практически не изученной. Среди неисследованных вопросов можно выделить следующие: а) механизмы подъема и опускания УГВ при колебаниях климата; б) влияние динамики условий формирования избыточного увлажнения на превращения авто-морфных почв в гидроморфные и наоборот; в) региональные особенности изменчивости условий избыточного увлажнения почв; г) агропроизводственная
оценка и рекомендации по рациональному использованию почв при изменении степени их гидроморфизма. Изучение перечисленных вопросов явилось основным содержанием представляемой работы.
2. РАЙОН, ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Район исследования В качестве района исследований выбрана территория, в пределах которой сложилось благоприятная обстановка для динамичности условий гидроморфизма степных почв - Ишим-Иртышский водораздел (Ишимская степь). Район исследований расположен на крайнем юге левобережной части Омской области между 53° 30' и 54° 30' с.ш. и 71 и 75° в.д. в пределах Русско-Полянского и Нововаршавского административных районов и имеет площадь около 10 тыс.
Рис. 1. Ишим-Иртышский степной водораздел на крайнем юге левобережной части
Омской области между 53° 30£ и 54° 30^ с.ш. и 71 и 75° в.д. ———- - граница района исследований.
2.2. Особенности условий гидроморфизма почв Ишимской степи Ишимская степь характеризуется слабой дренируемостью. Ее поверхность выполнена верхнеплейстоценовыми покровными тяжелосуглинистыми отложениями мощностью 1-10 м, характеризующимися засоленностью и повышенной гидросорбционной способностью. Они подстилаются нижне-, сред-неплейстоценовыми глинистыми толщами мощностью до 60 м. Под ними находятся засоленные неогеновые глины, кровля которых является региональным водоупором. Поверхность кровли неогеновых глин расположена выше уреза воды в долине Иртыша и в котловинах крупных североказахстанских озер, что предопределяет разгрузку грунтовых вод в эти отрицательные формы рельефа [Угланов, 1981]. Поверхность района отличается обилием микропонижений глубиной менее 1 м (5-20% территории) и наличием крупных (диаметром до 5-6 км) неглубоко врезанных (до 10 м) котловин.
Условия теплообеспеченности района исследований соответствуют типично степным [Азьмука, Кравцов, 1988]. Температуры воздуха и суммы ат-
мосферных осадков приведены по данным ближайшей к участкам полевых наблюдений метеостанции «Русская Поляна». Средняя температура июля составляет +20,4 ±0,21°, температура января - -16,9 ±0,3°. Период со среднесуточными температурами выше 10° длится 130 дней. В 90% лет сумма температур выше 10° достигает 1800-1900°.
Ишимская степь характеризуется недостаточным атмосферным увлажнением. Осадков выпадает 360 мм в год, в течение летних месяцев - 125 мм. Испаряемость колеблется от 500 до 700 мм/год. Наибольшей засушливостью отличается летний сезон. Средняя величина гидротермического коэффициента Селянинова за июнь - август включительно составляет 0,87 при экстремальных значениях 0,37 (1975 и 1997 гг.) и 2,07 (1980 г.).
Увлажнение почв Ишимской степи осуществляется преимущественно талыми снеговыми водами. Суммы атмосферных осадков холодного сезона (с ноября по март включительно) составляют 111 мм. К концу марта на полях накапливается 15—25-см слой снега с запасами воды в 50-70 мм (50-65% суммы осадков). Часть снега ветровым переносом перераспределяется к лесополосам и в придорожные кюветы. При снеготаянии в пределах отрицательных форм рельефа создаются условия для поверхностного стока талых вод.
Для района исследований характерны резкие изменения погоды, значительные колебания температуры воздуха и сумм атмосферных осадков в течение суток, сезона, года и более продолжительных отрезков времени.
Минерализованные грунтовые воды залегают на глубине 1,5-14 м. Естественная растительность разнотравно-злаковой степи заменена агроценозами с преобладанием яровых зерновых культур. Распаханность территории достигает 85-95%. Лесистость района вместе с лесными полосами составляет 1,11,5% [Рейнгард, 2009].
В районе исследования выделяется центральная платообразная часть водораздела (площадью около 3 тыс. км2) с абсолютными высотами 120—135 м и с концентрацией лесополос до 1,4 км/км2 и восточная часть (площадью до 7 тыс. км2), представляющая собой пологий склон водораздела к долине Иртыша, с концентрацией лесополос до 0,4 км/км2 и с высотами 135-105 м. Восточная часть водораздела характеризуется меньшим развитием микропонижений земной поверхности.
2.3. Методы исследования
Динамика условий гидроморфизма изучалась в процессе полевых наблюдений в течение 1986-1990 и 2002-2008 гг. Степень гидроморфизма почв устанавливалась путем выявления глубины залегания грунтовых вод и типа водного режима. Основные исследования проводились на двух ключевых почвен-но-геоморфологических профилях, выделенных на основании изучения опубликованных и фондовых почвенно-картографических материалов и в результате рекогносцировочных полевых работ и проведенных через типичные для региона формы мезо- и микрорельефа. В центральной части водораздела профиль заложен в Русско-Полянском районе и проведен от уреза воды в котло-
вине урочища Сарыколь (абсолютная высота 110 м) на юго-запад до поверхности водораздела высотой 134 м. На профиле исследования проводились в 6 опорных разрезах - в южных черноземах на плакорных участках и в верхней части склона крупной котловины, в лугово-черноземных почвах микропонижений, в черноземно-луговых и луговых почвах площадки и склона первой надпойменной террасы котловины. В восточной части водораздела профиль (с 3 опорными разрезами в южных черноземах) проведен в окрестностях пос. Добровольск, Сибирское Русско-Полянского района и пос. Моисеевка Нововаршавского района через плакорные участки с высотами от 106 до 135 м.
Главным содержанием полевых работ явились круглогодичные глубоко профильные (до УГВ) наблюдения за режимом влажности и температурным режимом почв разных рядов увлажнения. Измерение параметров этих почвенных режимов проводились в начале, середине и конце каждого сезона года. Полевые исследования проводились с использованием:
- термостатно-весового метода - при определении влажности почвенно-грунтовых толщ;
- метода измерения - при выявлении УГВ в пробуренных и в стационарных смотровых скважинах; при определении температуры почвенно-грунтовых толщ до глубины 3,2 м с помощью термометров Савинова, вытяжных термометров и электротермометров АМ-29 [по «Наставлению ...», 1969]; при снего-съемке [по «Наставлению ...», 1969]; при определении урожайности сельскохозяйственных культур [по «Памятке ...», 1965];
- метода изолированных призм (блоков монолитов почв глубиной 1 м и сечением 0,7 х 1,2 м) - при определении величины пленочно-капиллярной подпитки почв от грунтовых вод [по А.А. Роде, 1969];
- метода сравнения профилей влажности почвенно-грунтовых толщ и УГВ в опорных разрезах и в разрезах у контрольных лесополос и микропонижений -при выявлении влияния лесополос и микропонижений на гидрологическое состояние почв; при установлении различий в режиме влажности и температурном режиме почв в течение 1986-1990 и 2002-2008 гг.
Метод водного баланса использован для расчета величин суммарного испарения, поверхностного стока, намерзания почвенно-грунтовой влаги.
Корреляционно-регрессионный анализ в программе Statistica version 6.0 применялся при выявлении пропорциональности изменений рядов данных.
3. ПОЧВЫ ИШИМСКОЙ СТЕПИ
3.1. Структура почвенного покрова и особенности морфологии почв^
Почвы Ишимской степи расположены в подзонах умеренно-засушливой и засушливой степи [Ковалев, Трофимов, 1964]. Почвенный покров района исследований образован почвами разной степени гидроморфности. Диагностика почв выполнена В.П. Панфиловым с соавторами [1988]. Ими установлено, что в тяжелых по гранулометрическому составу почвах Ишимской степи с УГВ ниже 3,9 м капиллярная связь этих вод с почвенным профилем не имеет места
(мощность капиллярной каймы грунтовых вод в почвенно-грунтовых толщах не превышает 2,5 м). Почвы с таким УГВ отнесены к автоморфным. Если УГВ находится в интервале глубин 2,6-3,9 м, то наблюдается периодическая капиллярная связь грунтовых вод с почвенным профилем, следовательно, почвы имеют полугидроморфный режим. Гидроморфные почвы выделены в исследуемом регионе при залегании УГВ на глубинах менее 2,6 м.
Основной закономерностью распространения почв является приуроченность южных черноземов к плакорным пространствам водораздела и лугово-черноземных и луговых почв - к отрицательным формам рельефа.
Южные черноземы в Ишимской степи образуют крупные, часто однородные массивы. Площадь этих массивов в пределах Омской области достигает 411 тыс. га [Мищенко, Прудникова, 1984]. Наиболее распространены южные карбонатные маломощные и малогумусовые тяжелосуглинистые черноземы. Особенности морфологии этих черноземов представлены в таблице 1.
Таблица 1. Морфологические особенности южных черноземов и лугово-
черноземных почв Ишимской степи
Показатели Южный чернозем Лугово-чернозем ная почва Чернозем но-луговая почва
Мощность почвенного профиля, м 1,28 1,7 1,62
Мощность гумусового горизонта (А + AB), м 0,5 0,57 0,57
Глубина проникновения гумусовых клиньев, м 0,7 1,0 0,95
Глубина залегания карбонатного горизонта, м 0,5-0,7 0,7-1,0 0,5-0,9
Глубина залегания гипсового горизонта, м 0,73 нет 0,95
Глубина проявления глееватости, м >1,28 0,3-0,4; >1,27 0,6
Диапазон глубины вскипания от HCl, м 0-0,7 0,5-1,0 0-0,9
В микропонижениях водораздела развиты среднемощные собственно лу-гово-черноземные почвы [Панфилов и др., 1988]. Особенности их морфологии показаны в таблице 1. В крупных котловинах Ишимской степи к надпойменным террасам приурочены маломощные малогумусовые карбонатные южные черноземы, к склону и поверхности первой террасы - солончаковатые карбонатные черноземно-луговые почвы (табл. 1) и солончаковатые карбонатные луговые почвы с УГВ соответственно 2,6 и 2,2 м [Панфилов и др., 1988].
