Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экспериментальное обеспечение модели водного режима черноземов Каменной степи

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное обеспечение модели водного режима черноземов Каменной степи"

На правах рукописи

С

Москвин Владимир Владимирович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДЕЛИ ВОДНОГО РЕЖИМА ЧЕРНОЗЕМОВ КАМЕННОЙ СТЕПИ

Специальность 03.02.13 - почвоведение 06.01.03 - агрофизика

11 АПР 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Воронеж-2013

005051701

005051701

Работа выполнена на кафедре почвоведения и управления земельными ресурсами Воронежского государственного университета.

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор

Щеглов Дмитрий Иванович доктор биологических наук, профессор Шеин Евгений Викторович

Официальные оппоненты:

Надежкин Сергей Михайлович, доктор биологических наук, профессор, Всероссийский научно-исследовательский институт селекции и семеноводства овощных культур Россельхозакадемии, заведующий лабораторией применения агрохимических средств.

Мазиров Михаил Арнольдович, доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой земледелия и методики опытного дела Российского государственного аграрного университета - МСХА им. К.А. Тимирязева.

Ведущая организация: Воронежский научно-исследовательский институт сельского хозяйства имени В.В. Докучаева (Воронежская обл., Таловский район).

Защита диссертации состоится 19.04.2013 на заседании диссертационного совета Д 212.038.02 при Воронежском государственном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, Университетская пл.,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан «18» марта 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета

Л, /> А

канд. биол. наук, доцент '^¿^л^/^ Брехова Л. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сочетание обилия света и тепла с высоким плодородием черноземных почв способствовало превращению лесостепной и степной зон Русской равнины в высокопродуктивные агроландшафты. В этих зонах производится наибольшее количество товарного зерна и продуктов животноводства. Лимитирующим фактором продуктивности почв, особенно в степной зоне, является дефицит влаги. Засухи в этих регионах представляют обычное явление. А орошение во многих случаях без должного научного обоснования, прогностической оценки и оптимизации управления привело к локальному переувлажнению и засолению земель, что стало причиной деградации высокопродуктивных черноземов. Все это делает актуальным разработку теоретических основ управления гидрологическим режимом почв и поиск путей его оптимизации. Разразившийся в 2010 году кризис продовольствия на мировых рынках, приведший к резкому скачку цен на сельскохозяйственную продукцию, придает еще большую актуальность проблеме плодородия почв и обеспеченности их влагой.

Научные основы решения этих задач были заложены В.В. Докучаевым (1952) и развиты его учениками и последователями П.А. Костычевым (1940), A.A. Измаильским (1949), Г.Н. Высоцким (2009), А.Н. Костяковым (1933), A.A. Роде

(1960), В.А. Ковдой (1973) и др.

Процессы, определяющие водный режим, характеризуются соотношением источников (осадки, орошение, подток грунтовых вод и др.) и стоков (испарение, транспирация, внутрипочвенный отток и др.) воды в почвенной толще и отличаются исключительно тесной взаимной обусловленностью. Поэтому расчет водного режима представляет собой сложную задачу.

Одним из современных и наиболее часто используемых методов изучения водного режима почв является моделирование. Модель, основанная на физических законах передвижения влаги в почве, способна с заданной точностью воспроизвести во взаимной связи все режимообразующие процессы. Все это диктует необходимость разработки и применения математической модели для

расчета водного режима черноземов.

Цель и задачи исследований. Целью работы было научное обоснование экспериментального обеспечения модели, имитирующей водный режим черноземов обыкновенных.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

1. Определить физические и гидрофизические свойства черноземов обыкновенных Каменной степи: гранулометрический состав, плотность почвы, плотность твердой фазы, общую и дифференциальную порозность; почвенно-гидрологические константы (ПГК): максимальную гигроскопичность (МГ) и наименьшую влагоемкость (НВ); физико-механические константы (ФМК): предел пластичности (ПП) и предел текучести (ПТ); основную гидрофизическую характеристику (ОГХ);

2. Изучить в полевых условиях процессы фильтрации и инфильтрации воды в почву, как основную приходную статью водного баланса изучаемых почв.

3. Провести модельные эксперименты, имитирующие процессы фильтрации и инфильтрации в различные по гидротермическим условиям годы (2010 и 2011) с параметрами модели, вычисленными по различным педотрансферным функциям.

4. Провести модельные эксперименты, имитирующие водный режим изучаемых почв с различными параметрами.

5. На основе статистического анализа результатов моделирования и полевого эксперимента выявить оптимальный метод нахождения экспериментального обеспечения для моделей инфильтрации и водного режима изучаемых почв, позволяющий получить наиболее точные модельные расчеты.

Научная новизна работы. В резко контрастные по погодным условиям годы (2010 - 2011) исследованы физические и гидрофизические свойства черноземов обыкновенных Каменной степи с использованием современных методик. Впервые для характеристики физического состояния черноземов Каменной степи используется интегральный гидрофизический показатель ОГХ. Впервые исследована общая организация порового пространства обыкновенных

черноземов Каменной степи с использованием классификации Р. Бревера. Выявлены особенности изменения порового пространства по профилю почв в контрастных гидротермических условиях.

Предложено и обосновано почвенно-гидрофизическое экспериментальное обеспечение моделей инфильтрации воды в почву и водного режима черноземов обыкновенных Каменной степи в различные по климатическим условиям годы. Показано, что при использовании модели НТО1Ш8 для имитации процесса инфильтрации и последующего передвижения влаги в рассматриваемых гидротермических условиях удается добиться наибольшей точности в случае, когда входные параметры модели вычислены по «секущим Воронина» с последующей аппроксимацией данных функцией ван Генухтена.

Отмечается особенность ПТФ Нургеэ, которая не позволяет вести расчеты, связанные с передвижением воды, используя модель ШТ)1Ш8.

Практическое значение работы. Полученное гидрофизическое обеспечение для модели ттжиз может быть использовано при изучении инфильтрационных процессов в обыкновенных черноземах Каменной степи, прогнозировании влажности почв и, соответственно, влагообеспеченности сельскохозяйственной продукции, а также при планировании различного рода агрохимических и мелиоративных мероприятий.

Результаты работы могут послужить основой при подборе педотрансферных функций для экспериментального обеспечения модели НУБЯиЭ, исходя из трудоемкости работ и допустимой точности модельных расчетов.

Основные теоретические положения работы могут быть использованы в лекциях по дисциплинам «Почвоведение», «Физика почвы», «Гидрология почв», при проведении семинарских занятий, учебных и производственных полевых практик, при выполнении курсовых и дипломных работ на биолого-почвенном факультете Воронежского госуниверситета.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных сессиях Воронежского государственного университета в 2009 и 2010 годах, на научно-практической конференции «Актуальные проблемы почвоведения, экологии и

земледелия» в 2010 году г. Курск, на IV Всероссийском с международным участием конгрессе студентов и аспирантов-биологов «Симбиоз Россия -2011» г. Воронеж, на У1-ом съезде общества почвоведов имени В.В. Докучаева (г. Петрозаводск, 13-18 августа 2012 г.).

