3-D морфология и моделирование водно-физических свойств почв Захарченко А.В., Росновский И.Н. НИИ биологии и биофизики при ТГУ ИМКЭС СО РАН, г. Томск

Цель работы – рассмотреть систему регуляции движения влаги в почвенном теле. Практически во всех климатических моделях в качестве подблока входят модели подстилающей поверхности (почвы и экосистемы). Это не случайно, поскольку от процессов, протекающих в почвах и экосистемах, зависят и процессы энерго- и массообмена в приземном слое атмосферы. Имеющиеся на сегодняшний день модели переноса влаги и тепла в почвах как правило одномерны и не учитывают пространственного распределения свойств почвенных горизонтов Всю совокупность процессов, протекающих в почвах, можно свести к трем основным процессам - обмен энергией, веществом и информацией (ЭМИ - процесс). Их параметры определяют современное состояние, дальнейшую эволюцию почв и почвенного покрова. Несомненно, важнейшими из ЭМИ - процессов для почв (как компонента экосистем) являются их тепловой и водный режимы. Они совместно с литологией и растительностью (состав растительности кроме всего прочего определяется эволюционно-историческими причинами) задают цели почвы как системы, тем самым, создавая структуру и элементный состав и взаимосвязи между элементами. тепловой и водный режимы являются системообразующими факторами и задают основное направление почвообразования в каждой конкретной биоклиматической обстановке, а также и условия существования живых организмов (Роде, 1952; Шульгин, 1957; Димо, 1972; Волобуев, 1974; Шабанов, 1973, Соколов, 1993).

В качестве основы использовались натурные морфологические наблюдения (3D морфометрия) элювиального слоя дерново-подзолистых почв на площади 1 м 2 в трехмерной координатной системе методом последовательных вертикальных срезов (Захарченко, Росновский, Кулижский, 2003). Схема установки показана на рисунке 1. Изучаемая площадь Рис. 1. Схема установки для трехмерного морфологического изучения почв Опорная рейка Скользящая планка (уровень) Линейка Вертикальный срез почвы

Вид сверху Вид спереди, скользящая планка отведена в конец площади Рис. 2. Вид сверху и спереди установки 3D морфометрии

Параметрическую форму задания морфологической системы составляет совокупность основньк взаимосвязанных между собой морфологических показателей: глубины (высоты) как функции двух плановых координат [Н(х, у)]; первой H (х, у)] и второй [Н" (х, у)] производных глубины (высоты); горизонтальной кривизны поверхности горизонта [Kg] (Ласточкин, 2002). Графическим выражением функции Н(х, у) являются гипсометрическая и топографическая карты, профили поверхности каждого горизонта почвы. Основными выделяемыми единицами являются площадные элементы (элементарные поверхности). Их ограничениями служат отражающие, структуру поверхности почвенных горизонтов линейные и точечные элементы. Определенная по методу полной группы систематика всех возможных в природе элементов земной поверхности в наиболее полном виде приведена в работе А.Н. Ласточкина (2002). Основные выделяемые единицы - элементарные поверхности на карте горизонтов почвы являются неделимыми и однородными по относительному положению, углам наклона, вертикальной и горизонтальной кривизне. Структурные линии представляют собой не только педоморфологические (морфологические) границы главных «картируемых» единиц - элементарных поверхностей, но и оконтуривают приуроченные к этим элементам относительно однородные в литологическом и экологическом отношениях участки поверхности горизонта (структурные отдельности). А совокупность структурных линий и характерных точек образует структуру поверхности горизонта.

