Создание самой почвы, нормальное протекание важнейших физиологических процессов невозможно без постоянного и достаточного наличия влаги. От влагозапасов почвы в большей степени зависит и мощность сезонно-талого и сезонно-мерзлого слоев (СТС-СМС), которые являются одной из наиболее динамичных характеристик многолетнемерзлых пород. Условия увлажнения в отдельных природных зонах зависят не столько от количества выпадающих осадков и величины испарения, отдельно взятых, сколько от их соотношения, определяющего водный баланс почв и растений, а также от свойств почв, влияющих на процессы инфильтрации и испарения. Факторы, определяющие скорость потока тепла и влаги, в первую очередь климат, растительность и водные свойства почв, имеют зональный аспект, поэтому водный режим почв подчиняется принципу зональности.
Цель исследования – приблизительный расчет влагозапасов деятельного слоя основных типов ландшафтов бассейна р. Лены.
Материалы и методы исследования
Методика расчета. Для расчета влажности грунтов различных типов ландшафтов исходным материалом послужили: ландшафтная карта, карты типов растительности и влагообеспеченности, разрезы поверхностных отложений, водно-физические константы, материалы экспериментальных исследований гидротермического режима почв и др.
Для определения степени увлажнения существуют многочисленные показатели. На практике в основном используются радиационный индекс сухости, отношение осадков к дефициту влажности воздуха, гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова, отношение осадков к расчетным величинам испаряемости по основным факторам испарения и др.
В качестве одного из основных показателей широко применяется гидротермический коэффициент (ГТК) Селянинова
Р/0,1ΣТ,
где Р – осадки; ΣТ – сумма температур за летние месяцы [1, с. 154].
Недостатком ГТК является неучет весенних запасов влаги в почве.
Радиационный индекс сухости М.И. Будыко (1956)
R/LР,
где R – радиационный баланс; LР – затрата тепла на испарение осадков, ограничен тем, что актинометрические наблюдения проводятся только на станциях 1 класса [2, с. 161].
П.И. Колосков (1947) предложил определять увлажненность почвы через формулу
W = K(H/E – e)
где W – увлажненность почвы, Н – количество осадков, Е – е – недостаток упругости пара и К – коэффициент пропорциональности [3, с. 27].
Применение этой формулы затрудняется тем, что К подлежит дополнительному определению на основании учета данных о влажности почвы.
Метод Д.И. Шашко (1985)
КУ = Р/0,45ΣD,
где Р – годовое количество осадков, ΣD – сумма дефицита влажности воздуха [4, c. 45].
Он более точно отражает степень увлажненности местности, так как учитывает годовой ход осадков и испарения. Показатель увлажнения Н.Н. Иванова (1948) еще лучше выражает природные зональные особенности территории и динамику увлажнения теплого периода:
Ем = 0,0018(25 + t)2 (100 – а),
где Ем – испаряемость за месяц, мм; t – средняя температура месяца, °С; а – средняя относительная влажность воздуха за месяц, в % [5, c. 80].
Мы использовали карту увлажненности, построенную Д.И. Шашко (1985) по методу Н.Н. Иванова [4, c. 89]. Территория бассейна р. Лены по условиям годового увлажнения попадает в зону достаточно влажного, умеренно влажного и недостаточного увлажнения.
По картам растительности, увлажненности и разновидностям механического состава водно-физических свойств мы можем проводить приблизительный расчет пределов изменения влажности почв в засушливые и увлажненные годы. Так, например, почвы зоны тундры переувлажнены весь теплый сезон, и их влажность изменяется от полной до наименьшей влагоемкости. В каждом типе ландшафтов по совокупности тех или иных условий влажность почвы может меняться от влажности завядания до полной влагоемкости. Поэтому необходимо использовать водные константы и физические свойства почв в зависимости от механического состава.
Средние величины плотности твердого минерального компонента мерзлой породы называют удельным весом (УВ). Для приближенных расчетов УВ принимают равными для песков – 2,65, суглинков – 2,70–2,73 и глин – 2,75 г/см3. Плотность скелета мерзлой породы изменяется в среднем от 2,0 до 0,62 г/см3. Плотность мерзлой породы изменяется от 1,0 г/см3 и меньше для сильнольдистых льдонасыщенных пород с атакситовой криогенной текстурой, до 2,73 г/см3 и выше для прочно сцементированных аргиллитов и песчаников с массивной криогенной текстурой [6, с. 112]. Объемный вес (ОВ) и наименьшую влагоемкость (НВ) разновидностей механического состава мы получили в результате статистической обработки данных более 60 почвенных разрезов. Полная влагоемкость (ПВ) рассчитывается по данным удельного и объемного весов. По данным Л.Г. Еловской, А.К. Коноровского (1976) влажность разрыва капилляров (ВРК) можно принять равной некоторой доле НВ, а именно для почв: песчаных ВРК – 0,50 НВ, супесчаных ВРК – 0,55 НВ, легкосуглинистых ВРК – 0,60 НВ, средне- и тяжелосуглинистых ВРК – 0,70 НВ и глинистых ВРК – 0,80 НВ [7, с. 128].
