CC BY
92
УДК 631.43
PuzanovA.V., Baboshkina S.V., Rozhdestvenskaya T.A., Balykin S.N., Yegorova I.A., Meshkinova S.S. RECOVERY OF WATER RETENTION CURVE BY COMPUTATIONAL METHODS AND COMPARISON OF MOISTURE-HOLDING CAPACITY OF THE STEPPE (RIVER ALEY BASIN) AND MOUNTAIN-FOREST (RIVER MAYMA BASIN) SOILS OF THE ALTAI. The approach is based on the experimentally determined physicochemical properties of soils and soil-hydrological constants. The group of the researchers recovered the main water retention curve for two contrasting soil variants: typical chernozem (Aley basin) and mountain-forest dark grey soil (Mayma basin). The calculation of the Van Genuchten equation approximation parameters by pedotransfer functions as well as the construction of water retention curves were performed in RETC version 6.02. In the course of the research the authors of the paper found that the water retention capacity of looser and better structured, heavier in the grain size mountain-forest dark grey soil is higher than of the typical chernozem. The obtained data by WRC can be used for future modeling of the process of movement of water and dissolved matters in unsaturated soils. The project was carried out by order of the State task VIII.76.1.4.
Key words: Altay soils, moisture, water retention curve, pedotransfer functions, granulometric composition, soil density, RETC 6.02.
А.В. Пузанов, д-р биол. наук, проф., зам. директора по науке ВЭП СО РАН, г. Барнаул, Е-mail: puzanov@iwep.ru; С.В. Бабошкина, канд. биол. наук, с.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, Е-mail: svetlana@iwep.ru; Т.А. Рождественская, канд. биол. наук, с.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, Е-mail: rtamara@iwep.ru, С.Н. Балыкин, канд. биол. наук, с.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, Е-mail: BalykinS@rambler.ru, И.В. Егорова, м.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, Е-mail: egorka_iren@mail.ru; С.С. Мешкинова, вед. инженер ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, Е-mail: msyrga-s@mail.ru
ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫМИ МЕТОДАМИ ОСНОВНОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СРАВНЕНИЕ ВОДОУДЕРЖИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СТЕПНЫХ (БАССЕЙН РЕКИ АЛЕЙ) И ГОРНО-ЛЕСНЫХ (БАССЕЙН РЕКИ МАЙМА) ПОЧВ АЛТАЯ*
На основании экспериментально определенных физико-химических свойств почв и почвенно-гидрологиче-ских констант восстановлена основная гидрофизическая характеристика двух контрастных вариантов почв -чернозема обыкновенного (бассейн р. Алей) и горно-лесной темно-серой почвы (бассейн р. Майма). Расчет параметров аппроксимации ОГХ уравнением Ван- Генухтена по педотрансферным функциям, а также построение кривых водоудержания были выполнены в программе RECT версия 6.02. Установлено, что водоудержива-ющая способность более рыхлой и лучше структурированной, более тяжелой по гранулометрии горно-лесной темно-серой почвы выше, чем чернозема обыкновенного. Полученные данные по оГх можно в дальнейшем использовать для моделирования процесса передвижения влаги и растворенных веществ в ненасыщенных влагой почвах.
Ключевые слова: почвы Алтая, влажность, основная гидрофизическая характеристика, педотранс-ферные функции, гранулометрический состав, плотность почвы, программа RETC 6.02.
Почвенно-биогеохимическая обстановка водосборного бассейна является одним из главных факторов формирования гидрохимического стока. Роль водосбора как основного фактора формирования гидрохимического стока хотя признается большинством исследователей [1-4], и активно изучается, но полностью до сих пор не раскрыта. В связи с нарастающими проблемами миграции в почвах геохимических сопряженных ландшафтов и за пределы почвенного профиля загрязняющих веществ (водорастворимых солей, металлов, радионуклидов) актуальность исследования и оценки водного режима почв в настоящее время возрастает.
При исследовании водного режима степных почв необходимо учитывать, что практически единственным источником поступления воды в них является атмосферная влага, поэтому изучение закономерностей процесса впитывания воды в ненасыщенную влагой почву для ландшафтов водосборных бассейнов степных рек особенно актуален. Коэффициент увлажнения лесных почв выше, однако и они редко бывают полностью насыщены влагой: как правило, часть порового пространства всегда содержит газообразную фазу.
Процесс инфильтрации и движения влаги в сухой почве определяется прежде всего давлением влаги в порах и обусловлен сложной совокупностью структурно-функциональных (физических и гидрофизических) свойств почвы, главными из которых являются функция влагопроводности и основная гидрофизическая характеристика (ОГХ) - зависимость между капиллярно-со-рбционным давлением почвенной влаги и ее содержанием в почве (объемной влажностью).