Юрий Борисович Виноградов (1988) писал «Поскользнувшись на глинистом склоне, мы способны разрушить сразу до десятка стоковых элементов крохотных ячеек, моделирующих нечто вроде водосбора». Под стокоформирующим элементом нами понимается всякий элемент системы регулирования движения воды. Тогда элементарная ячейка – минимальное пространство земной поверхности, имеющее определенный набор стокоформирующих элементов. Очевидно, что для понимания физики процессов, протекающих в ней, требуется трехмерный взгляд на почвенное тело, являющееся центральным звеном потребления и распределения влаги. Изучение развития и функционирования этих ячеек лежит на стыке многих наук: физики, морфологии почв, ландшафтоведения, биогеоценологии и др. Трехмерное решение задачи влагопереноса в почвах усложняется при учете неоднородности, а точнее, пространственной организованности почвенного тела. Здесь приобретает значение информационные свойства системы (ИСС) регулирования движения влаги – форма поверхности почвы и горизонтов, наличие вертикальных и горизонтальных морфоструктур и их взаиморасположение, выступающие как перераспределители потоков влаги и тепла. ИСС – система обустройства внутрипочвенной среды, обладающая характерным набором элементов регуляции влагообмена в почве, событийно связанные в пространственном и временном масштабе исследования.

Выбор объекта и метода определялся объективными причинами. 1. В дерново-подзолистых почвах горизонты визуально различимы с точностью до миллиметра, что исключает фактор субъективизма при выделении границ почвенных горизонтов. 2. Горизонты дерново-подзолистой почвы как модельного объекта имеют существенные различия не только (и не сколько) по множеству морфологических, но и по гидрологическим показателям. 3. Элювиальные слой играет наиболее важную роль в перераспределении сезонной влаги внутри почвенного тела. 4. Площадь в 1 м 2 оказалась достаточно репрезентативна для выявления основных стокоформирующих элементов для модельного тира почв. 4. Почвообразовательный процесс, как часть сложной и динамичной природной системы, развиваясь во времени, приспосабливает почву к наиболее оптимальному функционированию в различных гидрологических режимах, организуя строение её твёрдой фазы. 5. Трехмерная морфометрия (3D morfometric) дает возможность визуализировать основные структуры, ответственные за регуляцию водного режима почвы. 6. Метод последовательных вертикальных срезов широко используется в различных областях науки для отображения поверхности тел сложной пространственной организации, вычисления площади сечения и объема, что полезно при концептуальном описании модели. 7. Полученные данные пространственной организации почвенного тела в купе с гидрологическими характеристиками позволят разыгрывать различные сценарии гидрологических режимов почвы на основе физико-математического моделирования.

Поступающая влага в слой 1 Аккумулированная слое 1 Поступающая влага в слой 2 Радиальное перераспределение влаги на поверхности слоя Поверхностный сток Рис. 3. Схема инфильтрации влаги осадков в почве

Основываясь на схеме рисунка 3, определяем: Вертикаль: W2 = W1 – (HB – W0) [1- exp(-W1/ (HB – W0)]; WA = W1 – W2; T = WA / Кф1. Здесь у нас обозначено: W 1 – количество влаги, поступающее в слой 2 1 ; W 2 – количество влаги, поступающее в слой 1; W 0 – влага содержащаяся в почве; НВ – наименьшая влагоемкость; W A – задержанное количество осадков до состояния наименьшей влагоемкости; V – интенсивность поступления в слой 1; T – время, необходимое для достижения слоем 1 наименьшей влагоемкости. Радиаль: Q2 = Q1 – MЛ. [1-exp (-Q1 / MЛ)] QA = Q1 – Q2; T=QA/Кф2, при Кф2 >Кф1 сток не образуется, где Q1 – Количество влаги, поступающей на поверхность горизонта; Q2 – Количество влаги, формирующей сток; QA – Влага, аккумулированная в «лужах»; MЛ – максимальное количество влаги, аккумулированное в лужах до формирования стока (емкость луж); Кф2 - коэффициент радиальной фильтрации слоя; Т – время наступления стока по поверхности горизонта.