3.2. Гранулометрический состав и водно-физические свойства почв Гранулометрический состав почв Ишимской степи представлен иловато-пылеватыми, пылевато-иловатыми и иловато-песчаными легкими глинами и тяжелыми суглинками. Содержание ила достигает 35—45%, и перераспределение его по профилю, как правило, заметно не проявляется. Между почвами положительных и отрицательных форм рельефа различия в гранулометрическом составе в интервале глубин от 0 до 4 м чаще всего не устанавливаются [Слесарев, Кудряшова, 1988 а]. Общность гранулометрического состава предполагает большое сходство значений морфо-генетических и водно-физических свойств автоморфных и полугидроморфных почв.
Высокое содержание ила обеспечивает преобладание микропор в структуре пористости (до 70% [Слесарев, Кудряшова, 1988 а]) и большую суммарную поверхность твердой фазы, что обусловливает высокое содержание в почвах пленочно-стыковой и сорбционно-замкнутой влаги. Небольшая доля крупных пор (5-20%) предопределяет незначительное содержание капиллярной влаги в почвах в интервале влажности от наименьшей до полной влагоемкости. В водоносном горизонте доля капиллярной влаги составляет 11-15% объема влаги (4-6% объема почвы).
Водоудерживающая способность (НВ) почв высокая. В слое 0-1,0 м запасы влаги при НВ составляют 280-330 мм в черноземах и 345 мм в луговой почве. Влажность завядания (ВЗ), рассчитанная по максимальной гигроскопичности с коэффициентом 1,5, и соответствующие ей запасы недоступной для растений влаги составляют в пахотном слое 30-35% НВ (2337 мм), в слое 20-150 см - 50-60% НВ. В слое 0-1,0 м запасы доступной для растений влаги при НВ относятся к категории низкого и среднего диапазона активной влаги [Слесарев, Кудряшова, 1988 а].
Высокое содержание ила и преобладание микропор предопределяет низкую пористость аэрации при влажности, соответствующей НВ. В слое 0-50 см она достигает 20-25% объема почвы, в слое 100-150 см - 8-19%. Низкие величины пористости аэрации свидетельствуют о небольших резервах водовместимости почв при НВ. Почвы Ишимской степи с поверхности характеризуются низкой по фону яровой пшеницы (10-20 мм/ч в 3-й час) водопроницаемостью. В горизонтах В, Вса и С водопроницаемость уменьшается до низкой и очень низкой (6-12 мм/ч в 3-й час в горизонте С).
4. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ И ВНУТРИГОДОВАЯ ДИНАМИКА УСЛОВИЙ ГИДРОМОРФИЗМА (по материалам наблюдений 1986-1990 гг.)
Средняя за 4 года полевых наблюдений годовая сумма атмосферных осадков (346,4 мм, по материалам метеостанции «Русская Поляна») оказалась ниже таковых за весь период наблюдений на 3,8%. В зимние сезоны 1986-1987 и 1987-1988 гг. сумма осадков была несколько ниже многолетней нормы - 96 и 106 мм. В сезон 1988-1989 гг. выпало 115 мм атмосферной влаги. Атмосферное увлажнение периодов вегетации 1986-1989 гг. и 2002-2008 гг. было сопоставимым. Исключение составили сезоны 2002 и 2007 гг. (табл. 2).
4.1. Глубины залегания и внутригодовой режим УГВ
Под профилями черноземов восточной части водораздела УГВ отмечен на глубинах 6-14 м. Режим УГВ отличается годовой амплитудой до 0,3 м, наибольшей глубиной залегания в марте и максимально высоким уровнем в августе. Под профилями черноземов центральной части водораздела УГВ отмечен на глубине 4-6 м. Амплитуда годовых колебаний составляет 0,7-1,0 м (рис. 2). Весенний подъём уровня объясняется притоком грунтовых вод от потускул
под понижениями рельефа и лесополосами. Опускание уровня связано с расходом воды в глубокие горизонты фунтов.
Таблица 2. Гидротермический коэффициент за вегетационный период по мате-
Русская Поляна Одесское Павлоградка Периоды вегетации
0.85 1,19 1,3 1986
0,63 0,66 0,51 1987
0,45 0,34 0,41 1988
0,64 0,58 0,53 1989
1,17 1,28 1,37 2002
0,91 0,86 1,01 2003
0,71 0,58 0,85 2004
1,14 0,92 1,14 2005
0,53 1,27 1,14 2006
1,17 1,76 1,15 2007
Рис. 2. Динамика УГВ в почвах центральной части Ишим-Иртышского водораздела в 1987-1988 гг.: _ в луговой почве; ---- в черноземно-луговой почве;
------в лугово-черноземной почве; - ----- - в южном черноземе.
Под гидроморфными и полугидроморфными почвами УГВ отмечен на глубине 1,5—4,0 м. Более интенсивный весенний подъем зеркала грунтовых вод в этих почвах по сравнению с автоморфными (рис. 1) объясняется их положением на месте образования потускул в микропонижениях или в поблизости от них в крупных котловинах. С мая-июня до марта в лугово-черноземных почвах падение УГВ происходит равномерно, что служит свидетельством предельно малого, не фиксируемого полевыми методами, участия грунтовых вод, расположенных на глубине 3-4 м, в снабжении влагой почв под посевами яровых зерновых и слоя криогенной аккумуляции влаги на глубине 0,8-1,8 м. В гидроморфных почвах под посевами яровых зерновых грунтовые воды, расположенные на глубине 1,5-3,5 м, расходуются на суммарное испарение (0-40 мм) и на намерзание влаги в промерзающем слое (25-50 мм).
4.2. Миграция влаги и формирование профиля влажности почв Преобладание сорбированной воды предопределяет низкую подвижность почвенной влаги, устойчивость профиля влажности и повышенное влагосо-держание почвенно-грунтовых толщ (80-100% НВ), особенно в подпочвенном слое пород. В профилях влажности исследуемых автоморфных и полугидро-морфных почв выделено две зоны с отчетливой границей между ними.
В верхней части профилей выявлена зона переменного увлажнения с сезонными колебаниями влажности от 32-25% до 19-14% объема почвы (от уровня НВ в черноземах и капиллярной влагоемкости (КВ) в черноземно-луговых почвах до уровня ВЗ и ниже). Эта зона соответствует горизонту эва-подесуктивного иссушения (рис. 3) и под посевами зерновых имеет мощность
&ЖШ.Н4И11 Ш 20 » 40
Яптояь. Ни» « 20 30
Бшшшь, 1С зб ьома
Рис. 3. Почвенно-гидрологические горизонты в черноземах и черноземно-луговых почвах Ишим-Иртышского водораздела: а - чернозем восточной части (разрез 20), УГВ 6,6 м; б - чернозем центральной части (разрез 7), УГВ 4,2 м, в -черноземно-луговая почва (разрез 1), УГВ 2,7 м. Влажность почвы:
-21.08.1987 -наименьшая -влажность
.................... влагоемкость; — ■ — ■ завядания.
Почвенно-гидрологические горизонты: 1 - капиллярного насыщения; 2 - наименьшего насыщения; 3 - насыщения на уровне 70-80% НВ; 4 - эваподесуктивного
иссушения.
0,6-0,8 м в черноземах и черноземно-луговых почвах и 0,8-1,0 м в лугово-черноземных почвах. Ограниченная мощность зоны связана с неблагоприятными факторами развития корневых систем растений в слое 0,5-1,0 м - с недостатком тепла, с небольшим объемом доступной растениям влаги в авто-
морфных почвах, с низкой пористостью аэрации почв, развивающихся в условиях избыточного увлажнения.
Зона постоянного повышенного увлажнения прослеживается от нижней границы зоны переменного увлажнения до грунтовых вод. Под черноземно-луговыми почвами влажность этой зоны достигает уровня КВ (32-34% объема). Под профилями черноземов последовательно прослеживаются горизонты с влажностью 80-100% НВ, наименьшего и капиллярного насыщения.
Сходными чертами режима влажности черноземов с УГВ 6-14 м и 4—6 м являются близкие значения: весенних запасов доступной растениям влаги в слое 0-1,0 м (90-130 мм), мощности слоя иссушения под посевами яровых зерновых (0,6—0,8 м) и потерь влаги из слоя 0—1,0 м (80—120 мм) за период их вегетации, глубин формирования горизонта криогенной аккумуляции влаги (1,0-1,7 м) и намерзания влаги - 15-30 мм. Различия в режиме влажности черноземов связаны с неодинаковой глубиной залегания грунтовых вод и выражаются в присутствии горизонта постоянно пониженной влажности под профилем черноземов с глубоким залеганием грунтовых вод.
Профили влажности лугово-черноземных почв характеризуются контактом горизонтов эваподесуктивного иссушения с горизонтом наименьшего насыщения над грунтовыми водами. На срок весеннего сева эти почвы на всю глубину увлажнены до уровня НВ. К концу вегетации яровых зерновых верхний метровый слой почв иссушается до уровня ВЗ. Потери почвенной влаги из слоя 0-1,0 м достигают 120-150 мм. Горизонт криогенной аккумуляции влаги образуется на глубинах 1,0-1,6 м в связи с более мощным снежным покровом в микропонижениях (0,28-0,32 м на третью декаду марта против 0,15-0,25 м на плакорных участках). Намерзание влаги составляет 15-30 мм.
Черноземно-луговые и луговые почвы характеризуются высоким увлажнением (до уровня НВ и выше) на срок весеннего сева. К концу вегетации яровых зерновых 0,6-0,8-м слой почв иссушается до уровня ВЗ. Потери почвенной влаги достигают 70—130 мм. Кроме того, на суммарное испарение затрачивается до 40 мм грунтовой воды. Горизонт криогенной аккумуляции влаги формируется в подпочвенной толще и в нижней части профиля почв на глубинах 0,8-1,7 м, величина намерзания влаги достигает 30-50 мм.
Сходной чертой режима влажности гидроморфных почв является близкая величина весенних запасов доступной растениям влаги в слое 0-1,0 м (120150 мм). Различия связаны с неодинаковой глубиной залегания зеркала водоносного горизонта и с наличием пленочно-капиллярной подпитки от расположенных на глубине 1,5-3,5 м грунтовых вод в черноземно-луговых почвах, что предопределяет повышенный расход влаги на суммарное испарение и криогенную аккумуляцию.
