Топологическая и физическая лужистость почвенных слоев

А.В. Захарченко, И.Н. Росновский, Д.А. Ивлев ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ И ФИЗИЧЕСКАЯ ЛУЖИСТОСТЬ ПОЧВЕННЫХ СЛОЕВ

Предложен метод оценки водно-физических свойств в объеме почвенного тела, границы слоев которого имеют сложное пространственное строение.

Практически во всех климатических моделях в качестве подблока входят модели подстилающей поверхности (почвы и экосистемы). Это не случайно, поскольку от процессов, протекающих в почвах и экосистемах, зависят и процессы энерго- и массообмена в приземном слое атмосферы и конечном итоге - климат. Имеющиеся на сегодня модели переноса влаги и тепла в почвах, как правило, одномерны [1] и не учитывают радиальных изменений физических свойств почвенных горизонтов.

Всю совокупность процессов, протекающих в почвах, можно свести к трем основным процессам - обмен энергией, веществом и информацией (ЭМИ-процесс). Их параметры определяют как современное состояние, так и эволюцию почв и почвенного покрова. Несомненно, важнейшими из ЭМИ-процессов для почв (как компонента экосистем) являются их тепловой и водный режимы. Они совместно с литологией и растительностью (состав растительности, кроме всего прочего, определяется эволюционно-историческими причинами) задают цели почвы как системы, тем самым определяя структуру, состав взаимодействующих элементов. Тепловой и водный режимы почв являются системообразующими факторами и задают основное направление почвообразования в каждой конкретной биоклиматической обстановке, а также и условия существования живых организмов.

С точки зрения физики почв достаточно успешно решается задача увязывания физических свойств почв с некоторыми ее морфологическими характеристиками и особенно с ее структурой [2-6]. Почвообразовательный процесс как часть сложной и динамичной природной системы, развиваясь во времени, приспосабливает почву к наиболее оптимальному функционированию в той или иной экосистеме, организуя строение её твёрдой фазы.

С точки зрения морфологии, почва - это система пространственно сопряжённых горизонтов и разнообразных морф, имеющих индивидуальную форму границ и характеризующихся определённой структурой. Сопряженность форм границ горизонтов осуществляется физическими, химическими и биологическими процессами. Под структурой понимается закономерное сочетание характерных форм, интерпретируемых исследователем в качестве взаимосвязанных элементов, внутреннее строение которых уже не идентифицируется в данном масштабе исследования. Характерные формы - это нечто неделимое и позволяющее рассматривать их сочетание как систему. Отсюда структуру почвы определим как физическое строение её вещества, обусловленное размером, формой, количественным соотношением, характером взаимосвязи и расположением почвенных частиц и состоящих из них агрегатов [3]. Придерживаясь взглядов В.П. Панфилова и А.В. Чичулина [7], структуру почвы можно выразить с помощью обобщённых показателей физического состояния почвенного горизонта, представляющих комплекс

физических свойств: плотности, общей и активной пористости, общей и проводящей удельной поверхности, гранулометрического и агрегатного состава. Только при таком подходе прослеживается чёткая взаимосвязь физики процессов и пространственной организации почвы, морфологических и функциональных свойств.

Задача трехмерного отражения форм границ почвенных горизонтов обозначилась в силу необходимости объяснения локализованного появления воды на удалении от места её инфильтрации, что невозможно объяснить без учета внутрипочвенных стокоформирующих структур. На основании уравнения Дарси и представления почвы в виде слоистого пористого тела сформировались методы расчета вертикального движения воды в почве при последовательном насыщении слоев влагой [8]. Однако сделанные расчеты неизменно занижают глубину и радиальную длину, на которую проникает вода и растворенные в ней вещества, по сравнению с тем, что наблюдается в действительности [9]. Так, распространенный в Европе пестицид атразин не должен был попадать даже вглубь корнеобитаемого слоя (2025 см), а на самом деле в 1989 г. в Баварии 250 колодцев было загрязнено этим сильнотоксичным веществом [10]. Проведенные лизиметрические исследования также подтвердили существенное изменение гидропроводности почв как в пространстве (в пределах 1 м2), так и во времени. Все это указывает на наличие в почве транзитных каналов, по которым вода может двигаться на значительное расстояние от места фильтрации.

