Пространственное варьирование инфильтрации и лизиметрического стока в черноземе на малых расстояниях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пространственное варьирование инфильтрации и лизиметрического стока в черноземе на малых расстояниях

Н.Б. Хитров

ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева, РАСХН, г. Москва, Россия

А.М. Зейлигер

ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия

В последнее время обращают внимание на то, что вода в почве часто передвигается не фронтально, а в виде сосредоточенных предпочтительных потоков (preferential flow). Это означает, что на небольших расстояниях можно ожидать существенного варьирования содержания влаги, инфильтрации воды в почву и лизиметрического стока на разной глубине.

Цель - оценить пространственное варьирование на малых расстояниях интегральной величины и скорости инфильтрации воды с поверхности почвы и лизиметрического стока на нижней границе гумусового слоя в черноземе.

Объекты. Исследуемая почва - чернозем обыкновенный мощный карбонатный пахотный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках. По новой классификации почв России (2004) эта почва является агрочерноземом миграционно-сегрегационным мощным среднегумусированным карбонатным среднепахотным тяжелосуглинистым.

Экспериментальная площадка расположена в 2 км к северо-западу от пос. Рассвет Аксайского района Ростовской области (приблизительно в 20 км к северу от г. Ростов-на-Дону). В геоморфологическом отношении исследуемый участок находится на восточной окраине Приазовской наклонной равнины.

Методы. Оценка пространственного варьирования инфильтрации проведена на двух площадках, расположенных на расстоянии 3…4 м друг от друга. Одна площадка представлена основным монолитом 2х2 м, поверхность которого поделена перегородками на 8 секций равной площади (0,5 м²), а боковые стенки экранированы полиэтиленовой пленкой до глубины 1,5 м для предотвращения бокового растекания воды; 4 центральные секции имели форму квадрата, а 4 периферийные секции - форму прямоугольника. Вторая площадка подготовлена под ячеистый лизиметр. На ней установлена внешняя рама 80х80 см, а центральная часть, расположенная непосредственно над ячеистым лизиметром, поделена на 9 квадратных секций равной площади (178 см²). Остальная часть поверхности почвы внутри общей рамы заливалась для создания гидродинамической завесы (механический боковой экран для воды внутри почвы не ставили).

Оценка пространственного варьирования лизиметрического стока на малых расстояниях проведена с помощью ячеистого лизиметра. Он представляет собой 36 воронок с квадратным верхним сечением 6х6 см, которые соединены вместе в виде сетки с 6 рядами и 6 колонками. Сверху лизиметр закрывается частой металлической сеткой для предотвращения обрушения почвы. Снизу от каждой ячейки лизиметра имеется отводная трубка, по которой вода перемещается в градуированную приемную емкость (индивидуальную для каждой ячейки).

Учет подаваемой воды и лизиметрического стока выполнялся раздельно для каждой секции на поверхности почвы и для каждой ячейки лизиметра. Подача воды проводилась небольшими порциями, создавая слой воды около 1 см. На основном монолите (2х2 м) проведены два такта орошения нормами 200 и 86 мм. На монолите с ячеистым лизиметром выполнены три такта орошения нормами 172, 70 и 50 мм.

Пространственное варьирование оценивали по величине стандартного отклонения и коэффициента вариации. Для оценки динамики этих показателей значения инфильтрации для всех секций отдельного монолита или стока для всех ячеек лизиметра синхронизировали путем кусочно-линейной интерполяции индивидуальных кривых динамики интегральной инфильтрации и интегрального лизиметрического стока. Шаг измерения инфильтрации и стока не превышал 1-2 мин.

Результаты. Стандартное отклонение интегральной инфильтрации воды в сухую почву (1-й такт орошения) в основном монолите сохранялось постоянным по мере увеличения времени инфильтрации (рис. 1, 2). Полив влажной почвы (2-й такт) сопровождался резким увеличением пространственной вариации инфильтрации в начальные 3 минуты с последующей ее стабилизацией в течение всего дальнейшего периода впитывания воды. При этом скорость инфильтрации слабо варьировала, составляя в среднем около 8 мм/мин.

инфильтрация вода почва лизиметрический

Рис. 1. Динамика изменения стандартного отклонения интегральной инфильтрации воды в черноземе. Основной монолит. Расчет по секциям (n = 8, S =5000 см²): 1, 2 - такты орошения

Рис. 2. Динамика изменения коэффициента вариации интегральной инфильтрации воды в черноземе. Основной монолит. Расчет по секциям (n =8 , S = 5000 см²): 1, 2 - такты орошения

Пространственная вариация инфильтрации воды в почву с лизиметром приводила к росту стандартного отклонения интегральной величины по мере увеличения времени инфильтрации (рис. 3, 4). При этом скорость инфильтрации постепенно снижалась (рис. 5), но сохранялась ее пространственная вариабельность (рис. 6).

Оценка пространственного варьирования интегральной инфильтрации (рис. 1 и 4) и скорости инфильтрации в исследованном черноземе не зависит от размеров учетной площадки в интервале от 178 см² до 0,5 м².