Термин ОГХ был введен в отечественное почвоведение сравнительно недавно - около 40 лет назад для обозначения зависимости между матричным потенциалом воды и влажностью почвы [5]. Среди множества водных свойств, констант и гидрофизических характеристик эта функция представляет собой связующее звено между термодинамикой и гидромеханикой почв [6]. ОГХ - это влажность почвы при определенном давлении влаги, количественная характеристика водоудерживающей способности почвы капиллярно-сорбционными силами. ОГХ тесно связана с минералогическим и химическим составом элементарных почвенных частиц, с их удельной поверхностью, с гранулометрическим, микроагрегатным и агрегатным составом почвы и является ее интегральной структурной характеристикой [5]. ОГХ определяет поведение влаги в почве, направление и скорость ее движения, интенсивность увлажнения или высыхания, возможное направление передвижения влаги между компонентами системы «почва - растение - атмосфера». ОГХ лежит в основе математических моделей, позволяющих прогнозировать водный режим почв и влагообеспеченность растений [7].
Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования были выбраны основные типы почв водосборных бассейнов модельных рек Майма (приток 1-го порядка р. Катунь, Северный Алтай) и Алей (степная область Южноприалейской физико-географической провинции) [8-9]. Водосборный бассейн р. Майма представлен преимущественно горно-лесными темно-серыми почвами под смешанными березово-пихтовыми лесами. Основными типами почв водосборного бассейна р. Алей в
среднем и нижнем течении являются черноземы южные и обыкновенные, большей частью распаханные.
Экспериментальное получение ОГХ почв - процесс сложный и дорогой. Чтобы в лабораторных условиях построить кривую водоудержания одного почвенного образца во всем диапазоне давлений, как правило, приходится использовать целый набор методов и применять, в зависимости от области давления влаги, тензиометры, капилляриметры, тензиостаты, мембранные прессы. Адсорбционную часть ОГХ получают методом равновесия над растворами солей [7]. В последнее время отечественными учеными разрабатываются новые инструментальные методы определения ОГХ, например, был предложен колоночно-центри-фужный метод экспрессной оценки водоудерживающей способности почв и грунтов [10]. Тем не менее, в современном почвоведении актуально разрабатывать и использовать различные подходы и способы расчета, восстановления ОГХ из известных и традиционно определяемых базовых свойств почв расчетным методом педотрансферных функций. [5; 7; 11-12].
В современном почвоведении пТф называют зависимости, позволяющие восстановить основные гидрофизические функции почв (прежде всего ОГХ) по традиционно определяемым базовым свойствам почв. Как правило, это гранулометрический состав почвы, плотность, пористость, содержание гумуса [5; 7]. В работах некоторых авторов предлагаются ПТФ, в качестве параметров которых используются кроме перечисленных объемная удельная поверхность твердой фазы и удельная свободная поверхностная энергия на границе раздела вода-воздух [13].
В нашей работе восстановление ОГХ проводилось из определенных нами экспериментальных данных (гранулометрический состав, плотность, пористость и др. свойств исследуемых почв). Для описания ОГХ была выбрана наиболее употребительная в настоящее время в мировом почвоведении функция -уравнение Ван-Генухтена
6s-вг
6(P)=,
1(1 + (*Р)]")
г + вг
где m=1-1/n, где в - равновесная влажность (влажность, соответствующая определенному давлению почвенной влаги P, es - влажность, близкая к влажности насыщения за вычетом объема, занятого защемленным воздухом, вг - остаточная влажность, а и n - эмпирические коэффициенты, которым также приписывают физический смысл: а - величина, обратная величине капиллярно-сорбционного давления, приближающегося к давлению входа воздуха, n - крутизна кривой [7; 12]. В этом уравнении значения es, вг, а и n определяют положение и форму кривой ОГХ. В данном случае ПТФ представляют собой зависимости параметров аппроксимации от традиционных почвенных свойств (гранулометрического состава, плотности, а также наименьшей влагоемкости). Параметры аппроксимации ОГХ функцией Ван-Генухтена были определены по ПТФ Rosetta Lite v.1.1 программы RETC (рис. 1) версия 6.02. Кроме расчетов ПТФ, в программе RETC выполнялось и построение кривых ОГХ.
Рис. 1. Пользовательский интерфейс программы RETС (версия 6.02): а - начало работы, б - ввод экспериментальны данных для расчета параметров аппроксимации, в - построение графика ОГХ.
Расчет коэффициентов аппроксимации ОГХ функцией Ван-Генухтена по ПТФ базы данных Rosetta V 1.1 программы RETС подразумевает использование данных гранулометрического состава по зарубежной классификации, границы фракций которой не совпадают с отечественной. По отечественной классификации, которая основана на содержании глинистой фракции (частиц менее 0,01 мм), изученную нами горно-лесную темно-серую почву можно отнести к легкой глине, тогда как чернозем обыкновенный является среднесуглинстым.