Для выяснения трехмерной картины распределения влаги в почве нами был апробирован метод послойных вертикальных срезов для пространственного изучения морфологических свойств почв в трехмерной системе координат [11]. Методика трехмерной морфометрии дополнена физическими измерениями. Пространственно совместив базы и параметры морфологических и физических измерений, появилась возможность для создания методического подхода изучения гидродинамики почвенных слоев тела с учетом геометрии пространства, в котором двигается влага.

Пространственная организация почвенного тела

Ю.Б. Виноградов [12] видел на глинистом склоне множество стоковых элементов - крохотных ячеек, моделирующих нечто вроде водосбора, которые можно разрушить одним движением. Но не только на поверхности почвы, но и внутри неё можно найти границы раздела сред, на которых возможно образование как замкнутых, так и стоковых структур. Под стокоформирующим элементом нами понимается всякий элемент системы регулирования движения воды на границах раздела поверхностей. Тогда элементарная ячейка (ЭЯ) - минимальное пространство почвенной

(земной) поверхности, имеющее определенный набор стокоформирующих элементов - водосборных, запасающих, транзитных. Водосборы и водосборные ячейки можно рассматривать как системы разных иерархических уровней, вложенные одна в другую (табл. 1).

Из табл. 1 следует, что с уменьшением детализации стоковых элементов увеличиваются их размеры в логарифмическом масштабе. С глубиной теряется детализация элементарных водосборов и экспоненциально

Стоковые ячейки и водо

возрастают площадные размеры. Эти закономерности присущи большинству геосистем.

ЭЯ обычно представляет собой элементарную морфо-структуру, сочетающую гребневые, склоновые и килевые поверхности. По своим размерам ЭЯ оказалась значительно меньше педона.

Основой для иерархического разделения может быть использован масштаб изучения выделенных природных объектов (табл. 2) [13, 14].

Т а б л и ц а 1

>ры по Виноградову [12]

Элементы Порядок размера о площади, м“ Словесная характеристика единиц измерения площадей

Стоковые элементы и речные бассейны

Поверхностные стоковые элементы 1Г2-10 Доли, единицы, десятки кв. метров, гектары

Элементарные поверхностные водотоки 10-105 Сотни и тысячи кв. метров, единицы и десятки гектаров

Малые бассейны 106-108 Единицы, десятки и сотни кв. километров

Средние бассейны 1^-10° Тысячи и десятки тысяч кв. километров

Большие бассейны 10"-1012 Сотни тысяч, миллионы кв. километров

Водосборы

Элементарные поверхностные водосборы 10-10 Сотни и тысячи кв. метров, единицы и десятки гектаров

Элементарные подземные водосборы верхнего яруса 10-10 Доли, единицы кв. километров

Элементарные подземные водосборы среднего яруса 10-10 Десятки и сотни кв. километров

Элементарные подземные водосборы нижнего яруса 10-10° Тысячи и десятки тысяч кв. километров