Рис. 3. Динамика интегральной инфильтрации воды монолитом с ячеистым лизиметром (n =9, S =178 см²). 1-й такт орошения: 1-9 - номер секции

Рис. 5. Динамика изменения скорости инфильтрации с поверхности почвы монолитом с ячеистым лизиметром (n=9, S =178 см²): 1, 2, 3 - такты орошения

Рис. 6. Динамика изменения стандартного отклонения скорости инфильтрации с поверхности почвы монолитом с ячеистым лизиметром n =9, S =178 см²): 1, 2, 3 - такты орошения

На рисунке 7 представлены примеры динамики изменения интегрального лизиметрического стока по отдельным ячейкам, секции в целом, объединяющей четыре соседние ячейки, и по лизиметру в целом.

Рис. 7. Динамика интегральной инфильтрации воды с поверхности почвы и лизиметрического стока в отдельных ячейках (2-я секция), секции в целом и лизиметра в целом. Глубина установки лизиметра 80 см: 1 - инфильтрация с поверхности; 2 - лизиметр в целом; 3 - секция в целом; 4 - ячейка 3; 5 - ячейка 6; 6 - ячейка 7; 7 - ячейка 10

Пространственная вариабельность интегрального лизиметрического стока быстро возрастает в начальный период и асимптотически стабилизируется на максимальном значении к окончанию стока (рис. 8).

Уменьшение размеров учетной площади лизиметрического стока в 4 раза (со 144 см² до 36 см²) приводит к увеличению коэффициента вариации в 2 раза (рис. 9) и стандартному отклонению в 5…7 раз. Это обусловлено горизонтальной неравномерностью распределения макропор в почве. По результатам макроморфологического описания горизонтальных срезов исследованного чернозема соседние участки, имеющие площадь 10…20 см², весьма заметно различаются по количеству и размерам макропор. При этом площадь горизонтального сечения отдельных макропор изменяется от 0,1 мм² до 12…15 см².

Рис. 8. Динамика изменения среднего квадратического отклонения интегрального лизиметрического стока. Расчет по индивидуальным ячейкам (n =36, S = 36 см²): 1, 2, 3 - такты орошения

Рис. 9. Динамика изменения коэффициента вариации интегрального лизиметрического стока (1-6) и интегральной инфильтрации с поверхности почвы (7-9): 1-3 - расчет по индивидуальным ячейкам (n=36, S= 36 см²), 4-6 и 7-9 - расчет по секциям (n=9, S= 144 см²); 1, 4, 7 - 1-й такт; 2, 5, 8 - 2-й такт; 3, 6, 9 - 3-й такт орошения

Максимальные значения пространственной вариации скорости лизиметрического стока (рис. 10) наблюдаются во время наступления максимальной средней скорости стока (рис. 11). Это период стока основной массы воды, когда в наибольшей степени сказывается неоднородность и гетерогенность порового пространства по отношению к миграции воды под действием гравитации. В начальный и финальный периоды лизиметрического стока абсолютные значения вариации скорости стока уменьшаются (см. рис. 11), а относительные значения вариации - резко возрастают (рис. 12). Это обусловлено разным временем начала и окончания стока воды из разных континуумов порового пространства в связи с их неоднородностью и гетерогенностью.

Лизиметрический сток на глубине 80 см сильнее варьирует по сравнению с инфильтрацией воды с поверхности при прочих равных условиях оценки. Такое заключение следует на основе как абсолютных (см. рис. 4, 8), так и относительных (см. рис. 9) показателей варьирования. Это означает, что по мере движения воды в теле почвы, начиная с дневной поверхности вниз по профилю, существенно изменяются условия пространственной дифференциации потоков влаги. Для инфильтрации воды с поверхности почвы такими факторами являются нанорельеф и пространственная неоднородность и гетерогенность плотности, порового пространства и связанных с ними гидрофизических характеристик поверхностного слоя почвы. Для лизиметрического стока факторами дифференциации потоков влаги являются, во-первых, пространственная дифференциация плотности сосредоточения инфильтрационных потоков влаги в поверхностном слое почвы, во-вторых, особенности пространственного положения континуумов порового пространства, имеющих более или менее одинаковые гидрофизические характеристики на всем их протяжении, в-третьих, особенности пространственного положения точек (областей) бифуркации или слияния потоков влаги. Последние два фактора в общем виде обычно рассматриваются как вертикальная и горизонтальная неоднородность и гетерогенность порового пространства и соответствующих ему гидрофизических характеристик.

Рис. 10. Динамика средней скорости лизиметрического стока. Расчет по индивидуальным ячейкам (n =36): 1, 2, 3 - такты орошения

Рис. 11. Динамика среднего квадратического отклонения скорости лизиметрического стока. Расчет по индивидуальным ячейкам (n =36): 1, 2, 3 - такты орошения

Рис. 12. Динамика коэффициента вариации скорости лизиметрического стока (1-6) и скорости инфильтрации с поверхности почвы (7-9): 1-3 - расчет по индивидуальным ячейкам (n = 36, S = 36 см²), 4-6 и 7-9 - расчет по секциям (n = 9, S = 144 см²); 1, 4, 7 - 1-й такт; 2, 5, 8 - 2-й такт; 3, 6, 9 - 3-й такт орошения

Размещено на Allbest.ru