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 129 листах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, списка используемой литературы, включающего 190 литературных источников, из них 45 иностранных, и приложений. Работа содержит 10 таблиц и 34 рисунка.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность всем сотрудникам кафедры почвоведения и управления земельными ресурсами ВГУ, а также доктору биологических наук Ю.И. Чевердину и сотрудникам отдела почвоведения ВНИИСХ им. В.В. Докучаева за помощь в проведении полевых исследований и информационную поддержку.

Публикации. По теме диссертации в периодических изданиях опубликовано 7 работ. В том числе три в журналах перечня ВАК РФ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Анализ подходов к моделированию почвенных процессов и режимов.

Моделирование почвенных процессов и режимов - относительно молодое научное направление, которое начало развиваться с середины 60-х годов прошлого столетия с появлением мощных ЭВМ и разработкой методов моделирования сложных динамических систем - системного анализа. Системный анализ - это рецептурная реализация общеметодологического научного принципа - системного подхода. Стоит отметить, что российскому почвоведению всегда был органически присущ системный подход. Видение почвы. В.В. Докучаевым (Докучаев, 1952) было системным, а позднее Б.Б. Полынов с аналогичных позиций создал учение о геохимии ландшафтов (Полынов, 1956). С развитием вычислительной техники появилась возможность наиболее эффективного использования традиционного системного подхода в почвоведении, поскольку такие исследования связаны с обработкой большого объема информации, с

анализом большого числа вариантов и построением математических моделей (Афанасьева, 1966; Ковда, 1978; Полуэктов 2002: Rubin, J., 1968; Van derPloeg et al, 1978; Vauclin M., Haverkamp R., Vauchaud G., 1979 и др ). В настоящее время системный подход реализован в физически обоснованных математических моделях, позволяющих на основе физических законов передвижения влаги описывать гидрологические процессы в различных условиях. Модели последнего уровня, опираясь на специальное гидрофизическое экспериментальное обеспечение, позволяют рассчитывать процессы переноса влаги с той или иной степенью точности. Проблема заключается в получении соответствующего экспериментального обеспечения, его точности и соответствии моделируемым процессам.

Глава 2. Объект и методы исследования. Объектом исследования послужили автоморфные почвы заказника «Каменная степь» (Таловский район Воронежской области), расположенного на границе Окско-Донской равнины и Калачской возвышенности. Для проведения полевых исследований был выбран участок, расположенный на водоразделе и приводораздельной части слабопологого склона восточной экспозиции с уклоном 0.018° - 0.006° между 138 и 156 лесополосами общей площадью около 2 га. Почвы на исследуемом участке по классификации 2004 года представлены агрочерноземами сегрегационными среднегумусными среднемощными легкоглинистыми на карбонатных лессовидных глинах.

Методы исследований. Полевые исследования проводились общепринятыми стандартизированными методами по единой схеме проведения полевого эксперимента. На экспериментальном участке закладывали почвенные разрезы глубиной 190 -200 см, в которых проводилось описание и исследование морфологии и морфометрии. Из каждого разреза отбирали образцы в шестикратной повторности каждые 10 см сплошной колонкой до глубины 110 см. Из 6 отобранных образцов готовили 3 смешанных, с которыми проводили анализы. Плотность почвы определяли методом режущего кольца. Плотность твердой фазы - пикнометрически. Гранулометрический состав определяли методом пипетки Качинского для каждых

20 см до глубины 100 см, а также для слоя 100-110 см. В полевых условиях, прежде всего, определяли полевую влажность почвы (Вадюнина, 1961). Эти значения впоследствии были использованы в качестве данных исходного состояния модели (начальной влажности) при моделировании процессов водопроницаемости почвы. Водопроницаемость (фильтрацию) почвы определяли методом трубок с постоянным напором. В 2010 году водопроницаемость определяли только с поверхности почвы в девятикратной повторности. В 2011 году этот показатель определяли с поверхности почвы и для каждого 20-ти сантиметрового слоя в девятикратной повторности.

Постоянный напор в трубках поддерживали не менее 4 часов, используя прием, основанный на принципе устройства Бойля-Мариотта. В каждую трубку верх дном устанавливали градуированные бутылки с водой, меняя их по мере расходования воды. После установления более-менее равномерного потока из

нижних ступенек к верхним, так как, по нашим наблюдениям, фильтрация в нижней части исследуемой толщи наступала раньше, чем в верхней.

Для определения послойных величин водопроницаемости почвенные разрезы закладывались таких размеров, чтобы в ряд на одну ступеньку разреза можно

всех трубок, установленных на одном уровне (ступеньке разреза или поверхности почвы) извлекали бутылки и держали уровень воды постоянным, доливая по 20 мл из стаканчиков. Параллельно с этим отмечали время, за которое впитается указанный объем. Эксперимент продолжали до тех пор, пока различие скорости впитывания 20

Рис. 1 .Схема проведения опыта по определению водопроницаемости (почвенный разрез с установленными трубками).

- мл воды в каждой трубке было не более 10 сек. для слоев (0-20 и 20-40 см) и не более 5 сек. для слоев глубже 40 см. Измерения начинали в направлении от

было установить 4-5 трубок на расстоянии 20-30 см друг от друга (рис. 1). Для поддержания постоянного напора в трубках использовали устройство, основанное на принципе Мариотга, в виде полиэтиленовых емкостей объемом 1.5 и 2 л для каждой трубки.

Поскольку пространственное распределение водопроницаемости почвы (в горизонтальной плоскости) носит логнормальный характер, то значения скорости потока (см/мин) для каждой трубки сначала логарифмировались, усреднялись, а затем потенцировались. Для вычисления коэффициента инфильтрации (Кинф) и приведения его к температуре воды 10°С были использованы следующие формулы:

КФ = О),

где г - радиус трубки, см; Н - гидравлический напор, см водн. столба; (? -величина потока воды в почву, см3/час;

К1 — КФТ Ф 10 ~ 0.7+0.03.7- (2)>

где Кфг - коэффициент инфильтрации при данной температуре, Кфш -коэффициент инфильтрации, приведенный к температуре воды 10°С, Т -температура воды в опыте, °С (Карпачевский, Шеин, 2007).