Чтобы выполнить переход от отечественной (по сути двухмерной) классификации к международной классификации FAO,
построена интегральная (кумулятивная) кривая гранулометрического состава изученных типов почв в равномерно-логарифмическом масштабе шкалы диаметров частиц (откладываемых по оси абсцисс) как кривой распределения содержания частиц диаметром меньше заданного [14; 15]. По кумулятивной кривой, пользуясь графической интерполяцией, мы определили содержание фракций по классификации FAO: <0,002 (глина), 0,002 - 0,05 (пыль) и >0,05 мм - песок. По треугольнику Ферре (рис. 2) были найдены соответствующие называния почв по гранулометрии.
Рис 2. Пример определения классификационной принадлежности по гранулометрическому составу чернозема обыкновенного с использованием треугольника Ферре
Далее в программе RETC, задав полученные значения содержания clay, silt и sand, а также введя параметр плотности почвы, получили эмпирические коэффициенты для уравнения Ван-Генухтена. Используя полученные коэффициенты, рассчитывали по уравнению Ван-Генухтена соответственно различным показателям давления значения объемной влажности (0) и стро-ли кривые ОГХ - автоматически, в программе RETC, а также в Excel.
Построение кривой водоудерживания также проводилось методом «секущих» Воронина [5; 15]. Согласно энергетической
концепции Воронина, ОГХ можно считать диаграммой физического состояния почв. По этой теории, каждой почвенно-гидро-логической константе (характерная влажность почвы, определяемая по ее состоянию или по состоянию контактирующих с ней объектов и используемая в практических почвенно-физических, гидрологических расчетах) соответствует давление влаги, определяемое уравнениями:
1) £ > pF=0, где £ - пористость почвы;
2) WПТ > pF=2,17, где WПТ - влажность на пределе текучести;
3) WНВ > pF=2.17+W, где НВ - наименьшая влагоемкость;
4) WПП > pF=2,17+3W, где WПП - влажность на пределе пластичности;
5) WМГ > pF=4,5 где WМГ - влажность при максимальной гигроскопичности.
Определение указанных констант для восстановления ОГХ по методу Воронина производилось следующими методами: общая пористость - по плотности почвы и плотности ее твердой фазы (определение выполнялось по ГОСТ 5180-84), £= 1-рЬ^, пределы текучести и пластичности - балансирным конусом по А.М. Васильеву, определение наименьшей влагоемкости проводили в лаборатории после окончания экспериментов на водопроницаемость, максимальную гигроскопичность почвы - по А.В. Николаеву [16]. Для всех перечисленных почвенно-гидро-логических констант влажность определилась термостатно-весовым методом (ГОСТ 5180-84). Объемную влажность, которая взаимосвязана с влажностью весовой (W) через плотность почвы (р), рассчитывали как 0, см3/см3= W*p.
Результаты исследования и их обсуждение. По результатам исследования оказалось, что кумулятивная кривая гранулометрического состава чернозема обыкновенного (бассейн р. Алей) более равномерная и гладкая (рис. 3б), чем кривая горно-лесной темно-серой почвы (бассейн р. Майма) (рис. 3а). Это указывает на более интенсивные процессы эволюционирования в горно-лесной почве, из верхних горизонтов которой происходит вынос илистых частиц: считается, что плавность, постепенное увеличение и снижение кривизны кумулятивной кривой указывают на равномерность представления частиц всех диаметров [7; 16].
Рис. 4. Дифференциальные кривые гранулометрического состава А горизонта: а - темно-серой лесной почвы (бассейн р. Бирюля) и б - чернозема обыкновенного (бассейн р. Алей) в различных вариантах уплотнения.
Рис. 3. Интегральные кривые гранулометрического состава А горизонта: а - темно-серой лесной почвы (бассейн р. Бирюля) и б-чернозема обыкновенного (бассейн р. Алей) в различных вариантах уплотнения в зависимости от использования
По построенным дифференциальным кривым гранулометрического состава почв можно судить о преобладании тех или иных фракций. В лесной почве в верхнем горизонте отмечено высокое содержание и глинистой и пылеватой фракции, а в черноземе обыкновенном без зависимости от степени антропогенной трансформации доминирует пылеватая фракция.
Отметим, что степень антропогенной трансформации, изменяя плотность сложения верхних горизонтов чернозема обыкновенного с 0,73-1,00 г/см3 до 1,1 - 1,24 г/см3 (на 15-25%), не оказывает существенного воздействия на перераспределение в нем фракций гранулометрического состава. Можно лишь отметить, что при естественном сложении (вариант залежь) кумулятивная кривая гранулометрического состава менее гладкая, что свидетельствует о более интенсивных эволюционных процессах в почвах под естественными степными фитоценозами (рис. 3б). Кроме того, в черноземе под залежью чуть более высокое суммарное содержание глинистой фракции, чем в антропогенно-трансформированных вариантах, что связано с эрозионными и дефляционными процессами в распаханных почвах агроланд-шафтов.
