Запасы продуктивной влаги в почвах природно-техногенных комплексов лесостепной зоны Кузбасса | Вестн. Том. гос. ун-та. 2011. № 350.

Запасы продуктивной влаги в почвах природно-техногенных комплексов лесостепной зоны Кузбасса

Рассмотрено изменение запаса продуктивной влаги в весенний/осенний период на примере территорий природно-техногенных комплексов лесостепной зоны Кузбасса. Представлены два варианта трансформации водных режимов плакорных участков, претерпевающих как иссушение прилегающих к отвалам территорий, так и их заболачивание. Данное исследование дает возможность понять один из процессов экогенеза со стороны техногенных ландшафтов на прилегающие естественные экосистемы.

The stock of productive moisture in soils of natural-technogenic complex of Kuzbass forest-steppe zone.pdf Добыча полезных ископаемых привела к специфи-ческой деградации почвенного покрова, расположенно-го не только на территории горных отводов, но и при-легающих естественных ландшафтах. Обладая индиви-дуальными структурно-функциональными особенно-стями: литогенной основой, рельефом, микроклиматом,неоднородностью педо- и биотопов и т.д., техногенныеландшафты (в частности, отвалы вскрышных и вме-щающих пород) оказывают антропогенную нагрузку наприлегающие естественные экосистемы и их базовуюоснову - почву, что приводит к трансформации основ-ных физико-химических свойств и дальнейшей дегра-дации. Следует отметить, что подобные изменения вприроде могут быть вызваны глобальными природны-ми катаклизмами либо медленной естественной эволю-цией в геологически обозримый период [1, 2]. Поэтомуцелью данного исследования являлась оценка запасовпродуктивной влаги (ЗПВ) в почвенном покрове при-родно-техногенных комплексов лесостепной зоны Куз-басса в зависимости от степени экогенного воздействия.Исходя из этого, были поставлены следующие задачи:оценить ЗПВ в почвенном покрове природных террито-рий, примыкающих к отвалам, установить основныепричины и явления, влияющие на их накопление.Объекты и методы исследованияВ весенний/осенний период 2009 г. были обследо-ваны на содержание внутрипочвенной влаги естествен-ные территории, приуроченные к «Северному» («Ба-чатский» угольный разрез) и «Центральному» (уголь-ный разрез «Шестаки») отвалу. Объектами наблюденияданных природно-техногенных комплексов стали пла-корные участки, расположенные на различном удале-нии от техногенных объектов по трансекте «юго-запад» ↔ «северо-восток» в связи с преобладающимиюго-западными ветрами [3]. Параллельно определялисьЗПВ на территории, не подверженной воздействию состороны техногенных объектов. На всех ключевыхучастках почвенный покров представлен черноземамивыщелоченными, на территории, расположенной вдольсеверо-восточного фаса «Центрального» отвала, - чер-ноземно-луговой. Согласно природно-климатическомузонированию территория относится к лесостепной зонеКузнецкой котловины [4].Результаты исследования и обсуждениеОсновными источниками поступления воды в почвуявляются атмосферные осадки, конденсация парооб-разной воды из атмосферы и грунтовые воды [5].Известно, что далеко не все количество атмосфер-ных осадков попадает в почву. Жидкие осадки могутстекать в результате поверхностного стока. Количествоих потерь зависит от многих факторов, важнейшими изкоторых являются: угол наклона поверхности, интенсив-ность и количество поступающих осадков, физическиесвойства почвы, а также степень проективного покрытияпочвы растениями [6]. Перераспределение твердых осад-ков по территории также достаточно неравномерновследствии ветропереноса, снегозадерживающей способ-ности растений и различного рода преград.Конденсация парообразной влаги из атмосферыпроисходит в результате резкого охлаждения поверх-ности почвы, количество данной влаги незначительно,и им можно пренебречь.Еще одним источником поступления в почву влагивыступают грунтовые воды в результате капиллярнойсвязи. На исследуемых участках они не играют значи-мой роли, так как черноземы и эмбриоземы относятся кпочвам, расположенным в автоморфной позиции врельефе (глубина залегания грунтовых вод более 10 м).Лишь черноземно-луговая почва у подножия «Цен-трального» отвала функционирует в условиях грунто-вого увлажнения.Согласно исследованиям А.А. Роде [7], вода, попавв почву, перемещается в нижние горизонты и с внут-рипочвенным боковым стоком, расходуется растения-ми на транспирацию в результате дисукции, а такжеиспаряется в атмосферу.Водный режим черноземов района исследования,расположенных на хорошо дренируемой территории ив зоне умеренно влажного и умеренно теплого климата,характеризуется как удовлетворительный [8] и соот-ветствует периодически промывному типу. Наиболееважными ЗПВ, служащими основным источником длярастений, выступают запасы весеннего/осеннего пе-риода. Значение осадков этого времени года для дан-ной территории велико в связи с малоснежными зима-ми и частыми летними засухами [9].