Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по сельскому хозяйству
На правах рукописи
Архангельская Татьяна Александровна
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЧВ В КОМПЛЕКСНОМ ПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ (на примере агросерых почв центральной части Русской равнины)
Специальность 06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Москва 2008
Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Васильевская Вера Дмитриевна доктор сельскохозяйственных наук Сорокина Наталья Павловна доктор сельскохозяйственных наук, профессор Сапожников Петр Михайлович
Ведущая организация: Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К.А. Тимирязева
Защита состоится 28 октября 2008 г. в 15 час.30 мин. в аудитории М-на заседании диссертационного совета Д 501.002.при МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу. 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, д. 1, корп. 12, факультет почвоведения, факс (095) 939-29-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.
Автореферат разослан л____ сентября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, д.б.н., профессор Г.М. Зенова
Актуальность темы исследования В современном почвоведении активно развивается структурнофункциональное направление, в основе которого лежит рассмотрение различных аспектов функционирования почвы в тесной взаимосвязи с ее структурой (строением) на различных уровнях организации, в том числе на уровне почвенного покрова. Теоретические основы структурно-функционального подхода разработаны в трудах Б.Б. Полынова, В.М. Фридланда, Б.Г. Розанова, Ф.И. Козловского, А.Д. Воронина, М.А. Глазовской, Г.В. Добровольского, Е.Д. Никитина, Е.А. Дмитриева и др. Сформулировано положение о связи морфологической структуры почвенного покрова с функциональной структурой (Козловский, 1991). Современные математические методы позволяют выявлять взаимосвязи функционирования комплексного почвенного покрова с его структурой на качественно новом уровне, анализируя закономерности пространственного распределения почвенных свойств и сопоставляя их с режимами функционирования почвенных разностей (McBratney и др., 2000, 2002; Pachepsky, Rawls, 2004;
Медведев, 2007; Шеин, Карпачевский, 2007).
В центральной части Русской равнины комплексность почвенного покрова широко распространена (Величко, 1965; Тюрюканов, Быстрицкая, 1971; Рубцова, 1975; Фридланд, 1984; Алифанов, 1995; Макеев, 2005; Сорокина, 2006 и др.). Территории, занятые комплексами агросерых почв, интенсивно используются в сельскохозяйственном производстве (Кирюшин, Иванов, 2003).
Температура почвы является одним из ключевых факторов, определяющих функционирование агроэкосистем. Поэтому задача выявления закономерностей пространственного варьирования температуры почвы в масштабе сельскохозяйственного поля, количественной оценки этого варьирования и прогнозирования температурного режима почвенных разностей приобретает все большую актуальность в связи с развитием точного земледелия, а также в связи с проблемой устойчивого функционирования почвенных комплексов в условиях интенсивной агрогенной нагрузки.
Цель исследования - выявить основные закономерности пространственного распределения температуры агросерых почв в комплексном почвенном покрове (на примере почв Владимирского ополья и южного Подмосковья).
Задачи исследования:
Х оценить латеральную вариабельность температуры пахотных почв в почвенном покрове Владимирского ополья;
Х исследовать и сопоставить температурный режим почв с контрастным строением профиля в суточной и годовой динамике;
Х исследовать роль микрорельефа и пространственного распределения физических свойств почв в формировании температурного поля комплексного почвенного покрова;
Х выявить закономерности в характере зависимостей температуропроводности от влажности для гумусовых и минеральных горизонтов легко- и среднесуглинистых агросерых почв, в том числе почв со вторым гумусовым горизонтом (ВГГ);
Х обосновать способ расчетной оценки температуропроводности почвы по данным о ее физических свойствах с применением педотрансферных функций (ПТФ);
Х применить полученные ПТФ для выявления в комплексном почвенном покрове зон с различной температуропроводностью почвы;
Х разработать физически обоснованную математическую модель, позволяющую рассчитывать динамику температурного поля в комплексном почвенном покрове.
Научная новизна Х На основе детального исследования температурного режима почвенного покрова Владимирского ополья впервые выявлены закономерные различия в годовой динамике температуры составляющих покров почв. Показано, что формирование температурного поля пахотных почв в комплексном почвен ном покрове определяется морфологической структурой почвенного покрова, обусловливающей его функциональную структуру. Обнаружено, что пестрота почвенного покрова Владимирского ополья сопровождается выраженной латеральной изменчивостью температуропроводности составляющих покров почв.
Х Сформулирована гипотеза, объясняющая устойчивость реликтовых признаков в современном ландшафте, в том числе в условиях интенсивного сельскохозяйственного использования, различиями режимов функционирования почвенных разностей.
Х Предложена новая эмпирическая формула для аппроксимации экспериментальных зависимостей температуропроводности почвы от влажности, позволяющая формализовать сопоставление подобных зависимостей для различных почвенных объектов. Предложена физическая интерпретация параметров аппроксимации, обосновывающая применение этих параметров для количественной характеристики качественных особенностей экспериментальных кривых и анализа физических механизмов формирования этих особенностей.
Х Получены ПТФ, позволяющие выявлять в комплексном почвенном покрове зоны различной температуропроводности по данным о плотности, влажности и содержании органического углерода.
Защищаемые положения Х Температурное поле комплексного почвенного покрова Владимирского ополья является закономерно латерально неоднородным: глубокие слои почв с ВГГ являются более холодными, чем глубокие слои почв с минеральными подпахотными горизонтами, в течение вегетационного периода и более теплыми - в осенне-зимний период.
Х Для комплекса почв Владимирского ополья характерны закономерные различия в температуропроводности подпахотных горизонтов: наименьшей температуропроводностью обладает ВГГ, наиболее высокой - элювиальный горизонт. Различия в температурном режиме почв, относящихся к контрастным участкам комплексного почвенного покрова, определяются температуропроводностью почвенных горизонтов при различном строении профиля.
Х Параметры предложенной аппроксимационной функции однозначно характеризуют диапазон изменчивости температуропроводности с влажностью и форму экспериментальных зависимостей. Разработанный расчетный метод позволяет выявлять в комплексном почвенном покрове зоны с различной температуропроводностью на основе данных почвенно-агрофизического опробования.
Практическая значимость диссертации Результаты исследований могут быть использованы при разработке современных научно-обоснованных агротехнологий. Выявленные закономерности функционирования пахотных почв, обусловленные влиянием агрофизических свойств почвы на ее локальный климат, должны учитываться при рациональном использовании территорий со сходным строением почвенного покрова.
Разработанный метод прогнозной оценки температурного поля почвы может служить математическим средством оценки устойчивости агроэкосистем при антропогенных воздействиях и изменениях климата, а также применяться при проектировании искусственных почвенных конструкций, функционирующих в полевых и регулируемых условиях.
Полученные результаты используются на факультете почвоведения МГУ при чтении курсов лекций Физика почв, Математическое моделирование в почвоведении, Теория теплообмена в почвах, при проведении практических занятий по курсу Математическое моделирование в почвенно-ландшафтных исследованиях, а также в большом практикуме по физике почв. Материалы работы вошли в методическое руководство Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв (2001), а также в коллективные монографии Наземный мониторинг экосистем (2005) и Теории и методы физики почв (2007).
Проведение исследований было поддержано РФФИ (проекты 98-04-48365, 01-04-48066, 02-04-48864, 04-04-49606, 07-04-00131).
Апробация работы Материалы, вошедшие в диссертацию, были доложены автором на II (СанктПетербург, 1996), III (Суздаль, 2000), IV (Новосибирск, 2004) и V (Ростов-наДону, 2008) съездах Докучаевского общества почвоведов, на международных и всероссийских конференциях Физика почв и проблемы экологии (Пущино, 1992), Лизиметрические исследования почв (Москва, 1998), Экология речных бассейнов (Владимир, 1999), Современные проблемы опытного дела (Санкт-Петербург, 2000), Опыт агрометеорологического обеспечения аграрного сектора экономики (Обнинск, 2000), Консервация и трансформация вещества и энергии в криосфере Земли (Пущино, 2001), Функции почв в биосферно-геосферных системах (Москва, 2001), Гидроморфные почвы - генезис, мелиорация и использование (Москва, 2002), Роль почвы в формировании естественных и антропогенных ландшафтов (Казань, 2003), Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации (Москва, 2003), Биосферные функции почвенного покрова (Пущино, 2005), Структура и динамика молекулярных систем (Йошкар-Ола, 2005), Cryosols: genesis, ecology and management (Архангельск-Пинега, 2005), Экспериментальная информация в почвоведении: теория, методы получения и пути стандартизации (Москва, 2005), Почвоведение и агрохимия в XXI веке (Санкт-Петербург, 2006), Почва как связующее звено функционирования природных и антропогеннопреобразованных экосистем (Иркутск, 2006), Пространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты (Санкт-Петербург, 2007), Организация почвенных систем (Пущино, 2007), на Ломоносовских чтениях в МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, 2003), на научной сессии по фундаментальному почвоведению (Москва, 2004), на XIII и XIV школах Экология и почвы (Пущино, 2005, 2006), на совместном заседании I и VI комиссий Докучаевского общества почвоведов (Москва, Почвенный инсти тут им. В.В. Докучаева, 2005), на заседании научного семинара Почва во времени и пространстве (Москва, ИГ РАН, 2006), на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2007).
Публикации По теме диссертации опубликовано 80 работ, в том числе 4 монографии, статей в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ на соискание степени доктора наук, 36 статей в прочих журналах, продолжающихся изданиях и сборниках.
ичный вклад автора Автором сформулирована цель работы, поставлены задачи исследования, проанализированы результаты, сделаны итоговые выводы. Автор спланировала и организовала проведение полевых экспериментов и лично принимала участие в осуществлении этих экспериментов. Лабораторные исследования выполнены лично автором либо (около 5 % от общего объема) под руководством автора.
Математическая часть работы, включающая статистическую обработку полученных данных, построение математических моделей, написание необходимых программ полностью выполнена автором.
Структура работы Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений. Она изложена на 375 страницах, содержит 43 таблицы и 80 рисунков.
Список литературы включает 447 наименований, в том числе 103 на иностранных языках.
Благодарности Автор выражает искреннюю благодарность своим учителям и коллегам Е.В.
Шеину, А.Д. Воронину, Е.А. Дмитриеву, М.А. Мазирову, А.Б. Умаровой, А.К.
Губеру, В.А. Капиносу, Ф.Р. Зайдельману, Л.О. Карпачевскому, И.И. Судницыну, А.М. Глобусу, А.О. Макееву, Е.Ю. Милановскому, Е.В. Достоваловой, Н.Б.