Т а б л и ц а 2

Топологические уровни изучения почвенного тела

Масштаб Топологические уровни Область знания

1:0,05-1:0,01 Скелет, плазма, поры, кутаны Микроморфология

1:1—1:5 Структура почвы (агрегат) Микро-, мезоморфология

1:5-1:20 Морфон, элементарная почвенная ячейка Морфология

1:200-1:1000 Педон, ЭПИ Простые элементы почвенного покрова

1:10 000-1:25 000 ЭПА, катена, простые ПК Структура

1:100 000 Структура почвенного покрова (СПП) Структура почвенного покрова

Определилась более широкая постановка проблемы -изучить фактически новый для почвоведения класс поверхностей, ранее никем систематически не исследованный, - морфологических поверхностей. Б.Г. Розанов [15] выделил 7 уровней иерархии строения почвы: атомный, молекулярный, минералогический (микроморфологиче-ский), морфологический, почвенный покров региона, природных зон, суши Земли. При изучении почвенного покрова выделяются следующие уровни: глобальный, региональный, элементарный (элементарный почвенный ареал (ЭПА), педон) [16]. Понятие «педон» введено в почвенной классификации США [17] и обосновано в работах зарубежных исследователей [18]. Не менее широко (в смысле разнообразия) изучены микроморфологические поверхности и объекты [15, 18, 19]. По мнению Е.А. Дмитриева [20], между поверхностями уровня агрегата и педона (элементарным почвенным индивидуумом) существует разрыв, где отсутствуют систематизированные знания. Он, анализируя основные представления Фридланда, Розанова, Корнблю-ма, Воронина об уровнях организации почвенного тела, заметил, что существует проблема стыковки высших и низших уровней организации почвы как природного тела. Следовательно, необходимо в качестве некоторого исходного почвенного тела выбрать такое, от которого можно перейти как на низшие, так и на высшие уровни организации [20]. Такие поверхности должны наблюдаться в мас-

штабе 1:1 - 1:20 - это уровень морфологии почв. Очевидно, что закономерности формирования топологических и физических свойств этих поверхностей отличны от агрегатных и элементов почвенного покрова.

Методология трехмерного морфолого-физического изучения почв

Понимание физики процессов, протекающих в ЭПЯ, требует трехмерного взгляда на почвенное тело, являющееся центральным звеном потребления и распределения влаги. Изучение развития и функционирования этих ячеек лежит на стыке многих наук: физики, морфологии почв, микроморфологии, ландшафтоведе-ния и др. Трехмерное решение задачи влагопереноса в почвах усложняется при учете неоднородности, а точнее, пространственной организованности почвенного тела. Здесь приобретают значение информационные свойства системы (ИСС) регулирования движения влаги - форма поверхности почвы и горизонтов, наличие вертикальных и горизонтальных морфоструктур и их взаиморасположение, выступающие как перераспреде-лители потоков влаги и тепла. ИСС - система обустройства внутрипочвенной среды, обладающая характерным набором элементов регуляции влагообмена в почве, событийно связанных в пространственном и

временном масштабе исследования. Таким образом, получается, что форма внутрипочвенных поверхностей, созданная процессами почвообразования, является непосредственным участником её функционирования и фактором её дальнейшей эволюции.

Методология изучения морфологических поверхностей методом послойных вертикальных и горизонтальных срезов позволяет визуализировать стокоформирующие морфоструктуры [11, 21]. Метод послойных вертикальных срезов широко используется при изучении строения почвенного тела в различных масштабах [15], но все измерения производились относительно поверхности почвы, которая сама является стокоформирующим элементом, без учета фрактальности границ почвенных горизонтов и морф. Разработанная методика измерений - трехмерная морфометрия - отличается от существующих тем, что измерения ведутся не от поверхности почвы, а относительно горизонтальной плоскости, сформированной с помощью реек и вертикальных, горизонтальных уровней. Таким образом, все топологические и физические измерения проецируются на горизонтальную либо вертикальную плоскости, что позволяет проводить их визуализацию и аналитическое сравнение.

Использование метода трехмерной морфометрии с фиксацией точек измерения относительно границ горизонтов дерново-подзолистых почв и вертикальной трещинной сети элювиального слоя позволило начать исследование радиальной составляющей тепло-, массоперено-са. Так как теперь тело почвы разделяется на пространственно локализованные морфоструктуры, имеющие индивидуальные физические параметры и свойства, то обозначилась возможность изучения их радиального взаимодействия. Таким образом, можно говорить о морфофизическом подходе в исследовании почв. В этом смысле почвенное тело рассматривается как система пространственно и физически взаимосвязанных морфонов (стратонов, по Корнблюму), участвующих в регуляции потоков вещества и энергии, поступающих в почвенное тело (процессов). Но может быть и иная постановка проблемы - создание морфологии почв как систематического знания, отражающего физическое состояние и процессы (безотносительно классификации почв), или создание раздела почвоведения, изучающего системную организацию морфоструктур в виде целостного трехмерного физического образования. В этом контексте мы отходим от понятия почвенного профиля и предлагаем исследовать трехмерные морфы и их взаимодействие [21]. Подобные взгляды высказывались Г.М. Миньковским в одной из последних работ по структурному подходу [22], где почва представлена как система морфоэлементов различного ранга, каждый из которых имеет свой индивидуальный ареал в физическом пространстве и гиперпространстве факторов, лишь в некоторой степени сопряжённый с ареалами других элементов.