Более интенсивные процессы эволюционирования в горно-лесной почве, активная вертикальная миграция илистых частиц отражаются на кумулятивной кривой гранулометрического состава, которая носит волнообразный характер (рис. 3а). В отличие от степных лесные почвы в случае антропогенного воздействия (выпас скота), которое приводит к увеличению их
плотности на 25 %, демонстрируют гораздо более заметное изменение в распределении содержания элементарных почвенных частиц различного диаметра. Кумулятивная кривая гранулометрического состава переуплотненной горно-лесной почвы отличается от кривой почвы ненарушенного сложения гораздо более существенно, чем кривые различных вариантов уплотнения черноземов, становится более равномерной и гладкой, что свидетельствует о замедлении процессов перемещения тонкодисперсных фракций по профилю. В результате уплотнения повышается относительное содержание фракции средней пыли, илистые частицы перестают мигрировать за пределы верхнего почвенного горизонта. В итоге интегральная кривая гранулометрического состава горно-лесной темно-серой переуплотненной почвы приобретает форму близкую к кривым гранулометрического состава степных почв.
Дифференциальная кривая гранулометрического состава антропогенно-преобразованной почвы также более заметно отклонена от варианта без антропогенной нагрузки в случае горно-лесных почв. Так в естественном состоянии доминирует глинистая фракция, а также фракция пыли, тогда как при переуплотнении в горно-лесных почвах начинает преобладать лессовидная фракция (рис. 4).
Оказалось, что по зарубежной классификации FAO, изученные почвы относятся к суглинистым (чернозем обыкновенный) и пылевато-суглинистым (горно-лесная черноземовидная).
Таблица 1
Исходные данные для расчета по ПТФ базы данных Rosetta программы RETC параметров аппроксимации ОГХ функцией
Ван-Генухтена, для различных типов и вариантов почв Алтая
Название фракций Почвы в различных вариантах уплотнения
чернозем обыкновенный горно-лесная темно-серая
е.с. упл. разр. е.с. упл.
Clay (ил) <0,002, % 16 19 21 15 21
Silt (пыль) 0,002 - 0,05, % 34,7 32,5 33,3 56,3 58,4
Sand (песок) >0,05, % 49,3 48,5 45,7 28,7 20,6
Классификационная принадлежность по FAO суглинок (loam) пылеватый суглинок (silt loam)
Плотность почвы, г/см3 0,87 1,15 1,05 0,68 0,85
Дополнительные данные
Физическая глина по Качинскому (<0,001-0,01) 33,7 28,3 33,4 55,9 43,3
Пористость, % 65,7 54,1 58,8 71,1 61,4
Содержание гумуса, % 3,4 2,3 2,4 13,6 13,5
Кфлаб [17], мм/мин 0,9-1,1 <0,1 1,0-1,2 3,3-4,5 0,3-0,4
Кф , мм/мин ~ рассч.' 1,25 0,38 3,2 1,5
Классификация по Качинскому средний суглинок легкая глина
Примечание: е.с. - естественное сложение, упл. - вариант с уплотнением почвы, разр. - вариант с разрыхлением (пашня); Кфлаб. - устойчивая скорость фильтрации, полученные в результате лабораторных экспериментов в почвенных колонках, Кфрассч - коэффициент фильтрации, рассчитанный по ПТФ Rosetta v 1.1 в программе RETC.
Таблица 2
Основные почвенно-гидрологические константы чернозема обыкновенного (бассейн р. Алей), залежь
(естественные условия)
Константы Влажность, % Объемная влажность PF
Пористость £, %0,66 - 0,66 0
Предел текучести WПТ 33,94 0,30 2,17
Наименьшая влагоемкость 31,2 0,27 2,44
WПП влажность на пределе пластичности 25,85 0,22 2,84
WМГ влажность при максимальной гигроскопичности 3,75 0,03 4,45
Рис. 5. Восстановленные различными расчетными методами (с помощью аппроксимационной зависимости Ван-Генухтена) кривые ОГХ чернозема обыкновенного (бассейн р. Алей) и темно-серой лесной почвы (бассейн р. Майма)
PF
шз
г
*—
ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
объемная влажность, смЗ/смЗ
0,7
0,8
-ОГХ чернозема обыкновенного, аппроксимацией функцией Ван-Генухтена ОГХ чернозема обыкновенного, восстановленная по ПГК методам Воронина ОГХ горно-лесной темно-серой, по ПГК методом Воронина
-ОГХ горно-лесной темно-серой почвы, аппроксимацией функцией Ван-Генухтена
Отметим, что определенные ранее в лабораторных условиях (в почвенных колонках) коэффициенты фильтрации для изученных почв [17], которые мы посчитали несколько завышенными относительно значений, полученных полевым методом, численно практически полностью совпали с коэффициентами, рассчитанными в программе RETС (таблица 1).