Хитрову, О.И. Худякову, М.В. Прохорову, М.А. Бутылкиной, В.Г. Тымбаеву, А.В. Дембовецкому, Б.А. Девину, З. Тюгай, М.И. Васильевой, Ю.В. Егорову, А.С. Никифоровой, А.В. Кириченко, А.П. Шварову за помощь и поддержку на различных этапах выполнения работы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Современные представления о температурном поле почв и закономерностях его формирования. Краткий обзор Пространственной изменчивости температуры почв в различных масштабах посвящены труды В.Р. Волобуева, С.А. Сапожниковой, В.Н. Димо, А.М. Шульгина, А.К. Шкадовой и многих других исследователей. Изменчивость и континуальность температуры позволяют говорить о температурном поле почв - совокупности значений температур во всех точках данного объема почв, изменяющихся во времени (Остроумов, Макеев, 1985). Понятие температурного поля (гидротермического поля, поля температур) почв используется в работах А.Ф. Чудновского, В.Н. Димо, О.И. Худякова, А.И. Куликова и др. Температурное поле является одним из факторов пространственно-временной организации почвенного покрова (Апарин, 2007), и этим определяется актуальность изучения латеральной изменчивости температуры почв для развития теории структуры почвенного покрова как динамической системы, а также для прогнозирования поведения этой системы в условиях интенсивного сельскохозяйственного использования.
Температурное поле почв определяется условиями на поверхности и почвенными свойствами (Чудновский, 1948, 1976; Куртенер, Усков, 1982). Поэтому возникновение комплексов микроклиматов (Сапожникова, 1950) может объясняться как локальными особенностями микрорельефа и растительности, так и различиями в тепловых свойствах почв, составляющих почвенный комплекс. К настоящему времени установлены различия в температурных режимах почв тундровых и мерзлотных комплексов (Димо, 1972; Васильевская и др., 1993;
Куликов, 1997) и почв комплексов полупустыни (Димо, 1907; Келлер, 1913;
Большаков, 1941). Латеральные неоднородности температурного поля почв в пределах почвенных комбинаций центральной части Русской равнины до сих пор практически не изучались, и это определило ряд задач исследования.
При одинаковых условиях на поверхности различия в температурном режиме почв определяются их температуропроводностью, равной отношению теплопроводности к объемной теплоемкости (Чудновский, 1948; Воронин, 1986). Зависимость температуропроводности почв от влажности имеет нелинейный характер; в целом температуропроводность растет с плотностью, уменьшается с увеличением содержания органического вещества и физической глины, падает от более оподзоленных горизонтов к менее оподзоленным (Чудновский, 1954;
Димо, 1972; Герайзаде, 1974 и др.). Для комплекса почв Владимирского ополья характерна значительная пространственная изменчивость плотности, гранулометрического состава и содержания органического вещества (Макеев, Дубровина, 1990; Дмитриев и др., 2000; Шеин и др., 2001), однако тепловые свойства этих почв до сих пор исследованы не были.
Температуропроводность почвы может быть рассчитана по ее базовым свойствам с помощью педотрансферных функций (ПТФ) - функциональных зависимостей, позволяющих преобразовывать информацию об основных почвенных (педо-) свойствах в информацию о ее транспортных (transfer) характеристиках (Bouma, van Lanen, 1987; Pachepsky, Rawls, 2004). В настоящее время для температуропроводности почвы существует ряд эмпирических ПТФ (Герайзаде, 1974; Chung, Horton, 1987; Campbell, 1985; Тихонравова, Хитров, 2003 и др.).
Большинство этих ПТФ представляет собой регрессионные соотношения и имеет региональный характер. Точность расчетов с помощью таких ПТФ за пределами их регрессионной базы может быть очень низкой. Для почв центральной части Русской равнины ПТФ, позволяющих рассчитывать температуропроводность, до сих пор не построено не было.
Оценить адекватность той или иной ПТФ позволяет сравнение почвенной ха рактеристики, рассчитанной с ее помощью, с соответствующим набором экспериментальных данных (Pachepsky и др., 1999; Schaap, 2004). Вместе с тем многие авторы, в том числе Дж. Востен с соавт. (Wsten, 1986), полагают, что итоговая оценка качества построенных на основе ПТФ динамических моделей должна быть функциональной, основанной на практической применимости последних для расчета режимов функционирования почв. В работе использованы оба подхода. Расчетные значения температуропроводности почвы сопоставляются с лабораторными зависимостями; полученная при моделировании динамика температурного поля почв сравнивается с полевыми данными.
Глава 2. Объекты и методы исследований Основными объектами исследований были комплекс агросерых почв Владимирского ополья (опытные поля ВНИИСХ РАСХН, Суздальский р-н Владимирской обл.) и комплекс агросерых почв правобережья р. Оки (территория ПЭС ИФХ и БПП РАН, Серпуховской р-н Московской обл.). Методические вопросы отрабатывались на дерново-подзолистой почве (УО ПЭЦ Чашниково, Солнечногорский р-н Московской обл.) и на модельных почвах в больших лизиметрах Почвенного стационара МГУ (Москва).
Подробное изложение различных гипотез о генезисе почвенного покрова Владимирского ополья, описание морфологического строения различных почв и анализ закономерностей их взаимного расположения приведены в работах А.А. Величко (1965, 1996), Т.Л. Быстрицкой и А.Н. Тюрюканова (1966, 1971), Л.П. Рубцовой (1970, 1974), А.О. Макеева (1990, 2005), В.М. Алифанова (1995), Е.А. Дмитриева (2000) и др. Широко распространено мнение, что первичным фактором дифференциации почвенного покрова был реликтовый криогенный микрорельеф. Ключевую роль в формировании этого микрорельефа сыграли процессы палеокриогенеза, обусловленные расположением территории ополья в позднеплейстоценовой перигляциальной области Русской равнины. В микропонижениях древнего криогенного рельефа, возникших при деградации много летней мерзлоты, были сформированы почвы с мощным гумусовым горизонтом интенсивно черного или серовато-черного цвета (ныне расположенный под пахотным слоем второй гумусовый горизонт - ВГГ). Почвы без ВГГ и высоким (80-120 см) уровнем залегания карбонатов были сформированы на локальных водоразделах. На переходных участках между микроповышениями и микропонижениями сформировались почвы переходного строения. Современные профили пахотных почв включают горизонты Aпах-(Ah)-AE-BEgТ-EB-(B)-C в почвах палеопонижений, Aпах-B-Bca-Cca в почвах палеоповышений и Aпах-EB(B)-C-(Cca) в почвах переходных участков. В литературе имеются указания на крайне слабую выраженность или даже полную выравненность современного агрогенного микрорельефа (Величко и др., 1996; Дмитриев и др., 2000; Макеев, 2000; Шеин и др., 2001).
На территории ВНИИСХ РАСХН было проведено несколько серий измерений суточной и сезонной динамики температуры различных почв. Проводились исследования латерального распределения температуры в различных масштабах (рис. 1). За пределами показанной на рис. 1 территории проводились наблюдения за годовым ходом температуры почв с различным строением профиля, включавшие зимний период (площадки 13-15); была исследована латеральная изменчивость температуры пахотных почв под черным паром (участок 16;
площадки 17 и 18). При измерениях использовали электротермометры АМ-29, ТЭТ-2, ТЭТ-Ц11п и Дана-терм-1501. Образцы для определения температуропроводности были отобраны на площадках режимных наблюдений (4, 5, 9, 10);
на площадке 11 с агрогенно-уплотненной почвой, из траншей Т98 (площадки 68), Т00 (площадка 20) и Т01 (площадка 3), описанных в работах (Дмитриев, 2000; ПутеводительЕ, 2000; Шеин и др., 2001, 2002), а также из разреза, который Е.А. Дмитриев с соавт. (2000) предложили считать эталоном целинной почвы (площадка 19). Почти все экспериментальные площадки были расположены в плакорных условиях, за исключением площадки 20, расположенной на территории, не подвергавшейся сельскохозяйственному освоению из-за высо 20 м 20 м 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Рис. 1. Почвенная карта-схема опытного поля ВНИИСХ РАСХН (составлена по материалам почвенной экспедиции МСХА; уточнена по материалам экспедиции каф. физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ). Цифрами обозначены экспериментальные площадки: 1 и 2 - участки проведения исследований латерального распределения температуры в масштабе части сельскохозяйственного поля (1) и в масштабе делянки (2); 3 - площадка отбора образцов из траншеи Т01; 4 и 5 - площадки проведения режимных наблюдений за суточным ходом температуры; 6, 7, 8 - площадки отбора образцов из траншеи Т98; 9 и 10 - площадки проведения режимных наблюдений за годовым ходом температуры; 11 - площадка проведения экспериментов по уплотнению почвы сельскохозяйственной техникой; 12 - участок агрофизического опробования по регулярной сетке.
кого уровня грунтовых вод.
Почвенный покров территории ЭПС ИФХ и БПП РАН представлен почвенными комбинациями, сходными с комплексами почв Владимирского ополья (Алифанов, 1995; Никитишен, Курганова, 2007). На территории ПЭС ИФХ и БПП РАН было исследовано латеральное распределение плотности почв, содержания органического углерода, влажности и температуры. Полученные данные использовались для независимой проверки математических моделей, настроенных по почвам Владимирского ополья.
На территории УО ПЭЦ Чашниково (Почвенно-агрономическая характеристика АБС Чашниково, 1986) и на лизиметрических площадках Почвенного стационара МГУ (Воронин и др., 1996) проводились исследования преимущественно методического характера. Осуществлялись метеорологические измерения, включавшие измерения температуры почвы. В лаборатории отрабатывалась методика определения температуропроводности почвы.
абораторные определения температуропроводности проводили по методу регулярного режима нагрева (Кондратьев, 1936; Шеин и др., 2001). Плотность и влажность почвы определяли термостатно-весовым методом, плотность твердой фазы - пикнометрически с применением часового кипячения (Вадюнина, Корчагина, 1986). Содержание органического углерода определяли методом сухого сжигания в токе кислорода с использованием экспресс-анализатора АН8012 (Когут и др., 1993). Гранулометрический состав определяли двумя способами: стандартным седиментометрическим пипет-методом с применением пирофосфата натрия при предварительной диспергации (Шеин и др., 2001) и дифрактометрическим методом с использованием лазерного анализатора размеров частиц Analysette 22 (Шеин и др., 2006).
Глава 3. Температуропроводность исследованных почв Пестрота почвенного покрова Владимирского ополья сопровождается выраженной пространственной изменчивостью физических свойств почв, в том чис ле температуропроводности. Исследованные горизонты относятся к средним суглинкам (гор. Апах, Ah, АЕ, А1), тяжелым суглинкам (гор. Апах, Ah, АЕ, А1, ЕВ, В), легким глинам (гор. В, Bhfg). Содержание ила варьирует в пределах 1030 %, содержание углерода - от 0.33 до 4.65 %, плотность почвы - от 1.10 до 1.61 г/см3,, плотность твердой фазы - от 2.53 до 2.73 г/см3, пористость - от 40 до 60 %. Латеральная вариабельность физических свойств агросерых почв наиболее ярко выражена в подпахотном слое, который представлен горизонтами Ah, АЕ, ЕВ, В. Для гор. Апах латеральная вариабельность физических свойств тоже характерна, но выражена не столь ярко.