Для моделирования процессов инфильтрации, фильтрации и водного режима по данным 2010-2011 гг., а также для вычисления гидрофизических параметров моделей по ПТФ 1МЗСША было использовано программное обеспечение (ПО) НУСКШ (§1гпйпек & а1, 1999) и интегрированное ПО ЯовеМа (БсЬаар М.О., е1 а1, 2001) соответственно. Для прогона и последующей проверки модели были использованы данные о влажности почвы на 19.04.2010 (2011) и 15.06.2010 (2011), а также данные об осадках испарении с поверхности почвы (период моделирования по каждому году составил 58 суток).

Для нахождения гидрофизических параметров по ПТФ, построенным на основе базы данных физических свойств почв Европы HYPR.ES были использованы соответствующие регрессионные уравнения. Многие параметры, вычисленные этим методом, получаются «косвенными» (отмечены звездочками):

9

Ks*=ln(Ks); a*=ln(a); n*=ln(n), где Ks - функция влагопроводности, a и n -параметры ОГХ. Для аналитического преобразования «косвенных» параметров в «прямые», использовался пакет MathCAD 14.0, а для числового - MS Excel. Статистическая обработка результатов полевых и лабораторных исследований, модельных экспериментов, а также их графическое представление проводили при помощи программного обеспечения STATISTICA (Боровиков, 2001).

Восстановление ОГХ проводилось по экспериментально измеренным почвенно-гидрологическим (ПГК) и физико-механическим (ФМК) константам аппроксимацией логистической функцией ван Генухтена (van Genuchten):

ет = 9г+ в*~вг , (4),

(l+Cah)")1 "

где в - равновесная влажность (влажность, соответствующая определенному давлению почвенной влаги /г); вг - остаточная влажность, 0S - влажность, близкая к влажности насыщения за вычетом объема, занятого защемленным воздухом; а, п - эмпирические коэффициенты.

Для нахождения педотрансферных функций использовали метод, разработанный А.Д. Ворониным (1986). Основу метода составляет энергетическая концепция, согласно которой, каждой энергетической, почвенно-гидрологической или физико-механической константе на кривой водоудерживания (на графике ОГХ) соответствует давление влаги, определяемое одним из уравнений:

1) Общая порозность, е => pF = 0;

2) Предел текучести (ПТ), Wur => pF = 2.17;

3) Наименьшая влагоемкость (НВ), 1УИв => Р? = 2.17 + W (5)

4) Предел пластичности (ПП), Wnn => pF = 2.17 + 3 W;

5) Влажность при максимальной гигроскопичности почвы (МГ), WMT => pF = 4.45.

Задача восстановления ОГХ из непосредственно измеренных ПГК и ФМК сводилась к определению указанных констант и общей порозности следующими методами:

1) Общая порозность была определена расчетным методом по формуле: е = 1 -

pb/ps, где рь - плотность почвы (г/см3), ps - плотность твердой фазы почвы (г/см3), е - порозность (см3/см3);

2) Предел текучести и предел пластичности были определены методами Васильева и Аттерберга соответственно;

3) Определение наименьшей влагоемкости (HB) проводили в поле, отбирая образцы с мест установки трубок режущими кольцами для плотности через 48 часов после окончания эксперимента на водопроницаемость. Этот метод дублировали в лабораторных условиях. Почву ненарушенного сложения насыщали до состояния полной влагоемкости (или, водовместимости) как в опыте с насыпными образцами. Затем образцы почвы на 48 часов помещали в атмосферу с высоким относительным давлением паров воды (p/p0~9Q%) над насыщенным раствором сульфата калия для стекания 1равитационной влаги и одновременного предотвращения подсыхания образца;

4) Максимальную гигроскопическую влажность (МГ) определяли методом насыщения почвы влагой при относительном давлении паров (р/р0~98%) над насыщенным раствором сульфата калия по A.B. Николаеву.

Во всех анализах влажность почвенных образцов определялась термостатно-весовым методом. Содержание органического вещества определяли методом Тюрина в модификации Симакова (Вадюнина, 1961).

Таблица 1

Варианты ПТФ для расчета параметров ОГХ, используемых в качестве входных параметров для модели. ___

№ п/п Условное обозначение Содержание

1 ТХТ гранулометрический класс по РАО;

2 SSC содержание песка, пыли и глины по РАО;

3 +BD то же плюс плотность почвы;

4 +ТНЗЗ то же плюс влажность при насыщении (НВ);

5 +ТН1500 то же плюс остаточная влажность (МГ);

б HYPRES параметры ОГХ вычислялись по ПТФ НУРКЕЭ;

7 VORONIN параметры ОГХ вычислялись по «секущим Воронина» с последующей аппроксимацией данных функцией ван Генухтена,

Дифференциальная порозность (распределение пор по размерам и функциям)

и функция влагопроводности (ФВ), восстанавливались из ОГХ, для представления

11

порового пространства почвы в дифференциальном виде использовали классификацию Р. Бревера. Перевод характеристики почвы по гранулометрическому составу из российской классификации (по H.A. Качинскому) в зарубежную (по FAO) осуществлялся при использовании кумулятивной кривой и треугольника Ферре (Шеин, 2001).

Глава 3. Морфологическая и физико-химическая характеристика черноземов обыкновенных.

Морфологически для сегрегационных черноземов Каменной степи характерен хорошо развитый профиль, равномерная темная окраска гумусового горизонта, которая постепенно светлеет с глубиной. Структура пахотного слоя, как правило, комковато-пылеватая, подпахотного — комковато-зернистая. Горизонт Вса отличается повышенной плотностью, призмовидно-комковатой структурой, наличием карбонатов кальция в виде белоглазки, трубочек и псевдомицелия.

Эти почвы, имея высокое содержание гумуса (500-600 т/га) и илистой фракции, обладают высокой поглотительной способностью как в отношении катионов, так в отношении анионов (50 ммоль (экв)/100 г). Степень насыщенности почвы основаниями, как правило, свыше 94-95%. В целом, эти почвы обладают высоким потенциальным плодородием. Однако расположены они в зоне недостаточного увлажнения. Поэтому первостепенной задачей здесь становится накопление и экономное расходование влаги (Адерихин, 1963). Глава 4. Экспериментальное обеспечение модели водного режима черноземов обыкновенных Каменной степи.

Результаты анализа гранулометрического состава показывают, что в составе ЭПЧ исследуемых почв преобладают две фракции - илистая и крупнопылеватая, их сумма приблизительно равна 70%, что характерно для черноземов обыкновенных Каменной степи (табл. 2.).