4.3. Водный режим почв
Тип водного режима почв связан с их положением в рельефе и с глубиной залегания грунтовых вод. Установлено, что почвы плакорных участков при залегании грунтовых вод на глубине более 3,9 м характеризуются непромыв-
ным типом водного режима (по классификации A.A. Роде [1963]) подтипом атмосферного питания классом периодического наименьшего насыщения слоя эваподесуктивного иссушения и характерного для черноземов данного региона постоянного наименьшего насыщения нижележащей толщи (рис. 4 а), а б
—
т щ
нр t
UL III Iii ш |Щ „ „ £ г-1 □
м
Рис. 4. Режим влажности: а - южного чернозема (разрез 7), б - лугово-черноземной почвы (разрез 8), в - чер-ноземно-луговой почвы (разрез 1) под зерновым агроценозом в 1987-1988 гг. Влажность: 1 - ВЗ, 2 - ВЗ-НВ, 3 - 100110% НВ, 4 - НВ-ПВ, 5 - ПВ. _
; 2 ; 3 ;4 Шг
м
Ведущими факторами формирования непромывного режима выступают недостаточное атмосферное увлажнение, ограниченные ресурсы поверхностной влаги, отсутствие притока влаги. Основными элементами водного режима являются несквозное промачивание почв преимущественно талыми водами и эваподесуктивное иссушение в период вегетации. Почвы с таким водным режимом можно считать автоморфными. Основной причиной автоморфного режима почв Ишимской степи при УГВ более 3,9 м является их тяжелый высоко
илистый гранулометрический состав. Им обусловлены микропористость поч-венно-грунтовых толщ и абсолютное преобладание в их водной фазе пленочной влаги, с чем связаны очень низкая, не фиксируемая полевыми методами, скорость пленочно-капиллярного передвижения влаги и незначительная мощность капиллярной каймы (2,0—2,5 м) над водоносным горизонтом.
Почвы верхних частей склонов крупных котловин при залегании грунтовых вод на глубине более 3,9 м также развиваются при непромывном водном режиме. Благодаря положению почв на склоне, выполненном породами с низкой водопроницаемостью, их дополнительное увлажнение поверхностным стоком не происходит. Эти почвы также являются автоморфными.
Почвы нижних частей склонов крупных котловин при залегании водоносного горизонта на глубинах менее 3,9 м характеризуются десуктивно-выпотным типом водного режима подтипом атмосферного питания с дополнительным ограниченным грунтовым классом периодического слабовыражен-ного капиллярного насыщения (рис. 4 в). Эти почвы не испытывают дополнительного поверхностного увлажнения в связи с их очень низкой водопроницаемостью. Гидроморфные почвы с десуктивно-выпотным типом водного режима развиваются при ограниченных ресурсах поверхностной влаги, не обеспечивающих сквозного промачивания профиля в условиях недостаточного атмосферного увлажнения, а также при дополнительном притоке влаги от грунтовых вод. Основными элементами режима выступают несквозное промачи-вание профиля в основном талыми водами, сильное иссушение в период вегетации, пленочно-капиллярная подпитка от грунтовых вод, зимняя термоградиентная миграция влаги в нижние горизонты почв.
Почвы микропонижений при положении фунтовых вод в период вегетации на глубине более 3,5 м характеризуются периодически промывным типом водного режима подтипом атмосферного питания с дополнительным поверхностным классом чередующегося сквозного и несквозного наименьшего насыщения слоя активного влагооборота (рис. 4 б). Ведущим фактором формирования этого режима является периодический поверхностный приток влаги. Основными элементами водного режима выступают: сквозное промачивание преимущественно талыми водами с образованием «купола» грунтовых вод и сильное эвапод'есуктивное иссушение в период вегетации. Криогенная аккумуляция влаги отмечается в породе, ниже почвенного профиля.
Устойчивость профиля влажности почв предопределяет незначительные величины элементов водного режима. Для почв разных рядов увлажнения характерны: небольшое (до 50% суммы осенне-зимне-весенних осадков) пополнение запасов влаги (10—90 мм в автоморфных почвах и до 120 мм в гидро-морфных почвах, для чего достаточно 11 часов инфильтрации); сильное (до уровня ВЗ и ниже) эваподесуктивное иссушение (расход влаги под зерновыми агроценозами из слоя 0-1,0 м достигает 80-120 мм); практическая неподвижность почвенной влаги, о чем свидетельствует сохранение на одной глубине нижней границы горизонтов летнего иссушения в гидроморфных почвах с грунтовым увлажнением до весенней инфильтрации поверхностной влаги.
4.4. Особенности пространственной динамики условий гидроморфизма Во второй половине 1980-х годов более высокий УГВ зафиксирован в центральной части Ишим-Иртышского водораздела (табл. 3), что связано с
наибольшей концентрацией здесь лесополос [Панфилов и др., 1988]. _ Таблица 3. УГВ на Ишим-Иртышском водоразделе на 01.08, м
Дата Центральная часть водораздела Восточная часть водораздела
плакорные участки отрицательные формы рельефа плакорные участки отрицат формы ельные зельефа
разрез 9 скважина 26 разрез 7 разрез 2 разрез 8 разрез 1 разрез 4 разрез 21 разрез 20 разрез 17 разрез 59 разрез 91
1986 4,5 6,1 4,3 3,9 3,2 2,6 2,0 9,4 7,8 7,3 14,0 5,0
1987 4,3 6,0 4,1 3,7 3,2 2,6 2,5 9,3 7,8 7,3 нет данных 5,0
1988 4,4 6,2 4,3 4,0 3,2 2,7 2,3 9,4 7,9 7,4 нет данных 5,2
1989 4,8 6,4 4,4 3,6 3,4 2,9 2,4 9,4 7,9 7,5 нет данных 5,2
2002 3,6 4,9 3,4 2,5 3,0 2,3 2,2 8,8 7,4 7,2 нет данных нет данных
2007 3,5 3,8 2,8 1,4 2,1 1,6 1,4 нет данных нет данных нет данных нет данных нет данных
2008 3,9 нет данных 3,9 3,7 3,5 2,9 2,9 8,0-воды нет 5,1 4,7 10,0 4,9
2009 4,0 нет данных 3,8 3,5 3,2 2,5 2,3 нет данных 5,4 нет данных нет данных нет данных
Лесополосы ажурно-продуваемой конструкции регулярно не прочищаются, поэтому по отношению к снегозадержанию функционируют как полосы плотной конструкции (рис. 5). В результате ветрового переноса мощность снега на полях с такими лесополосами к концу зимы достигает 0,23-0,28 м с запасами влаги 50-70 мм (против 0,28-0,33 м и 60-75 мм на полях с расстоянием между лесополосами более 2 км). Запасы воды в сугробах вокруг лесополос могут достигать 900 мм. Ресурсов талой влаги и осадков апреля - мая (в среднем 42 мм) достаточно для оптимального увлажнения иссушаемого древесными насаждениями 2-м слоя почвенно-грунтовой толщи (225-250 мм) и для подъема зеркала грунтовых вод на 2,0-2,5 м (120-150 мм). Объем инфильтрации влаги у лесополос (табл. 4) в течение апреля - мая достигает 340-390 мм.
При просачивании талой влаги в водоносный горизонт весной вблизи лесополос формируется «купол» УГВ высотой 2,0-2,5 м и шириной до 200 м. Судя по его высоте, в водоносный горизонт попадает до 120-150 мм влаги. Сквозное промачивание черноземов у лесополос фиксируется режимными наблюдениями за влажностью почв и подтверждается рассолением расположенных у лесополос почвенно-грунтовых толщ (до глубины 6 м) в последние 2017
30 лет [Сеньков, 2004]. Боковой отток от «купола» гравитационной влаги способствует подъему грунтовых вод на соседних плакорных участках.
2,5
О -1-.-г-,-,-,--,- , -,-,-
О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Расстояние, м
Рис. 5. Распределение снегового покрова вокруг полезащитной лесополосы в марте. Условные обозначения:
-- направление ветра |||||||||||| -лесополоса
Таблица 4. Водный баланс 0-2-м слоя почвенно-грунтовой толщи под непро-чищаемой лесополосой за гидрологический год по средним данным за 2002-2008 гг.
(с сентября по сентябрь)
Приходная часть, мм/% Расходная часть, мм/%
всего доступная растениям влага на начало года инфильтрация вод осенью криогенная аккумуляция инфильтрация вод весной атмосферные осад ки лета из почвенного запаса атмосферные осадки лета из подпитки грунтовых вод всего
492 100 32 6,5 20 4,1 10 2,0 310 63,0 120 24,4 250 54,3 120 26,1 90 19,6 460 100
Поступление поверхностной влаги в водоносный горизонт сквозь новообразованные водоприемники у лесополос способствует многолетнему подъему грунтовых вод. Подтверждением участия лесополос в многолетнем подъеме зеркала водоносного горизонта в центральной части водораздела является глубина залегания фунтовых вод в восточной части исследуемого водораздела со значительно меньшей концентрацией лесополос.
Аналогичный механизм дополнительного поступления влаги в водоносный горизонт отмечен в местах перекрытия ложбин сброса поверхностных вод полотнами дорог, не всегда снабженными водоводами.
Увеличению прихода влаги в горизонт грунтовых вод способствовала распашка земель. В результате распашки поступление поверхностных вод в водоносный горизонт сквозь центральные части микропонижений возросло с 3-5 мм (на целине) до 30-50 мм (на пашне), что практически соответствует притоку талых снеговых вод с их склонов (табл. 5). Об увеличении поступления поверхностных вод в водоносный горизонт сквозь распаханные микропо-
18
нижения свидетельствует рассоление профиля лугово-черноземных почв ниже зоны аккумуляции гипса, начавшееся 20-30 лет назад [Сеньков, 2004]. Дополнительный приход влаги в водоносный горизонт приводит к увеличению запасов грунтовой воды под микропонижениями и к подъему их уровня под пла-корными участками за счет бокового притока.
Таблица 5. Водный баланс 0-100-см слоя лугово-черноземных почв распаханных
Дефи- Приходная часть Расходная часть
цит влажно- запасы воды в атмосферные поверхностный сумма прибавка прибавка влаги в испарение
сти почв на III декаду снеге в III декаде осадки приток снегота лых и влаги в почве грунтовых водах
марта, марта дожде
мм вых вод
1987 г.
25 86/59 45/30 16/11 147/100 20/14 34/23 93/63
1988 г.
115 | 95/60 | 13/8 50/32 | 158/100 48/30 1 34/22 76/48
^ 1989 г.