Топологическая и физическая лужистости, потоковые структуры

Первые полученные трехмерные изображения поверхности почвы и горизонтов показали их сложное строение, отражающее следы древесных корней и ветровальных педотурбаций [11]. Линейные языковатые

структуры границ почвенных горизонтов приобретают в пространстве гребневые и килевые формы поверхности и вытянуты в систему взаимосвязанных линеамен-тов. Наблюдаются и замкнутые воронковидные формы рельефа (рис. 1, а). Совмещенные в пространстве морфы участвуют в формировании внутрипочвенного вла-гообмена. Для моделирования стока при наличии сложного рельефа поверхности уместны модели, используемые в гидрологии и геоморфологии [12, 23-25]. Описание потока базируется на таких понятиях, как уклон поверхности, кривизна изолиний, линии стока, вертикальная и радиальная составляющие пористости (фильтрации) почвенных горизонтов.

Замкнутые локальные понижения на поверхности почвы и горизонтов являются основой для формирования лужистости, характеризующей емкостные свойства системы. Б.Ю. Виноградов определил лужистость как относительную долю площади водосбора, занятую поверхностью воды, наполняющей разного рода бессточные понижения [12]. Естественно, нужно различать лу-жистость на поверхности и формируемую внутри почвы - на поверхности горизонтов. Внутрипочвенная лу-жистость определяется как геометрией границ, так пространственным варьированием влагоемкости. На наш взгляд, для упрощения анализа передвижения воды в почвенном горизонте следует обозначить еще одну форму «лужистости» - субстантивную, или физическую.

Практическое определение лужистости и количества перераспределенной влаги проводится из анализа карт поверхности всех горизонтов исследуемой почвы. Она связана с неравномерностью распределения в теле почвенного горизонта и отдельных его морф основных физических характеристик, определяющих свойства его проводимости и емкости (плотности, пористости, влагоемкости и т.д.). Кроме того, форма поверхности перераспределяет поступление влаги в объем почвенного горизонта. Несомненно, механизм фильтрации под поверхностью, занятой лужистостью, и вне ее различен (напорная и безнапорная фильтрация). Физическая неоднородность определяет неравномерность фильтрационных и емкостных свойств горизонтов почвы, что заставляет влагу перераспределяться из зон с большим фильтрационным сопротивлением в зоны с малым сопротивлением, создавая тем самым такой же эффект «лужистости» (рис. 1, б). Одним из удобных способов анализа фильтрационных сопротивлений (Кф;) и их связи с физическими свойствами почвенных горизонтов показан нами ранее [24]:

Яф,. = Яф [ЩХ, / ]~",

где Rфi = у,/Кфг- и Кф = ук/Кфк, а ук и Кфк - потенциал почвенной влаги и коэффициент фильтрации при влажности МАВ - Wi; К = р-5 - индекс удельной поверхности единицы объема горизонта; 5П - проводящая удельная поверхность, зависящая от пористости, Щ -влажность почвы.

Величина Кфк, на наш взгляд, является важнейшим параметром почвы, характеризующим ее капиллярные свойства и влагопроводность. Соотношение ЩКможно рассматривать как функцию заполнения порового пространства почвы водой, завися-

щую от структуры почвы, так как соотношение К5/Я„ является показателем ее структурного состояния (рис. 1,в). Значения этой функции в каждой точке почвенного горизонта будут зависеть от плотности,

пористости и индекса удельной поверхности. Распределение его значений в объеме почвенного горизонта зависит от распределения потенциала почвенной влаги и влажности.