Рассмотрим полученные кривые водоудержания почв степных (бассейн р. Алей) и горно-лесных (бассейн р. Майма) ландшафтов Алтая. Считается, что функция влагопроводности для тяжелосулинистых и глинистых почв имеет меньший угол наклона, чем для почв песчаных и суглинистых. Соблюдение этой закономерности в нашем случае можно наблюдать на рис. 5.
Теоретически при облегчении гранулометрического состава почвы кривая ОГХ должна смещаться в сторону меньшей влажности [7], т.к. водоудерживающая способность в почвах более легкого гранулометрического состава меньше. По результатам исследования расположение кривых ОГХ рассматриваемых типов почв подчиняется этой закономерности: влажность, соответствующая определенному значению давления в суглинистом черноземе ниже, чем в легкоглинной (пылевато-суглинистой по FAO) темно-серой лесной почве (рис. 5).
Считается, что при очень высоких значениях давления (т.е. при низких значениях pF) в более легких по гранулометрическому составу почвах (при прочих равных условиях) удержание влаги должно происходить лучше, поскольку в них тонких капилляров меньше, а крупных пор больше, чем в почвах тяжелого гранулометрического состава [7]. По результатам нашего исследования в качественной области кривой ОГХ, соответствующей областям насыщения почвы влагой, а также в области капиллярной влаги (до pF=3), кривая ОГХ чернозема остается сдвинутой в область меньшей влажности (рис. 5), хотя его гранулометрический состав более легкий. То, что даже в области высоких давлений кривая ОГХ легкоглинной лесной почвы находится в области более высоких влажностей (при одном и том же давлении влаги), чем кривая ОГХ суглинистого чернозема объясняется тем, что при более тяжелом гранулометрическом составе, но в более рыхлой, пористой (см. табл. 1) и лучше структурированной горно-лесной почве с меньшим значением плотности больше крупных капилляров. Кроме того, воздействие заметно более высокого содержания
гумуса в горно-лесной почве (см. табл. 1) оказывается в целом аналогичным разрыхлению [7], что влияет на показатель плотности. Т.о., в области высокого давления в диапазоне крупных капилляров фактор плотности играет на уменьшение влажности, поэтому нижняя часть кривой ОГХ более плотного чернозема (таблица 1) смещена влево.
Известно, что способность почвы удерживать влагу в большей степени выражено в незасоленных почвах [7], но при этом в области адсорбционной влаги кривая ОГХ (построенная инструментальными методами) почвы с более высоким уровнем минерализации почвенного раствора может сместиться и вправо (как на рис. 5) за счет гидрофильности солей [7]. Поэтому водоудер-живающая способность исследуемого чернозема (из-за более высокого содержания в нем водорастворимых солей) в капиллярной области действительно должна быть ниже водоудержи-вающей способности горно-лесной почвы.
В случае построения кривых водоудержания по методу Воронина (см. рис. 5), кривая ОГХ чернозема также сдвинута в область меньших значений влажности: более легкий по гранулометрическому составу, но более плотный с меньшим показателем порозности и более высоким содержанием водорастворимых солей чернозем в области высокого давления и насыщения почвы влагой удерживает воды меньше, чем более рыхлая и структурированная, значительно лучше обеспеченная органическим веществом глинистая горно-лесная почва.
Считается, что, по мере иссушения почвы и снижении ка-пиллярно-сорбционного давления влаги, крупные поры в почвах «опустошаются». В этом случае лучше удерживает воду более тяжелая почва, с большим содержанием илистой и глинистой фракций, поскольку тонких пор в таких почвах значительно больше, чем в песчаных и суглинистых почвах [7]. По результатам восстановления ОГХ чернозема обыкновенного и горно-лесной темно-серой почвы оказалось, что в областях низкого давления и низкого содержания влаги (в сухой почве) влагоудерживающая способность сравниваемых почв выравнивается. Причем в области пленочно-капиллярной влаги ^=3 - 4,6) кривые ОГХ совпадают, а в области перехода пленочной влаги к влаге сорбционной при дальнейшем иссушении почвы и снижении давления, опять немного расходятся - так, что кривая чернозема суглинистого
опять отклоняется в сторону меньшей влажности. Выравнивание водоудеживающей способности объясняется тем, что более легкий гранулометрический состав чернозема (по сравнению с горно-лесной почвой) в «сухой» области компенсирует его большая плотность - за счет этого увеличивается число тонких капилляров в единице объема почвы, удерживающих влагу при низких значениях давления. По мнению Е.В. Шеина увеличение плотности почвы действительно может привести к росту 6min [7].