Средняя величина температуропроводности образцов из гор. Апах в воздушно-сухом состоянии составляет 2.20, при полной водовместимости - 4.7410-м2/с. Для гор. А1 эти величины составляют 1.93 и 3.6710-7 м2/с, для гор. Аh - 2.06 и 3.7310-7 м2/с, для гор. АЕ - 2.43 и 4.2010-7 м2/с, для гор. В - 1.94 и 4.8110-7 м2/с, для гор. ЕВ - 2.64 и 5.1510-7 м2/с, для гор. Вhfg - 1.25 и 3.9910-м2/с. Прослеживается тенденция к увеличению температуропроводности гор.
Апах на участках, занятых почвами с подпахотным гор. ЕВ и к уменьшению - на участках залегания ВГГ. В подпахотном слое наименьшие величины температуропроводности относятся к ВГГ, средние значения - к гор. В; наибольшая температуропроводность характерна для гор. ЕВ.
На рис. 2 представлены зависимости температуропроводности от влажности для образцов с площадок 6-8 и 20. Кривые, полученные для остаточнокарбонатной почвы с площадки 8, почти не различаются для трех исследованных глубин (рис. 2, а). На площадке 7 температуропроводность гор. ЕВ значительно превышает температуропроводность верхней части гор. Апах. Температуропроводность нижней части гор. Апах занимает промежуточное положение (рис. 2, б). Почва с ВГГ (площадка 6) выделяется низкой температуропроводностью гор. Ah, которая не превышает 3.410-7 м2/с (рис. 2, в). Температуропроводность гор. Апах на площадке 6 тоже несколько ниже температуропроводности гор. Апах на площадках 7 и 8. Температуропроводность гор. ЕВ, отобран- , 10-7 м2/с (б) (а) 2 4-3-14-13-30-30-(г) (в) 4-14 10-14-24 30-30-40 55-65-75 65-w, см3/см0,1 0,3 0,0,1 0,3 0,Рис. 2. Зависимости температуропроводности () от влажности (w) для почв Владимирского ополья с площадок 8 (а), 7 (б), 6 (в) и 20 (г). Обозначения горизонтов: черные кружки - А1, белые кружки - верхняя часть Апах, белые квадраты - нижняя часть Апах, черные квадраты - Аh, ромбы - В, ромбы с точкой - ЕВ, треугольники - верхняя часть Bhfg, опрокинутые треугольники - нижняя часть Bhfg. Глубины отбора образцов (см) указаны в легенде.
ного под языком ВГГ с глубины 65-75 см на площадке 6, практически совпадает с температуропроводностью гор. В, отобранного с глубины 30-40 см на площадке 8.
Температуропроводность сформированного в гидроморфных условиях гор.
А1 (рис. 2, г) несколько ниже температуропроводности гор. Апах, находящегося в автоморфных условиях (рис. 2, а-в). Эти различия связаны в первую очередь с низкой плотностью гор. А1 и высоким содержанием органического углерода. По этим показателям наиболее близким к гор. А1 является гор. Аh с площадки 6, и соответствующие кривые тоже весьма близки (рис. 2, в, г). Кривая зависимости температуропроводности от влажности для гор. ЕВ, сформированного в западине (рис. 2, г), сходна с аналогичными кривыми для гор. ЕВ почв плакорного участка (рис. 2, б, в). Кривые для богатого гумусово-железистыми пленками гор. Вhfg имеют выраженно S-образный характер и выделяются низкой температуропроводностью сухой почвы, необычно длинным пологим участком в области малых влажностей вплоть до 20 % и крутым возрастанием в диапазоне 22-35 %.
Для дерново-подзолистых почв УО ПЭЦ Чашниково и модельных почв в лизиметрах Почвенного стационара МГУ форма зависимостей температуропроводности от влажности и диапазон изменчивости температуропроводности с влажностью сходны с формой зависимостей и диапазоном изменчивости, полученными для агросерых почв Владимирского ополья. С ростом влажности температуропроводность возрастает в 1.5-2.5 раза; в минеральных горизонтах кривые имеют S-образный характер; в пахотных горизонтах S-образность кривых выражена слабее.
Уплотнение пахотного горизонта агросерой почвы приводит к изменению характера зависимости температуропроводности от влажности (рис. 3). После трехкратного прохождения трактора Т-150К по предварительно увлажненной почве плотность гор. Апах возросла от 1.48 г/см3 до 1.66 г/см3; пологий участок кривой (w) в области малых влажностей оказался намного длиннее, чем в случаях контроля и однократного прохода трактора, а крутизна в области возрас- , 10-7 м2/с w, см3/см0,1 0,2 0,Рис. 3. Изменение зависимости температуропроводности () от влажности (w) пахотного гор. агросерой типичной почвы при антропогенном уплотнении:
контроль (1), после 1 прохода трактора (2), после 3 проходов трактора (3).
тания - значительно больше. Выполаживание начального участка кривой можно объяснить возрастанием величины отрицательного давления почвенной влаги при соответствующей влажности по сравнению с неуплотненной почвой (Шеин, 2005), которое приводит к снижению подвижности влаги и уменьшению конвективной составляющей внутрипочвенного теплообмена.
Серия экспериментов методического характера была посвящена выяснению вопроса об ошибках определения температуропроводности почвы при использовании образцов нарушенного сложения. Для агросерых почв использование растертых образцов привело к систематическому занижению температуропроводности по сравнению с характеристиками, полученными для образцов ненарушенного сложения (рис. 4). Слабее всего это занижение выражено в гор. Ah;
сильнее всего - в гор. ЕВ. Полученные расхождения подтверждают мнение В.Н. Димо (1972), не рекомендовавшей при определении температуропроводности почв использовать растертые образцы.
, 10-7 м2/с (а) (б) (в) (г) w, см3/см0,1 0,3 0,0,1 0,3 0,Рис. 4. Температуропроводность агросерых почв, полученная на растертых образцах (повторности 1, 2) и на образцах ненарушенного сложения (3). Приведены данные для гор. Апах (а), Аh (б), ЕВ (в), В (г).
Для дерново-подзолистой почвы измерения температуропроводности проводились в двух направлениях: при регулярном охлаждении и при регулярном нагреве. И в режиме нагрева, и в режиме охлаждения измерения при каждом значении влажности проводились в не менее чем трехкратной повторности. На рис. 5 видно, что полученные зависимости расходятся: в области подвижной почвенной влаги температуропроводность, измеренная в режиме охлаждения, оказывается выше измеренной в режиме нагрева. Это расхождение объясняется перемещением влаги внутри образца в течение проведения эксперимента. В зависимости от того, нагревается образец или охлаждается, влага движется либо к его центру, либо к периферии, и соответственно либо замедляет процесс выравнивания температуры, либо ускоряет его. При сравнении результатов, полученных с использованием различных методик определения температуропроводности почвы, этот эффект следует учитывать.
Для дерново-подзолистых и модельных почв для каждого значения влажности рассчитывали отношение разброса значений температуропроводности, полученных при трех-пятикратных повторных измерениях, к медианной величине температуропроводности при данной влажности. Для дерново-подзолистых почв медианное значение относительных разбросов, рассчитанных для всего диапазона влажности, составило около 4 %; максимальная величина - 14 %.
, 10-7 м2/с (а) (б) w, см3/см0,1 0,3 0,5 0,1 0,3 0,Рис. 5. Расхождение зависимостей температуропроводности от влажности, полученных в режиме нагрева (1) и охлаждения (2). Приведены данные для гор.
Апах (а) и Вg (б) дерново-подзолистой почвы.
Для модельных почв эти показатели были ниже: 3 и 10 %. И для дерновоподзолистых, и для модельных почв наибольшие величины относительного разброса наблюдались при высоких значениях влажности - более 0.3 см3/см3.
Глава 4. Результаты полевых исследований Агросерые почвы с ВГГ, обладающие относительно невысокой температуропроводностью, прогреваются и охлаждаются медленнее, чем агросерые почвы с минеральными подпахотными горизонтами, и это приводит к расхождению в температурных режимах почвенных разностей и к формированию латерально неоднородного распределения температуры почв в комплексном почвенном покрове.
Во время исследований суточной динамики температуры в верхнем 50сантиметровом слое агросерой почвы с ВГГ и агросерой типичной почвы с подпахотным гор. ЕВ, проведенных 16-17.06.1999 г., наиболее сильные различия наблюдались на глубине 50 см, где температура почвы с ВГГ была на 1.52оС ниже в течение всего периода наблюдений (рис. 6). Начиная с глубины см, суточных колебаний температуры почвы не наблюдалось.
Т, оС Время, ч 0 6 12 18 24 30 Рис. 6. Динамика температуры агросерой почвы с ВГГ (черные символы) и агросерой типичной почвы (белые символы) на глубинах 10 (1, 2), 15 (3, 4), 20 (5, 6), 30 (7, 8), 40 (9, 10), 50 см (11, 12) на площадках 4 и 5 с 7:00 16.06 по 21:17.06.1999 г.
На площадках 9 и 10 расхождения в температуре на глубине 50 см наблюдались в течение большей части годового цикла (рис. 7). На протяжении вегетационных периодов 1999 и 2000 гг. температура агросерой почвы с ВГГ была ниже, чем температура агросерой типичной почвы. В августе-сентябре в связи со сменой направления потока тепла в системе почва-атмосфера и началом осеннего охлаждения почв расхождения в их температуре меняли знак; к концу ноября 1999 г. агросерая почва с ВГГ была теплее, чем агросерая типичная почва. После схода снега уже к концу апреля агросерая почва с ВГГ была холоднее, чем агросерая типичная почва, и по мере прогревания почв эта разница увеличивалась.
Режимные наблюдения 2003-2004 гг., включавшие зимний период, подтвердили, что температурные режимы почв с различным строением профиля закономерно различаются (рис. 8). Летом лучше всего прогревалась почва с элювиальным подпахотным гор. ЕВ (площадка 14); почва с подпахотным гор. В (площадка 15) была холоднее; самой холодной была почва с ВГГ (площадка 13). К концу июля 2003 г. температура почвы на глубине 50 см на площадках 13, 14 и 15 составила 17.4, 19.6 и 18.9оС. В августе расхождения в температуре площадок начали уменьшаться, а к сентябрю практически исчезли. В течение осени и зимы площадка 13 охлаждалась медленнее, чем площадки 14 и 15; на Т, оС 1999 20Время, мес июл ноя мар июл Рис. 7. Сезонная динамика температуры агросерой почвы с ВГГ (1) и агросерой типичной почвы (2) на глубине 50 см на площадках 9 и 10 в 1999-2000 гг.