Таблица 2

Гранулометрический состав черноземов сегрегационных (классификации Н.А. Качинского и Б АО). ___

Глубина, см Классификация H.A. Качинского Классификация FAO

Содержание фракций, % ; размер частиц, мкм Класс гранулометрического состава с учетом доминирующих фракций Содержание фракций, %; размер частиц, мкм ■a 6» X ^ § S 2? 3 a g 5 5 f re o 5«? O 3

8 о ! N) 1л О с» 0 1 о 0 1 о 0 1 1 л to 0 g 1 о 0 1 NJ л

0-20 0.4 9.0 33.7 8.0 16.6 32.3 Суглинок тяжелый иловато-крупнопылеватый 9.4 51.2 39.4 Silty clay loam

20-40 0.3 9.7 33.7 6.3 18.0 32.0 Суглинок тяжелый иловато-крупнопылеватый 10.0 50.3 39.7 Silty clay loam

40-60 0.2 10.0 28.8 9.3 15.9 35.8 Глина легкая крупнопылевато- иловатая 10.2 47.2 42.6 Silty clay

60-00 0.2 9.3 28.3 10.2 16.7 35.3 Глина легкая крупнопьшевато-иловатая 9.5 48.1 42.4 Silty clay

90-100 0.2 8.6 30.3 8.2 15.9 36.8 Глина легкая крупнопылевато-иловатая 8.8 47.6 43.6 Silty clay

100- 110 0.2 4.7 31.1 7.4 17.1 39.5 Глина легкая крупнопылевато-иловатая 4.9 48.3 46.8 Silty clay

Минимальным содержанием характеризуется сумма фракций крупного, среднего и мелкого песка (1000 - 250 мкм). Вниз по профилю заметно изменяется содержание илистой фракции, увеличиваясь на глубине 100 - 110 см на 7.2%. Содержание фракций мелкой и средней пыли по профилю изменяется слабо (табл. 2.). Согласно «Классификации и диагностике почв России» (2004 г.), исследуемые почвы относятся к легкоглинистым крупнопылевато-иловатым (Шишов, 2004).

Полученные данные показали, что в 2010 году плотность почвы (рь) и ее

полевая влажность (W,%) имели невысокие значение в верхнем слое, но

значительно возрастали с глубиной. Так, плотность верхнего слоя почвы

составила 0.84 г/см3, а на глубине 20-30 см - 1.16 г/см3. Невысокая плотность

верхнего слоя обусловлена, очевидно, сильной распыленностью его вследствие

значительного иссушения в летний период 20 Юг, а уплотнение нижележащего

слоя, по-видимому, является следствием усадки почвенной массы, и образования

крупноглыбистых агрегатов. Полевая влажность на указанных глубинах

изменялась от 11.25% до 16.41% соответственно. Низкие значения влажности

13

верхнего слоя во многом обусловлены метеоусловиями, сложившимися в летний период.

Кроме того, следует отметить структурные особенности изучаемой почвы в 2010 году, которые, возможно, стали следствием гидротермических условий 2010 года. Структура верхнего 10-см слоя была вспушенной и распыленной. Нижележащие слои - уплотненные, трещиноватые, по структуре - призмовидно-комковатые. На глубине -15-30 см уплотнение почвенной массы наиболее заметно, почва на этой глубине имеет в основном, призмовидно-крупнокомковатую или глыбистую структуру большей плотности, чем прилегающие слои, с межагрегатными пустотами (трещинами) шириной до 0.5 см (на глубине 15 см). Структурные отдельности на глубине около 20 см имели острые грани, что является свидетельством антропогенного воздействия.

В целом, структурное состояние изучаемой почвы в 2010 году можно охарактеризовать как «экстремальное», возникающее при крайних значениях внешних факторов, которыми в данном случае были аномально жаркие гидротермические условия лета 2010 года. Это вызывает особый интерес к поведению и точности модели, построенной на данных, полученных в этот период, поскольку важно знать, какие результаты моделирования могут быть получены в том или ином случае. Проведение модельного эксперимента в различных условиях (обычно условия задаются самим пользователем), таких как засуха, осадки и т.п. и с различными входными данными называется поливариантным расчетом, обычно отвечающим на вопрос «А что если...?». В данном случае этот расчет основан на реальных (а не вымышленных) климатических данных и реально полученных в этот период свойствах почв, что значительно увеличивает ценность полученных данных, поскольку проведение полевого эксперимента в заранее запланированных погодных условиях практически невозможно.

Общая порозность исследуемых почв вниз по профилю изменяется обратно пропорционально плотности сложения: в верхнем слое значение порозности составила 0.66 см3/см3, в слое 20-30 см заметно ее снижение до 0.54 см3/см3, а

затем в слое 40-50 см наблюдается увеличение порозности до 0.60 см3/см3.

Рис.2. Плотность почв, плотность твердой фазы, содержание гумуса.

Значения плотности твердой фазы в 2010-2011 гг в верхних слоях 0-10 и 1020 см составили 2.52 г/см3. Тождественность этого показателя на указанных глубинах объясняется тем, что верхний слой почвы сильно перемешан из-за ежегодной обработки с оборотом пласта на глубину 20-25 см. Возрастание этого показателя вниз по профилю носит постепенный, однонаправленный характер и составляет в нижнем слое (100-110 см) 2.71 г/см3 (рис.2). Содержание гумуса в верхнем 10-см слое почв составляет в среднем 7.32,% вниз по профилю количество его постепенно снижается, достигая на глубине 100-110 см 0.83 % (рис.2).

Результаты исследований, проведенных в 2011 году, показывают, что физические показатели исследуемых почв в период проведения полевых работ находились в среднестатистических пределах. Плотность почв в верхнем 10-см слое составила 1.09 г/см3, вниз по профилю значение этого показателя

увеличивается однонаправленио и постепенно до 1.35 г/см (рис.2). Полевая влажность в этот период была на отметке 16.2% в верхнем 10 см слое и постепенно возрастала с глубиной до значений 23.15% на глубине 100-110 см.

Общая порозность почвы вниз по профилю изменяется постепенно. В верхнем 10-см слое она составляет 0.57 см3/см3, снижаясь до значений 0.50 см3/см3 на глубине 100-110 см.

Результаты исследований водопроницаемости черноземов обыкновенных показывают, что в 2010 г. этот показатель значительно варьировал на площади, где были установлены трубки (1 м2), в широких пределах (рис. 3).

2010 г.

ХМт У.".

| г<

I

2011 г.

! МлгМг»

'И* ¡4

Юрсчя чк*.

Рис.3. Водопроницаемость исследуемых почв (по экспериментам 2010-2011 гг.)

Значение дисперсии потока воды в первый час составило 1.85, а к 240 минуте наблюдений - 0.12 см/мин. Заметна связь водопроницаемости с дифференциальной порозностью почвы. В 2011 г. скорость потока воды мало различалась по трубкам (рис. 3), и в те же временные интервалы дисперсия составила 0.053 и 0.047 соответственно. Коэффициент фильтрации почвы в 2010 г. составил 18.84, а в 2011 г. - 18.25 см/мин, что по классификации Эгтельсманна соответствует среднему значению.