Сравнивая различные методы восстановления ОГХ, отметим, что графики ОГХ чернозема обыкновенного (бассейн р. Алей), построенные методом Воронина по ПГК (таблица 2) и аппроксимацией функцией Ван-Генухтена, различаются незначительно: кривая, построенная по ПГК, несколько смещена в область низких значений влажности. В области перехода капиллярной влаги в пленочно-капиллярную (в области типичного состояния увлажненности рассматриваемых степных почв) верхние части графиков ОГХ чернозема практически совпадают. Однако различные расчетные методы восстановления ОГХ горно-лесной темно-серой почвы дают более заметно различающиеся кривые водоудерживания (рис. 5). Результаты расчетов доказывают неравнозначность используемых моделей для степных и горно-лесных почв.
Выводы
1. Антропогенное воздействие, в частности, переуплотнение верхнего горизонта, более заметно изменяет распределение со-
Библиографический список
держания почвенных частиц различного диаметра в горно-лесной темно-серой почве: дифференциальные и кумулятивные кривые их гранулометрического состава более заметно отклоняются от нормы, чем кривые чернозема. В естественном состоянии в темно-серой почве в целом доминирует глинистая и тонкопесчаная фракции, тогда как при переуплотнении преобладает лессовидная фракция.
2. Из-за повышенного содержания гумуса, меньшего содержания водорастворимых солей, лучшей структурированности и более высокой порозности в горно-лесной легкоглинной почве влаги удерживается больше, чем при тех же значениях давления в более легком по гранулометрическому составу, но более плотном черноземе обыкновенном суглинистом, особенно в капиллярной области, близкой к состоянию насыщения почвы влагой (при высоких давлениях и низких значениях рF). При этом и водопропускная способность горно-лесной почвы выше, чем чернозема.
3. Различные методы восстановления ОГХ (аппроксимацией функцией Ван-Генухтена и по ПГК методом Воронина) в случае чернозема обыкновенного дают хорошую сходимость результатов.
*Работа выполнена в рамках Государственного задания по проекту VIII.76.1.4. Биогеохимические и почвенно-гидрологические процессы на водосборах и их влияние на формирование гидрохимического стока в природных и антропогенных ландшафтах Сибири
1. Роде, А.А. Почвоведение. - M., 1955.
2. Алекин, О.А. Сток растворенных веществ с территории СССР / О.А. Алекин, Л.В. Бражникова. - M., 1964.
3. Шварцев, С.Л. Эколого-геохимическое состояние крупных притоков Средней Оби / С.Л. Шварцев, О.Г. Савичев // Водные ресурсы.
- 1997. - № 6.
4. Кирста, Ю.Б. Mодель стока взвешенных веществ и оценка среднемноголетнего выноса тяжелых металлов по данным единичных наблюдений / Ю.Б. Кирста, А.В. Пузанов, С.В. Бабошкина // Изв. Самарского научного центра РАН. - 2013. - Т. 15. - № 3(3).
б. Воронин, А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. - M., 1984.
6. Глобус, АЖ Информативность основной гидрофизической характеристики // Почвоведение. - 2001. - № 3.
7. Шеин, Е.В. Курс физики почв. - M., 2005.
8. Mаринин, АЖ Физическая география Горного Алтая: учебн. пособие / АЖ Mаринин, Г.С. Самойлова. - Барнаул, 1987.
9. Винокуров, Ю.И. Региональная ландшафтная структура Сибири: монография / Ю.И. Винокуров, ЮЖ Цимбалей. - Барнаул, 2006.
10. Смагин, А.В. Колоночно-центрифужный метод определения основной гидрофизической характеристики почв и дисперсных грунтов // Почвоведение. - 2012. - № 4.
11. Сапожников, ПЖ Mодель расчета основной гидрофизической характеристики по базовым показателям физического состояния почв / ПЖ Сапожников, E.M. Гончарова, А.Н. Прохоров // Докл. РАСЛН. - 1992. - № 9.
12. Van Genuchten M.Th. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils // Soil. Sci. soc. Am.J. - 1980. -V. 44.
13. Алексеев, В.В. Аэродинамический метод получения основной гидрофизической характеристики почв / В.В. Алексеев, И.И. Mаксимов // Почвоведение. - 2013. - № 7.
14. Березин, П.Н. Особенности распределения гранулометрических элементов почв и почвобразующих пород // Почвоведение. - 1983.
- № 2.
15. Шеин, Е.В. Mоделирование процесса водопроницаемости черноземов каменной степи / Е.В. Шеин, Д.И. Щеглов, В.В. Mосквин // Почвоведение. - 2012. - № 6.
16. Агрохимические методы исследования почв. - M., 1975.
17. Пузанов, А.В. Водопроницаемость горно-лесных и степных почв Алтая как фактор выщелачивания макроионов (модельный эксперимент в почвенных колонках) / А.В. Пузанов, С.В. Бабошкина, Т.А. Рождественская, С.Н. Балыкин // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2014. - № 7(117).