Рис. 4. Стоковые ячейки водосборной поверхности почвы (стрелками показано направление стока) На входе в систему - количество (мм), интенсивность поступления осадков (мл/сек) на поверхность почвы (м 2 ). Впитывание влаги (инфидьтрацион но- диффузионная модель), формирование лужестости: площадь водосбора (м 2 ), максимальный объем лужи до возникновения стока (мл) (напорная инфильтрация)

В начальный момент поступления осадков на поверхность сухой почвы доминирует процесс впитывания. В случае превышения интенсивности поступления осадков над впитыванием формируются микроочаги луж, где инфильтрация интенсивней под напором H (глубина лужи). Под лужистостью мы будем понимать относительную долю площади водосбора, занятого поверхностью воды, наполняющей разного рода бессточные понижения (Виноградов, 1988). Естественно, нужно различать поверхностную лужистость (на поверхности почвы) и межгоризонтную лужистость. Однако, механизм их образования идентичен, так как имеют существенные различия по плотности. Несомненно, механизм фильтрации под поверхностью, занятой лужистостью и вне ее различен (напорная и безнапорная фильтрация). Кроме того, лужистость перераспределяет и процесс поступления влаги в объем почвенного горизонта. Таким образом, структура поверхности почвенного горизонта определяет структуру распределения в нем влаги. Рис. 5. Максимальная лужистость до формирования стока показана голубым цветом

Влага должна заполнить объем гумусового горизонта до состояния НВ, после чего формируется лужистость на поверхности элювиального горизонта Рис. 6. Объем гумусового горизонта, см 3

Рис. 7. Водосборные ячейки поверхности элювиального горизонта (A 2 ) Элементарные водосборные ячейки на поверхности горизонта A 2 (граница между горизонтами A 1 -A 2 ) являются элементами системы регуляции движения влаги в почве. Замкнутые вронкиобразные углубления на поверхности горизонта представляют собой языки гумусового горизонта, складываются в цепочки, образуя стоковые элементы системы регуляции влагообмена почвы.

Горизонтальный срез сделан по языков гумусового горизонта. Белесый цветом соответствует горизонту A 2, серый – A 1. На этом уровне среза (глубина ~18 см) хорошо заметно мелкоячеистое строение границы между гумусовым и элювиальным горизонтами. Сантиметровая шкала уровня – координата X (V1), нивелировочная рейка – Y (V2). На площади отобраны образцы почвы на объемную массу кольцом диаметром 40 мм с фиксированным в пространстве положением точек отбора. В данном случае начало работы – пройдено см

На начальном этапе работ по теме мы имели в виду лишь одну форму лужистости - топографическую. Проведенные измерения физических характеристик элювиального горизонта в горизонтальной плоскости показали, что при анализе передвижения воды в почвенном горизонте следует различать еще одну форму «лужистости» - субстантивную (физическую). Она связана с неравномерностью распределения в теле почвенного горизонта основных водно-физических характеристик, определяющих свойства его проводимости и емкости (пористости, наименьшей влагоемкости), что показано на рис. 8, 9. Рис. 9. Распределение НВ в элювиальном горизонте почвы (v1, v2 – координаты, см) Рис. 8. Распределение пористости в элювиальном горизонте почвы (v1, v2 – координаты, см)

Физическая неоднородность определяет неравномерность фильтрационных сопротивлений в горизонте почвы, что заставляет влагу перераспределяться из зон с большим фильтрационным сопротивлением в зоны с малым сопротивлением, создавая тем самым такой же эффект «лужистости». Одним из удобных способов анализа фильтрационных сопротивлений (Rф i ) и их связи с физическими свойствами почвенных горизонтов показан нами ранее (Росновский, 2002; Росновский и др., 2003): Где - i / Kф i = Rф i и K / Kф K = Rф K ( K и Kф K потенциал почвенной влаги и коэффициент фильтрации при влажности МАВ – W 1 ; K S = ρS – индекс удельной поверхности каждой отдельности горизонта; S n – проводящая удельная поверхность, зависящая от пористости). Величина Rф к, на наш взгляд, является важнейшим параметром почвы, характеризующим ее поверхностные свойства и проводимость. Эту функцию можно рассматривать как функцию заполнения порового пространства почвы водой и зависящую от структуры почвы, так как соотношение К S /S n – является показателем ее структурного состояния (рис. 10).