103 | 89/43 | 73/35 46/22 208/100 | 71/34 | 45/22 | 92/44
доказательством участия влаги, фильтрующейся сквозь распаханные" микропонижения, в динамике грунтовых вод является подъем водоносного горизонта в течение 1986-2009 гг. в восточной части Ишим-Иртышского водораздела (табл. 3).
Материалы полевых наблюдений позволяют заключить, что новообразованные приемники поверхностных вод обусловили региональную дифференциацию УГВ и его положение у критических глубин в центральной части водораздела ко второй половине 1980-х гг. Выявленная полевыми наблюдениями многолетняя динамика УГВ подтверждается синхронным подъемом зеркала водоносного горизонта в стационарных водомерных скважинах Обь-Иртышского УГМС и данными почвоведов середины XX столетия. При описании почвенных разрезов глубиной 3,5 м на территории Русско-Полянского госсортучастка К.П. Горшенин [1955], Н.Д. Градобоев с соавторами [1960] не отмечают переувлажнения вскрытых горизонтов, не упоминают о грунтовых водах и не сообщают глубин их залегания.
4.5. Особенности внутригодовой динамики условий избыточного увлажнения почв В условиях континентального климата практически единственным источником питания грунтовых вод являются талые снеговые воды. Наиболее ясная зависимость УГВ от количества осадков предыдущего зимнего сезона наблюдается в местах формирования водоприемников поверхностной влаги. Летом инфильтрации влаги атмосферных осадков в грунтовые воды препятствует большой дефицит атмосферной и почвенной влаги. Ресурсов осенних жидких
осадков недостаточно для промачивания иссушенной до уровня ВЗ и ниже почвенной толщи. Зимой оттепелей в Ишимской степи практически не бывает, поэтому не образуется талой влаги, а сезонно-промерзающий слой является дополнительным водоупором.
В связи с этим УГВ на исследуемом водоразделе поднимается только весной и летом. В остальные сезоны грунтовые воды не получают питания, их уровень падает в связи с расходом воды на фильтрацию в более глубокие слои пород и на суммарное испарение (при залегании зеркала водоносного горизонта выше критической глубины).
Таким образом, в обстановке континентального климата для внутригодо-вой динамики условий гидроморфизма характерна выраженная контрастность, связанная с поступлением в водоносный горизонт талых снеговых вод весной и летом и отсутствием питания грунтовых вод в остальные сезоны. Внутриго-довая контрастность условий гидроморфизма наиболее ярко выражена в полу-гидроморфных почвах с дополнительным поверхностным увлажнением. Весной и в первой половине лета эти почвы развиваются как гидроморфные, в остальные сезоны они функционируют в автоморфном режиме.
5. МЕЖГОДОВАЯ И МНОГОЛЕТНЯЯ ДИНАМИКА УСЛОВИЙ ГИДРОМОРФИЗМА (по материалам наблюдений 1986-1990 и 2002-2008 гг.)
Средняя за 2002-2008 годы сумма осадков превышала многолетние значения на 2,5 % (369 мм против 360 мм, по данным метеостанции «Русская Поляна»). Суммы осадков холодного сезона (рис. 6) несколько превышали средние за период наблюдений значения. Обильные осадки отмечены в сезоны 20012002 и 2006-2007 гг., что в 1,6 и в 1,7 раза превысило средние за годы наблюдений суммы осадков ноября - марта. Атмосферное увлажнение периодов вегетации 1986-1989 гг. и 2002-2008 гг. было сопоставимым, за исключением влажных периодов 2002 и 2007 гг. (см. табл. 2)._
2001- 2002- 2003- 2004- 2005- 2006- 200702 03 04 05 06 07 08
Рис. 6. Атмосферные осадки ноября - марта, мм. Метеостанция «Русская Поляна» [составлено по данным наблюдений Обь-Иртышского УГМС].
5.1.Глубины залегания и внутригодовой режим УГВ В восточной части исследуемого водораздела УГВ под опорными разрезами южных черноземов отмечался в течение 2002-2008 гг. на глубине
20
4,0-5,5 м, т.е. на 1,0-2,5 м выше, чем в 1986-1990 гг. Во внутригодовом режиме глубины залегания зеркала водоносного горизонта отмечаются типичные для ишимских степных автоморфных почв особенности (рис.7). Вследствие более высокого залегания зеркала водоносного горизонта амплитуда колебаний УГВ увеличилась до 0,5 м.
Рис. 7. Внутригодовая динамика УГВ в южном черноземе восточной части Ишим-Иртышского водораздела (разрез 17) в 2008 г.
Плакорные почвы центральной части исследуемого водораздела в 2003, 2004, 2005, 2008, 2009 гг. характеризовались положением УГВ на отметках 3,9-4,0 м, т.е. ниже критической глубины. В те же годы в микропонижениях водораздела УГВ отмечался на глубине 3,2-3,5 м (против 3,2-3,4 м в 19861990 гг.), в нижних частях крупных котловин - на отметках 2,5-2 9 м (против 2-3 м в 1986-1990 гг.). Особенности режима зеркала водоносного горизонта в почвах центральной части водораздела в эти годы не имели существенных отличий от режима УГВ во второй половине 1980-х гг.
В 2002 и 2007 гг., после аномально снежных зимних сезонов, УГВ в пла-корных почвах центральной части водораздела отмечался на глубинах, превышавших критические - 1,7-3,4 м. Режим УГВ в такие годы становился подобным режиму зеркала водоносного горизонта в полугидроморфных почвах в 1980-е годы (рис. 8). Самый низкий УГВ регистрировался в третьей декаде марта на глубине 3,5-4,5 м. Подъем зеркала водоносного горизонта происходил до середины июня до глубины 2,0-2,5 м. В период вегетации яровых зерновых культур грунтовые воды расходовались на суммарное испарение (15-30 мм). Равномерное падение УГВ с июля-августа до марта служит свидетельством неучастия грунтовых вод, расположенных на глубине 3,5-4,5 м, в криогенной аккумуляции влаги на глубине 0,8-1,8 м.
После многоснежных зимних сезонов УГВ фиксировался на 1 м выше обычного в почвах микропонижений и на 0,5-1,0 м выше в почвах нижних частей крупных котловин. Внутригодовая динамика УГВ в лугово-черноземных почвах становилась подобной уровенному режиму зеркала водоносного горизонта в черноземно-луговых почвах в 1980-е годы (рис. 9).Более интенсивное опускание уровня в период вегетации показывало расход влаги водоносного горизонта на суммарное испарение (10-30 мм).
Рис. 8. Внутригодовая динамика УГВ на плакорном участке центральной части
Ишим-Иртышского водораздела (разрез 7): --- 1987-1988 гг. - 2007-2008 гг.
Рис. 9. Внутригодовая динамика УГВ в лугово-черноземных почвах: --1988-1989 г.; ------- 2007-2008 г.
В черноземно-луговых почвах после аномально снежных сезонов внутри-годовая динамика глубины залегания зеркала водоносного горизонта стала очень похожей на режим УГВ в луговых почвах в 1980-е годы (рис. 10).
Рис. 10. Внутригодовая динамика УГВ в черноземно-луговых почвах в 20072008 гг. и в луговых почвах в 1988-1989 гг.: -- луговые почвы; ------- черноземно-луговые почвы
5.2. Миграция влаги и формирование профиля влажности почв В профилях влажности черноземов восточной части водораздела установлена меньшая, по сравнению с 1980-ми гг., мощность горизонта с влажностью на уровне 80-90% HB (на 2-3 м). Запасы доступной растениям влаги в слое 01,0 м этих почв не претерпели больших изменений по сравнению с 1980-ми годами и составили 100-120 мм. Этот объем влаги под посевами яровых зерновых практически полностью расходуется к окончанию активной вегетации.
Режим влажности плакорных почв центральной части водораздела в 1980-е и в 2000-е годы в целом был практически идентичным, за исключением лет после многоснежных зимних сезонов. В 2002 и 2007 гг. в гидрологическом состоянии изучаемых почв отмечены:
- контакт капиллярной каймы грунтовых вод со слоем активного влаго-оборота и возросшие (на 10-30 мм) (рис. 11) весенние запасы доступной растениям влаги в 0-1,0-м слое; более позднее (на декаду) иссушение профиля до уровня ВЗ под посевами яровых зерновых культур;
Влажность, % объема
О 10 20 30 40
Рис. 11. Профиль влажности плакор-ной почвы Ишимской степи (разрез 7) в период сева яровых зерновых культур. Влажность почвы:
----- - 14.05.1988;
- - 29.05.2007;
........................... - наименьшая влагоем-
кость
- меньшая мощность капиллярной каймы в сентябре-октябре (2,0-2,3 м против 2,5 м), что связано с эваподесуктивным расходом капиллярной влаги, особенно в первой половине периода вегетации;
- предзимнее положение горизонта капиллярного насыщения над грунтовыми водами в слое 1,5-3,5 м против 2-Л м, что определило несколько лучшие условия для миграции почвенно-грунтовой влаги в сезонно промерзающие слои (в слое намерзания аккумулировалось до 40 мм влаги).
В 2002 и 2007 гг. в водном режиме этих почв зафиксирована пленочно-капиллярная подпитка профиля от грунтовых вод. Водный режим стал десук-тивно-выпотным, почвы начали развиваться как полугидроморфные. Однако морфологические проявления избыточного увлажнения почв не прослеживаются, по-видимому, в связи с минимальными его величинами, что подтвер-
ждает ранее сделанные наблюдения [Горшенин, 1955; Градобоев и др., 1960]. Не смотря на появление пленочно-капиллярной подпитки от грунтовых вод, глубина эваподесуктивного иссушения на конец вегетации (0,6—0,8 м) и коэффициент расхода влаги под яровыми зерновыми (8-12 мм/ц зерна) существенно не изменялись, по-видимому, в связи с небольшим дополнительным увлажнением почв.
В почвах микропонижений в 2002 и 2007 гг. новым элементом водного режима стала пленочно-капиллярная подпитка профиля от грунтовых вод в период вегетации (до 30 мм). Лугово-черноземные почвы начали развиваться при периодически промывном десуктивно-выпотном режиме. Увеличившиеся запасы влаги практически не отразились на эффективном плодородии почв, вероятно, ввиду небольшого удельного веса поступающей из водоносного горизонта влаги в суммарном расходе почвенной воды — менее 10%.