в г

Рис. 1. Топографическая лужистость поверхности элювиального слоя Е1 (а), горизонтальное распределение

(VI, У2 - координаты пространственной базы, см) в элювиальном горизонте наименьшей влагоемкости (б),

индекса удельной проводящей поверхности (К, м_|) (в), влажности (г) в единице объема

1 2

на горизонтальном срезе площадью 1 м

На рис. 1,г отражено горизонтальное распределение влаги в элювиальном горизонте дерново-подзолистой почвы на площади 1 м2. Заметны области, где возрастание индекса удельной поверхности совпадает с увеличением содержания влаги в объеме почвы и интерпретируется как физическая лужистость. При дальнейшем увеличении влажности и достижении уровня наименьшей влагоемкости формируются гравитационная влага, способная двигаться в пределах элементарной морфологической ячейки, представляющей сочетание водосборной поверхности и топологической лужисто-сти. Таким образом, анализ распределения морфологических, водно-физических свойств и влаги в объеме почвенного тела показал, что в основе регуляции влаги элювиального слоя лежат элементарные морфологические ячейки, выделяемые при системно-морфологическом анализе поверхностей горизонтов.

Потоковые морфоструктуры пространственно взаимосвязаны с топологической и физической лужисто-стью и совпадают с вертикальной трещинной сетью (ВТС), которая наблюдается в элювиальных и иллювиальных горизонтах дерново-подзолистых и серых лесных почв. ВТС рассекает горизонты на относительно однородные призмы. Зная латеральные и вертикальные составляющие массообмена в пределах морфы и между ними, на основе теории подобия определяются инвариантные показатели, описывающие трехмерную почвенную систему как некоторую пространственную самостоятельную единицу, которая может быть принята за основу построения математической модели влагопере-носа в почвенных горизонтах. Причем следует отметить, что вертикальные и горизонтальные коэффициенты фильтрации (а тем более с наличием трещинной сети) существенно различаются (табл. 3).

Коэффициенты фильтрации элювиального горизонта дерново-подзолистой почвы

Коэффициент фильтрации (Кф), см/с

Без трещин, вертикальный Без трещин, горизонтальный С трещиной, вертикальный

9,5-10^ 3,5-10^ 1,3*10“-*

В области трещин структура почвы отличается от той, которая наблюдается во вмещающем горизонте. Это вертикальные слои на стенках отдельностей, высекаемые ВТС. В области трещин влага оказывается более подвижной (Кф трещин > Кф вне трещин), а ЭПЯ топологически организована таким образом, что лужистость на поверхности горизонта питает влагой ВТС, через которую фильтрация интенсивней, чем в области, где трещины

отсутствуют. После заполнения влагой объема гумусового горизонта и формирования лужистости на поверхности элювиального слоя в условиях неустановившейся фильтрации вода поступает в вертикальную трещинную сеть, которая рассекает элювиальный слой на всю глубину, что формирует внутри него физическую лужистость. Дальнейшее движение влаги направлено горизонтально от трещины к центру высекаемой отдельности (рис. 2).

Рис. 2. Модель формирования внутрипочвенного стока элювиального слоя почв

В агрономии такое положение источника полива при увлажнении почвы на глубине 30-40 см считается наиболее рациональным. В условиях установившейся фильтрации, когда градиенты давления воды выравниваются, форма поверхности почвенных горизонтов не играет столь существенной роли, но такие ситуации возникают при полном насыщении почвы влагой.

Таким образом, формирование внутрипочвенного стока представляет собой сложный трехмерный процесс водообмена между почвенными морфоструктура-ми, где на различных стадиях установления фильтрации участвуют различные вертикальные и радиальные морфы, выступающие в роли регуляторов потоков.

1. На основе трехмерного изображения строения тела дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы

выявлены транзитные и аккумулирующие структуры формирования внутрипочвенного стока.

2. Показаны основные параметры и характеристики модели, методические подходы к изучению движения влаги в почве с наличием сложной поверхности и вертикальной трещинной сети.

3. Установлены пространственные взаимосвязи между морфоструктурами, участвующими в формировании внутрипочвенного стока.