(а) Тв, оС -(б) P, мм 1(в) H, см (г) -----(д) -----(е) -----VII IX XI I III V VII о Рис. 8. Осредненная подекадно температура воздуха (Т), С, (а) и декадные суммы осадков (Р), мм, (б), по данным агрометеопоста Суздаль; высота снежного покрова (Н), см, на площадках 13-15 (в); хроноизоплеты температуры почв, оС, на площадках 13 (г), 14 (д), 15 (е) в период с 11.07.2003 по 19.07.20гг. Пояснения в тексте.
глубине 10 см температура почвы на площадке 13 перешла через нулевую отметку только 24.12, в то время как на площадках 14 и 15 это произошло уже 10.12. Зимой 2003-2004 гг. зимнее промерзание почвы происходило под снегом, мощность которого к середине февраля достигла 41 см. На площадках 14 и нулевая изотерма к концу февраля опустилась до глубины 30 см. На площадке 13 отрицательные температуры были отмечены в течение зимы лишь на глубине 10 см; на глубине 20 см отрицательных температур отмечено не было. Во время схода снега 10-24.03 на площадке 13 отрицательные температуры отмечались лишь на глубине 10 см, на площадках 14 и 15 - на глубинах 10 и 20 см.
Через 5 дней после схода снега в непосредственной близости от площадок 13-15 были проведены измерения окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) в профиле агросерой почвы с ВГГ на пологом микросклоне и в профилях агросерых типичных почв на микроводоразделе и в микроложбине. Величины ОВП в микроложбине были ниже, чем на микроводоразделе; на микросклоне были получены промежуточные значения, но лишь для пахотного слоя (рис. 9). В нижней части ВГГ ОВП был ниже, чем на той же глубине в микроложбине. Формирование интенсивно восстановительных условий в нижней части ВГГ объясняется совместным действием двух факторов. Для почвы с ВГГ характерна меньшая мощность мерзлой толщи и меньшее число циклов про- 150 200 2ОВП, мВ -----Z, см Рис. 9. Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП, мВ) в профиле агросерой почвы с ВГГ на микросклоне (1) и агросерых типичных почв на микроводоразделе (2) и в микроложбине (3) 29.03.2004 г.
мерзания-оттаивания в течение зимы. Можно предположить, что благодаря этому во время снеготаяния общая водопроницаемость верхнего слоя почвы с ВГГ была больше, чем почв с минеральными подпахотными горизонтами, а значит, была выше и доля вертикального сброса талых вод по сравнению с поверхностным стоком (Иванов, 1982). Застаивание гравитационной влаги в нижней части ВГГ может быть связано со вторым фактором - наличием внутрипочвенного водоупора, или лэкрана, на границе между текстурнодифференцированными горизонтами (Макеев, Макеев, 1989; Дмитриев, 2000;
Умарова и др., 2005).
Исследования латеральной изменчивости температуры агросерых почв в масштабе части сельскохозяйственного поля проводили летом 1999 г. На участке размером 6363 м мощность ВГГ в отдельных точках опробования превышала 40 см (рис. 10, а). И в июле, и в августе на глубине 50 см почвы с ВГГ были более холодными. Температура почв с ВГГ закономерно уменьшалась с увеличением мощности ВГГ. Коэффициент корреляции составил -0.77 для июля и 0.83 для августа. Эти данные подтверждают представления о том, что пониженная температура на участках залегания ВГГ обусловлена низкой температуропроводностью этого горизонта: чем мощнее горизонт-теплоизолятор, тем ниже под ним температура.
На делянке, в центре которой были отмечены самые низкие значения темпе- (а) (б) (в) 0 20 40 60 0 20 40 60 0 20 40 Рис. 10. Мощность ВГГ, см (а) и топоизоплеты температуры почвы на глубине 50 см, оС (б, в) на участке 1 для сроков: 1.07.1999 (б), 19.08.1999 (в).
(а) (б) (в) (г) 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 Рис. 11. Мощность ВГГ, см (а) и топоизоплеты температуры почвы, оС, на глубинах 50 (б), 70 (в) и 100 см (г) на площадке 45 м 23-24.07.2001 г.
ратуры почвы, было проведено исследование локальной изменчивости температурного поля (площадка 2 на рис. 1). Измерения температуры почвы проводили на глубинах 50, 70 и 100 см по сетке с шагом 1 м. В отдельных точках сетки мощность ВГГ достигала 44 см. Как и в масштабе поля, холодные области на всех трех глубинах соответствовали наибольшей мощности гумусового кармана (рис. 11). Диапазон варьирования температуры почвы составил более 3оС для глубины 50 см и около 2оС для глубин 70 и 100 см. На глубине 50 см горизонтальные градиенты температуры достигали 1.5оС/м и были сопоставимы с вертикальными. Это значит, что латеральные внутрипочвенные потоки тепла были сопоставимы с вертикальным переносом тепла в профиле. При исследованиях в масштабе поля диапазон варьирования температуры на глубине 50 см составлял 3.5оС, т. е. латеральная изменчивость температуры почвы в пределах делянки оказалась почти такой же, как и на всем поле. Таким образом, неоднородности температурного поля не размыты в пространстве, а приурочены к переходам между почвами с контрастным строением профиля. Величины выявленных различий в температуре агросерых почв близки к величинам, характеризующих локальные различия в температуре почв, входящих в состав полупустынных и мерзлотных комплексов (Димо, 1907; Келлер, 1913; Димо, 1972; Куликов, 1997).
етом 2003 г. была проведена подробная топографическая съемка поверхности участка, включавшего почвы с ВГГ и почвы с минеральными подпахотны- (а) (б) 15 10 5 0 (в) (г) 15 10 5 0 -10 -5 0 5 10 15 -10 -5 0 5 10 Рис. 12. Мощность гумусированного слоя, см (а), рельеф современной поверхности, см (б), внутрипочвенный рельеф нижней границы гумусовоаккумулятивного слоя, см (в), относительная освещенность поверхности в летний полдень (г) для участка с/х поля размером 1630 м.
ми горизонтами (рис. 12, а). Участок размером 1630 м был обследован по сетке с шагом 2 м; в узлах сетки бурением была измерена мощность гумусированной толщи. Анализ топографического описания нижней границы гумусовоаккумулятивного слоя позволил выявить реликтовое понижение палеорельефа, которое было впоследствии заполнено материалом нынешнего ВГГ (рис. 12, в).
Особенностей современного микрорельефа в области залегания ВГГ не наблюдалось (рис. 12, б); карта освещенности, построенная с использованием программных средств (рис. 12, г) соответствует микрорельефу современной поверхности и тоже не имеет особенностей в области почв с ВГГ.
Температуру почв на глубинах 50 и 70 см измеряли в узлах сетки в пределах части показанного на рис. 12 участка (рис. 13), целиком находившейся под черным паром. На обеих глубинах температура почв с ВГГ была достоверно ниже.
Поскольку ни растительностью, ни микрорельефом, ни условиями инсоляции почвенные разности не отличались, можно сделать вывод о том, что латеральная вариабельность температуры глубоких слоев почвы определялась вариа- (а) (б) (в) 0 5 10 15 05 10 15 05 10 Рис. 13. Мощность гумусированного слоя на участке 16, см (а) и температура почвы, оС, на глубинах 50 (б) и 70 см (в) 22-23.07.2003 г.
бельностью мощности ВГГ, обладающего теплоизолирующими свойствами. Зависимость температуры от толщины гумусово-аккумулятивного слоя была почти линейной; коэффициенты корреляции Спирмена составили -0.80 для 50 см и -0.78 для 70 см (рис. 14).
Физические свойства агросерой почвы с ВГГ и агросерой типичной почвы исследовали на площадках 17 и 18, практически одинаково расположенных в микрорельефе участка 16. Расстояние между площадками 17 и 18 составляло м. В слое 30-45 см плотность почвы на площадке 17 была в 1.4 раза меньше, чем на площадке 18; пористость в 1.3 раза больше; содержание углерода в 7 раз больше, содержание ила в 3 раза меньше (табл.1). Приведенные в табл. 1 величины соответствуют опубликованным ранее данным (Макеев, Дубровина, 1990;
Алифанов, 1995; Дмитриев и др., 2000; Шеин и др., 2001). После периода интенсивных дождей влажность гор. Ah оказалась выше в 1.2 раза, чем влажность Т, оС H, см 0 10 20 30 40 50 60 Рис. 14. Зависимость температуры почв на участке 16 от мощности гумусированного слоя (H, см); глубины 50 (1) и 70 см (2).
подпахотного гор. ЕВ. В целом почва с ВГГ содержала больше влаги; рассчитанный по полученным данным влагозапас в слое 0-70 см составил 236 мм для площадки 17 и 191 мм для площадки 18.
Полученные результаты позволяют говорить о том, что расхождения в современном гидротермическом режиме почв ополья в какой-то степени имитируют реликтовые условия их формирования. В периоды снеготаяния и интенсивного поступления осадков почвы с ВГГ собирают влагу, как если бы они располагались в понижении, и, таким образом, имитируют условия древнего микрорельефа. Латеральное распределение температуры тоже отчасти имитирует условия формирования почвенного покрова. Участки с ВГГ летом прогреваются хуже, как если бы они располагались в микропонижениях. Зимой эти участки промерзают на меньшую глубину, что тоже характерно для почв микропонижений. Таким образом, реликтовая структура по-прежнему определяет температурный режим почв ополья. Возможно, существует и обратная связь:
неоднородности современного температурного поля в какой-то степени способствуют сохранности существующей структуры почвенного покрова. Можно предложить два гипотетических механизма такой обратной связи. Во-первых, более низкие летние температуры на участках с ВГГ могут способствовать некоторому замедлению минерализации гумуса по сравнению с другими, более теплыми участками, хотя степень проявления этого эффекта будет определяться разницей в составе микробных сообществ различных почв (Горленко и др., 2001). Во-вторых, поскольку зимой участки с ВГГ промерзают на меньшую глубину, весенний сток талых вод идет преимущественно через эти участки, обогащая их вновь образованными гумусовыми веществами. Существование латерального перераспределения гумусовых веществ в почвенном покрове ополья подтверждается данными Е.Ю. Милановского (2006) о содержании гидрофильных гумусовых веществ в профиле составляющих покров почв. Оба предложенных механизма могут поддерживать существующую структуру почвенного покрова и способствовать ее сохранности на агрогенном этапе эволюции.
Таблица 1.
Физические свойства почв на площадках 17 и 18: плотность , плотность твердой фазы s, пористость , содержание углерода С, гранулометрический состав, влажность w при определении плотности.