Главным отличием гидрологического состояния черноземно-луговых и луговых почв в 2002 и 2007 годах явилась возросшая величина пленочно-капиллярной подпитки почв от грунтовых вод в период вегетации (до 40— 50 мм) и объем намерзающей влаги в сезонно-промерзающем слое (до 50 мм).
В 2002 и 2007 годы во всех почвах центральной части водораздела в связи с высоким положением УГВ увеличились запасы влаги в верхнем метровом слое. Однако это увеличение не отразилось на урожайности зерновых культур из-за небольшой доли этой прибавки влаги в суммарном влагообороте (менее 10%), а также из-за снижения пористости аэрации в нижних горизонтах почв, развивающихся в условиях дополнительного грунтового увлажнения.
5.3. Особенности межгодовой и многолетней динамики условий гидроморфизма
Методом регрессионного анализа установлено, что при положении зеркала водоносного горизонта у критических глубин (на глубинах 2,5-6,0 м) УГВ Ишим-Иртышского степного водораздела на 1 июля тесно связан с суммой атмосферных осадков предыдущего холодного сезона (ноябрь - март) (рис. 12). Коэффициент парной корреляции составил -0,78-0,80.
Установленная зависимость дает основание считать, что ведущая роль в межгодовой изменчивости УГВ в почвах Ишимской степи принадлежит атмосферным осадкам предыдущего холодного сезона. В связи с более высокими суммами осадков холодного сезона в 2000-е годы (в среднем 125,9 мм за 2002-2009 гг.) УГВ в центральной части водораздела в 2000-е годы по сравнению со второй половиной 1980-х годов (со средними суммами осадков 107 мм за 1986-1989 гг.) оказался выше на 0,1-0,3 м (после многоснежных зим - на 1,5 м). В восточной части водораздела после лет с повышенным количеством осадков холодного сезона уровень залегания зеркала водоносного горизонта оказался выше на 1-4 м по сравнению с 1980-ми гг.
у ■ 6,ЮЭ2-0,0109*х
Сумм* «тмосфврмх осадков ноября - март«, ни
Рис. 12. Зависимость глубины залегания грунтовых вод на 01.07 (по данным полевых наблюдений) от суммы атмосферных осадков ноября - марта в южном черноземе в опорном разрезе 7.
Установлено, что в гидроморфных почвах зависимость УГВ от суммы осадков предыдущего холодного сезона значительно более низкая (г - 0,52). Связано это с тем, что на межгодовую динамику глубины залегания зеркала водоносного горизонта в нижних частях крупных котловин влияет боковой приток грунтовой воды из-под озер в наиболее низких частях этих котловин.
Таким образом, глубина залегания грунтовых вод в период вегетации оказывается зависимой от количества атмосферных осадков предыдущего холодного сезона года. Благодаря минимальному содержанию капиллярной влаги подъем грунтовых вод выше критической глубины после многоснежных зим не способствовал формированию морфологических признаков гидроморфизма в почвах и не приводил к заметному увеличению (не более 30 мм) запасов доступной растениям влаги в верхнем метровом слое исследуемых почв.
6. РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ УСЛОВИЙ ГИДРОМОРФИЗМА
6.1. Особенности условий гидроморфизма Особенности условий гидроморфизма предопределяются континентальным климатом с суровой продолжительной зимой, с изменчивостью метеоусловий от года к году, а также тяжелым гранулометрическим составом почвен-но-грунтовых толщ Ишимской степи.
6.2. Виды гидроморфизма почв Поверхностный гидроморфизм характерен для лугово-черноземных почв. Он формируется под влиянием притока со склонов преимущественно талых вод. Почвы характеризуются более высокими, по сравнению с черноземами, весенними запасами доступной растениям влаги в слое 0-1,0 .м (120-150 против 90-130 мм), большей мощностью слоя активного влагооборота (до 1,0 м
25
против 0,6-0,8 м) и большей урожайностью зерновых культур.
Грунтово-водный гидроморфизм прослеживается в черноземно-луговых почвах, которые характеризуются большими весенними запасами влаги (на 1030 мм) по сравнению с черноземами. При подъеме водоносного горизонта выше критической глубины возникают благоприятные условия для дополнительного грунтового увлажнения и плакорных почв.
Условия развития сезонно-мерзлотного гидроморфизма присутствуют в почвах всех рядов увлажнения, однако вычленить его морфологические проявления сложно, т.к. они развиты в тех же горизонтах почв и подпочвенных толщ, где распространены проявления фунтового переувлажнения.
6.3. Динамика условий фунтово-водного гидроморфизма
Региональной особенностью внутригодовой динамики является ее контрастность, предопределяемая господством в питании грунтовых вод талой снеговой воды.
Пространственная динамика связана с неодинаковой концентрацией новообразованных водоприемников. На плакорных участках водоразделов УГВ и в 1980-е, и в 2000-е годы отмечался на меньших глубинах в местах повышенной их концентрации.
Ведущим условием межгодовой динамики является изменчивость сумм осадков холодного сезона. После многоснежных зимних сезонов УГВ в период вегетации оказывается на 0,4-1,5 м выше, чем в предыдущий и в последующий годы.
Многолетняя динамика (в течение 20-50 лет). Судя по материалам наблюдений на метеостанциях Ишимской степи, в суммах атмосферных осадков ноября - марта в течение второй половины XX столетия трудно выделить отчетливую тенденцию их изменения (рис. 13). Вероятно, ведущая роль в подъеме
Рис. 13. Атмосферные осадки ноября - марта. Метеостанция «Павлоградка» [составлено по данным многолетних наблюдений Обь-Иртышского УГМС]. УГВ до критических глубин в течение этого времени принадлежит приемникам поверхностной воды у лесополос и приподнятых полотен дорог. Ежегодное дополнительное поступление талой снеговой влаги в водоносный гори-
зонт сквозь новообразованные водоприемники обусловило многолетний подъем УГВ с отметок 8-14 м до критических глубин. По-видимому, у критических глубин затраты грунтовой влаги на суммарное испарение сравниваются с объемом поступающей с поверхности воды.
6.4. Динамика условий сезонно-мерзлотного гидроморфизма Материалы полевых наблюдений показали, что глубина проникновения отрицательных температур в ишимские почвы одинакового тяжелого гранулометрического состава практически не зависит от УГВ и мощности снежного покрова (если она к третьей декаде марта достигает 0,17-0,37 м), а связана с температурами приземного слоя воздуха. За годы наблюдений 0° в профилях ишимских почв отмечался в третьей декаде марта на глубинах 1,5-3,0 м. При промерзании в подпочвенных высоко увлажненных толщах формируется слой намерзания влаги. Верхняя граница этого слоя расположена за пределами слоя эваподесуктивного иссушения под яровыми зерновыми культурами (в промежутке 0,8-1,0 м), а нижняя - расположена на 0,3 м выше глубины проникновения 0°. Влажность этого слоя может превышать уровень НВ, а пористость аэрации - падать до критических значений (рис. 14). После таяния намерзшей сверх уровня НВ влаги в подпочвенных слоях возникают благоприятные условия для развития анаэробиозиса.
Рис. 14. Изменение профиля влажности южного чернозема (разрез 7) в результате промерзания. Температура 0° 21.03.1989 зафиксирована на глубине 205 см.
Влажность почвы:
-----24.11.1988;
- -21.03.1989;
..................... - наименьшая влагоемкость;
_____ - влажность завядания.
7. АГРОПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ПОЧВ
В естественной обстановке Ишимской степи динамика условий почвообразования приводила к колебаниям гидроморфизма почв аккумулятивных ландшафтов, занимающих до 20% территории. В последние десятилетия вследствие функционирования водоприемников у лесонасаждений созданы условия для динамичности гидроморфизма почв еще на 30% территории.
Агропроизводственная оценка почв разных рядов увлажнения проводится путем сравнения температурного режима, ионно-солевых профилей, запасов доступной растениям влаги и урожайности сельскохозяйственных культур в автоморфных и полугидроморфных почвах.
7.1. Запасы влаги и урожайность сельскохозяйственных культур в почвах разной степени гидроморфизма Важнейшей с позиций сельскохозяйственного производства чертой гидроморфизма в условиях степи является дополнительное увлажнение почв. Дополнительное поверхностное увлажнение почв микропонижений обусловливает аккумуляцию более высоких, по сравнению с черноземами, запасов доступной растениям влаги (рис. 15) и способствует вымыванию из профиля легкорастворимых солей. Благодаря этому на лугово-черноземных почвах формируются наиболее высокие урожаи сельскохозяйственных, в первую очередь, яровых зерновых культур (13—20 ц/га) при минимальном удельном расходе почвенной влаги (до 8 мм/ц зерна). Особенно высокие различия в урожайности между почвами микропонижений и другими почвами наблюдаются в засушливые сезоны. Лугово-черноземные являются наилучшими в хозяйственном отношении почвами.
Эяласм 1ГШ1 южтсы чвр«оэ«дв <рмр«з 7), им
Рис. 15. Зависимость между запасами доступной растениям влаги в 0-1,0-м слое лугово-черноземных почв и южных черноземов
Грунтовое увлажнение черноземных почв существенно не отражается на урожайности культурных растений. Это связано с минимальным дополнительным увлажнением почв (до 10-20% суммарного расхода почвенной влаги за период вегетации) и с уменьшением пористости аэрации в слое 0,5-1,0 м с 10-25% до 8—15%. Благодаря этому урожайность зерновых культур на таких почвах и при гидроморфном (11-13 ц/га), и при автоморфном режиме (11-13 ц/га) зависит в первую очередь от количества атмосферных осадков периода вегетации и применяемой агротехники. Основные агротехнические мероприятия на почвах с динамичным гидромор-физмом должны быть направлены на снижение глубины их сезонного
28
промерзания и на более полное усвоение влаги осенне-зимне-весенних осадков.
Пространственная и многолетняя динамичность гидрологического состояния исследуемых почв не предполагает существенного изменения используемых агротехнологий. Тем не менее, на массивах плакорных почв, испытывающих после многоснежных зим влияние поднявшихся выше критической глубины грунтовых вод, разумно культивирование многолетних трав, отличающихся от зерновых агроценозов большей глубиной эваподесуктивного иссушения почвенно-грунтовых толщ. Для снижения УГВ достаточно прочистки существующих полезащитных лесополос до продуваемого состояния (т.е. уменьшения суммарной экранирующей поверхности лесополос путем рубок ухода и подсечки стволов) и оборудования водопропускниками приподнятых полотен дорог.