На контрольном участке, не подверженном техно-генному воздействию, складываются типичные усло-вия водного режима для черноземных почв данногорайона исследования. Количество влаги в нижних го-ризонтах регулируется позднеосенними осадками, атакже талыми водами и далее используется в течениелетнего периода растениями в качестве резерва. Летниеосадки участвуют в увлажнении лишь верхних гори-зонтов. Соответственно, в динамике влаги можно вы-делить два основных периода:1) общее иссушение почвенного профиля с концавесны до начала осени в результате интенсивного рас-хода влаги растениями и испаряемости с преобладани-ем восходящих токов над нисходящими;2) увеличение запасов влаги в толще почвенногопрофиля во второй половине осени в результате про-мачивания, прерывающееся морозами и дальнейшимпополнением запасов весной талыми водами.Было установлено, что наиболее напряженный ре-жим по обеспеченности влагой складывается для тер-риторий, расположенных в зоне экогенного воздейст-вия «Северного» отвала «Бачатского» угольного разре-за. В зоне максимального воздействия, расположеннойу юго-западного подножия отвала, складывается не-промывной водный режим, таким образом, в нижнейчасти почвенного профиля чернозема выщелоченногоформируется горизонт с постоянной влажностью, какправило, не превышающей величины влажности завя-дания [10]. Подобная ситуация свойственна для засуш-ливых и полузасушливых территорий с распростране-нием обыкновенных и южных черноземов.В зоне максимального экогенного воздействия«Центрального» отвала (УР «Шестаки»), у северо-восточного подножия, наблюдается резкое переувлаж-нение. Это связано с перекрытием природных водото-ков, способствующим скоплению влаги атмосферныхосадков в депрессивных участках, и с формированиемтемпературного режима [11]. Таким образом, на даннойтерритории формируется водный режим переменно пе-риодического промывного типа, характерной чертойкоторого является промачивание всей почвенно-грунтовой толщи до грунтовых вод. Данный тип соот-ветствует большинству почв таежно-лесной зоны с пре-обладанием нисходящих токов над восходящими [5]. Всвязи с этим был рассмотрен запас продуктивной влагина территориях природно-техногенного комплекса ввесенний/осенний период их формирования (таблица) иоценен по шкале А.Ф. Вадюниной, З.А. Корчагиной.Весной на территории, расположенной вдоль фаса«Северного» отвала, накапливается порядка 54,1 мм вла-ги в метровом слое. При этом большая ее часть (38,8 мм)сосредоточена в верхнем гумусовом горизонте, и вдальнейшем достаточно быстро расходуется на физиче-ское испарение, вследствие повышенной температуры[11], и транспирацию растений. Таким образом, состоя-ние данных территорий по ЗПВ оценивается как оченьплохое, что сказывается на биологической урожайностии качестве травостоя, характерного для засушливых зон.Причиной такого явления служит осеняя влагозарядка(71,6 мм для 0-100 см), а также неравномерное мало-мощное снегонакопление и низкое содержание запасоввлаги в результате процессов сублимации.Запасы продуктивной влаги (2009 г.)Почвенный покров ключевых участков (удаление) Весна (апрель) ЗПВ 0,2/1 м, мм Осень (октябрь)Территории, приуроченные к юго-западному склону «Северного» отвалаЧернозем выщелоченный (подножие отвала) 38,8/54,1 40,1/71,6Чернозем выщелоченный (50 м от отвала) 45,2/88,9 41,8/91,0Чернозем выщелоченный (200 м от отвала) 61,8/169,6 40,9/97,1Чернозем выщелоченный (500 м от отвала) 56,8/144,1 46,6/90,1Территории, приуроченные к северо-восточному склону «Центрального» отвалаЧерноземно-луговая (подножие отвала) 93,4/353,3 112,6/473,1Чернозем выщелоченный (120 м от отвала) 33,2/62,9 63,1/106,5Чернозем выщелоченный (600 м от отвала) 10,4/38,5 38,2/59,2Территории, не подверженные экогенному воздействию со стороны отваловЧернозем выщелоченный 71,9/199,4 50,9/100,6В результате пылепереноса с техногенных объектовтонкодисперсные частицы пыли в зимний период ак-кумулируются на поверхности снега, зачерняя его истимулируя процессы сублимации. На ее долю можетприходиться до 50% от общего запаса влаги [12]. Та-ким образом, значительная часть снега испаряется ещедо момента таяния, не участвуя в пополнении запасоввлаги в почве. Необходимо также учесть, что началоснеготаяния зачерненного снежного покрова происхо-дит гораздо раньше при одинаковых условиях инсоля-ции равно приуроченных ландшафтов относительнорельефа местности. Талые воды скатываются по по-верхности еще мерзлой почвы, на тот момент неспо-собной воспринимать их, в депрессивные (понижен-ные) формы рельефа. Тем самым создаются условиядля увеличения интенсивности протекания эрозионныхпроцессов и непродуктивной потери влаги зимнихосадков. Величина накопления снега представлена нарис. 1.