Bibliography
1. Rode, A.A. Pochvovedenie. - M., 1955.
2. Alekin, O.A. Stok rastvorennihkh vethestv s territorii SSSR / O.A. Alekin, L.V. Brazhnikova. - M., 1964.
3. Shvarcev, S.L. Ehkologo-geokhimicheskoe sostoyanie krupnihkh pritokov Sredneyj Obi / S.L. Shvarcev, O.G. Savichev // Vodnihe resursih. - 1997. - № 6.
4. Kirsta, Yu.B. Modelj stoka vzveshennihkh vethestv i ocenka srednemnogoletnego vihnosa tyazhelihkh metallov po dannihm edinichnihkh nablyudeniyj / Yu.B. Kirsta, A.V. Puzanov, S.V. Baboshkina // Izv. Samarskogo nauchnogo centra RAN. - 2013. - T. 15. - № 3(3).
б. Voronin, A.D. Strukturno-funkcionaljnaya gidrofizika pochv. - M., 1984.
6. Globus, A.M. Informativnostj osnovnoyj gidrofizicheskoyj kharakteristiki // Pochvovedenie. - 2001. - № 3.
7. Shein, E.V. Kurs fiziki pochv. - M., 2005.
8. Marinin, A.M. Fizicheskaya geografiya Gornogo Altaya: uchebn. posobie / A.M. Marinin, G.S. Samoyjlova. - Barnaul, 1987.
9. Vinokurov, Yu.I. Regionaljnaya landshaftnaya struktura Sibiri: monografiya / Yu.I. Vinokurov, Yu.M. Cimbaleyj. - Barnaul, 2006.
10. Smagin, A.V. Kolonochno-centrifuzhnihyj metod opredeleniya osnovnoyj gidrofizicheskoyj kharakteristiki pochv i dispersnihkh gruntov // Pochvovedenie. - 2012. - № 4.
11. Sapozhnikov, P.M. Modelj rascheta osnovnoyj gidrofizicheskoyj kharakteristiki po bazovihm pokazatelyam fizicheskogo sostoyaniya pochv / P.M. Sapozhnikov, E.M. Goncharova, A.N. Prokhorov // Dokl. RASKhN. - 1992. - № 9.
12. Van Genuchten M.Th. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils // Soil. Sci. soc. Am.J. - 1980. - V. 44.
13. Alekseev, V.V. Aehrodinamicheskiyj metod polucheniya osnovnoyj gidrofizicheskoyj kharakteristiki pochv / V.V. Alekseev, I.I. Maksimov // Pochvovedenie. - 2013. - № 7.
14. Berezin, P.N. Osobennosti raspredeleniya granulometricheskikh ehlementov pochv i pochvobrazuyuthikh porod // Pochvovedenie. - 1983. -№ 2.
15. Shein, E.V. Modelirovanie processa vodopronicaemosti chernozemov kamennoyj stepi / E.V. Shein, D.I. Theglov, V.V. Moskvin // Pochvovedenie. - 2012. - № 6.
16. Agrokhimicheskie metodih issledovaniya pochv. - M., 1975.
17. Puzanov, A.V. Vodopronicaemostj gorno-lesnihkh i stepnihkh pochv Altaya kak faktor vihthelachivaniya makroionov (modeljnihyj ehksperiment v pochvennihkh kolonkakh) / A.V. Puzanov, S.V. Baboshkina, T.A. Rozhdestvenskaya, S.N. Balihkin // Vestnik Altayjskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2014. - № 7(117).
Статья поступила в редакцию 16.11.14
УДК 574.630
Robertus Yu.V., Lubimov R.V., Kivatskaya A.V. SCOPE OF DEPOSIT AND CARBON EMISSIONS IN THE TERRITORY OF THE ALTAI REPUBLIC. The paper presents the preliminary results of the evaluation of modern carbon pools and the level of its deposit in the ecosystems of the Altai Republic. Its prevalence in the mountain forest ecosystems has been shown. The authors identify the main sources and the scope of this carbon emission in the region. The researchers can conclude that the carbon balance in all ecosystems in the region is positive, and that the rate of emission of CO2-eq. (0.03 t/ha/year) on the territory is one of the lowest in the Russian Federation. The preliminary data on the sizes of the deposit and the loss of the carbon in the forest ecosystems of the Altai Republic show that the chief factors of the accumulation of carbon is the growth of phitomass of the tree stratum of the forest fund - 2.71 Mt/ year, what is 0.8 per cent of carbon stock in the aboveground tree stratum. The volumes of the unnatural and natural forest recovery is possible due to the deposit of carbon by 0.2 per cent from the level.
Key words: Altai Republic, ecosystems, carbon balance, annual runoff, deposition and emission, afforestation of land, environmental monitoring.