7.2. Особенности температурного режима автоморфных и полугидроморфных почв Автоморфные и полугидроморфные почвы тяжелосуглинистого высоко илистого гранулометрического состава характеризуются большим сходством температурного режима. Различия проявляются в более медленном осеннем выстывании и весеннем прогревании глубоких горизонтов гидроморфных почв (на 7-10 дней) в связи с их дополнительным грунтовым увлажнением. По классификации В.Н. Димо [1972] тяжелосуглинистые почвы Ишимской степи относятся к группе промерзающих почв типу сезонно-промерзающих континентальному холодному подтипу в годовом цикле умеренно-холодному летом и умеренно-холодному зимой (табл. 6).
Таблица б. Элементы температурного режима почв Ишимской степи
Показатели Южный Лугово- Чернозем-
чернозем чернозем- но-луговая
ная почва почва
Среднегодовая температура, °С: на глубине:
0,2 м 4,5 4,3 4,7
3,2 м 4,1 4,1 3,5
Температура июля на глубине 0,2 м 18,6 19,3 18,9
Сумма температур выше 10° на 0,2 м, °С 2150 2100 2170
Проникновение активных температур, м 1,8 1,8 1,8
Сумма отрицательных температур на 0,2 м, °С -790 -780 -750
Глубина проникновения 0°, м 1,7-2,6 1,6-2,1 1,7-3,2
Годовая амплитуда температур, °С: на глуби-
не: 0,2 м 26,6 26,1 26,3
3,2 м 5,7 5,4 6,0
Период со среднесуточной температурой > 0° 148 160 140
в почве на глубине (сут.): 0,2 м
0,8 м 128 132 145
В целом, теплообеспеченность сельскохозяйственных культур при переходе почв из одного ряда увлажнения в другой практически не меняется.
7.3. Особенности ионно-солевых профилей почв разных рядов увлажнения
Практически идентичный гранулометрический состав и минимальное содержание в почвах капиллярной влаги предопределяют сходство элювиально-иллювиальных ионно-солевых профилей ишимских гидроморфных и авто-морфных почв. Различия в ионно-солевых профилях почв предопределяются неодинаковым их положением в рельефе и разными типами водного режима.
Особенностью элювиально-иллювиального ионно-солевого профиля чер-ноземно-луговых почв выступает укороченность. В лугово-черноземных почвах ежегодная фильтрация поверхностной влаги обусловливает большую вертикальную растянутость ионно-солевого профиля элювиально-иллювиальной природы и отрицательный баланс солей [Сеньков, 2004]. Принципиальное сходство ионно-солевых профилей почв разной степени гидроморфности не создает дополнительных препятствий для развития сельскохозяйственных культур при изменении принадлежности почв к ряду увлажнения.
8. ДИНАМИЧНОСТЬ ГИДРОМОРФИЗМА ПОЧВ ИШИМ-ИРТЫШСКОГО СТЕПНОГО ВОДОРАЗДЕЛА
На основании результатов полевых работ формулируем положения о динамичности условий гидроморфизма как факторе изменений принадлежности почв Ишимской степи к рядам увлажнения.
Изменчивость условий формирования избыточного увлажнения создает предпосылки для колебания УГВ по отношению к критической глубине и для динамики степени гидроморфизма почв. Для тяжелосуглинистых высоко илистых почв типична постоянно повышенная влажность (на уровне 80-100 % НВ) и минимальная резервная водовместимость (0,06). Предполагается, что в таких почвах автоморфный режим сменяется гидроморфным и наоборот при незначительных изменениях объема поверхностной влаги, поступающей в первый от земной поверхности водоносный горизонт [Панфилов и др., 1988].
Ограниченность ресурсов поверхностной воды и низкая водопроницаемость почвенно-грунтовых толщ обусловливают устойчивость водного режима степных почв водораздельных пространств при динамике естественных условий гидроморфизма. В микропонижениях Ишимской степи - естественных водоприемниках - к сроку весеннего снеготаяния ресурсы влаги складываются- из запасов воды в снежном покрове (от 80 до 160 мм при снегозадержании) поверхностного притока талой воды с их пологих склонов (30-50 мм), осадков апреля - мая (в среднем 42 мм). В связи с низкой водопроницаемостью почв (до 6-12 мм/ч) в центральной части этих микроформ рельефа в горизонт грунтовых вод за весну фильтруется 30-50 мм воды. Для подъема УГВ выше критической глубины в водоносный горизонт должно попасть дополнительно не менее 60 мм воды с земной поверхности. Автоморфные почвы характеризуются наибольшей устойчивостью водного режима, которая обеспечивается дополнительно и большой амплитудой глубины залегания грунтовых вод при непромывном водном режиме.
Результаты полевых работ дают основание заключить, что при наблюдающихся колебаниях естественных условий гидроморфизма изменения УГВ по отношению к критической глубине происходят только в почвах нижних частей склонов крупных котловин. Почвы названных элементов рельефа развиваются в условиях увлажнения грунтовыми водами, поступающими в процессе внутригрунтового стока от «купола» зеркала водоносного горизонта под озерами в центре котловин. Озера питаются за счет поверхностного притока талых вод. В зависимости от объема поступившей воды почвы развиваются либо как гидроморфные, либо как полугидроморфные.
Многолетнее приближение УГВ к критической глубине на водораздельных пространствах обеспечивается появлением антропогенных факторов, среди которых наиболее значимыми являются лесополосы. Скопление снега у лесополос и фильтрация талой воды могут приводить к повышению УГВ даже в годы с незначительным количеством зимних атмосферных осадков. Когда УГВ расположен у критических глубин, степень гидроморфизма почв водоразделов зависит от количества осадков холодного сезона года.
ВЫВОДЫ
1. Тяжелый высоко илистый гранулометрический состав почв и подпочвенных толщ пород, незначительное вертикальное расчленение земной поверхности предопределяют благоприятные условия для развития избыточного увлажнения почв в Ишимской степи.
2. Пространственная динамика проявляется в формировании благоприятных условий для развития поверхностного и грунтово-водного гидроморфизма в почвах отрицательных форм рельефа Ишим-Иртышскогоо водораздела.
3. Внутригодовая динамика условий избыточного увлажнения почв Ишимской степи характеризуется контрастностью, обусловленной: 1) доминированием в питании первого от земной поверхности водоносного горизонта талых снеговых вод, с чем связаны сквозное промачивание почв водоприемников только в период снеготаяния, подъем УГВ в весеннее и раннелетнее время и его опускание в остальные сезоны; 2) длительным и глубоким промерзанием почвенно-грунтовых толщ, благоприятным для развития анаэробиози-са при оттаивании намерзшей сверх уровня НВ влаги в слое криогенной аккумуляции преимущественно в подпочвенной толще пород.
4. Межгодовая динамика условий гидроморфизма обусловлена неодинаковым количеством атмосферных осадков холодного сезона года (ноябрь -март включительно) и проявляется в почвах, в которых УГВ расположен у критической глубины.
5. Многолетняя динамика условий гидроморфизма связана с постепенным подъемом уровня фунтовых вод до критической глубины на плакорных участках водораздела вследствие функционирования новообразованных приемников поверхностной воды у лесополос и приподнятых полотен дорог. Когда уровень грунтовых вод становится близким к критическому, достаточно не-
больших колебаний условий гидроморфизма (многоснежной зимы) для подъема зеркала водоносного горизонта выше критической глубины.
6. Региональные особенности динамики условий гидроморфизма почв Ишимской степи связаны с континентальным климатом с суровой продолжительной зимой и межгодовой изменчивостью метеоусловий; с тяжелым гранулометрическим составом почв и пород, предопределяющим возможность динамики УГВ при минимальных изменениях водного баланса; с функционированием приемников поверхностной воды только за счет концентрации в них талой снеговой влаги.
7. В почвах Ишимской степи с минимальным содержанием капиллярной влаги при колебаниях их гидроморфизма отмечаются незначительные изменения в запасах доступной растениям влаги, в температурном режиме и урожайности сельскохозяйственных культур.
8. Дополнительное грунтовое увлажнение первично-автоморфных почв предопределяет увеличение весенних запасов доступной растениям влаги (до 90-140 мм в слое 0-1,0 м). Однако минимальное дополнительное увлажнение (10-20% расхода почвенной влаги за период вегетации) и снижение пористости аэрации до критических значений в слое 0,5-1,0 м препятствуют повышению урожайности зерновых культур на таких почвах.
9. При подъеме УГВ с глубины 2-3 м до 1-3 м в черноземно-луговых и луговых почвах возрастают величины пленочно-капиллярной подпитки профилей (с 30 до 50 мм за период вегетации) и увеличиваются запасы доступной растениям влаги (со 110-130 мм до 130-150 мм в слое 0-1,0 м). Однако при высоком залегании УГВ задерживаются сроки поспевания почв к весенней обработке (на 7-20 дней), что приводит к выпадению почв из пахотных угодий.
10. В условиях изменчивости гидроморфизма наиболее ценными в хозяйственном отношении почвами являются лугово-черноземные почвы микропонижений. Их дополнительное поверхностное увлажнение обусловливает аккумуляцию более высоких, по сравнению с почвами плакоров, запасов доступной растениям влаги (120-150 мм в слое 0-1,0 м) и способствует вымыванию из профиля легкорастворимых солей. Поэтому лугово-черноземные почвы отличаются наиболее высокими урожаями яровых зерновых культур (1320 ц/га) при минимальном удельном расходе почвенной влаги (до 8 мм/ц зерна). •
11. Для понижения расположенного у критической глубины УГВ на пла-корных участках исследуемого водораздела достаточно прочистки лесополос до продуваемого состояния, оборудования водопропускниками приподнятых полотен дорог и увеличения в севообороте доли многолетних трав, под посевами которых происходит сильное (до уровня ВЗ и ниже) и глубокое (до глубины 2 м) иссушение почвенно-грунтовых толщ.
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
МОНОГРАФИИ
1. Кравцов Ю.В. Черноземы Ишимской степи. - Новосибирск: изд. НГПУ 2004.-213 с.-12,9 п.л.
2. Кравцов Ю.В. Многолетняя динамика гидрологического состояния почв Ишимской степи. - Lambert Academic Publishing, 2010. - 230 с. - 13,9 п.л.
РАЗДЕЛЫ КОЛЛЕКТИВНЫХ МОНОГРАФИЙ
3. Азьмука Т.И., Кравцов Ю.В. Агроклиматические особенности территории // Черноземы: свойства и особенности орошения. — Новосибирск: Наука, 1988. - С. 30-39. - 0,6 п.л./0,3 п.л.
