ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОГО ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ СТЕПНЫХ ПОЧВ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ
FEATURES OF THE FORMATION OF MODERN HYDROLOGICAL PROFILE STEPPE SOILS OF THE VORONEZH REGION
Ю.И. Чевердин1,2
Yu.I. Cheverdin1,2
1ФГБНУ Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Центрально-Черноземной полосы им. В.В. Докучаева
2 Каменно-Степное опытное лесничество
(Россия, 397463, Воронежская область, Таловский район, пос. 2-го участка Института им. Докучаева, квар. 5, 81)
1V.V. Dokuchaev Research Institute of Agriculture of the Central Black Earth Zone
2 Stone-Steppe experimental forestry
(Russia, 397463, Voronezh region, Talovaya district, set. of the 2nd plot of the Dokuchaev Institute, block 5, 81)
e-mail: cheverdin62@mail.ru
Анализ полученных нами материалов показывает, что наибольшая увлажненность почвенного профиля в течение вегетации свойственна почвам на залежных участках и под лесными полосами. Так же, как и по запасам продуктивной влаги, все пахотные участки характеризовались в той или иной степени меньшей увлажненностью. В течение вегетации полевых культур происходит постепенное иссушение почвенной толщи до критических значений. Степные аналоги сохраняли оптимальные условия влагообеспеченности даже в экстремальные годы.
Analysis of the obtained material shows that the moisture of the soil profile during the growing season characteristic of the soils of fallow areas under forestry and stripes. As for the productive moisture reserves, all arable land was characterized, in varying degrees, less moisture. During the growing season of crops, there is a gradual drying of the soil strata to critical values. Steppe analogues retain optimal moisture conditions, even in extreme years.
Актуальность. Оптимальное обеспечение почв агроценозов влагой является одной из основных составляющих, обеспечивающих их высокую продуктивность. Влагообеспеченность и водный режим является важным показателем, определяющим генезис, потенциальное и актуальное плодородие почв, экологическое состояние окружающей среды.
Для условий юго-востока ЦЧЗ в современных трансформированных агрогенезом лесокультурных ландшафтах изучены особенности и характер увлажнения почвенного профиля в зависимости в различных агроэкологических условиях.
Методы исследований. Исследования проведены традиционными методами, принятыми в почвоведении. Определение влажности почвы – термостатно – весовым способом.
Результаты исследований. Исследования за режимом влажности черноземов нами были начаты в 2007 г. И этот период (2007-2014 гг.) по отношению предыдущему климатическому циклу характеризовался как более сухая фаза среднемноголетних наблюдений. Рассматривая имеющиеся данные по количеству атмосферных осадков и среднемесячной температуре воздуха необходимо отметить их значительное варьирование и отклонения от среднемноголетних значений в ту или иную сторону.
По количеству атмосферных осадков выпавших в сумме за год близкие значения отмечены в 2007 и 2008 гг. – 446,5-441,1 мм при среднемноголетнем значении 438,4 м. Предшествовавший началу периода наблюдений 2006 г по характеру увлажнения был наиболее влажным (611,6 мм). Минимальное количество осадков отмечено в 2009 г. – 405,9 мм, что на 32,5 мм ниже среднемноголетних показателей. Наиболее увлажненными с максимальным количеством осадков 482,0 и 546,3 мм характеризовались 2011 и 2012 гг.
Экстремальный по климатическим параметрам 2010 год по количеству атмосферных осадков был близок к среднемноголетним показателям – 454,1 мм, но характер их распределения был совсем иной. Если в зимние месяцы и начало весны (январь – март) выпало 122 мм осадков при среднемноголетней величине 54,7 мм, то уже в апреле месяце всего 9,5 мм при норме 29,2 мм, в мае 30,2 мм (норма 44,7 мм). Наиболее экстремальные по увлажнению условия с большим дефицитом влаги сложились в летние месяцы. Количество выпавших атмосферных осадков в июне составило ничтожно малую величину – всего 2,5 мм, в июле 19,8 мм и в августе 26,1 мм при среднемноголетних показателях соответственно 58,0, 62,4 и 54,4 мм. Таким образом, отличительной особенностью летнего периода 2010 г был существенный недобор атмосферных осадков.