Ю.В. Робертус, канд. геол.-минер. наук, в.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул; Р.В. Любимов, канд. геол.-минер. наук, н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул; А.В. Кивацкая, канд. геол.-минер. наук, м.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, E-mail: ariecol@mail.gorny.ru
МАСШТАБЫ ДЕПОНИРОВАНИЯ И ЭМИССИИ УГЛЕРОДА НА ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ АЛТАЙ
В статье затрагивается актуальная проблема положительного баланс стока углерода в большинстве субъектов Российской Федерации, в том числе Республика Алтай (РА), и отсутствии достоверных оценок его значений. Приведены предварительные результаты оценки современных пулов углерода и уровня его депонирования в экосистемах Республики Алтай, показано его превалирование в горно-лесных экосистемах, намечены основные источники и масштабы эмиссии углерода на территории региона. Сделан вывод о положительном балансе углерода во всех экосистемах региона и о том, что уровень эмиссии СО2-экв. (0,03 т/га*год) на его территории один из самых низких в Российской Федерации.
Ключевые слова: Республика Алтай, экосистемы, баланс углерода, годовой сток, депонирование и эмиссия, облесение земель, экологический мониторинг.
Считается [1-3], что новейшие глобальные изменения климата связаны с увеличением содержания в атмосфере парниковых газов (в основном СО2 и СН4), в связи с чем растет интерес к геохимическому обороту углерода, в том числе, на региональном уровне. В общих чертах оборот складывается из процессов изъятия углерода из атмосферы, связывания и депонирования в природных средах, а также противоположного процесса его выделения в атмосферу.
Большинство субъектов Российской Федерации, в том числе Республика Алтай (РА), имеют положительный баланс стока углерода, но при этом отсутствуют достоверные оценки его значений. Нет данных и по уровню депонирования углерода экосистемами (леса, степи, болота), не ведется мониторинг его эмиссии, что не позволяет оценить углеродные выгоды при планировании земле-и лесопользования.
Республика Алтай характеризуется значительным разнообразием высотно-поясных экосистем, среди которых преобладают бореальные горно-лесные экосистемы, занимающие 4,46 млн. га, или 48% ее территории, а с учетом «вкрапленных» в них лесостепных экосистем - 65,6%. В высокогорном поясе широко проявлены горные тундры, а в межгорные котловинах и широких речных долинах - горно-степные и остепненные экосистемы. Около 7 % территории РА занимают болота и заболоченные ландшафты, и примерно 10% - территории, лишенные почвен-но-растительного покрова: ледники, скальные выходы, курумни-ки, осыпи, водные объекты и др.
Экосистемы региона претерпели незначительные антропогенные изменения, большинство из них сохранили свой первозданный облик. Основные виды землепользования в Республике Алтай - лесное и сельское хозяйство (в основном животноводство), в небольшой степени рекреация, добыча полезных ископаемых. Они оказывают незначительное, чаще локальное воздействие на экологическое состояние экосистем [4].
Согласно имеющихся оценок средний уровень депонирования углерода лесными экосистемами РА составляет 0,8-1,1 т/
га*год. Суммарное удельное депонирование лесными и болотными экосистемами оценивается в 0,8-1,7 т/га*год. Антропогенная эмиссия СО2 на территории республики составляет менее 0,2 т/га*год [5], запасы мортмассы лесных экосистем - 20-40 т/га, а удельный поток органического углерода, поступающего в лесные почвы - 1-2,5 т/га*год, в степные почвы - 1,5-3,5 т/га*год. Эмиссия углерода почвенным покровом оценивается величиной 0,9-2 т/га*год [6].
Пока приведены предварительные результаты оценки современных пулов углерода в основных экосистемах Республики Алтай, выполненные с учетом подходов, изложенных в работах [7-10]. При оценке запасов углерода в древесной фитомассе применялся коэффициент пересчета 0,5, при пересчете углерода в СО2-экв. - коэффициент 3,67 [7], для оценки депонирования углерода на непокрытых лесом землях - коэффициент 0,2 [9], при расчете потерь углерода от пожаров - коэффициент 0,11 от его запасов в общей надземной фитомассе, от вредителей - 0,05 [8; 10]. Запасы углерода в почве пересчитывались от запасов гумуса с коэффициентом 1,15. Доля углерода в кроне, корневой системе и мортмассе принималась равной 50 % от его запасов в древесине.
Ориентировочная оценка современного пула углерода на территории Республики Алтай, проведенная в разрезе основных экосистем региона, показала превалирование его общих запасов в горно-лесных экосистемах - 63,7 % (с учетом лесостепей - 78,2 %). Средние ориентировочные запасы углерода в экосистемах региона варьируют от 50 т/га (для горной тундры) до 800 т/га (для низовых болот). Среднегодовой сток углерода на территории региона оценен в 6,75 Мт (0,6 % от его общих запасов) (таблица 1).
Для оценки запасов фитомассы лесных земель и депонированного в ней углерода использованы данные государственного лесного реестра по РА на начало 2014 г. Общий запас углерода в надземной фитомассе лесопокрытой территории региона составляет 327 Мт, или 79,7 т/га, а его среднегодовое депонирование - 0,64 т/га (таблица 2).