№ Содержание частиц (мм), % площадки, Горизонт, Глубина , w, s, , С, % почва см отбора, г/см3 см3/см3 г/см3 см3/смсм Апах, 0-22 10-15 1.22 0.327 2.61 0.532 2.84 20 41 12 14 Аh, 22-55 30-35 1.03 0.362 2.59 0.602 3.99 13 50 14 13 Агросерая 40-45 1.06 0.381 2.59 0.590 3.46 9 55 14 12 с ВГГ 50-55 1.28 0.350 2.62 0.511 2.64 9 51 15 15 АЕ, 55-70 60-65 1.47 0.291 2.63 0.441 2.08 11 50 16 13 ВЕgТ, 70- 70-75 - - 2.71 - 0.43 6 55 11 11 Апах, 0-25 10-15 1.38 0.327 2.62 0.473 2.20 11 52 9 13 ЕВ, 25-60 30-35 1.49 0.293 2.70 0.447 0.53 6 48 9 11 Агросерая 40-45 1.45 0.307 2.71 0.465 0.49 7 41 8 11 типичная 50-55 1.44 0.308 2.72 0.470 0.41 8 42 9 10 В, 60- 60-65 1.54 0.318 2.72 0.433 0.39 6 44 9 10 70-75 - - 2.72 - 0.33 6 47 8 10 0.0.0.0.050.010.00.0050.001<0.0Глава 5. Математическое моделирование температуропроводности почвы Экспериментальные кривые зависимости температуропроводности от влажности предлагается аппроксимировать функцией:
w ln w0 = 0 + a exp, (1) -0.5 b где w - влажность почвы, - соответствующая ей температуропроводность, 0, a, w0 и b - параметры кривой. Эти параметры имеют ясный физический смысл (рис. 15, а): 0 - температуропроводность сухой почвы; w0 - влажность, при которой достигается максимум температуропроводности; 0+a - максимальная температуропроводность при w=w0. Параметр b характеризует ширину пика кривой и определяется диапазоном влажности, в котором происходит активный термоперенос почвенной влаги. Чем меньше величина параметра b и чем выше w0, те сильнее выражена S-образность кривой. Таким образом, параметры предложенной аппроксимации позволяют численно охарактеризовать не только пределы изменчивости температуропроводности изученных горизонтов с влажностью, но и форму полученных кривых.
Функция (1) хорошо аппроксимирует экспериментальные зависимости температуропроводности от влажности - от почти линейных до выраженно Sобразных (рис. 15, б). Среднеквадратичная относительная ошибка аппроксимации для почв ополья (33 кривые, 354 точки) составила 3.6 %. Ранее предложенные степенная (Чудновский, 1967) и полиномиальная (Тихонравова, Хитров, 2003) аппроксимации описывают эти же данные с ошибками 8.4 и 5.2 %. Для уплотненной почвы ошибка аппроксимации S-образной зависимости степенной функцией составляет 13.3 %, полиномиальной функцией - 11.5 %, предложенной логнормальной функцией (1) - 6.4 %.
Рис. 15. (а) График аппроксимационной зависимости (w). (б) Примеры применения функции (1) для аппроксимации экспериментальных зависимостей температуропроводности от влажности для образцов из гор. Апах (1), АЕ (2) и ЕВ (3) на площадке 3.
Пример применения параметров 0, a, w0, b для формальной характеристики экспериментальных зависимостей приведен на рис. 16 и в табл. 2. Анализируются данные, полученные для гор. В2, В2пах и Апах модельных почв. При заполнении лизиметров гор. Апах изначально был помещен в естественную для себя верхнюю часть профиля. В другом варианте на поверхность был вынесен гор. В2, и гор. В2пах был сформирован из верхней части гор. В2 непосредственно в лизиметре. К моменту проведения наших исследований плотность гор.
В2пах и содержание в нем органического углерода приблизились к показателям гор. Апах, а гранулометрический состав сохранял сходство с составом исходного гор. В2. На рис. 16 видно, что для минерального гор. В2 зависимость температуропроводности от влажности имеет S-образный характер; для гор.
Апах - скорее близка к параболическому; для генетически переходного гор.
В2пах имеет переходную форму по сравнению с кривыми для гор. В2 и Апах.
Качественные различия отражаются на количественном уровне в величинах параметров 0, a, w0, b (табл. 2). В ряду В2ЦВ2пахЦАпах параметр 0 закономерно возрастает, параметр a - уменьшается, координата максимума w0 закономерно сдвигается в область низких влажностей, параметр b увеличивается, отражая уменьшение S-образности кривой.
-7 , 10 м /с (а) (в) (б) 3 w, см /см 0,1 0,3 0,5 0,1 0,3 0,0,1 0,3 0,Рис. 16. Зависимости температуропроводности от влажности для горизонтов модельных почв: В2 (а), В2пах (б), Апах (в).
Таблица 2.
Параметры аппроксимации зависимости (w) для модельных почв.
Горизонт a, 10-7 м2/с w0, см3/см3 b 0, 10-7 м2/с В2 1.11 3.09 0.46 0.В2пах 1.31 2.31 0.40 0.Апах 2.14 1.54 0.33 0.Для почв Владимирского ополья были рассчитаны среднегоризонтные параметры 0, a, w0, b (табл. 3). Для каждого горизонта аппроксимирующая характеристика строилась по всем имеющимся экспериментальным точкам, т. е. использовались данные для всех образцов из этого горизонта. Соответственно полученные параметры характеризуют среднюю кривую, описывающую зависимость температуропроводности данного горизонта от влажности. Для гор. Апах приведены параметры, рассчитанные в среднем (1я строка в табл. 3), а также отдельно для участков, где под гор. Апах расположены и припахиваются при обработке гор. Ah или АЕ (2я строка) и для участков с минеральными подпахотными гор. В и ЕВ (3я строка).
Параметры для гор. А1, Ah и АЕ близки между собой. Выположенность зависимостей отражается в высоких значениях параметра b. Диапазон изменения температуропроводности с влажностью (параметр a) невелик. В сухом состоянии температуропроводность гор. АЕ чуть выше, чем А1 и Ah (параметр 0).
Для минеральных гор. характерна более S-образная форма кривой, что отражается в уменьшении параметра b. В ряду ЕВЦВЦВhfg самой высокой температу- Таблица 3.
Параметры зависимости (w) для почв Владимирского ополья Горизонт a, 10-7 м2/с w0, см3/см3 b 0, 10-7 м2/с Апах 2.17 0.13 2.31 0.20 0.41 0.06 0.65 0. Апах (Аh, АЕ) 2.15 0.22 2.13 0.28 0.39 0.08 0.63 0. Апах (В, ЕВ) 2.15 0.18 2.79 0.59 0.52 0.20 0.78 0. А1 1.94 0.13 1.93 0.14 0.34 0.02 0.66 0. Аh 2.02 0.28 1.78 0.28 0.37 0.08 0.77 0. АЕ 2.21 0.51 1.89 0.54 0.31 0.07 0.66 0. ЕВ 2.61 0.12 2.50 0.17 0.36 0.03 0.51 0. В 1.92 0.13 2.79 0.19 0.36 0.02 0.36 0. Вhfg 1.18 0.02 2.83 0.03 0.38 0.00 0.25 0.ропроводностью характеризуется гор. ЕВ; самой низкой - гор. Bhfg. Параметры, полученные для пахотных гор., занимают промежуточное положение между параметрами для высокогумусных и минеральных гор.
При построении педотрансферных функций были использованы индивидуальные наборы параметров 0, a, w0, b, характеризующие зависимости (w), полученные для отдельных образцов. Эти параметры были сопоставлены с физическими свойствами исследованных почв (табл. 4). Для параметра a наилучшими предикторами оказались плотность, пористость, содержание углерода и содержание средней пыли, для температуропроводности сухой почвы 0 - содержание физической глины, для степени выположенности b - плотность твердой фазы, содержание углерода и содержание фракции Ф5 (частиц с диаметром менее 0.005 мм).
Таблица 4.
Коэффициенты корреляции между параметрами зависимостей (w) и физическими свойствами почв ополья. Выделены значимые величины с p<0.Пара Плот- Плот- Порис Угле- Пыль Пыль Ил Физ. Фметр ность ность тв. тость род средн. мелкая глина фазы 0 0.32 -0.05 0.36 0.00 -0.20 -0.13 -0.29 -0.42 -0.0.61 0.36 0.60 -0.51 -0.49 -0.42 0.31 -0.09 0.a w0 0.02 -0.17 0.05 0.09 -0.30 -0.10 -0.16 -0.33 -0.-0.41 -0.66 -0.33 0.60 -0.02 -0.01 -0.52 -0.52 -0.b Таблица 5.
Корреляционная матрица для параметров 0, a, w0, b.
a w0 b 0.01 a -0.16 0.61 w0.31 -0.00 0.41 b Координата максимума w0 не коррелировала значимо ни с одним из исследованных физических свойств, но оказалась статистически связанной с параметрами a и b (табл. 5).
Приведенные в табл. 4 коэффициенты корреляции относятся к гранулометрическому составу, определенному традиционным пипет-методом. С гранулометрическими показателями, полученными методом лазерной дифрактометрии, значимо не коррелировал ни один из параметров 0, a, w0, b.
Методами регрессионного анализа были получены два варианта педотрансферных функций, позволяющих переходить от агрофизических свойств почвы к ее температуропроводности и обозначенных в дальнейшем тексте как ПТФ-1 и ПТФ-2. В ПТФ-1 параметры 0, a, w0, b рассчитываются по данным о плотности почвы и содержании органического вещества. На втором шаге эти параметры используются при расчете температуропроводности почвы по данным о ее влажности с использованием функции (1). ПТФ-2 отличается от ПТФ-1 тем, что на первом этапе при расчете параметров 0, a, w0, b к плотности и углероду добавляются данные по плотности твердой фазы и гранулометрическому составу. Полученные ПТФ имеют следующий вид.
ПТФ-1:
= -1.06 + 1.98 +.20С a = -0.58 + 2.43 - 0.08C (2) b = 0.12 + 0.12 + 0.12C w0 = -0.05 + 0.12a + 0.28b ПТФ-2:
П 0 = -15.6 + 2.02 +.28С + 5.59S -.04Пс -.07Пм +.Ил П a =15.63 + 2.25 - 0.1C - 5.59S - 0.02Пс - 0.02Пм -., (3) Ил П b = 9.4 - 0.14 - 0.008C - 3.07S - 0.01Ф5 -.Ил w0 = -0.05 + 0.12a + 0.28b где - плотность почвы, С - содержание углерода, s - плотность твердой фазы, Пс - содержание средней пыли, Пм - содержание мелкой пыли, П/Ил - отношение пыль/ил, Ф5 - содержание частиц размером менее 0.005 мм.
Проверку работы ПТФ-1 и ПТФ-2 проводили на данных для почв Владимирского ополья, по которым эти модели были настроены, а также на независимых данных для суглинистых почв со сходными физическими свойствами (дерновоподзолистых и модельных). Точность расчетов сравнивали с точностью модели Герайзаде (1974) и точностью подхода МакБратни-Минасни (McBratney, Minasny, 2004), включающего модели де Фриза (de Vries, 1966) и Кемпбелла (Campbell, 1985).