Как показали результаты исследований, организация порового пространства исследуемых почв значительно разнится по годам. Число макро- и мезопор в 2010 г. значительно больше, чем в 2011 г., что объясняется пересыханием и растрескиванием почвенной массы, особенно, верхней части профиля. В 2011 г. в поровом пространстве заметно преобладание микропор с увеличением их числа

вниз по профилю.

В 2010 г. поровое пространство характеризуется некоторой «хаотичностью» и практически отсутствием какой-либо четко выраженной закономерности в распределении пор по размерам, что еще раз подчеркивает отмеченное структурное состояние почвы (рис. 4).

В 2011 году в общем объёме пор исследуемых почв с глубиной заметны следующие три тенденции:

1. Увеличение количества микропор (с! = 30-5 мкм);

2. Уменьшение числа ультрамикропор (с1 = 5-0.1 мкм);

3. Возрастание числа криптопор (с1 <0.1 мкм).

Первое объясняется, прежде всего, увеличением с глубиной плотности почвы и, соответственно, уменьшением числа крупных пор. Причиной уменьшения числа ультрамикропор в общем поровом объеме с глубиной могла послужить структура, которая изменяется вниз по профилю с зернисто-комковатой до комковато-призмовидной. Постепенное возрастание числа криптопор к нижней границе исследуемой толщи (110 см), возможно, связано с утяжелением гранулометрического состава, возрастанием содержания илистой фракции и увеличением плотности твердой фазы почвы (рис. 4).

В дифференциальных «картинах» порового пространства почвы 2010 и 2011 гт. есть и общие моменты. Из рисунка 4 видно, что на глубине 20-40 в 2010 и в 2011 гг. относительно соседних слоев снижено количество микропор и увеличено

число ультрамикропор. Причина, возможно, заключается в уплотнении почвы на глубине «плужной подошвы» (25-30 см).

Результаты проведенных в 2010 году исследований свидетельствуют о том, что ОГХ, восстановленная из физико-механических свойств по методу Воронина, для верхнего 20-см слоя, равно как и сам слой, характеризуется наибольшим диапазоном охватываемых значений влажности (рис.5).

Рис.5. Основная гидрофизическая характеристика различных слоев чернозема обыкновенного, рассчитанная по ПГК и методу А.Д. Воронина в 2010-2011 гг.

Этому способствует большая порозность с преобладанием в поровом пространстве макро- и мезопор, что приводит к увеличению водоудерживающей способности в диапазоне низких давлений, и к уменьшению ее при высоких давлениях почвенной влаги. Из рис. 5 видно, что водоудерживающая способность слоя 20 - 30 см, наибольшая (по сравнению с другими слоями) в областях капиллярной и пленочной влажностей. Очевидно, это связано, с большим количеством ультрамикропор пор, что является следствием уже отмеченной выше уплотненности слоя. Вероятно, часть крупных пор была «преобразована» в большое количество мелких, определяющих водоудерживание при более высоких значениях рБ. Это объясняет положение графика ОГХ 2-го слоя в области влажности насыщения (при рИ 0 - 1.7), где главную роль играет количество крупных пор.

Результаты исследований, проведенных в 2011 году, показывают, что график ОГХ с глубиной имеет тенденцию к смещению в область высоких давлений

прямо пропорционально увеличению плотности почвы (рис. 5). Послойные графики основной гидрофизической характеристики почвы располагаются по порядку, в соответствии с величиной плотности слоев. Глава 6. Моделирование процессов инфильтрации воды в почву.

Результаты модельных экспериментов по имитации процесса инфильтрации воды в почву по данным 2010-2011 гг. показывают, что модельные профили промачивания почвы значительно варьируют в зависимости от метода нахождения экспериментального обеспечения (рис. 6).

Визуальный анализ графиков профилей промачивания почвы позволяет установить, что наилучшие результаты моделирования получаются в вариантах «+ВО», «+ТН1500» и «УСЖОМШ» (см. табл. 1). Это подтверждают и статистики погрешностей модели (табл. 3)

Таблица 3

Оценка результатов моделирования водопроницаемости почвы в зависимости от метода нахождения экспериментального обеспечения.

2010

ТХТ ББС +ВО +ТНЗЗ +ТН1500 ЯУРИЕв УОКОГШ

Среднеквадратичная ошибка 1.5Е-02 1.1Е-02 4.5Е-03 8.3Е-03 2.3Е-03 - 1.9Е-03

Коэффициент корреляции 0.41 0.61 0.91 0.77 0.93 - 0.96

2011

ТХТ ввс +ВБ +ТНЗЗ +ТН1500 ЯУРЮЕв УОМЖИЧ

Среднеквадратичная ошибка 2.3Е-02 1.6Е-02 З.ЗЕ-ОЗ 7.1Е-03 1.2Е-03 9.3Е-03 2.7Е-04

Коэффициент корреляции 0.26 0.55 0.92 0.83 0.97 0.77 0.99

Статистическая обработка данных моделирования инфильтрации воды в почву позволяет сделать вывод о том, что в 2010 и 2011 г. наивысшей точности

модели удалось достичь при использовании метода Воронина для нахождения ее экспериментального обеспечения.

Рис.6. Экспериментальные и расчетные профили промачивания при различных входных параметрах в 2010-2011 гг.

Следует отметить, что модель не смогла воспроизвести эксперимент, используя параметры, рассчитанные по ПТФ HYPRES, причину чего установить не представляется возможным, ввиду большого числа факторов, которые в разной степени способны повлиять как на точность модели, так и на ее работоспособность.

Глава 7. Моделирование водного режима.

Результаты моделирования водного режима почвы (период моделирования составил 58 суток в каждом году) показывают, что модельные профили влажности почвы значительно варьируют в зависимости от метода вычисления экспериментального обеспечения (рис. 7).

Визуальный анализ профилей влажности почвы (2010 г.) позволяет выделить вариант «VORONIN» как наиболее близкий к экспериментальному. Следует отметить варианты «ТХТ», «SSC», «+BD», «+ТНЗЗ» (ПТФ UNSODA), и «HYPR.ES» (ПТФ HYPRES), которые дают схожие и почти «линейные» с глубины 10-20 см профили влажности (рис. 7). Возможно, это связано с особенностями этих ПТФ. Особо низкой точностью характеризуется вариант «ТХТ». Это подтверждается статистически (табл. 4).

Рис. 7. Экспериментальные и расчетные профили влажности при различных входных параметрах в 2010-2011 гг.

Визуальный анализ модельных профилей влажности почвы по данным 2011 г. затруднен в связи с тем, что отличия наблюдаются только в верхней 10-см толще почвы. Ниже этой отметки графики перекрываются, что не позволяет качественно охарактеризовать данные (рис. 7).