Рис. 10. Распределение индекса удельной проводящей поверхности (K S, м -1 ) в элювиальном горизонте почвы (v1, v2 – координаты, см)

Рис. 11. Фрагмент (1 м) вертикального среза, отражающий взаимосвязь языков гумусового горизонта и ВТС, где границы морфоструктур зарисованы пантографом в масштабе 1:5, верх рисунка совмещен с горизонтальным уровнем (очерчены языки горизонтов)

С целью изучения пространственной взаимосвязи языков гумусового горизонта и вертикальной трещинной сети (ВТС) элювиальных горизонтов заложена площадка, на которой мы попытались совместить изображения горизонтальных морфострукттур ВТС и вертикальных измерений мощности A 1. На рисунке 12 серыми линиями изображена вертикальная трещинная сеть, зарисованная в натурных условиях пантографом в масштабе 1:5 и стилизованная прямыми линиями. Глубина среза см, ширина – 1 м, длина – 1,3 м. Красным обозначены кончики языков гумусового горизонта (A 1 ), сделанные на основе измерения мощности A 1 методом последовательных вертикальных срезов с шагом в 5 см. Точки соединены автором на основе анализа карты рельефа поверхности A 1. Рисунок 12.

Элементы системы регуляции формирования внутрипочвенного стока в масштабе исследования 1 м 2 1.Стоковые линейные элементы, замкнутые аккумулирующие элементы (лужистость). Характеристики – ширина, глубина русла стока; площадь, уклоны водосборной поверхности; объем, глубина луж; 2.Топографические, гидрофизические характеристики горизонта впитывания – объем, распределение на площади объемной массы, индекса удельной проводящей поверхности, наименьшая влагоемкость, коэффициент фильтрации вертикальный и радиальный; 3.Вертикальная трещинная сеть – ширина, глубина, общая длинна на ед. площади, индекс удельной проводящей поверхности, коэффициент фильтрации вертикальный, радиальный в сторону высекаемой призмы и вдоль трещины; A1 ВТСВТС Сброс излишка влаги в почвенно-грунтовые воды А2 A2B А2 A2B B1

Выводы 1.На основе трехмерного изображения строения тела дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы выявлены транзитные и аккумулирующие структуры формирования внутрипочвенного стока. 2.Показаны основные параметры и характеристики модели, методические подходы к изучению движения влаги в почве с наличием сложной поверхности и вертикальной трещинной сети. 3.Установлены пространственные взаимосвязи между морфоструктурами, участвующими в формировании внутрипочвенного стока. 4.Предлагаемый нами новый подход к описанию морфологии и физических свойств почв при соответствующей доработке позволит учесть то обстоятельства, что почва представляет сложную многокомпонентную систему и может лечь в основу 3-D физики и морфологии почв. Литература 1.Захарченко А.В., Росновский И.Н., Кулижский С.П., Габец О.И. 3-мерная морфометрия фитогенных образований в почвенном объеме методом последовательных вертикальных срезов\\ Сб. науч. тр. Лесное хозяйство и зеленое строительство в Западной Сибири. Томск, – С Захарченко А.В., Росновский И.Н., Кулижский С.П. 3-мерная морфометрия почв как основа концептуального моделирования их физического состояния\\ «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации», 2003 г. 3.Росновский И.Н., Кулижский С.П., Захарченко А.В. Моделирование изменения фильтрационных свойств элювиально-иллювиальных горизонтов почв\\Природные условия, история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов. Тез. докл. V1 междун. науч. конф. – Ховд, Монголия, Виноградов Ю.Б. Математическое моделирование процессов формирования стока, Ласточкин А. Н. Геотопология, структурная география и общая теория геосистем, 2002