Осредненные данные водно-физических свойств почв
|
Почвогрунт |
УВ, г/см3 |
ОВ, г/см3 |
ПВ, % от веса |
НВ, % от веса |
ВРК, % от веса |
ВЗ, % от веса |
|
Суглинок |
2,71 |
1,37 |
49 |
26 |
17 |
9 |
|
Супесь |
2,63 |
1,45 |
45 |
22 |
14 |
4 |
|
Песок |
2,66 |
1,43 |
46 |
16 |
8 |
2 |
|
Мох |
1,48 |
0,18 |
88 |
62 |
43 |
14 |
|
Торф |
1,48 |
0,28 |
81 |
56 |
43 |
14 |
|
Щебень |
2,70 |
2,70 |
||||
|
Галька, валун |
2,65 |
2,65 |
Влажность устойчивого завядания (ВЗ) абсолютно сухой почвы по данным С.А. Вериго, Л.А. Разумовой (1973) можно принять: песок – 0,5–1,5, супесь – 1,5–4,0, суглинок легкий – 3,5–7,0, суглинок средний – 5,0–7,0, суглинок тяжелый – 8,0–12,0, глина – 12,0–20,0, торф (низинного болота) – 40,0–50,0 в процентах от веса [8, с. 56]. Влажность ВЗ в период вегетации растений несколько изменяется в связи с изменением температуры почвы, поскольку подвижность влаги увеличивается, а вязкость и водоудерживающая сила с повышением температуры уменьшаются. К концу лета влажность устойчивого завядания ниже, чем весной. Однако эти изменения невелики. По расчетам, выполненным на основе данных о температуре почвы, они колеблются около 5 % величины влажности.
Осредненные данные водно-физических свойств почв бассейна р. Лены представлены в таблице.
Результаты исследования и их обсуждение
Удельный и объемный вес. Доля почвогрунтов с удельным весом, равным 2,64–2,65 г/см3, соответствует песчаному механическому составу и занимает 22 % от общей площади (рис. 1, а). Почти столько же площади занимают почвогрунты с супесчаным и песчаным механическим составом (УВ = 2,66–2,67 г/см3). Почвогрунты плакорных, склоновых делювиально-коллювиальных, делювиально-солифлюкционных на карбонатных горных породах, межаласных, долинных, горно-склоновых делювиально-солифлюкционных комплексов с суглинистым составом отложений с удельным весом 2,70–2,71 г/см3 занимают до 44 % площади. Доля торфянистых почв с удельным весом 1,48 г/см3 также значительна – 11 %. Они встречаются на приводораздельных, межгрядово-низинных, интразональных долинных, северо- и среднетаежных зандровых, ледниково-долинных и мелкодолинных типах местности. Средний объемный вес почвогрунтов деятельного слоя, кроме торфа, изменяется незначительно и колеблется от 1,37 до 1,45 г/см3. Самую большую площадь занимают почвогрунты с объемным весом 1,37 г/см3 (53 %), наименьшую с объемным весом 0,28 г/см3 – 4 % (рис. 1, б).
Рис. 1. Площадь распределения удельного (а) и объемного (б) весов почвогрунтов бассейна р. Лены
Рис. 2. Площадь распределения влагозапасов деятельного слоя почвогрунтов бассейна р. Лены: а) нижний предел увлажнения при минимальном СТС; б) верхний предел увлажнения при минимальном СТС; в) нижний предел увлажнения при максимальном СТС; г) верхний предел увлажнения при максимальном СТС
Влагозапасы почвогрунтов. Величина влагозапасов деятельного слоя ландшафтов зависит от атмосферных осадков, испаряемости, типа растительного покрова, рельефа, механического состава и водно-физических свойств почвогрунтов, глубины сезонного протаивания и т.д.