4. Kravtsov Yu.V. Ishim Steppe Soils and Subsoils Hydrological Conditions Changes in the Second Half of the 20th Century // Steppe Ecosystems: Dynamics, Land Use and Conservation. - Nova Science Publishers, 2011. - pp. 1—41. - 2,5 п.л.
СТАТЬИ В ЖУРНАЛАХ, ВХОДЯЩИХ В ПЕРЕЧЕНЬ
РЕЦЕНЗИРУЕМЫХ НАУЧНЫХ ЖУРНАЛОВ И ИЗДАНИЙ
5. Кравцов Ю.В. Миграция влаги и изменение профиля влажности поч-вогрунтов Ишимской степи в зимний период // Сибирский биологический журнал. - 1992. - Вып. 6. - С. 22-26. - 0,3 п.л.
6. Кравцов Ю.В. Генетические особенности и некоторые черты развития черноземов южных Ишимской степи // Сибирский экологический журнал. -2004. - Т. 11. - № 3. - С. 315-320. - 0,36 п.л.
7. Кравцов Ю.В. Температурный режим черноземов южных и лугово-черноземных почв Ишимской степи // Сибирский экологический журнал. -2006. - № 2. - С. 227-234. - 0,42 п.л.
8. Кравцов Ю.В. Водный режим южных черноземов Ишимской степи // Сибирский экологический журнал. - 2006. - № 2. - С. 235-242. - 0,48 п.л.
9. Кравцов Ю.В. Гидрологическое состояние почвогрунтов Ишимской степи //Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 2008. - № 12. - С. 12-18.-0,42. '
10. Кравцов Ю.В. Влияние деятельности человека на подъем грунтовых вод в степи // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 2009. - № 1. -С. 11-18.-0,48 п.л.
11. Кравцов Ю.В. Подъем грунтовых вод в Ишимской степи // Сибирский экологический журнал. - 2009. — № 2. — С. 217-222. — 0,36 п.л.
12. Кравцов Ю.В. Изменения в режиме влажности плакорных почв Ишимской степи при подъеме грунтовых вод // Вестник Томского государственного университета. - 2009. — № 325. -С. 176-181. - 0,36 п.л.
13. Кравцов Ю.В. Многолетняя динамика водного режима почв Ишимской степи // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 2010. - № 2. -С. 10-16.-0,42 п.л.
СТАТЬИ В ДРУГИХ НАУЧНЫХ ИЗДАНИЯХ
14. Кравцов Ю.В. Экологические особенности формирования весенних запасов влаги в черноземах Западной Сибири // Эколого-экономические основы безопасной жизнедеятельности. Новосибирск: Изд. НИСКТ, 1993. - С. 121-125.-0,3 пл.
15. Кравцов Ю.В. Особенности температурного режима почв Ишимской степи II Биологическая наука и образование в педагогических вузах. Выпуск 2. Новосибирск: изд. НГПУ, 2002. - С. 41-48. - 0,4 п.л.
16. Кравцов Ю.В. Специфика почвообразования на водоразделах Ишимской степи // Вестник ТГУ, приложение № 15,2005. - С. 220-221. - 0,36 п.л.
17. Кравцов Ю.В. Гидротермический режим южных черноземов и лугово-черноземных почв Ишимской степи // Вестник Тюменского государственного университета. - 2006. - № 5. - С. 76-82. - 0,42 пл.
18. Кравцов Ю.В. Гидрологическое состояние черноземов южных тяжелого гранулометрического состава // Труды СибНИГМИ, выпуск 105. Гидро-метеоиздат, 2007. - С. 155-162. - 0,42 п.л.
19. Kravtsov Yu.V. Rise of ground water in the Ishim steppe // Contemporary problems of Ecology. - 2009. - Vol. 2. - No. 6. - pp. 655-659. - 0,36 пл.
20. Kravtsov Yu.V. Rise of ground water in the Ishim steppe. -http://www.springerlink.com/openurl.asp?genre=articIe&id=doi: 10.1134/S1995425 509060265 DPI 10.1134/S1995425509060265/ - 0,36 пл.
Подписано в печать 19.04.13. Формат бумаги 60x84/16. Печать RISO. Уч.-изд.л. 2,19. Усл. п.л. 2,03. Тираж 130 экз. Заказ № 11.
Педуниверситет, 630126, Новосибирск, Вилюйская, 28
Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Кравцов, Юрий Васильевич, Томск
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
05201351182 На правах РУкописи
Кравцов Юрий Васильевич
ДИНАМИЧНОСТЬ УСЛОВИЙ ГИДРОМОРФИЗМА ПОЧВ ИШИМСКОЙ СТЕПИ
Специальность 03.02.13 - почвоведение
Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук
Томск 2013
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ......................................................................................2
1. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ДИНАМИЧНОСТИ УСЛОВИЙ ГИДРОМОРФИЗМА НА ЮГЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ......................11
1.1. Гидроморфизм и динамичность условий его развития..........12
1.2. Автоморфные и гидроморфные почвы....................................23
1.3. Неогидроморфизм степных почв и его причины....................34
1.4. Представления о динамике условий гидроморфизма почв
юга Западной Сибири..............................................................................35
2. РАЙОН, ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ................39
2.1. Район исследования..................................................................39
2.2. Особенности условий гидроморфизма почв Ишимской степи..........................................................................................................39
2.2.1. Рельеф......................................................................................39
2.2.2. Подстилающие и почвообразующие породы......................41
2.2.3. Климат......................................................................................43
2.2.4. Поверхностные и подземные воды......................................49
2.2.5. Растительность........................................................................52
2.2.6. Особенности хозяйственной деятельности........................53
2.3. Методы исследования..............................................................54
3. ПОЧВЫ ИШИМСКОЙ СТЕПИ..................................................62
3.1. Структура почвенного покрова и особенности морфологии почв............................................................................................................62
3.2. Гранулометрический состав и водно-физические свойства почв............................................................................................................71
4. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ И ВНУТРИГОДОВАЯ ДИНАМИКА УСЛОВИЙ ГИДРОМОРФИЗМА 0по материалам наблюдений 1986-1990 гг.)............................................................................................86
4.1. Глубины залегания и внутригодовой режим уровня грун-
товых вод................................................ 88
4.2. Миграция влаги и формирование профиля влажности почв. 105
4.3. Водный режим почв................................. 166
4.4. Особенности пространственной динамики условий гидро-морфизма................................................. 179
4.4.1. Дифференциация уровня грунтовых вод............... 180
4.4.2. Причины региональной дифференциации уровня грунтовых вод на Ишим-Иртышском степном водоразделе............. 182
4.5. Особенности внутригодовой динамики условий избыточного увлажнения почв....................................... 200
4.5.1. Контрастность глубины залегания грунтовых вод и гид-роморфизма почв........................................... 200
4.5.2. Формирование слоя намерзания влаги................ 201
5. МЕЖГОДОВАЯ И МНОГОЛЕТНЯЯ ДИНАМИКА УСЛОВИЙ ГИДРОМОРФИЗМА (по материалам наблюдений 1986-1990
и 2002-2008 гг.)............................................ 206
5.1. Глубины залегания и внутригодовой режим уровня грунтовых вод................................................ 207
5.2. Миграция влаги и формирование профиля влажности почв. 214
5.3. Особенности межгодовой и многолетней динамики условий гидроморфизма......................................... 240
5.3.1. Изменения уровня грунтовых вод в 2002-2008 гг. по сравнению с 1986-1990 гг.................................... 241
5.3.2. Причины многолетней дифференциации глубины залегания зеркала водоносного горизонта............................ 244
6. РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ УСЛОВИЙ ГИДРОМОРФИЗМА......................................................................264
6.1. Особенности условий гидроморфизма....................................264
6.2. Виды гидроморфизма почв......................................................266
6.3. Динамика условий грунтово-водного гидроморфизма..........276
6.3.1. Внутригодовые колебания....................................................276
6.3.2. Пространственная изменчивость..........................................279
6.3.3. Межгодовая динамичность....................................................282
6.3.4. Многолетние изменения........................................................283
6.4. Динамика условий сезонно-мерзлотного гидроморфизма .. 283
7. АГРОПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ПОЧВ......................287
7.1. Запасы влаги и урожайность сельскохозяйственных культур в почвах разной степени гидроморфизма..............................................288
7.2. Особенности температурного режима автоморфных и по-лугидроморфных почв............................................................................290
7.2.1. Температурный режим почв в осенне-зимний период . .. 292
7.2.2. Температурный режим почв в весенне-летний период ... 305
7.3. Особенности ионно-солевых профилей почв разных рядов увлажнения..............................................................................................323
8. ДИНАМИЧНОСТЬ ГИДРОМОРФИЗМА ПОЧВ ИШИМ-ИРТЫШСКОГО СТЕПНОГО ВОДОРАЗДЕЛА..................................361
ВЫВОДЫ..........................................................................................363
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................366
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Фациальная специфика почвообразования Западной Сибири связана со своеобразием природных условий и проявляется в генетических свойствах и в особенностях развития почв (рис. 1).
Условия почвообразования
фациальные особенности почвообразования
/ почвенный покров \ /■ -ч генетические свойства г эволюция почв
почв /
1 1 1
с комплексность \ с > полигенетичность / изменение гидромор- \
V ^ У физма почв У
Рис. 1. Фациальные особенности почвообразования в Западной Сибири Практически на всей территории Западной Сибири почвообразование осуществляется в условиях плоской слабо дренируемой земной поверхности. Полагается, что в такой обстановке внутригодовая и многолетняя динамика атмосферного увлажнения должна сопровождаться изменениями уровня грунтовых вод (УГВ) и, соответственно, колебаниями степени гидроморфиз-ма почв [Горшенин, 1955; Градобоев и др., 1960; Богданов, 1976; Гаджиев, 1982; Гаджиев, Курачев, 1988; Хмелев, 1988; Гаджиев, Панфилов, 1990; Хмелев, Танасиенко, 2009 и др.]. В связи с этим во многих почвах аккумулятивных и трансаккумулятивных ландшафтов Западной Сибири отмечаются проявления их развития при разной степени гидроморфизма [Горшенин, 1955; «Почвы ...», 1966; «Структура ...», 1974; Гаджиев, 1982; Курачев, Рябова, 1988 и др.].