Предшествовавший этому период конца XX-го – начало XXI-го столетия (1990-2006 гг.) был более увлажнен. В течение этих лет отмечались годы с увлажненностью намного превышающих среднемноголетние показатели. Так, в 1992 г., 2000 г., 2001 г., 2004 г., 2005 г., 2006 г. количество атмосферных осадков было наиболее высоким (более 600 мм) за весь период наблюдений в «Каменной Степи», за исключением 1925 г с суммой осадков 826 мм.
Температурный режим, в общем, за время исследований отличался повышенным фоном. Так среднегодовая температура воздуха, превышала среднемноголетние показатели на 1,26-3,540С. Экстремально высокими значениями характеризовался 2010 г. В этом году средняя температура воздуха составила 8,730С при норме 5,190С. Высоким температурным фоном отличались также 2007-2008 гг. Значения были все же ниже чем в 2010 г, но они превышали отметку 80 С и равнялись соответственно 8,29-8,080С. В ряду рассматриваемых лет минимальная годовая температура воздуха отмечалась в 2006 г. и 2011 г.
В связи с этим, в рассматриваемый период времени за теплое время, все годы исследования можно характеризовать повышенным температурным фоном и меньшим количеством осадков по сравнению со среднемноголетними. В подтверждении этого служат расчетные коэффициенты увлажнения по Иванову. Они оказались значительно меньше 1. Минимальное значение отмечено в 2010 г – 0,02-0,22. Максимальное, достигающее показателей 0,66, в летний вегетационный период 2006 г.
За холодный период значение коэффициента увлажнения, как правило, было выше 1 и достигало максимальных показателей в зимние месяцы.
В целом же годовые коэффициенты увлажнения по Иванову были выше среднемноголетних значений. Он варьировал в пределах от 1,26 до 2,45 при климатической норме 1,32.
Сочетание вышеуказанных климатических особенностей способствовали созданию большого разнообразия условий увлажнения почвенной толщи. Особенности накопления, поступления и расхода влаги под многолетней залежью, пашней и длительно произрастающей лесной полосой формировали характерный для каждого объекта исследований режим влажности.
Результаты наших исследований показывают, что значение показателя водопроницаемости обыкновенных черноземов имеет прямую непосредственную связь с характером использования степных почв.
Наибольшей водопроницаемостью характеризовались залежные (целинные) участки, находящиеся в режиме косимой степи с 1882 года. Средняя скорость впитывания влаги за первый час наблюдений в среднем за годы проведения исследований составила 19,95 мм/мин. За первый час почва естественного биоценоза может усвоить до 1197 мм. В течение второго часа водопроницаемость постепенно снижается, и в среднем равнялась 16,4 мм/мин. В дальнейшем, на протяжении третьего часа наблюдений, водопроницаемость остается неизменной, затем постепенно начинает снижаться. И к концу наблюдений (на 5-6 часу) она стабилизируется и составляет 12,25 мм/мин или 375 мм/час. В целом за шесть часов эксперимента целинные аналоги пахотных почв могут усвоить до 5540 мм влаги.
Старопахотные уплотненные почвы на обыкновенном черноземе с тяжелосуглинистым механическим составом снижают водопроницаемость с увеличением срока использования. Четкое снижение водопроницаемости отмечается с первых лет после распашки целинных почв. Это объясняется и большей набухаемостью этих почв, и большей величиной связанной адсорбционными силами воды, препятствующей движению жидкости.
Таким образом, из наших данных следует, что самая высокая водо-впитывающая способность чернозема обыкновенного тяжелосуглинистого на залежном степном участке и наблюдается закономерный тренд ее снижения к пахотным участкам от 2,25 до 7,8 раз.
Важным критерием интерпретации водного режима почв является оценка критических показателей влажности, определяющих изменения агроэкологических условий.
Остродискуссионным и не до конца решенным вопросом является проблема изменения водно-физических свойств степных почв (черноземов) при вовлечении их в активное сельскохозяйственное производство.
Наибольшая увлажненность почвенного профиля отмечается в ранневесенний период. Но характер вегетационного изменения гидрологического профиля зависел от условий использование и складывающихся гидротермических особенностей года. Основное пополнение запасов почвенной влаги черноземов отмечается в осенний период за счет атмосферных осадков. Более полное их пополнение происходит в годы с количеством осадков выше среднемноголетних значений и пониженным температурным фоном. В этот период пополнение запасов почвенной влаги в профиле почв происходит до значений предельной полевой или наименьшей влагоемкости.