На данных для почв ополья ПТФ-1 и ПТФ-2 работали со среднеквадратичными относительными ошибками 26 и 23 %. Модель Герайзаде для почв ополья дала ошибку 24 %, сопоставимую с ошибками моделей 1 и 2. Но модель Герайзаде рассчитывает лишь максимальную температуропроводность, т. е. одну точку на кривой зависимости температуропроводности от влажности, а ПТФ-и 2 позволяют рассчитывать температуропроводность почвы при любом значении влажности. Модель МакБратни-Минасни в применении к почвам ополья работала с ошибкой 66 %, т. е. намного хуже, чем ПТФ-1 и ПТФ-2. Применение ПТФ-1 и ПТФ-2 к суглинистым почвам, свойства которых не были использованы при определении параметров ПТФ, привело к незначительному снижению точности расчетов: для дерново-подзолистых и модельных почв при использовании ПТФ-1 ошибка составила 25-27 %; при использовании ПТФ-2 - 28 %.
(а) (б) (в) 020 40 020 40 020Рис.17. Рассчитанная по ПТФ-1 температуропроводность на глубинах 10-15 см и 25-30 см, 10-7 м2/с (а, б) и мощность гумусированного слоя, см (в), на исследованном участке опытного поля ПЭС ИФХ и БПП РАН (Пущино).
С помощью ПТФ-1 была оценена вариабельность температуропроводности почв на участке сельскохозяйственного поля ВНИИСХ РАСХН площадью 2.га (участок 12). Использовались данные почвенно-агрофизического опробования (Тымбаев, 2004). Для июля 2002 г. диапазон изменчивости расчетной температуропроводности почв составил 1.7Ц2.210-7 м2/с на глубине 10 см и 1.5Ц 2.410-7 м2/с - на глубине 40 см. Температуропроводность почв с ВГГ на глубинах 10 и 40 см достоверно отличалась от температуропроводности почв с минеральными подпахотными горизонтами на уровнях значимости 0.01 и 0.02.
ПТФ-1 была применена для численной оценки температуропроводности агросерых почв комплексного почвенного покрова южного Подмосковья (рис.
17). При расчетах использовались данные о пространственном распределении плотности, содержания углерода и влажности почв, полученные при агрофизическом опробовании участка опытного поля ПЭС ИФХ и БПП РАН размером 4848 м по регулярной сетке с шагом 8 м. Применение ПТФ-1, настроенной по почвам ополья, к данным сеточного опробования независимого почвенного объекта позволило выявить в комплексном почвенном покрове зоны пониженной температуропроводности, в целом совпадающие с областями залегания почв с ВГГ.
Глава 6. Математическое моделирование динамики температурного поля почв в комплексном почвенном покрове При математическом моделировании динамики температуры исследованных почв использовали уравнение теплопроводности (Тихонов, Самарский, 1966;
Воронин, 1986):
T (z,t) T (z,t) (z,t) сv (z,t) =, (4) t z z где T(z,t) - температура, t - время, z - глубина, cv(z,t) и (z,t) - объемная теплоемкость и теплопроводность почвы, связанные с температуропроводностью почвы соотношением (z,t) = (z,t) cv(z,t). На верхней границе расчетного слоя задавалась экспериментальная либо расчетная динамика температуры; на нижней - условие отсутствия потока тепла. Модель была реализована на языке BASIC; использовалась неявная схема; задача решалась методом прогонки.
Шаг по глубине составлял 1 см, шаг по времени - 1 час при моделировании суточной динамики (рис. 18, а, б) и 1 сутки - при моделировании сезонной и годовой динамики (рис. 18, в, г; рис. 20-22). Температуропроводность почвы при заданной влажности рассчитывалась с помощью функции (1); параметры 0, a, w0, b определялись в соответствии с принадлежностью интересующего слоя к тому или иному горизонту, либо рассчитывались по данным об агрофизических свойствах почвы с помощью ПТФ-1 (2).
На рис. 18 приведены результаты моделирования температурного режима почвы на основе использования экспериментальных данных о динамике температуры на верхней границе расчетного слоя. Температуропроводность горизонтов рассчитывалась по данным о влажности в расчетный период с помощью функции (1), аппроксимирующей лабораторные зависимости.
Модель верно отражает ход температуры дерново-подзолистой почвы на территории УО ПЭЦ Чашниково в течение 85-часового периода, но несколько недооценивает размах суточных колебаний (рис. 18, а, б). Эта систематическая ошибка связана с использованием в модели температуропроводности, оп- Т, оС (а) (в) (б) (г) 20 24:00 48:00 72:00 Время, ч 10 20 Время, сут Рис. 18. Моделирование температурного режима почвы с использованием данных о температуре ее поверхности. Приведены результаты измерений (1) и расчетов (2) для дерново-подзолистой почвы за период 13-16.08.1991 г. для глубин 5 см (а) и 20 см (б) и для модельной почвы за период 1-30.09.1997 г. для глубин 50 (в) и 80 см (г).
ределенной для почвенных образцов небольшого размера. Стенки измерительной ячейки ограничивают конвективный перенос тепла внутри образца, что приводит к занижению измеряемой температуропроводности почвы. С использованием в модели заниженной температуропроводности связана и недооценка скорости осеннего охлаждения почвы в лизиметре (рис. 18, в, г). Тем не менее, в целом можно говорить об удовлетворительном совпадении расчетных кривых и экспериментальных данных: расхождения между расчетными и реальными значениями температуры почвы не превышают 1.4оС, среднеквадратичная ошибка вычислений составляет менее 0.7оС.
Была исследована возможность задания верхнего краевого условия на основе использования стандартных метеоданных о температуре воздуха. Статистическая обработка данных агрометеопоста Суздаль за май-сентябрь 1966-19гг. позволила получить регрессионное соотношение между среднесуточными температурами воздуха на высоте метеобудки и почвы на глубине 10 см:
Т10 = 0.805Т + 3.22, R=0.90. (5) В Т, оС V VI VII VIII IX Рис. 19. Динамика среднесуточной температуры почвы на глубине 10 см за период 1.05-30.09.1999 г.: (1) - данные агрометеопоста Суздаль; (2) - результаты расчетов с использованием соотношения (5).
С использованием соотношения (5) для площадки агрометеопоста Суздаль была рассчитана динамика среднесуточной температуры почвы на глубине см по данным о среднесуточной температуре воздуха за период с 1.05 по 30.09.1999 г. Расчетная кривая в целом верно описывает сезонную динамику температуры почвы (рис. 19). Среднеквадратичное отклонение между расчетными и экспериментальными величинами составляет 1.8оС при общем диапазоне изменчивости экспериментальных значений 4.3-26.3оС. Эти результаты позволили при дальнейшем моделировании температуры почв использовать метеоданные о температуре воздуха, выбрав в качестве верхней границы расчетного слоя глубину 10 см.
Годовую динамику температуры почвы рассчитывали для площадок 13-15, задавая одинаковые условия на поверхности и учитывая различия в строении почвенного профиля. Расчеты велись для слоя 10-200 см и периода 1.05.200320.09.2004 гг. Температуру на верхней границе рассчитывали с помощью соотношений (5), используя данные метеопоста Суздаль о среднесуточной температуре воздуха. В период устойчивого снежного покрова температуру на глубине 10 см задавали постоянной и равной -0.2оС. Начальную температуру почвы задавали равной 4оС во всем расчетном слое. Температуропроводность рассчитывали для влажности 0.25 см3/см3 с использованием параметров функции (1) для гор. Апах, Аh, АЕ, ЕВ, В с площадок 3, 6, 7, 8.
Т, оС (а) (б) (в) (г) 1.05.03 1.11.03 1.05.04 1.05.03 1.11.03 1.05.Рис. 20. Расчетная динамика температуры агросерой почвы с ВГГ, площадка (1) и агросерой типичной почвы, площадка 14 (2) на глубинах 20 (а), 30 (б), (в) и 50 см (г) с 1.05.2003 по 20.09.2004 г.
На рис. 20 приведены результаты расчетов для площадок 13 и 14; температура на площадке 15 принимала промежуточные значения. В модели, как и в реальности, площадка 13 хуже прогревалась летом и медленнее охлаждалась зимой, чем площадка 14; эта разница увеличивалась с глубиной. Чувствительность температуры почвы к кратковременным колебаниям температуры воздуха, наоборот, с глубиной уменьшалась. Летом 2003 г. максимальная расчетная температура на глубине 50 см составила для агросерой почвы с ВГГ (площадка 13) 17.3оС, для агросерой типичной почвы (площадка 14) - 19.4оС. Эти величины почти совпадают с экспериментальными, составившими 17.4 и 19.6оС (рис.
8). Среднеквадратичные ошибки расчетов не превышали 1.7оС; ошибки имитации, равные отношению среднеквадратичной ошибки расчетов к медианному значению температуры на той или иной глубине за расчетный период, составили 12-19 %. Таким образом, использование метеоданных позволило адекватно воспроизвести годовую динамику температуры почв с различным строением профиля и расхождения между ними. Заметим, что расчеты были проведены для модельных условий: для постоянной по профилю и во времени влажности, (а) (б) (в) 0 5 10 15 0 5 10 15 0 5 10 Рис. 21. Мощность гумусированного слоя, см (а) и расчетная температура почвы, оС, на глубинах 50 (б) и 70 см (в) для 23.07.2003 г. на участке 16.
одинаковой для всех площадок. Модельный эксперимент показал, что расхождения в температуре различных почв могут возникать независимо от различий в увлажнении контрастных почв.
Опробованный на площадках 13-15 подход был применен для моделирования пространственного распределения температуры почв в комплексном почвенном покрове Владимирского ополья. Расчеты велись для 54 точек, полученных при разбиении участка 16 сеткой с шагом 2 м. Мощность гумусированного слоя в расчетных точках составляла от 8 до 68 см (рис. 21, а). Рассчитывалась динамика температуры почв для периода 1.05-23.07.2003 г.; начальные и граничные условия, мощность расчетного слоя, влажность почв задавались как в предыдущем случае. Погоризонтная температуропроводность в каждой точке рассчитывалась в соответствии со строением профиля.
Полученное при моделировании распределение температуры в почвенном покрове (рис. 21) соответствовало реальности (рис. 13): в точках с большей мощностью гумусированного слоя расчетная температура была ниже. К 23.07.2003 г. расчетная температура на глубинах 50 и 70 см варьировала в пределах 15.2-17.0оС и 14.5-16.6оС (рис. 21, б, в). Диапазоны изменчивости реальной температуры на этих глубинах 23.07.2003 г. составили 16.6-18.6оС и 15.517.2оС (рис. 18, б, в). Модель несколько недооценивала скорость летнего прогревания почв ополья, но верно отражала разницу в температуре контрастных участков.