Особую актуальность имеют изменения условий формирования избыточного увлажнения почв степной зоны, являющейся важным сибирским ре-
гионом по производству зерна. Предполагается, что в степях колебания гид-роморфизма должны наиболее ярко проявляться в почвах тяжелого гранулометрического состава, распространенных на Ишим-Иртышском водоразделе. Эти почвы отличаются минимальной резервной водовместимостью, что предопределяет возможность быстрых изменений в них УГВ [Панфилов и др., 1988]. Этим и обусловлен выбор района исследования - Ишим-Иртышского степного водораздела (Ишимской степи).
Динамичность условий формирования избыточного увлажнения почв Ишимской степи и ее значение в изменчивости гидроморфизма этих почв к настоящему времени оказываются практически неисследованными. До сих пор нет обоснованных ответов на следующие вопросы. Динамикой каких параметров атмосферного увлажнения предопределены изменения уровня грунтовых вод, приводящие к смене водного режима почв и их принадлежности к ряду увлажнения? Насколько переходы почв из одного ряда увлажнения в другой значимы для агропромышленного производства? Каковы рекомендации по ликвидации неблагоприятных для сельского хозяйства последствий динамичности гидроморфизма степных почв?
Установленное в последние десятилетия подмачивание первично-автоморфных почв в южных районах Восточной Европы вследствие климатических флуктуаций и деятельности человека не дает возможности получить ответ на вопрос об особенностях динамики условий гидроморфизма в Ишимской степи. Понимание же региональных закономерностей изменчивости условий избыточного увлажнения почв, механизмов ее влияния на урожайность сельскохозяйственных культур позволяет разрабатывать оптимальные технологии эксплуатации земельных ресурсов в крупном аграрном регионе Сибири.
Цель работы - установление динамичности условий гидроморфизма как фактора изменчивости принадлежности почв Ишимской степи к рядам увлажнения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучить особенности пространственной и внутригодовой динамики избыточного увлажнения исследуемых почв;
- выявить характерные черты межгодовой и многолетней изменчивости условий гидроморфизма степных почв Ишим-Иртышского водораздела;
- установить региональную специфику динамичности факторов формирования повышенного увлажнения почв Ишимской степи;
- дать агропроизводственную оценку ишимским степным почвам при их переходе из автоморфного режима в полугидроморфный;
- представить положения о динамичности гидроморфизма почв Ишим-Иртышского степного водораздела.
Научная новизна. Изучение изменчивости условий формирования избыточного увлажнения почв послужило основой для создания положений о динамичности гидроморфизма почв степной зоны Ишимской равнины. В рамках этих представлений:
• изучена изменчивость природных и антропогенных факторов формирования повышенного увлажнения почв Ишимской степи;
• установлена динамика условий почвообразования, приводящая к изменениям принадлежности ишимских степных почв к рядам увлажнения;
• выявлены особенности водного и температурного режима почв, динамика урожайности сельскохозяйственных культур при изменениях степени гидроморфизма почв Ишим-Иртышского степного водораздела;
• дана агропроизводственная оценка почвам Ишимской степи при их переходе из одного ряда увлажнения в другой и предложены рекомендации по рациональному использованию гидрологического состояния ишимских почв.
Защищаемые положения.
1. Динамичностью условий почвообразования создаются предпосылки для изменений принадлежности почв к рядам увлажнения.
2. Межгодовые колебания степени гидроморфизма характерны для почв, в которых уровень грунтовых вод расположен у критической глубины, и
проявляются в зависимости от количества осадков холодного сезона (ноябрь - март включительно).
3. Многолетняя динамика принадлежности почв к рядам увлажнения связана с постепенным подъемом УГВ до критической глубины на плакор-ных участках в результате функционирования новообразованных приемников поверхностной воды.
Реализация результатов работы и практическая значимость. В автоморф-ных и полугидроморфных почвах установлены: баланс влаги и температурный режим при различных метеоусловиях основных сезонов года, динамика расхода влаги под посевами сельскохозяйственных культур, урожайность культурных растений в разные по гидротермическим условиям периоды вегетации.
Выявлены механизмы внутригодовых, межгодовых и многолетних изменений гидроморфизма почв вследствие динамичности природных и антропогенных условий почвообразования. Установлены особенности баланса влаги, динамики ее расхода и урожайности культурных растений при изменениях принадлежности почв к рядам увлажнения.
Определена роль лесополос и приподнятых полотен дорог в формировании гидрологического состояния почв Ишимской степи и в обратимых переходах этих почв из автоморфного режима в полугидроморфный. По результатам исследования сформулированы рекомендации по рациональному использованию почв при изменениях их гидроморфизма.
Материалы по межгодовым и многолетним изменениям гидрологического состояния степных почв Ишим-Иртышского водораздела служат основой при разработке систем агротехнических мероприятий при долгосрочном планировании хозяйственного использования земель региона.
Материалы многолетних круглогодичных гидрологических наблюдений на ишимских степных почвах разных рядов увлажнения позволяют уточнить представления об особенностях гидроморфного почвообразования в степной зоне Западной Сибири.
Результаты исследования нашли применение в учебных пособиях и в учебных курсах, читаемых автором в Новосибирском государственном педагогическом университете с 1989 г. по настоящее время.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на VIII Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск, 1989) и на IV и V съездах Всероссийского докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004; Ростов-на-Дону, 2008); на девяти Международных конференциях: Пущино (1992), Томск (2002), Санкт-Петербург (2005), Гурзуф (2006, 2007, 2007), Владивосток (2007), Манжерок (2009), Тамбов (2009); на конференции стран содружества (Пущино, 1992); на Всесоюзной конференции (Пущино, 1989); на восьми Всероссийских конференциях: Томск (2005, 2010), Красноярск (2007), Новосибирск (2002, 2008, 2010), Пущино (2009, 2010); на Межреспубликанской конференции (Новосибирск, 1992); на десяти региональных научно-практических конференциях: Омск (1987), Абакан (1992), Новосибирск (1997, 2005, 2006, 2007, 2010, 2011), Иркутск (2007), Челябинск (2008).
По теме диссертации опубликованы 56 печатных работ, в том числе 2 авторские монографии, разделы в 2 коллективных монографиях и 9 статей в научных журналах списка ВАК России.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Ю.В. Кравцов определил задачи работы, принимал непосредственное участие во всех этапах исследования и сформулировал положения о динамичности гидроморфизма почв Ишим-Иртышского степного водораздела. Ему принадлежит основная роль в сборе полевых материалов по водному и температурному режимам автоморфных и гидроморфных почв, по урожайности сельскохозяйственных культур на исследуемых почвах, по интерпретации полученных результатов. Под руководством Ю.В. Кравцова в полевых исследованиях по обозначенной проблематике принимали участие студенты ФГБОУ ВПО НГПУ.
Определение физических и водно-физических свойств ишимских почв
проведено сотрудниками Института почвоведения и агрохимии (ИПА) СО РАН И.В. Слесаревым и С .Я. Кудряшовой [1988 а; 1988 б]. Формирование ионно-солевых профилей изучаемых почв исследовано сотрудником ИПА СО РАН A.A. Сеньковым [2002; 2004]. Динамика месячных сумм атмосферных осадков, среднемесячных температур воздуха и уровня грунтовых вод в стационарных водомерных скважинах приводится по материалам метеостанций Обь-Иртышского межрегионального территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (УГМС).
Благодарности: автор выражает признательность учителю - ¡Виктору
Петровичу Панфилову, доктору биологических наук, профессору, заведующему лабораторией физики и мелиорации почв ИПА СО РАН. Искренняя благодарность выражается всем сотрудникам ФГБОУ ВПО НГПУ за поддержку во время работы.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, восьми глав, выводов, библиографического списка. Рукопись содержит 87 рисунков, 47 таблиц. Основное содержание изложено на 365 страницах машинописного текста. Список литературы включает 332 наименования, в том числе 59 - на иностранных языках.
1. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ДИНАМИЧНОСТИ УСЛОВИЙ ГИДРОМОР-ФИЗМА НА ЮГЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Почвообразование в условиях избыточного увлажнения и почвы разной степени гидроморфизма широко распространены на территории России и сопредельных государств. Наиболее благоприятная обстановка для развития таких почв существует в пределах низменных слабо дренируемых равнинных пространств. Особое место среди них принадлежит Западно-Сибирской равнине, в отдельных регионах которой полугидроморфными и гидроморфными почвами занято до 80-90% площади [Караваева, 1988; Курачев, Рябова, 1988; Хмелев, 1988 и др.]. Столь широко распространенные почвы тем или иным образом давно оказались вовлеченными в хозяйственное использование.
За более чем столетний период изучения гидроморфных почв в нашей стране и за рубежом накоплен огромный фактический материал, на основании которого выявлены многие особенности почвообразования в условиях избыточного увлажнения. К настоящему времени выработан понятийный аппарат учения о гидроморфизме, сформированы представления о рядах увлажнения почв, об экологии автоморфного и гидроморфного почвообразования, об особенностях морфологии, свойств и режимов почв, развивающихся при дополнительном увлажнении, сформулирована идея эволюции авто-морфных почв в гидроморфные (и, наоборот) вследствие изменчивости условий почвообразования. Вместе с тем, анализ литературных источников дает основание полагать, что динамика условий гидроморфизма во времени остается к сегодняшнему дню практически не исследованной. Эта проблема только в последние десятилетия становится предметом целенаправленных научных изысканий. В печатных работах 1990-х и 2000-х гг. раскрываются результаты изучения различных аспектов этой задачи в основном на территории южных районов Восточно-Европейской равнины. Публикаций об итогах систематических долгосрочных исследований динамики условий гидро-
морфизма и ее отражений в свойствах и режимах почв в пределах южных районов Западной Сибири нам не известно.
Изложение результатов наших изыскан�
-
Кравцов, Юрий Васильевич
-
доктора биологических наук
-
Томск, 2013
-
ВАК 03.02.13
- Геоэкологическая характеристика природно-территориальных комплексов современного гидроморфизма
- Трансформация физических и физико-химических свойств почв Каменной Степи в условиях сезонного переувлажнения
- Гидроморфные почвы и переувлажненные земли лесостепи Русской равнины
- Почвы замкнутых западин севера Тамбовской равнины в условиях поверхностного и грунтового переувлажнения
- Морфогенетические особенности и солевой состав почв Каменной степи в условиях развития гидроморфизма