Рассмотрим минимальное содержание влаги в деятельном слое, которое может наблюдаться в засушливые годы и максимальное ее содержание в более увлажненные годы. В засушливые годы влагозапасы деятельного слоя бассейна р. Лены изменяются от 20 до 590 мм. Наименьшее содержание влаги наблюдается на горно-тундровых, горно-редколесных типах ландшафта, где в составе почвогрунтов содержатся до 80 % гравия и галечника, а протаивание составляет всего 0,6–0,8 м. Наибольшее количество влаги наблюдается на тундровых и среднетаежных типах ландшафта. В зоне тундры количество осадков превышает испаряемость, поэтому в теплый период почва постоянно переувлажнена. В среднетаежных ландшафтах с прерывистым и островным характером многолетнемерзлых пород наибольшее содержание влаги объясняется суглинистым механическим составом почвогрунтов и большой глубиной протаивания.
В наиболее увлажненные годы максимальное содержание влаги в деятельном слое может достигать 650–910 мм при больших значениях мощности деятельного слоя. Такое содержание влаги характерно для среднетаежных ландшафтов с прерывистым и островным распространением многолетнемерзлых пород, а также для сезоннопромерзающих южнотаежных ландшафтов. Механический состав почвогрунтов при этом в основном суглинистый, растительность представлена лиственнично-сосновым, ольховниковым лимнасово-кустарничниково-зеленомошным и пихтово-кедровым, кедрово-еловым лесами.
Для упрощения анализа пространственного распределения влагозапасов деятельного слоя нами проведена градация его через 50 мм (рис. 2). Из диаграммы видно, что почвогрунты с влагозапасом до 50 мм при минимальном СТС-СМС в засушливые годы занимают 15 %, а во влажные годы – 2 % от общей площади (рис. 2, а, б). Такие влагозапасы характерны для горно-тундрового, горно-редколесного и подгольцово-кустарникового типов ландшафта с песчаным и супесчаным механическим составом с включениями гравия и щебня, для которого характерно небольшое значение сезонного протаивания. Наибольшую площадь в засушливые годы при минимальном СТС занимают почвогрунты с влагозапасом от 150 до 200 мм (27 %), а во влажные годы – от 200 до 250 мм (19 %). Почвогрунты с таким влагозапасом встречаются в северотаежных, среднетаежных и горно-таежных типах ландшафта. В этих типах ландшафта преобладают почвогрунты из суглинка, супеси, песка с включениями гравия и щебня. Средние значения глубин сезонного протаивания составляют 1,2–1,6 м. Среднетаежные и горно-таежные ландшафты с островными и прерывистыми многолетнемерзлыми породами, южнотаежные талые с СМС до 2,5 м содержат свыше 400 мм влаги и занимают от 2 до 0 % общей площади.
При максимальном протаивании в засушливые годы почвогрунты с содержанием влаги 50–100 мм занимают 15 % площади (рис. 2, в). Почвогрунты с таким содержанием влаги встречаются на подгольцово-кустарниковых, горно-редколесных, горно-тундровых, северотаежных ландшафтах. Общим для них является то, что почвогрунты содержат до 80 % грубообломочного материала и протаивают от 0,8 до 1,5 м. Во влажные годы площадь ландшафтов с содержанием влаги 50–100 мм сокращается до 5 % (рис. 2, г). Около 22 % территории в засушливые и влажные годы занимают почвогрунты с влагозапасами 250–300 мм. Если в засушливые годы почвогрунты с влагозапасами свыше 400 мм занимают наименьшую площадь (2 %), то в увлажненные годы на долю свыше 500 мм приходится 18 % территории.
Заключение
По условиям годового увлажнения территория бассейна р. Лены попадает в зоны достаточно влажного, умеренно влажного и недостаточного увлажнения.
Приближенный расчет влагозапасов деятельного слоя почвогрунтов бассейна р. Лены показал широкий диапазон его изменения от 20 до 910 мм в зависимости от ландшафтов, механического состава и водно-физических свойств грунтов, глубины сезонного протаивания и промерзания.
В засушливые годы влагозапасы деятельного слоя бассейна р. Лены изменяются от 20 до 590 мм.
В наиболее увлажненные годы максимальное содержание влаги в деятельном слое бассейна р. Лены может достигать 650–910 мм при больших значениях мощности деятельного слоя.
Наименьшее содержание влаги наблюдается на горно-тундровых, горно-редколесных типах ландшафта, где мощность деятельного слоя составляет всего 0,6–0,8 м.
Наибольшее количество влаги наблюдаются на тундровых, среднетаежных типах ландшафта, а также на сезоннопромерзающих южнотаежных ландшафтах, где механический состав почвогрунтов представлен суглинками.