В годы с сухой осенью, которые довольно часто наблюдаются в условиях юго-востока ЦЧЗ, и особенно с небольшой интенсивностью дождей в почвенной толще может отмечаться значительный дефицит влаги. Это положение может усугубляться ранним наступлением сильных морозов при практическом отсутствии снежного покрова. Почва в этом случае с осени промерзает на значительную глубину и это период может продолжаться до весеннего снеготаяния. В этом случае пополнение запасов почвенной влаги может начаться не ранее марта. Примером могут служить гидрологические периоды 2011 и 2012 гг.
Анализируя данные по наименьшей влагоемкости (НВ) чернозема обыкновенного различного характера использования, необходимо отметить резкое уменьшение данной категории влаги на пахотных участках. Наиболее существенные различия отмечаются в гумусово-аккумулятивном горизонте. В верхнем корнеобитаемом слое почвы (0-30 см) степной залежные участок превышал пахотный на 7,1–15,4 весовых процентов. В карбонатно – аккумулятивных горизонтах различия сглаживались, но все же оставалось хотя и небольшое преимущество почв не подверженных интенсивной обработке.
Чернозем обыкновенный на залежи косимой достигал значений превышающей наименьшею влагоемкость (НВ-ПВ) очень редко, лишь в отдельные годы (рис. 1). Таким примером может служит начало вегетации 2007 г. После оттаивания почвы и схода снега в гумусо - аккумулятивном горизонте происходило пополнение запасов почвенной влаги. Однако очаги этой влаги не велики и отмечены были фрагментарно по почвенному профилю. В карбонатном горизонте в этот период влажность соответствовала наименьшей влагоемкости. С нарастанием температуры в этот год происходила потеря влаги, и влажность почвы начиная с первой декады апреля в верхнем горизонте соответствовала влажности наименьшей влагоемкости (НВ) достигая таких же значений влаги в нижних горизонтах во второй половине июля. В целом рассматривая складывающиеся гидрологический условия залежных степных почв за анализируемый период (2007–2014 гг.) можно отметить, что влажность была стабильна и в большей части соответствовала наименьшей влагоемкости (НВ), за исключением отмеченных особенностей начала 2007 г и летнего сезона 2010 г. Можно также констатировать незначительное по продолжительности иссушение гумусового горизонта, отмеченное нами в 2008-2009 гг. во второй половине августа – начало сентября. В этот временной промежуток влажность почвы на глубине 50-80 см соответствовала влажности завядания (ВЗ).
Рисунок 1. Категория влаги на залежи косимой, 2007 2012 гг.
Наиболее интересны в плане влагообеспеченности данные за 2010 г. когда были отмечены наиболее высокий температурный фон воздуха и с очень длительным периодом отсутствия атмосферных осадков. Анализ хроноизоплет объемной влажности почвы на различных угодьях показал, что чернозем обыкновенный на залежи косимой в условиях длительного периода практического отсутствия атмосферного увлажнения и высоких температур только в верхнем корнеобитаемом слое терял влагу до нижней границы предела влажности завядания (ВЗ). Длительность этого временного периода составила 49 дней (с 16 июля по 1 августа 2010 г). В более глубоких горизонтах почвы влажность почвы не выходила за пределы диапазона (ВЗ-НВ).
В отличие от залежного степного участка чернозем пашни терял влагу до нижней границы влажности завядания (ВЗ) в более глубоких горизонтах почвенного профиля и длительность этого периода была намного больше. В пахотном горизонте (0-20 см) продуктивная влага отсутствовала, начиная с конца мая до конца сентября (31 мая по 25 сентября 2010 г). Таким образом, практически весь вегетационный период проходил при полном отсутствии доступной влаги в пахотном горизонте.
Таким образом, проведенные исследования особенностей гидрологического режима черноземов показали преимущество степных аналогов. Отмечается сохранение высоких значений водопроницаемости по сравнению с пашней. Залежные участки (1882 г.) степных почв обладают более благоприятными гидрологическими характеристиками и лучшей влагообеспеченностью.