Для комплекса почв южного Подмосковья этот подход был применен в не- (а) (б) (в) 02040 020 40 020 Рис. 22. Распределение расчетной (а, б) и экспериментально измеренной (в) температуры почвы на глубине 50 см, оС, на исследованном участке опытного поля ПЭС ИФХ и БПП РАН (Пущино). Приведены данные для 14.06 (а) и 17.06.2002 г. (б, в).
сколько иной модификации. При расчетах температуропроводности использовались не данные о строении профиля (подход горизонттемпературопроводность, как в случае почв ополья), а результаты опробования агрофизических свойств интересующего участка (подход свойстватемпературопроводность). Использовали ПТФ-1 и данные о плотности, влажности и содержании углерода, полученные 17.06.2002 г. для глубин 10, 20, 30, 40, 50 см по сетке с шагом 8 м. Начальные условия и мощность расчетного слоя были такими же, как в двух предыдущих вариантах. Расчеты велись для 49 точек для периода 1.05-17.06.2002 г.; температуру на верхней границе рассчитывали по данным метеостанции Серпухов о температуре воздуха с использованием соотношения (5).
Как и в случае почвенного покрова Владимирского ополья, модель занижала температуру почв примерно на 1.5оС, но верно отражала характер пространственного распределения температуры. Выявленные в процессе моделирования зоны набольшего и наименьшего прогревания в целом совпадали с экспериментальными (рис. 22). Для 17.06.2002 г. разброс расчетных температур на глубине 50 см составил 12.9-13.6оС (рис. 22, б); экспериментальных - 14.4-15.2оС (рис.
22, в). Столь небольшая латеральная изменчивость температуры объясняется резким похолоданием, произошедшим 14-15.06. Как видно на рис. 7 и 20, при кратковременном охлаждении, происходящем на фоне сезонного прогревания, расхождения между температурами контрастных почв уменьшаются. Температура, рассчитанная для 14.06.2002 г., менялась в пределах участка сильнее: от 13.5 до 14.6оС (рис. 22, а).
Математическое моделирование показало, что при идентичных условиях на поверхности расчетные температурные режимы агросерых почв с различными физическими свойствами почвенных горизонтов закономерно отличаются. Величина полученных при расчетах различий практически совпадает с выявленными при полевых исследованиях. Эти результаты подтверждают, что обнаруженная пространственная изменчивость почвенных свойств является достаточной для формирования в комплексном почвенном покрове латерально неоднородного температурного поля. Они также являются косвенным подтверждением нашего представления о том, что в условиях агрогенного микрорельефа и однородной антропогенной растительности основным фактором формирования латеральных неоднородностей температурного поля почв является латеральная изменчивость почвенных свойств.
Основные выводы 1. Температурное поле пахотных почв, формирующееся в комплексном почвенном покрове Владимирского ополья, является закономерно латерально неоднородным. На протяжении вегетационного периода области залегания ВГГ характеризуются более низкой температурой глубоких слоев почвы, чем области, занятые почвами без этого горизонта. В период наибольшего летнего прогревания температура глубоких слоев отрицательно коррелирует с суммарной мощностью гумусово-аккумулятивной толщи.
2. Во время осенне-зимнего охлаждения характер распределения температуры в почвенном покрове ополья меняется. Зимой участки, занятые почвами с ВГГ, оказываются более теплыми. Граница зимнего проникновения отрицательных температур вглубь почв с ВГГ лежит выше, чем в случае почв с минеральными подпахотными горизонтами.
3. В почвенном покрове Владимирского ополья качественно воспроизводится латеральная неоднородность реликтовых температурных условий его формирования: почвы, развитые на ныне полностью захороненных палеомикроводоразделах, в настоящее время лучше прогреваются летом и сильнее охлаждаются зимой, как если бы они по-прежнему располагались на выпуклых элементах микрорельефа.
4. Современный температурный режим почвенного покрова ополья определяется его структурой, унаследованной от доагрогенных этапов эволюции. В условиях выровненной поверхности пахотных почв и однотипной антропогенной растительности закономерная изменчивость температурного поля в комплексном почвенном покрове объясняется различиями в строении профиля составляющих покров почв и в физических свойствах различных горизонтов, в первую очередь в их температуропроводности.
5. Зависимости температуропроводности от влажности, полученные для комплекса почв Владимирского ополья, различаются диапазоном изменчивости температуропроводности с влажностью и формой экспериментальных кривых.
6. Предложенная для аппроксимации зависимости температуропроводности почвы от влажности эмпирическая формула позволяет формализовать сопоставление подобных зависимостей для различных почв. Использование расчетных параметров аппроксимации, имеющих ясный физический смысл, позволяет сравнивать температуропроводность разных горизонтов при различных значениях влажности, количественно характеризовать качественные различия в форме экспериментальных кривых, а также выявлять физические причины этих различий.
7. Полученные ПТФ, связывающие параметры зависимости температуропроводности от влажности с агрофизическими свойствами почвы, позволяют выявлять в комплексном почвенном покрове зоны различной температуропроводности по данным о латеральном распределении плотности, влажности и содержания органического углерода.
8. Физически обоснованная математическая модель распространения температурных волн в почвах, включающая полученные ПТФ, позволяет прогнозировать развитие температурного поля в комплексном почвенном покрове на основе метеоданных о температуре воздуха и данных о пространственном распределении агрофизических свойств почв.
Список основных публикаций по теме диссертации I. Монографии, учебные пособия 1. Шеин Е.В., Початкова Т.Н., Рычева (Архангельская) Т.А., Сидорова М.А., Смагин А.В., Умарова А.Б. Лабораторные методы исследования физических свойств почв. М., 2000. 55 с.
2. Шеин Е.В., Архангельская Т.А., Гончаров В.М. и др. Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв. М.: Изд-во МГУ, 2001. 200 с.
3. Архангельская Т.А., Батырев Ю.П., Бурков В.Д. и др. Наземный мониторинг экосистем. М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. 336 с.
4. Архангельская Т.А. Глава XIII. Температурный режим и тепловые свойства почв. С. 373-401 // Теории и методы физики почв. Коллективная монография под ред. Е.В. Шеина, Л.О. Карпачевского. М.: Гриф и К, 2007. 616 с.
II. Статьи в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ 5. Рычева Т.А., Капинос В.А., Гильманов Т.Г. Опыт моделирования температурного режима почвы арктической тундры // Почвоведение. 1992. № 4. С. 4249.
6. Рычева Т.А. Температуропроводность дерново-подзолистой почвы: влияние движения влаги // Почвоведение. 1994. № 8. С.53-57.
7. Рычева Т.А. Моделирование поступления солнечной энергии на поверхность почвы // Вестник Московского университета. Сер. 17. Почвоведение.
1995. № 4. С. 28-34.
8. Рычева Т.А. Моделирование температурного режима дерново-подзолистой почвы: определяющая роль условий на поверхности // Почвоведение. 1999. № 6. С. 697-703.
9. Умарова А.Б., Шеин Е.В., Архангельская Т.А. Особенности формирования элементов водного режима дерново-подзолистых почв в годовой, сезонной и суточной динамике // Вестник Московского университета. Сер. 17. Почвоведение. 2002. № 3. С. 22-30.
10. Архангельская Т.А. Генезис сезоннопромерзающих серых лесных почв со вторым гумусовым горизонтом (на примере Владимирского ополья) // Криосфера Земли. 2003. Т. 7. № 1. С. 39-48.
11. Архангельская Т.А. Температуропроводность серых лесных почв Владимирского ополья // Почвоведение. 2004. № 3. С. 332-342.
12. Архангельская Т.А., Худяков О.И., Бедрина Т.Н., Митусов А.В. Латеральная изменчивость агрофизических показателей и неоднородность гидротермического поля в комплексном почвенном покрове южного Подмосковья // Вестник Московского ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2005. № 2. С. 8-15.
13. Архангельская Т.А., Губер А.К., Мазиров М.А., Прохоров М.В. Температурный режим комплексного почвенного покрова Владимирского ополья // Почвоведение. 2005. № 7. С. 832-843.
14. Шеин Е.В., Архангельская Т.А. Педотрансферные функции: состояние, проблемы, перспективы // Почвоведение. 2006. № 10. С. 1205-1217.
15. Архангельская Т.А., Бутылкина М.А., Мазиров М.А., Прохоров М.В.
Свойства и функционирование пахотных почв палеокриогенного комплекса Владимирского ополья // Почвоведение. 2007. № 3. С. 261-271.
16. Федотов Г.Н., Шеин Е.В., Путляев В.И., Архангельская Т.А., Елисеев А.В., Милановский Е.Ю. Физико-химические основы различий седиментометрического и лазерно-дифракционного методов определения гранулометрического состава почв // Почвоведение. 2007. № 3. С. 310-317.
17. Архангельская Т.А. Расчетный метод выявления структуры температурного поля в пахотных почвах палеокриогенных комплексов Русской равнины // Вестник ОГУ. 2007. Октябрь. Вып. 75. Ч. 1. С. 28-32.
18. Архангельская Т.А., Умарова А.Б. Температуропроводность и температурный режим почв в больших лизиметрах Почвенного стационара МГУ // Почвоведение. 2008. № 3. С. 311-320.
19. Архангельская Т.А., Прохоров М.В., Мазиров М.А. Годовая динамика температуры пахотных почв палеокриогенных комплексов Владимирского ополья // Криосфера Земли. 2008. Т. XII. № 3. С. 80-86.
III. Публикации в журналах, продолжающихся изданиях и сборниках 20. Рычева Т.А. Температуропроводность дерново-подзолистой почвы при различной влажности // Физика почв и проблемы экологии. Пущино, 1992. С.
94-95.
21. Рычева Т.А. Моделирование температурного режима почвы на основе данных метеонаблюдений // Тезисы докладов II съезда Общества почвоведов 27-июня 1996 г. Книга 1. Санкт-Петербург. 1996. С. 108-109.
22. Рычева Т.А., Умарова А.Б., Губер А.К. Годовая динамика температуры дерново-подзолистой почвы в условиях лизиметров Почвенного стационара МГУ // Лизиметрические исследования почв. Москва, 1998. С. 123-126.
23. Рычева Т.А., Губер А.К., Умарова А.Б. Суточные колебания температуры дерново-подзолистой почвы в лизиметрах Почвенного стационара МГУ // Лизиметрические исследования почв. Москва, 1998. С. 126-129.
24. Рычева Т.А., Губер А.К. Корреляционные связи между температурой воздуха и почвы в условиях лизиметров Почвенного стационара МГУ // Лизиметрические исследования почв. Москва, 1998. С. 129-132.
25. Умарова А.Б., Рычева Т.А., Губер А.К., Леонова А.А. Особенности формирования вертикального стока в период весеннего снеготаяния на лизиметрах Почвенного стационара МГУ // Лизиметрические методы исследований в агрохимии, почвоведении, мелиорации и агроэкологии. Москва-Немчиновка, 1999.
С. 214-220.