Статистическая обработка результатов моделирования водного режима чернозема обыкновенного по данным 2011 г. позволяет сделать заключение о том, что точность модели высока при использовании вариантов входных данных «вЗС», «+ВО», «+1500», и «УОШЖПЧ», наибольшей точностью из которых обладает последний (табл. 4).

Таблица 4

Оценка результатов моделирования одного режима в зависимости от метода нахождения экспериментального обеспечения.

2010

тхт ввс +ВЦ +ТНЗЗ +ТН1500 НУРИЕв УОБКЖПУ

Среднеквадратичная ошибка 1.7Е-03 5.3Е-04 1.1Е-03 1.9Е-03 6.7Е-04 1.9Е-03 4.4Е-05

Коэффициент корреляции -6.2Е-02 7.9Е-01 6.3Е-01 -2.9Е-01 7.3Е-01 -4.1Е-01 9.9Е-01

2011

тхт ввс +ВБ +ТНЗЗ +ТН1500 НУРНЕЭ УОЯСЖШ

Среднеквадратичная ошибка 4.2Е-04 1.8Е-06 5.2Е-06 2.3Е-05 4.2Е-06 1,6Е-04 9.9Е-08

Коэффициент корреляции 3.5Е-01 9.9Е-01 9.8Е-01 9.3Е-01 9.9Е-01 6.3Е-01 1.0Е-00

выводы.

1. В условиях высоких летних температур и относительно низкой влажности воздуха в верхних горизонтах исследуемых почв происходит резко выраженная трансформация физических и гидрофизических свойств, приводящая к сильному распылению структуры в самом верхнем слое, значительной усадке почвенной массы и образованию крупных моноблочных агрегатов в подпахотном горизонте.

2. В условиях значительного иссушения почвенной массы в организации порового пространства почв наблюдается: увеличение объемов макро- и мезопор в верхних слоях почв; уменьшение числа микро- и ультрамикропор и увеличение числа криптопор в почвенном профиле.

3. В засушливые годы происходят значительные изменения в структурно-функциональном состоянии изучаемых почв, которые выражаются, прежде всего, в изменениях их водоудерживающей способности (характер и положение графиков ОГХ), увеличивая ее в области низких давлений и уменьшая при высоких значениях рр. Заметные изменения происходят в константах (ПГК и ФМК), которые в наибольшей степени зависят от структуры и в наименьшей -от гранулометрического состава.

4. Результаты моделирования инфильтрационного эксперимента и водного режима изучаемых почв, проведенных по данным 2010 — 2011 года, показывают, что наилучшим экспериментальным обеспечением для моделей в обоих случаях являются параметры, вычисленные по «секущим Воронина». Другие методы нахождения экспериментального обеспечения дают заметные ошибки.

5. Метод «секущих Воронина» позволяет получить результаты наиболее близкие к данным прямого измерения пар «давление-влажность» и позволяет с большей точностью имитировать водный режим и процессы инфильтрации. Модель с входными параметрами, вычисленными по ПТФ европейской базы данных HYPR.ES, не может воспроизвести эксперимент с данными засушливого 2010 года.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Москвин В.В. Почва - гибридная система. // Актуальные проблемы почвоведения, экологии и земледелия : материалы науч.-пракг. конф. Курск, отд-ния межрегион, орг. «О-во почвоведов им. В.В. Докучаева», г. Курск, дек. 2010 г. — Курск, 2010. — С. 49-51 .

2. Москвин В.В. Почвенно-гидрофизическое обеспечение модели водного режима чернозема обыкновенного Каменной степи. // Материалы научной сессии Воронежского государственного университета. Секция Почвоведение и экология почв : сб. — Воронеж, 2010 .— С. 57-62 .

3. Москвин В. В. Моделирование водопроницаемости почв в условиях засухи на примере чернозема обыкновенного Каменной степи. // Симбиоз Россия 2011 : материалы 4-го Всерос. с междунар. участием конгресса студ. и

аспирантов-биологов, Воронеж, 23-27 мая 2011 г. — Воронеж, 2011._Т.

2. - С. 226-227.

4. Щеглов Д.И., Москвин В.В. влияние гидротермических условий вегетационного периода на физические свойства чернозема обыкновенного Каменной степи. // Перспективы и темпы научного развития : материалы 2-ой международной научно-практической конференции, Тамбов, 28-29 января 2012 г. - Тамбов, 2012. - С. 43-44.

5. Москвин В.В. Типизация моделей агроэкосистем. Вестник Воронежского

государственного университета. Сер. Химия. Биология. Фармация. _

Воронеж, 2011 № 1. - С. 85-90.

6. Шеин Е.В., Щеглов Д.И., Москвин В.В. Моделирование процесса водопроницаемости черноземов каменной степи. // Почвоведение. -Москва, 2012. - №6. - С. 648-657.

7. Шеин Е.В., Щеглов Д.И., Москвин В.В. Влияние гидротермических условий вегетационного периода на поровое пространство чернозема обыкновенного Каменной степи. // Глобальный научный потенциал. -Тамбов, 2012. - №2(11) 2012. - С. 14-17.

Работы №5, 6 и 7 опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Подписано в печать 15.03.13. Формат 60x84 l/i6. Усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ 257.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательско-полиграфического центра Воронежского государственного университета. 394000, Воронеж, ул. Пушкинская, 3

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Москвин, Владимир Владимирович, Воронеж

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ |

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

I

I

I

I I

На правах рукописи

Москвин Владимир Владимирович

|

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДЕЛИ ВОДНОГО РЕЖИМА ЧЕРНОЗЕМОВ ОБЫКНОВЕННЫХ КАМЕННОЙ СТЕПИ

Специальность 03.02.13 - почвоведение 06.01.03 - агрофизика

см я

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

00 см

СО „

1Л ^

¿¿Г О Научные руководители:

С? с\|

О О доктор биол.наук, профессор

О Щеглов Дмитрий Иванович

доктор биол. наук, профессор Шеин Евгений Викторович

ВОРОНЕЖ-2013 I

і

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................4

1. АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ПОЧВЕННЫХ..........................

ПРОЦЕССОВ И РЕЖИМОВ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)................................9

1.1 .Основные характерные черты моделирования..........................................9

1.2.Эволюционный процесс в моделировании...............................................13

1.3.Эмпирический и теоретический подходы к моделированию.................16

1.4.Математическое моделирование водного режима почв.........................20

1.5.Современные методы моделирования в почвоведении и анализ моделей водного режима.............................................................................................23

1.5.1. Балансовые модели...........................................................................23

1.5.2. Компартментальные модели............................................................25

1.5.3. Непрерывные модели.......................................................................27

1.6.Система процессов, формирующих водный режим................................28

2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...........................................................32

2.1 .Объект исследований..................................................................................32

2.2.Методы исследований.................................................................................33

3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ................................39

3.1.Климат Каменной степи и тенденции его изменения.............................39

3.1 .Рельеф и гидрология...................................................................................48

3.2.Почвообразующие породы.........................................................................51

3.3.Растительность и животный мир...............................................................53

3.4.Антропогенный фактор..............................................................................56

4. МОРФОГЕНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЧЕРНОЗЕМОВ.......................

ОБЫКНОВЕННЫХ КАМЕННОЙ СТЕПИ..........................................................59

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ВОДНОГО РЕЖИМА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО КАМЕННОЙ СТЕПИ...............................64

5.¡.Плотность, плотность твердой фазы, общая и дифференциальная

порозность почвы..........................................................................................64

5.2.Гранулометрический состав.........................................................................72

5.3.Водопроницаемость почвы с поверхности.................................................74

5.4.Основная гидрофизическая характеристика...............................................77

6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНФИЛЬТРАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ПОЧВЫ. 81

7. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОДНОГО РЕЖИМА......................................................90

ВЫВОДЫ...................................................................................................................97

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................98

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................100

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................................119

Одно из наиболее сильных побуждений, ведущих к искусству и науке, это желание уйти от будничной жизни с её мучительной жестокостью и безутешной пустотой, уйти от извечно меняющихся собственных прихотей,

...от личных переживаний в мир объективного видения ипонимания.

И. Пригожий, И. Стенгерс.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.Сочетание обилия света и тепла с высоким плодородием почв способствовало превращению лесостепной и степной зон Русской равнины в высокопродуктивные arpo ландшафты. В лесостепной и степной зонах производится основное количество товарного зерна и продуктов животноводства. Лимитирующим фактором продуктивности почв, особенно, в степной зоне, является дефицит влаги. Засухи в этих регионах представляют обычное явление и для различных частей территории отличаются лишь интенсивностью и повторяемостью. Разразившийся в2010 году кризис продовольствия на мировых рынках, приведший к резкому скачку цен на сельскохозяйственную продукцию, придает еще большую актуальность проблеме плодородия почв и обеспеченности их влагой. Результатом развития орошения как радикального средства борьбы с засухами в ряде регионов лесостепной и степной зон стало локальное переувлажнение земель и часто сопутствующее ему засоление, что явилось причиной деградации высокопродуктивных черноземов. Это делает актуальным разработку теоретических основ управления гидрологическим режимом почв и поиск путейего оптимизации[9, 13, 17,96,106].

Научные основы решения этих задач были заложены В.В.Докучаевым и развивались его учениками и последователями А.А.Измаильским,

Г.Н.Высоцким, А.Н.Костяковым, А.А.Роде, В.А.Ковдой, Л.А.Разумовой, С.В.Зонном и др. [27, 28, 38, 46, 47, 57, 64, 65, 96].Г.Н. Высоцкий, подчеркивая значимость водного режима в процессе почвообразования, писал: «Вода в почве и грунте вместе с содержащимися в ней растворами есть настоящая кровь живого организма. Без воды почвы нет. Поэтому в почвообразовании режиму воды следует отводить первое место»[26]. A.A. Роде, говоря о почвенной влаге, отмечал: «...значение влаги в почвообразовании чрезвычайно велико» и «...важное значение имеет почвенная влага как фактор плодородия почв...» [27], указывая на роль водного режима не только в почвообразовании, но и в плодородии почв.

Важной, и, безусловно, основной составляющей водного режима автоморфных почв является процесс поступления в нее воды и последующее распределение. При изучении водного режима этих почвособыйинтересвызывает процесс впитывания воды в ненасыщенную влагой, сухую почву (инфильтрация), поскольку он обусловлен взаимосвязью структурно-функциональных (физических и гидрофизических) свойств почвы, главными из которых являются функция влагопроводности (ФВ) и основная гидрофизическая характеристика (ОГХ)[113, 133, 134]. При этом основной проблемой является большая трудоемкость расчетов, связанных с водным режимом почвы, что обусловлено учетом ряда его составляющих процессов во взаимной связи (поступление, трансформация и расход влаги).

Одним из современных и наиболее часто используемых методов изучения водного режима почв является моделирование. Модель, основанная на физических законах передвижения влаги в почве, способна с заданной точностью воспроизвести во взаимной связи все режимообразующие процессы[132].Все это свидетельствует об актуальности математического моделирования при исследовании водного режима почв.

Цель и задачи исследований.Целью работы было научное обоснование экспериментального обеспечения модели, имитирующей водный режим черноземов обыкновенных.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1) Изучить физические и гидрофизические показатели черноземов обыкновенных Каменной степи: гранулометрический состав; плотность почвы; плотность твердой фазы; общую и дифференциальную порозность;почвенно-гидрологические константы (ПГК): максимальную гигроскопичность (МГ) и наименьшую влагоемкость (НВ);физико-механические константы (ФМК): предел пластичности (1111) и предел текучести (ПТ);основную гидрофизическую характеристику.

2) Изучить в полевых условиях процессы фильтрации и инфильтрации воды в почву, как основную приходную статью водного баланса изучаемых почв.

3) Провести модельные эксперименты, имитирующиепроцесс инфильтрацииводы впочву в 2010 и 2011 г. с параметрами модели, вычисленными по различным педотрансферным функциям.

4) Провести модельные эксперименты, имитирующие водный режим изучаемых почв с параметрами, вычисленными по различным педотрансферным функциям.

5) На основе статистического анализа результатов моделирования и полевого эксперимента выявить оптимальный метод нахождения экспериментального обеспечения для моделей инфильтрации и водного режима изучаемых почв, позволяющий получить наиболее точные модельные расчеты.

Научная новизна работы.В резко контрастные по погодным условиям годы (2010 - 2011) исследованы физические и гидрофизические свойства черноземов обыкновенных Каменной степи с использованием современных методик. Впервые для характеристики физического состояния черноземов Каменной степи используется интегральный гидрофизический показатель ОГХ. Впервые исследована общая организация порового пространства обыкновенных черноземов Каменной степи с использованием классификации

6

Р. Бревера. Выявлены особенности изменения порового пространства по профилю почв в контрастных гидротермических условиях.

Предложено и обосновано почвенно-гидрофизическое экспериментальное обеспечение моделей инфильтрации воды в почву и водного режимачерноземов обыкновенных Каменной степи в различные по климатическим условиям годы. Показано, что при использовании модели НУТЖиБ для имитации процесса инфильтрации и последующего передвижения влаги в рассматриваемых гидротермических условиях удается добиться наибольшей точности в случае, когда входные параметры модели вычислены по «секущим Воронина» с последующей аппроксимацией данных функцией ван Генухтена.