Подобные явления приводят к сильному иссуше-нию черноземов уже в весенний период, что в даль-нейшем негативно сказывается на их водном режиме втечение периода вегетации. В дальнейшем поступлениевлаги осуществляется за счет летних дождевых осад-ков, так как другой источник в связи с глубоким зале-ганием грунтовых вод отсутствует. При этом глубиназалегания вод на территориях природно-техногенногокомплекса может увеличиваться за счет проявленияэффекта «депрессивной воронки» в результате гидрав-лического воздействия отвала на почвенную толщу,находящуюся в основании [9].Следует также отметить, что летом резко возрастаетрасход влаги за счет физического испарения, вызванно-го изреженным травостоем, слабо затеняющим поверх-ность почвы. Это приводит к снижению влаги в верх-ней части профиля, что наиболее ярко проявляется научастках, расположенных у юго-западного склона от-вала, получающего наибольшее количество солнечнойрадиации в течение дня [11], с общим проективнымпокрытием, не достигающим 70%. К июлю на метро-вой глубине исследуемых черноземов количество влагисокращается, находясь в пределах ВРК-ВЗ, и сохраня-ется в таком стабильном состоянии до первой полови-ны осени, изменения происходят только в верхнем пя-тидесятисантиметровом слое за счет промачиваниядождевыми осадками.Рис. 1. Высота (м), плотность (г/см3) и запасы влаги (мм)в снежном покрове на ключевых участках, февраль 2009 г.Во второй половине осени, даже при незначитель-ном количестве осадков, за счет снижения физическогоиспарения, понижения температуры воздуха и резкогоуменьшения водопотребления растениями происходитнакопление влаги в нижней части почвенного профилядо уровня, не превышающего запасы в весенний пери-од, и прекращается на момент наступления холодов.Таким образом, черноземы выщелоченные, располо-женные у юго-западного подножия «Северного» отва-ла, уходят в зиму уже с резким дефицитом ЗПВ, ееосенний запас варьирует в зависимости от расположе-ния участка и изменяется в пределах от плохого доудовлетворительного (см. таблицу). Интенсивностьпроявления описанных изменений зависит от степениэкогенного воздействия со стороны техногенных объ-ектов - отвалов, и нормализуется до естественного назначительном удалении в зависимости от характери-стик антропогенного источника [13].На участке, приуроченном к склону противопо-ложной ориентации «Центрального» отвала и естест-венной территории, как уже отмечалось, под действи-ем техногенного фактора сформировался переменнопериодический промывной водный режим, что приве-ло к излишнему переувлажнению. Расход влаги про-исходит следующим образом: часть влаги испаряетсяв свободную атмосферу, а также расходуется на фор-мирование мощного растительного покрова, харак-терного для заболоченных территорий, другая, боль-шая часть начинает просачиваться в почвенную тол-щу по мере ее оттаивания. Так, на 7 мая 2009 г. мерз-лотный слой находился на глубине 20 см. По степениудаления в северо-восточном направлении границасмещалась вниз по профилю почвы (120 м - 43 см,600 м - 79 см). Для сравнения приведем данные поключевым участкам природно-техногенного комплек-са «Северного» отвала: у подножия - 93 см, на удале-нии 50 м - 60 см, 200 м - 57 см, при максимальномудалении от отвала 500 м - в диапазоне 30-40 см. Ос-новными причинами такого отличия, на наш взгляд,являются: неравномерность распределения снежногопокрова, различие по времени и скорости снеготая-ния, степень экогенной нагрузки и другие сопутст-вующие факторы.К осени на территории вдоль северо-восточногофаса отвала происходит сокращение влаги в поверх-ностных горизонтах в результате стабильного нисхо-дящего тока, но, не смотря на это, участок уходит взиму сильно переувлажненным, что в дальнейшемнегативно сказывается на его температурном и вод-ном режиме.Территория, расположенная на удалении 120-600 мот «Центрального» отвала, весной характеризуетсяочень низким содержанием продуктивной влаги. При-чиной этого служит низкая осенняя влагозарядка, ко-личество влаги, полученной от снеготаяния, а такжеспецифика температурного режима и влажности возду-ха, вызванная формированием фенов. В данном случаеони представляют собой поток сухого и теплого возду-ха с отвала в направлении господствующих юго-западных ветров. Их образование происходит при «пе-реваливании» через нагретый юго-западный склон иплато отвала, в результате чего влажность воздуха мо-жет снижаться до 20-30%, а температура - возрастатьдо 5-7°С [14]. Продолжительность фена гораздо мень-ше, чем в горных районах, где она составляет несколь-ко суток. Но, тем не менее, данное явление оказываетиссушающее воздействие на почвенный покров, чтосказывается на растительности (изреженность траво-стоя, снижение биологической продуктивности и т.д.).Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод,что на исследуемых территориях природно-техногенных комплексов, приуроченных к одинако-вым формам рельефа - плакорным участкам, проте-кают два противоположных процесса: иссушение ипереувлажнение, которые характеризуются их ЗПВ.При этом накопление и расход внутрипочвеннойвлаги в течение года регулируется, прежде всего,техногенными и экогенными факторами, вызываю-щими различную обеспеченность растений доступ-ной влагой.