4. Предлагаемый нами новый физико-морфологический подход при соответствующей доработке позволит учесть то обстоятельство, что почва представляет собой сложную многокомпонентную систему и может лечь в основу трехмерного моделирования физических и морфологических свойств почв.

ЛИТЕРАТУРА

1. Степанов И.Н. Структура почвенного пространства. Пространственная организация и функционирование почв. Пущино, 1990. С. 57-74.

2. Глобус А.М. Экспериментальная гидрофизика. Л.: Гидрометеоиздат,1969. 355 с.

3. Березин П.Н. Основные параметры и методы количественной оценки почвенной структуры // Почвоведение. 1985. № 10. С. 58-68.

4. Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М.: Изд-во МГУ, 1984. 204 с.

5. Воронин А.Д., Березин П.Н., Шеин Е.В. Энергетическая концепция структурно-функциональных свойств почв // Успехи почвоведения (Со-

ветские почвоведы к VIII Междунар. конгрессу почвоведов). М.: Наука, 1986. С. 13-18.

6. Щербаков А.П., Володин В.М. Основные положения теории экологического земледелия // Вест. с/х науки. 1991. № 1. С. 42-49.

7. Панфилов В.П., Чичулин А.В. Теплофизические свойства почв и почвообразование // Проблемы почвоведения. М.: Наука, 1990. С. 15-20.

8. Данилин А.И. Совершенствование методов определения влажности почвогрунтов. М., 1988. 108 с.

9. Дмитриев Е.А. // Биол. науки. 1971. № 5. С. 125-127.

10. Шеин Е.В. // Почвоведение. 1996. № 3. С. 320-323.

11. Захарченко А.В., Росновский И.Н., Кулижский С.П., Габец О.И. 3-мерная морфометрия фитогенных образований в почвенном объеме методом последовательных вертикальных срезов // Лесное хозяйство и зеленое строительство в Западной Сибири. Томск, 2003. С. 142-150.

12. Виноградов Ю.Б. Математическое моделирование процессов формирования стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 312 с.

13. Soil Classification a comprehensive system (7-th Approximation) // Soil Survey Staff, 1960. P. 265.

14. Cline M.G. Logic of the new system of soil classification // Ibid. 1963. Vol. 96, № 1. P. 17-22.

15. РозановБ.Г. Морфология почв: Учеб. для высшей школы. М.: Академический проект, 2004. 431 с.

16. Корсунов В.М., Красеха Е.Н. Пространственная организация почвенного покрова. Новосибирск: Наука, 1990. 200 с.

17. Боул С., Хоул Ф., Мак-Крекен. Генезис и классификация почв. М.: Прогресс, 1977. 415 с.

18. Kubiena W.L. The role and mission of micromorfology and microscopic biology in modern soil science // Jongerius A. Soil micromorfology. N.Y.: Elsevier, 1964. P. 1-13.

19. Гагарина Э.И. Микроморфологический метод исследования. СПб.: Изд-во СПб. ун-та, 2004. 156 с.

20. Дмитриев Е.А. Теоретические и методологические проблемы почвоведения. М.: ГЕОС, 2001. 374 с.

21. Захарченко А.В., Росновский И.Н., Кулижский С.П. 3-мерная морфометрия почв как основа концептуального моделирования их физического состояния // Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации. 2003. С. 21.

22. Миньковский Г.М. Структурный подход в почвоведении // Почвоведение. 1995. № 7. С. 9-18.

23. Ласточкин А.Н. Геоэкология ландшафта. СПб.: Изд-во СПб. ун-та, 1995. 280 с.

24. Росновский И.Н. Устойчивость почв в экосистемах как основа экологического нормирования. Томск: Изд-во Ин-та оптики атмосферы СО РАН, 2001. 251 с.

25. Росновский И.Н., Кулижский С.П., Захарченко А.В. Моделирование изменения фильтрационных свойств элювиально-иллювиальных горизонтов почв // Природные условия, история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов: Тез. докл. VI Междунар. науч. конф. Ховд, Монголия. 2001.

Статья поступила в редакцию журнала 18 августа 2006 г., принята к печати 11 декабря 2006 г.