26. Рычева Т.А., Умарова А.Б., Губер А.К. Исследования температуры почвы в условиях лизиметров Почвенного стационара МГУ // Лизиметрические методы исследований в агрохимии, почвоведении, мелиорации и агроэкологии. Москва-Немчиновка, 1999. С. 220-224.
27. Рычева Т.А., Мазиров М.А. Температуропроводность серых лесных почв Владимирского ополья и ее пространственная изменчивость // Экология речных бассейнов. Владимир, 1999. С. 72-75.
28. Рычева Т.А. Моделирование температуры почвы по данным о температуре ее поверхности // Экология речных бассейнов. Владимир, 1999. С. 126-129.
29. Архангельская Т.А., Мазиров М.А. Теплофизические характеристики серых лесных почв Владимирского ополья и их пространственная неоднородность // Совершенствование технологий возделывания сельскохозяйственных культур в Верхневолжье. Вып. 2. Владимир, 2000. С. 5-17.
30. Царева Т.И., Архангельская Т.А. Определение температуропроводности серой лесной почвы с использованием метода преобразованной температуры // Совершенствование технологий возделывания сельскохозяйственных культур в Верхневолжье. Вып. 2. Владимир, 2000. С. 18-23.
31. Архангельская Т.А., Мазиров М.А. О точности моделирования температуры почвы по метеоданным о температуре воздуха // Совершенствование технологий возделывания сельскохозяйственных культур в Верхневолжье. Вып. 2.
Владимир, 2000. С. 24-28.
32. Архангельская Т.А. Методика исследований температурного режима пространственно-неоднородного почвенного покрова // Современные проблемы опытного дела. Т.1. Санкт-Петербург, 2000. С. 54-59.
33. Губер А.К., Архангельская Т.А. Математическое моделирование в физике почв: современное состояние и тенденции развития // Тезисы докладов III съезда Докучаевского общества почвоведов 11-15 июля 2000 г., Суздаль, книга 1.
Москва, 2000. С. 87-89.
34. Архангельская Т.А., Губер А.К., Прохоров М.В. О влиянии второго гумусового горизонта на температурный режим серых лесных почв Владимирского ополья // Тезисы докладов III съезда Докучаевского общества почвоведов 11-июля 2000 г., Суздаль, книга 1. Москва, 2000. С. 173.
35. Мазиров М.А., Архангельская Т.А. Теплофизические свойства серых лесных почв Владимирского ополья // Тезисы докладов III съезда Докучаевского общества почвоведов 11-15 июля 2000 г., Суздаль, книга 1. Москва, 2000. С.
193-194.
36. Архангельская Т.А. Особенности внутрипочвенного теплообмена комплекса серых лесных почв Владимирского ополья // Консервация и трансформация вещества и энергии в криосфере Земли. Пущино, 2001. С. 131-133.
37. Архангельская Т.А., Мазиров М.А. Моделирование сезонной динамики температуры почвы с использованием многолетних регрессионных соотношений // Системы воспроизводства плодородия почв в ландшафтном земледелии.
Белгород, 2001. С. 25-28.
38. Губер А.К., Архангельская Т.А. О существовании особого гидротермического режима серых лесных почв со вторым гумусовым горизонтом // Масштабные эффекты при исследовании почв. М., 2001. С. 186-195.
39. Архангельская Т.А. Влияние тяжелой сельскохозяйственной техники на температуропроводность серой лесной почвы // Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям. Москва, 2002. С. 110.
40. Архангельская Т.А. Температуропроводность почвы западин в почвенном покрове Владимирского ополья // Гидроморфные почвы - генезис, мелиорация и использование. Москва, 2002. С. 5.
41. Архангельская Т.А. Мониторинг температуры почвы при разработке адаптивно-ландшафтных и прецизионных систем земледелия // Современные проблемы земледелия и экологии. Курск, 2002. С. 41-44.
42. Архангельская Т.А., Бедрина Т.Н. О влиянии метеоусловий на пространственную изменчивость температуры серой лесной почвы // Труды ВНИИСХМ, вып. 34. Проблемы агрометеорологии и агроклиматологии. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. С. 121-131.
43. Архангельская Т.А. Потоки энергии в комплексном почвенном покрове Владимирского ополья и современные механизмы формирования его структуры // Роль почвы в формировании ландшафтов. Казань: изд-во Фэн, 2003. С.
14-17.
44. Архангельская Т.А., Конищев В.Н., Рогов В.В. Соотношение признаков криогенного и химического выветривания в минералогическом спектре почв Владимирского ополья // Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения. Москва, 2003. С. 184-185.
45. Архангельская Т.А., Бутылкина М.А., Мазиров М.А., Прохоров М.В., Голев Е.А. Особенности залегания почв со вторым гумусовым горизонтом в рельефе пологого выровненного склона // Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации. Москва, 2003. С. 156-158.
46. Архангельская Т.А., Мазиров М.А., Прохоров М.В., Бутылкина М.А., Голев Е.А. Температура и влажность почв Владимирского ополья в условиях жаркого влажного лета // Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации. Москва, 2003. С. 159-161.
47. Мазиров М.А., Архангельская Т.А., Прохоров М.В., Бутылкина М.А. Комплексное исследование почвенного покрова пологого склона в юго-восточной части Владимирского ополья // Материалы IV съезда Докучаевского общества почвоведов 9-13 августа 2004 г. Новосибирск, 2004. Книга 1. С. 439.
48. Архангельская Т.А. Новая эмпирическая формула для оценки коэффици ента температуропроводности почвы // Материалы научной сессии по фундаментальному почвоведению 30 ноября - 2 декабря 2004 г. Москва, 2004. С. 4546.
49. Архангельская Т.А. Тепловые свойства почвы: роль плотности, дисперсности и содержания органического вещества // Структура и динамика молекулярных систем. Вып. 12. Йошкар-Ола, 2005. Часть 1. С. 20-25.
50. Arkhangelskaya T.A. Soil thermal properties as related to basic physical characteristics and freezing-thawing regime of a spatially heterogeneous paleocryogenic soilscape // Cryosols: genesis, ecology and management. Materials of the IV International Conference on Cryopedology, Arkhangelsk - Pinega, Russia, August 1-8, 2005. Pp. 28-29.
51. Архангельская Т.А. Экологическая функция почвы как депо тепла и влаги:
реализация в комплексном почвенном покрове Владимирского ополья // Экологические функции лесных почв в естественных и антропогенно нарушенных ландшафтах. Петрозаводск, 2005. С. 127-128.
52. Архангельская Т.А. Тепловые свойства почв: методы экспериментального определения и способы расчетной оценки // Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути стандартизации. Москва, 2005. С. 174-176.
53. Мазиров М.А., Архангельская Т.А., Тымбаев В.Г., Фаустова Е.В. Использование педотрансферных функций при картировании тепловых свойств почв // Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути стандартизации. Москва, 2005. С. 124-125.
54. Архангельская Т.А. Опыт использования понятийного аппарата математической физики в современном почвоведении: достижения и проблемы // Экология и почвы. Том V. Пущино. ОНТИ ПНЦ РАН. 2006. С. 37-42.
55. Архангельская Т.А. Идеи физики неравновесных систем в современном почвоведении // Почвоведение и агрохимия в XXI веке. Санкт-Петербург, 2006.
С. 187-188.
56. Архангельская Т.А., Прохоров М.В., Мазиров М.А. Температуропроводность почв Владимирского ополья и ее роль в формировании температурного режима почвенного покрова // Современные проблемы повышения плодородия почв и защиты их от деградации. Минск, 2006. С. 23-25.
57. Arkhangelskaya T.A. Modern functioning of surface paleosols of the Russian Plain as related to lateral redistribution of heat fluxes in the upper soil layers // Abstracts of the 18th World Congress of Soil Science. Philadelphia. 2006.
58. Shein E.V., ArhangelТskaya T.A., Butilkina M.A., Tymbaev V.G. Evolution of a spatially heterogeneous paleocryogenic soilscape and its impact upon formation of coupled moisture and thermal regimes // Abstracts of the 18th World Congress of Soil Science. Philadelphia. 2006.
59. Архангельская Т.А. Поглощение и преобразование солнечной энергии в комплексном почвенном покрове // Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем. Иркутск, 2006.
С. 197-198.
60. Шеин Е.В., Архангельская Т.А., Умарова А.Б. и др. Обзор современных методов физики почв: требования агро- и геотехнологий, научно-обоснованных биосферных прогнозов // Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем. Иркутск, 2006. С. 24-26.
61. Шеин Е.В., Умарова А.Б., Архангельская Т.А. и др. Пространственновременная изменчивость почвенно-физических свойств и процессов на разных иерархических уровнях как основа биоразнообразия // Биоразнообразие экосистем Внутренней Азии. Улан-Удэ, 2006. С. 75-76.
62. Марусова Е.А., Бедрина Т.Н., Архангельская Т.А. Влияние природных и антропогенных факторов на пространственное варьирование морфологических особенностей пахотных серых лесных почв // Почвенные процессы и пространственно-временная организация почв. М.: Наука, 2006. С. 541-552.
63. Arkhangelskaya T.A. On the use of the concepts of mathematical physics in modern soil science // Eurasian soil science. 2006. Vol. 39. Supplement I. Pp. S20S25.
64. Архангельская Т.А. Структура палеокриогенного почвенного покрова Владимирского ополья и современное функционирование сопряженных участков // Пространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты. Санкт-Петербург. 2007. С. 152-155.
65. Шеин Е.В., Архангельская Т.А., Дембовецкий А.В. и др. Проблемы количественной оценки пространственной структуры физических свойств в комплексном почвенном покрове // Пространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты. Санкт-Петербург. 2007.
С. 25-27.
66. Архангельская Т.А., Прохоров М.В. Целлюлозолитическая активность геохимически сопряженных почв палеокриогенного комплекса Владимирского ополья // Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования. Часть 1. Астрахань. 2007. С. 105-106.
67. Архангельская Т.А. Метод расчетной оценки температуропроводности почвы и его применение для выявления термически инертных зон в комплексном почвенном покрове // Ноосферные изменения в почвенном покрове. Владивосток, Изд-во Дальневосточного университета, 2007. С. 432-435.
68. Архангельская Т.А., Тымбаев В.Г., Гончаров В.М. Температуропроводность почв Владимирского ополья: расчетная оценка и статистическое сопоставление // Ноосферные изменения в почвенном покрове. Владивосток, Изд-во Дальневосточного университета, 2007. С. 428-430.
69. Архангельская Т.А. Понятийный аппарат математической физики в современном почвоведении: состояние, проблемы, перспективы. // Организация почвенных систем. Т. 1. Пущино, 2007. С. 76-80.
70. Архангельская Т.А. Математические методы в теплофизике почв: от лабораторного образца до почвенного покрова // Материалы V Всероссийского съезда ДОП. Ростов-на-Дону. 2008.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по сельскому хозяйству