Отмечается особенность ПТФ Нургеэ, которая не позволяет вести расчеты, связанные с передвижением воды, используя модель ШЛЭШЖ

Практическая значимость работы.Полученное гидрофизическое обеспечение для модели ШТЖи8 может быть использовано при изучении инфильтрационных процессов в обыкновенных черноземах Каменной степи, прогнозировании влажности почв и, соответственно, влагообеспеченности сельскохозяйственной продукции, а также при планировании различного рода агрохимических и мелиоративных мероприятий.

Результаты работы могут послужить основой при подборе педотрансферных функций для экспериментального обеспечения модели ПУТЖи8, исходя из трудоемкости работ и допустимой точности модельных расчетов.

Основные теоретические положения работы могут быть использованы в лекциях по дисциплинам «Почвоведение», «Физика почвы», «Гидрология почв», при проведении семинарских занятий, учебных и производственных полевых практик, при выполнении курсовых и дипломных работ на биолого-почвенном факультете Воронежского госуниверситета.

Апробация работы.Результаты работы докладывались на научных сессиях Воронежского государственного университета в 2009 и 2010 годах, на

научно-практической конференции «Актуальные проблемы почвоведения, экологии и земледелия» в 2010 году г. Курск,на ^Всероссийском с международным участиемконгрессе студентов и аспирантов-биологов «Симбиоз Россия -2011» г. Воронеж,а также на У1-ом съезде общества почвоведов имени В.В. Докучаева (г. Петрозаводск, 13-18 августа 2012 г.).

Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения,семи глав, выводов, заключения, 9 страниц табличных приложений, содержит 10 таблиц, 34 рисунка, изложена на 128 листах машинописного текста. Список литературы включает в себя 190 литературных источников, из них 45 на иностранном языке.

Положения, выносимые на защиту:

1. Применение метода «секущих Воронина» для нахождения экспериментального обеспечения модели НУ01Ш8позволяет с большей точностью имитировать водный режим и процессы инфильтрации.

2. В условиях высоких летних температур и относительно низкой влажности воздуха в верхних горизонтах исследуемых почв происходит резко выраженная трансформация физических и гидрофизических свойств.

3. В условиях значительного иссушения почвенной массы в организации порового пространства почв наблюдаются значительные изменения, которые выражаются в увеличении объемов макро- и мезопор в верхних слоях почв; уменьшение числа микро- и ультрамикропор и увеличение числа криптопор во всем почвенном профиле.

1. АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ПОЧВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ И РЕЖИМОВ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

Никакие человеческие знания не заслуживают названия науки, если они не подтверждены математическими доказательствами.

(Леонардо Да Винчи)

1.1. Основные характерные черты моделирования1.

Проникновение математических методов в самые разнообразные, подчас неожиданные, сферы человеческой деятельности означает возможность пользоваться новыми, как правило, весьма плодотворными средствами исследования. Рост математической культуры специалистов в различных областях приводит к тому, что изучение общих теоретических положений и методов вычислений уже не встречает серьезных трудностей. Вместе с тем, на практике оказывается, что одних лишь математических познаний далеко не достаточно для решения той или иной прикладной задачи - необходимо еще получить навыки в переводе исходной формулировки задачи на математический язык. В этом и состоит проблема овладения искусством математического моделирования.

Целью прикладной математики является математическое осмысление действительности, нос другой стороны, инженеру-практику, пожалуй, более важно знать, выдержит ли его сооружение предполагаемую нагрузку, хватит ли закупленного угля до конца отопительного сезона и не лопнет ли лопатка в турбине, - иными словами, получить конкретные ответы на конкретные вопросы. В практике математического моделирования исходным пунктом часто является некоторая эмпирическая ситуация, выдвигающая перед

1 Использованы материалы http://baxrefer.ru/23/dok.php7icHrk377

исследователем задачу, которую требуется решить. Прежде всего, необходимо установить, в чем именно заключается задача. Часто параллельно с этой стадией постановки задачи идет процесс выявления основных, или существенных, особенностей изучаемого явления. В частности, для физических явлений этот процесс схематизации или идеализации играет решающую роль, поскольку в реальном явлении участвует множество процессов и оно чрезвычайно сложно. Некоторые черты явления представляются важными, другие - несущественными. После того как существенные факторы выявлены, следующий шаг состоит в переводе этих факторов на язык математических понятий и величин и постулировании соотношений между этими величинами. После построения модели ее следует подвергнуть проверке. Адекватность модели до некоторой степени проверяется обычно в ходе постановки задачи. Уравнения или другие математические соотношения, сформулированные в модели, постоянно сопоставляются с исходной ситуацией. Существует несколько аспектов проверки адекватности (рис.1).

-

Непротиворечивость \ / Л

.____ л__ Реальная ситуация і / Постановка .. Модель задачи А * х Проверка 4 адекватности ► Прогноз / А 1 1

Рисунок 1. Общая схема построения модели.

Во-первых, сама математическая основа модели (которая составляет ее существо) должна быть непротиворечивой и подчиняться всем обычным законам математической логики. Во-вторых, справедливость модели зависит от ее способности адекватно описывать исходную ситуацию. Модель можно заставить отражать действительность, однако она не есть сама действительность.

Ситуации моделируют для разных целей. Главная из них -необходимость предсказывать новые результаты или новые свойства объекта или явления. Эти предсказания могут быть связаны с распространением существующих результатов или иметь более принципиальный характер. Часто они относятся к условиям, которые, по всей вероятности, будут иметь место в некоторый момент в будущем.

С другой стороны, предсказания могут относиться к событиям, непосредственное экспериментальное исследование которых неосуществимо. Наиболее важный пример такого рода дают многочисленные прогнозы, которые делались на основе математических моделей в программе космических исследований. Однако для этой цели моделируются не все ситуации - внекоторых случаях достаточно уметь описывать математическими средствами работу системы, чтобы добиться более глубокого понимания явления (именно эту роль и играют многие выдающиеся физические теории, хотя на их основе делаются также и прогнозы). Обычно при таком математическом описании не учитывается элемент контроля, в то же время в моделях, построенных, например, для исследования работы сетей, таких как схемы движения поездов или самолетов, контроль часто является важным фактором [103, 104, 105].

Математическая модель представляет собой упрощение реальной ситуации. Ощутимое упрощение наступает тогда, когда несущественные особенности ситуации отбрасываются и сложная исходная задача сводится к идеализированной, поддающейся математическому анализу. Именно при таком подходе в классической прикладной механике возникли блоки без трения, невесомые нерастяжимые нити, невязкие жидкости, абсолютно твердые или черные тела и прочие подобные идеализированные модели. Эти понятия не существуют в реальном мире, они являются абстракциями, составной частью и