Ключевые слова

запас продуктивной влаги, водный режим, природно-техногенные комплексы, экогенез почвенного покрова, stock of productive moisture, water treatment, natural-technogenic complex, ecogenesis of soil

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Беланов Иван ПетровичИнститут почвоведения и агрохимии СО РАН (г. Новосибирск)аспирант лаборатории рекультивации почвBel_Ivan@rambler.ru
Госсен Игорь НиколаевичИнститут почвоведения и агрохимии СО РАН (г. Новосибирск)младший научный сотрудник лаборатории рекультивации почвBel_Ivan@rambler.ru
Всего: 2

Ссылки

Счастливцев Е.Л., Быков А.А. Оценка загрязнения атмосферы и выпадения загрязняющих веществ из атмосферы на подстилающую поверхность // Труды Кузбасской комплексной экспедиции. Кемерово, 2004. Т. 1. С. 717-728.
Моторина Л.В. Ландшафтно-экологический подход к оптимизации природно-техногенных комплексов // Техногенные экосистемы. Организация и функционирование. Новосибирск : Наука, 1985. С. 12-23.
Гигиенические аспекты районной планировки и градостроительства в Кемеровской области. Новосибирск : Наука, 1978. 228 с.
Трофимов С.С. Экология почв и почвенные ресурсы Кемеровской области. Новосибирск : Наука, 1975. 301 с.
Роде А.А. Водный режим почв и его регулирование. М. : Изд-во АН СССР, 1963. 119 с.
Шульгин А.М. Климат почвы и его регулирование. Л. : Гидрометеоиздат, 1967. 303 с.
Роде А.А. Основы учения о почвенной влаге. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. Т. 1. 296 с.
Хмелев В.А., Танасиенко А.А. Черноземы Кузнецкой котловины. Новосибирск : Наука, 1983. 256 с.
Счастливцев Е.Л., Танасиенко А.А., Андроханов В.А., Баранник Л.П. Состояние почвенного покрова и растительности на территориях, прилегающих к угольным разрезам на примере разрез «Бачатский» // Труды Кузбасской комплексной экспедиции. Кемерово, 2004. Т. 1.
Беланов И.П. Изменение накопления почвенной влаги на территории, подверженной экогенным нагрузкам в лесостепной зоне Кузнецкой котловины // Рекультивация нарушенных земель в Сибири. 2009. № 4. С. 19-21.
Беланов И.П. Влияние техногенных ландшафтов на температурный режим почв прилегающих естественных территорий // Сборник материалов IV Всероссийской научной конференции «Отражение био-, гео-, антропосферных взаимодействий в почве и почвенном покрове». Томск
Беланов И.П. Аккумуляция эоловой пыли на поверхности снежного покрова в результате техногенеза // Труды V Международной конференции «Эволюция почвенного покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы. Пущино, 2009. С. 251-252.
Пигорев И.Я. Экология техногенных ландшафтов КМА и их биологическое освоение. Курск : Изд-во Курской государственной сельскохозяйственной академии, 2006. 366 с.
Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М. : МГУ, 2006. 583 с.
 Запасы продуктивной влаги в почвах природно-техногенных комплексов лесостепной зоны Кузбасса | Вестн. Том. гос. ун-та. 2011. № 350.

Запасы продуктивной влаги в почвах природно-техногенных комплексов лесостепной зоны Кузбасса | Вестн. Том. гос. ун-та. 2011. № 350.

Полнотекстовая версия